Plynové turbíny: Konstrukce, provoz a aplikace

Plynové turbíny jsou fascinující lopatkové stroje, které prošly dlouhým a intenzivním vývojem, zejména díky potřebám leteckého průmyslu. Dnes se s nimi setkáváme v mnoha oblastech – od výroby elektrické energie přes pohon vozidel až po raketovou techniku. Pochopení konstrukce, provozu a aplikací plynových turbín je klíčové pro studenty technických oborů. Tento článek vám nabídne komplexní přehled.Jsou to stroje, kde mezilopatkovými kanály protéká teplonosná látka, u níž nedochází ke změně skupenství. Základní princip byl patentován už v roce 1791 a jejich rychlý rozvoj je spojen s vývojem proudových motorů.

Základní charakteristika a rozdělení plynových turbín

Plynové turbíny se liší od parních turbín několika klíčovými parametry. Pracují s vyššími teplotami pracovního média (650 až 850 °C, u leteckých až 1250 °C), ale s menšími provozními tlaky. To umožňuje tenčí stěny dílů a jejich nižší hmotnost. Poměr měrných objemů pracovní látky na výstupu a vstupu je u plynových turbín 3 až 9, zatímco u parních 100 až 400, což znamená menší rozdíly v délce lopatek a menší počet stupňů (1 až 8).

Turbokompresor spotřebuje přibližně dvě třetiny výkonu plynové turbíny, zbývající třetina je využita k pohonu zařízení. Celkový výkon plynové turbíny je tedy přibližně trojnásobek čistého výkonu.

Rozdělení plynových turbín:

• Spalovací turbína: Spaliny proudí přímo ze spalovací komory na oběžné lopatky.
• Plynová turbína (s výměníkem): Spalovací komora funguje jako výměník, ohřívající pracovní plyn, který expanduje v turbíně. Lopatky nejsou v přímém styku se spalinami.
• Expandér (expanzní turbína): Turbína je napojena na jiný zdroj tlakového plynu a nemá spalovací komoru ani vlastní turbokompresor.

Dnes se převážně používá přetlakový způsob expanze (s reakcí), kde se tlaková energie mění v kinetickou jak v rozváděcích, tak v oběžných lopatkách.

Otevřený a uzavřený oběh plynové turbíny

Plynová turbína je součástí širšího strojního zařízení, které zahrnuje turbokompresor, spalovací nebo ohřívací komoru, spouštěcí zařízení a poháněný stroj (alternátor, lodní šroub atd.).

• Otevřený oběh: Turbokompresor nasává atmosférický vzduch a spaliny jsou po expanzi v turbíně odvedeny do ovzduší. Je méně složitý a levnější, ale lopatky jsou znečišťovány. Celková účinnost se pohybuje kolem 0,2.
• Uzavřený oběh: Pracovní médium cirkuluje přes ohřívací komoru, turbínu a turbokompresor. Lopatky nejsou znečišťovány spalinami, ale je složitější a dražší. Účinnost je 0,3 až 0,35 a při teplotách kolem 1000 °C může dosáhnout až 0,4.

Oba typy oběhů mohou pro zvýšení účinnosti a snížení spotřeby paliva využívat teplo odcházející pracovní látky zařazením výměníku.

Hlavní části plynových turbín a jejich materiály

Kvalita materiálů je klíčová vzhledem k extrémním provozním teplotám a namáhání.

• Rozváděcí lopatky: Provozní teplota 600–950 °C, namáhání do 50 MPa. Používají se nerezavějící chromové oceli, austenitické chromové oceli, speciální slitiny (Nimonie, PH-AKNC).
• Oběžné lopatky: Provozní teplota 550–900 °C. Materiály podobné jako u rozváděcích lopatek (Nimonie, Tinidur, Inconel). Životnost u průmyslových turbín je 50 000 až 100 000 hodin, u leteckých 1 000 až 5 000 hodin. Lopatky jsou namáhány odstředivou silou a ohybovým momentem, přičemž vysoké teploty snižují pevnost. Kritické je i tečení za tepla (creep) a chvění (kmitání), které může vést k únavovým lomům a zničení rotoru.
• Rotor: Provozní teploty 200–600 °C s velkými teplotními rozdíly. Obvykle výkovky (hřídel s nasazenými koly nebo buben) z perlitických ocelí legovaných pro vysokou teplotní odolnost, chromových a austenitických ocelí. Rotor je precizně vyvážen.
• Skříň plynové turbíny: Dvoudílný odlitek u průmyslových turbín, lisovaná a svařovaná z plechových částí u leteckých. Materiály jsou podobné jako u rotorů.
• Plamenec spalovací komory: Extrémně namáhaná část s provozními teplotami 700–1100 °C. Ze speciálních materiálů jako austenitická ocel, Cr, Ni, Co ocel, Nimonie. U leteckých motorů se někdy opatřuje povlakem z keramických materiálů.

Chlazení plynových turbín

Kvůli vysokým teplotám (600–900 °C), při nichž se projevuje trvalé tečení materiálu, je chlazení nezbytné. Nejčastěji se používá vzduch, který se buď mísí se spalinami před vstupem do turbíny, nebo proudí chladicími tryskami či kanálky přímo na tepelně namáhané díly. Některé lopatky jsou duté, s vnitřními chladicími kanálky.

Paliva pro plynové turbíny: Přehled a úskalí

Plynové turbíny mají minimální požadavky na kvalitu paliva ve srovnání se spalovacími motory, nicméně se u nich objevují jiné problémy.

1. Plynná paliva: Velmi vhodná, díky výborné mísitelnosti se vzduchem a minimálnímu znečištění lopatek. Používá se zemní plyn (vysokovýhřevný) nebo vysokopecní plyn (nízkovýhřevný).
2. Kapalná paliva: Převážně z ropy, ale i z uhelného dehtu. Vhodná je i surová ropa nebo její frakce (lehký topný olej, mazut). Problémem je obsah vanadu v těžších frakcích. Kolem 660 °C se V

₂O₅ v těstovitém stavu lepí na součásti a spolu s Cr

₂O₃ (na lopatkách) způsobuje vnitřní korozi. Rychlost koroze roste s teplotou. Omezení se dosahuje volbou materiálů nebo drahými inhibitory v palivu. 3. Tuhá paliva: Způsobují potíže s nespalitelnými zbytky nalepujícími se na lopatky. Nepřímo lze využít zplyněním na plynné palivo.

Provoz plynových turbín: Spouštění, zatěžování, odstavování a údržba

Efektivní a bezpečný provoz je zajištěn specifickými postupy.

Spouštění turbíny

Pro rozběh soustrojí je nutný cizí zdroj energie (elektromotor, malý spalovací motor nebo expanzní turbína), který roztočí hřídel turbokompresoru. Při dosažení 20–25 % provozních otáček se pomocným zapalovacím zařízením zažehne plamen v hlavních hořácích. Spouštěcí čas u středního výkonu je 300–600 sekund.

Zatěžování a odlehčování

Stabilní průmyslové turbíny lze zatížit asi za 15–20 minut po spuštění, letecké ještě rychleji. U prohřátého soustrojí jsou spouštěcí časy velmi krátké. Při náhlém odlehčení má soustrojí sklon k přetáčení, které je omezeno brzdným účinkem turbokompresoru a automatickým zapínáním brzdných odporů alternátoru. Při překročení povolené meze otáček (10–20 % nad provozní otáčky) se aktivuje rychlouzávěr paliva.

Odstavení turbíny

Soustrojí se odstaví odpojením alternátoru ze sítě a uzavřením přívodu paliva. Soustrojí doběhne setrvačností. Po doběhnutí se rotor protáčí elektromotorem, aby se zabránilo deformacím vlivem nestejnoměrného chladnutí. V činnosti je pomocné olejové čerpadlo.

Promývání soustrojí

Při použití těžkých kapalných paliv se na lopatkách usazují nánosy snižující účinnost. Tyto nánosy se odstraňují promýváním horkou vodou. Před promýváním se turbína vychladí pod 100 °C, rotor se roztočí spouštěčem a nechá se doběhnout, přičemž se tryskami přivádí horká voda. Po promývání je nutné turbínu dokonale odvodnit a vysušit.

Aplikace plynových turbín v praxi

Plynové turbíny nacházejí uplatnění v mnoha odvětvích, kde jsou ceněny pro svůj výkon a flexibilitu.

1. Stabilní elektrárenské plynové turbíny: Používají se jako špičkové nebo záložní zdroje díky rychlému spouštění a odstavování.
2. Plynová turbína jako lokomotivní (hnací) jednotka: V minulosti se u nás vývojem zabývala Škoda Plzeň. Dnes se upřednostňuje elektrický nebo diesel-elektrický pohon.
3. Plynová turbína pro silniční motorová vozidla: V zahraničí se v menším rozsahu používá pro osobní, nákladní i hromadnou dopravu. Obvykle dvouhřídelové uspořádání.
4. Plynová turbína pro lodě: Dříve se používala v kombinaci se vznětovým motorem, dnes samostatně. Výhodou je dvouhřídelové uspořádání, oddělující pohon turbokompresoru od pohonu lodního šroubu (kompresorová a trakční turbína).
5. Plynová turbína pro pohon turbokompresoru: Vhodné pro kompresorové stanice tranzitních plynovodů, kde palivem je dopravovaný zemní plyn.
6. Plynová turbína pro přeplňování spalovacích motorů: Poháněna výfukovými plyny, pohání turbodmychadlo, které přeplňuje válce spalovacího motoru, zvyšuje výkon o 30–100 %. Používá se hlavně u vznětových motorů, ale i u zážehových.
7. Plynová turbína v letectví: Jednohřídelové nebo dvouhřídelové turbíny pro pohon turbovrtulových a proudových motorů. Mají omezenou životnost letových hodin, ale vyřazené jednotky lze využít jinde (pomocné elektrárny, rozmrazovací soustrojí).
8. Plynové turbíny v raketové technice: Pohon čerpadel pro dopravu paliva a okysličovadla a dalších pomocných zařízení. Jako pracovní médium se využívá stlačený inertní plyn.
9. Paroplynové oběhy: Kombinace spalovací turbíny s parním generátorem pro zvýšení účinnosti. Spaliny ze spalovací komory jdou do turbíny, která pohání turbodmychadlo. Teplo odcházejících spalin se využije k předehřívání napájecí vody pro parní generátor.
10. Plynová turbína v jaderné energetice: U uzavřeného okruhu lze jako zdroj tepelné energie použít jaderný reaktor. Turbína musí být dvouhřídelová pro chlazení reaktoru i při odstaveném generátoru.

Výroba plynových turbín v ČSSR

V bývalém Československu byly významným výrobcem stacionárních plynových turbín První brněnská strojírna v Brně. Plnící turbodmychadla pro přeplňování vznětových motorů, poháněná turbínou na výfukové plyny, vyráběl také závod Velká Bíteš.

Srovnání plynové a parní turbíny

Pro lepší pochopení rozdílů mezi těmito dvěma typy turbín uvádíme srovnávací tabulku:

Často kladené otázky k plynovým turbínám (FAQ)

Jaké jsou hlavní výhody a nevýhody otevřeného a uzavřeného oběhu plynové turbíny?

Otevřený oběh je jednodušší a levnější, ale lopatky jsou vystaveny spalinám a účinnost je nižší. Uzavřený oběh je složitější a dražší, avšak chrání lopatky před znečištěním a dosahuje vyšší účinnosti díky cirkulaci pracovního média.

Proč je nutné chlazení lopatek plynových turbín a jak probíhá?

Lopatky pracují při velmi vysokých teplotách (600–900 °C), kde dochází k tečení materiálu (creepu). Chlazení je nezbytné pro udržení pevnosti a prodloužení životnosti. Chladí se nejčastěji vzduchem, který se buď mísí se spalinami, nebo proudí speciálními kanálky přímo do dutých lopatek.

Jaké problémy mohou nastat při spalování kapalných paliv a jak se jim předchází?

Hlavním problémem je obsah vanadu v těžších frakcích kapalných paliv, který při vysokých teplotách (kolem 660 °C) tvoří V₂O₅. Ten se lepí na součásti turbíny a způsobuje vnitřní korozi. Předchází se tomu volbou odolnějších materiálů nebo přidáváním drahých inhibitorů do paliva, které brání usazování vanadových sloučenin.

Jaká je životnost oběžných lopatek a co ji ovlivňuje?

Životnost oběžných lopatek se liší: u průmyslových turbín je to 50 000 až 100 000 hodin, u leteckých 1 000 až 5 000 hodin. Ovlivňují ji vysoké provozní teploty snižující pevnost, namáhání odstředivou silou a ohybovým momentem, tečení za tepla (creep) a chvění (kmitání), které může vést k únavovým lomům.

Jaký je význam přeplňování spalovacích motorů pomocí plynové turbíny?

Přeplňování spalovacích motorů pomocí plynové turbíny (turbodmychadla) umožňuje zvýšit jejich výkon o 30 až 100 %. Turbína je poháněna výfukovými plyny, což využívá jinak ztracenou energii, a pohání kompresor, který do motoru vhání vzduch pod tlakem, zlepšující spalování.