Parní turbína / Fyzikální principy

Pracovní látkou v parní turbíně je vodní pára, jejíž tepelná energie, kterou získala v uhelném kotli od produktů spalování paliva, se mění na mechanickou práci rotoru. Proces transformace energie probíhá při expanzi páry, proudící mezilopatkovým prostorem rozváděcího a v případě přetlakové turbíny i oběžného kola. Do turbíny vstupuje pára s určitou tlakovou energií, která se postupně v jednotlivých stupních turbíny mění expanzí na kinetickou energii. Tu pára na svojí další cestě předá s určitou účinností lopatkám oběžných kol, které konají mechanickou práci.

Mezi pohyblivými lopatkami rotorových oběžných kol se při složení turbíny nachází statorová rozváděcí kola, v nichž probíhá expanze páry

V ideální turbíně probíhá expanze páry jako izoentropický děj (entropie soustavy se nemění) – pára koná práci na úkor vnitřní energie.

Ze zjednodušené rovnice prvního zákonu termodynamiky vyplývá, že měrná mechanická práce ideální turbíny se rovná izoentropickému tepelnému spádu, tvořenému rozdílem měrných entalpií páry na vstupu do turbíny (i_p [kJ/kg]) a výstupu z turbíny (i_k0 [kJ/kg]).

a = i_p – i_k0 = Δi₀

V reálných parních turbínách dochází například vlivem tření páry v lopatkování ke ztrátám a skutečný tepelný spád je menší.

Δi = i_p – i_k

Míru zmenšení spádu a tím i výsledné měrné mechanické práce charakterizuje vnitřní termodynamická účinnost turbíny.

η_td = Δi / Δi₀ = (i_p – i_k) / (i_p – i_k0)

Ideální a reálný tepelný spád turbíny znázorněný v i-s diagramu

Výkon parní turbíny (P_t [kW]) je zjednodušeně přímo úměrný skutečnému tepelnému spádu a množství páry protékající turbínou (m_p [kg/s]).

P_t = m_p . (i_p – i_k)

Emisní pára vycházející z turbíny kondenzuje na trubkách kondenzátoru při stálém emisním tlaku. Pokud má vzniklý kondenzát na výstupu z kondenzátoru entalpii i_kon, turbína má následující spotřebu tepla (Q_t [kJ/s]).

Q_t = m_p . (i_p – i_kon)

Optimalizace cyklu

Maximální využití parametrů páry v parní turbíně lze dosáhnout carnotizací tepelného oběhu. V Carnotově cyklu určují tepelnou účinnost střední teploty přívodu a odvodu tepla. Mezi základní úpravy, přispívající ke zlepšení účinnosti cyklu, patří:

• zvýšení teploty páry na vstupu do turbíny,
• zvýšení tlaku páry na vstupu do turbíny,
• přihřívání páry mezi VT a ST dílem,
• regenerační ohřev napájecí vody,
• snížení teploty kondenzace.