Nadpis kapitola 1 (styl Nadpis 1)

Stavba a provoz strojů – lopatkové stroje1. Úvod ....................................................................................................................... 22. Rozdělení lopatkových strojů .................................................................................. 23. Hydrodynamická čerpadla .................................................................................. 23.1 Rozdělení hydrodynamických čerpadel ................................................... 33.2 Konstrukce čerpadel.................................................................................... 33.3 Radiální hydrodynamická čerpadla ..................................................... 73.4 Axiální hydrodynamická čerpadla ................................................................. 83.5 Zvláštní hydrodynamická čerpadla .............................................................. 94. Ventilátory a turbokompresory .............................................................................. 114.1 Rozdělení ventilátorů a turbokompresorů.................................................. 114.2 Radiální ventilátory .................................................................................... 124.3 Axiální ventilátory ...................................................................................... 134.4 Radiální turbokompresory ......................................................................... 134.5 Axiální turbokompresory ............................................................................ 155. Vodní turbíny ........................................................................................................ 155.1 Vodní díla .................................................................................................. 155.2 Rozdělení vodních turbín .......................................................................... 175.3 Peltonova turbína ....................................................................................... 185.4 Francisova turbína .................................................................................... 205.5 Kaplanova turbína ...................................................................................... 216. Parní a plynové turbíny ......................................................................................... 236.1 Parní turbíny .............................................................................................. 236.1.1 Rozdělení parních turbín ................................................................ 236.1.2 Rovnotlaká parní turbína ................................................................ 236.1.3 Přetlaková parní turbína .................................................................. 246.1.4 Curtisova parní turbína ................................................................... 256.1.5 Konstrukce parních turbín ............................................................... 266.2 Plynové turbíny ......................................................................................... 286.2.1 Rozdělení plynových turbín ............................................................ 286.2.2 Základní okruhy plynových turbín .................................................. 286.2.3 Použití plynových turbín ................................................................. 291

Stavba a provoz strojů – lopatkové stroje1. ÚvodTato publikace je určena jako učební text pro část látky předmětu Stavba a provozstrojů 4. ročníku oboru Strojírenství středních průmyslových škol strojnických.Současně slouží jako základ pro část maturitních otázek tohoto oboru.Publikace zpracovává základy látky týkající se lopatkových strojů a to jak pracovníchstrojů (čerpadla, ventilátory a kompresory), tak i motorů (vodní, parní a plynovéturbíny).Publikace je zaměřena především popisně a jejím účelem je vysvětlit podstatu funkcea konstrukci jednotlivých strojů. Podrobnější výpočty jednotlivých částí se provádí nazákladě poznatků z nižších ročníků a to jak předmětu stavba a provoz strojů, tak ipředmětů souvisejících, především mechanika, matematika a fyzika.Ke zpracování této publikace vedl nedostatek učebních materiálů v této oblasti avycházela především z učebnice Stavba a provoz strojů IV autorů Skopal, Adámek,Hofírek.2. Rozdělení lopatkových strojůLopatkové stroje dělíme podle různých hledisek:1. Podle změny energie:a) Pracovní stroje - přiváděná mechanická práce se mění v energii tlakovou apohybovou (čerpadla, ventilátory, kompresory)b) b) Motory - tlaková a pohybová energie proudící látky se mění vmechanickou práci (vodní, parní a plynové turbíny)2. Podle polohy hřídele:a) Vertikální - hřídel je svislýb) Horizontální - hřídel je vodorovný3. Podle průtoku látky ve stroji:a) Radiální - směr proudění je převážně kolmý na osu strojeb) Diagonální - směr proudění je převážně šikmý vzhledem k ose strojec) Axiální - směr proudění je převážně rovnoběžný s osou4. Podle počtu oběžných kol:a) Jednostupňovéb) Vícestupňové5. Podle pracovní látky protékající strojem:a) Nestlačitelná pracovní látka - např. voda (čerpadla, vodní turbíny)b) Stlačitelná pracovní látka - např. vzduch, spaliny, vodní pára (kompresory,plynové a parní turbíny)3. Hydrodynamická čerpadla2

Stavba a provoz strojů – lopatkové strojeU hydrodynamických čerpadel vstupuje kapalina axiálně do oběžného kola, kde sedo ní předává přiváděná mechanická práce. V oběžném kole se zvyšuje tlak kapalinyvlivem tlaku lopatek oběžného kola na kapalinu a dále se zvyšuje rychlost kapalinyvlivem odstředivé síly a pohybu lopatek. Kapalina na výstupu má poměrně vysokoujak tlakovou, tak i kinetickou (rychlostní) energii. Za oběžným kolem následujedifuzor, ve kterém vlivem zvětšování průtočného průřezu klesá rychlost kapaliny akinetická energie se mění na energii tlakovou. U radiálních čerpadel je další částíčerpadla spirální skříň (spirála) sloužící k převodu kapaliny z radiálního do axiálníhosměru. U některých čerpadel slouží spirála současně jako difuzor.3.1 Rozdělení hydrodynamických čerpadelHydrodynamická čerpadla rozdělujeme především podle tvaru oběžného kola na:a) radiální - mají výstup kapaliny kolmý na osu rotace kola (obr. 1 a).Používají se pro menší průtoky a větší dopravní výšky (měrné energie).b) diagonální - mají výstup kapaliny šikmý vzhledem k ose oběžného kola(obr. 1 b). Používají se pro střední průtoky a střední dopravní výšky.c) axiální - mají výstup kapaliny rovnoběžný s osou oběžného kola (obr. 1 c).Používají se pro velké průtoky a malé dopravní výšky.U všech typů hydrodynamických čerpadel je axiální vstup kapaliny do oběžného kola.Obr. 1 - tvary oběžných kol hydrodynamických čerpadelDále rozdělujeme hydrodynamická čerpadla podle počtu stupňů na jedno- avícestupňová.3.2 Konstrukce čerpadelBěžná hydrodynamická čerpadla se skládají ze tří částí, jak je uvedeno na obr. 2(radiální čerpadlo). Hydraulická část I obsahuje vstupní a výstupní hrdlo, oběžné koloa spirální skříň. Oběžné kolo může být buďto uzavřené (nosný i krycí disk) nebootevřené (pouze nosný disk). Tvar lopatek oběžných kol je znázorněn v kapitoláchjednotlivých čerpadel. Příčný řez hydraulickou části čerpadla s difuzorem a spirálouje na obr. 3. Protože spirála slouží k rovnoměrnému převádění kapaliny z radiálníhodo axiálního směru, zvětšují se jednotlivé průřezy spirály také rovnoměrně: průřez3

Stavba a provoz strojů – lopatkové stroječtyři tvoří 25%, průřez tři 50%, průřez dva 75% a průřez jedna 100% celkovéhoprůtočného průřezu.Obr. 2 - konstrukční uspořádání radiálního hydrodynamického čerpadlaObr. 3 - tvar spirální skříněČást II je mechanická část a slouží k uchycení ložisek hřídele. Obvykle ji tvoří skříňumožňující mazání ložisek.Část III tvoří spojení mezi hydraulickou a mechanickou částí a současně těsní hřídelčerpadla (ucpávka). Ucpávka může být buďto měkká (tvořená kroužky z provazcůčtvercového průřezu, které jsou napuštěny mazivem - obr. 4) nebo mechanická (dvakroužky z tvrdého kovu nebo keramiky, jeden stojí a druhý se otáčí a jsou k soběpřitlačovány pružinou - obr. 5).4

Stavba a provoz strojů – lopatkové strojeObr. 4 - měkká ucpávkaObr. 5 – mechanická ucpávkaUcpávka měkká a mechanická v zamontovaném stavu jsou znázorněny na obr. 6 a7.Obr. 6 - zamontovaná měkká ucpávka5

Stavba a provoz strojů – lopatkové stroje2 – oběžné kolo22 - těsnění24 - pouzdro25 - kroužky z těsnicích provazců26 - přítlačný kroužek27 - proplachovací kroužek29 – příruba37 – šroubeníObr. 7 - zamontovaná mech. ucpávka24 - pouzdro40 - mechanická ucpávka43 - kryt45 - víko čerpadla49 - příruba50 - těsněníČerpadla axiální (vrtulová) se liší od radiálních především konstrukcí hydraulickéčást. Oběžné kolo tvoří vrtuli a je umístěno v potrubí (obr. 8). Z důvodu axiálníhosměru proudění u tohoto typu čerpadel odpadá spirála.Diagonální (šroubová) čerpadla tvoří přechod mezi radiálními a axiálními čerpadly.Podle velikosti úhlu výstupu kapaliny z oběžného kola může být čerpadlo řešeno sespirálou (pro větší úhly výstupu vzhledem k ose) nebo pouze s difuzorem (pro menší6

Stavba a provoz strojů – lopatkové strojeúhly výstupu vzhledem k ose) - obr. 9.Obr. 8 - vertikální axiální čerpadloObr. 9 - horizontální diagonální čerpadlo s difuzorem3.3 Radiální hydrodynamická čerpadlaPro řešení průtoku všemi lopatkovými stroji budeme nadále používat následujícíoznačení:c - absolutní rychlost (rychlost kapaliny vzhledem ke statoru-spirále nebo difuzoru)w - realitivní rychlost (rychlost kapaliny vzhledem k rotoru-oběžnému kolu)u - obvodová rychlost rotoru (oběžného kola) vzhledem ke statoruRychlostní a energetické poměry radiální čerpadla jsou znázorněny na obr. 10 zapředpokladu čistě radiálního vstupu kapaliny do oběžného kola (ohyb proudu zaxiálního do radiálního směru nastane ještě před vstupem do lopatek). Aby připrůtoku nenastaly rázy a víření, musí být rychlost kapaliny jak v oběžném kole (w),tak v difuzoru (c) tečná k lopatkám. V oběžném kole se kapalině předává energiejednak tlakem lopatek (z p1 na p2), jednak vlivem odstředivé síly a tvaru lopatek -viz. rychlostní trojúhelník na výstupu z oběžného kola (z c1 na c2). Ve statorudochází vlivem rozšiřování kanálů k poklesu rychlosti (z c2 na c3) a tím ke zvýšenítlaku podle Bernoulliho rovnice (z p2 na p3). Kinetická energie na výstupu je tedypouze o něco větší než na vstupu, zatímco tlaková energie je podstatně vyšší.7

Stavba a provoz strojů – lopatkové strojeObr. 10 - rychlostní a energetické poměry na radiálním čerpadleŘešení vstupních a výstupních úhlů lopatek vychází z rychlostních trojúhelníků(obr. 11). Pro čistě radiální vstup se úhel 1 vypočítá z rovnice tg 1=c 1 /u 1Výstupní úhel lopatky oběžné kola tg 2=c m2 /(u 2 -c u2 )Vstupní úhel lopatky difuzoru tg 2=c m2 /c u2Výstupní úhel lopatky difuzoru 3 se určuje podle požadované výstupní rychlosti c3 atvaru spirály.Obr. 11 - řešení tvaru lopatek radiálního čerpadlaPřechody mezi vstupy a výstupy lopatek bývají obecné křivky, u čerpadel s nižšíúčinností kruhové oblouky.3.4 Axiální hydrodynamická čerpadlaRychlostní a energetické poměry axiálního čerpadla jsou znázorněny na obr. 12 zapředpokladu čistě axiálního průtoku mezi vstupem a výstupem. Popis průtokuoběžným kolem a difuzorem (převáděcími lopatkami) a výpočet jednotlivých úhlů jeshodný s radiálním čerpadlem.8

Stavba a provoz strojů – lopatkové strojeObr. 12 - rychlostní a energetické poměry na axiálním čerpadleU axiálních čerpadel se musí také uvažovat s rozdílnou obvodovou rychlostí u narůzných průměrech lopatek. Z tohoto důvodu se mění úhly a v závislosti naprůměru od největších u náboje až po nejmenší na obvodu - viz. obr. 13.Obr. 13 - vliv průměru lopatek na velikost úhlů axiálního čerpadla3.5 Zvláštní hydrodynamická čerpadlaKromě klasických hydrodynamický čerpadel se používají čerpadla pro zvláštní účely,z nichž uvádím:6. Dvouproudové čerpadlo - obr. 149

Stavba a provoz strojů – lopatkové strojeJedná se o dvě čerpadla, která mají oběžná kola se zvláštním vstupem, alespolečným výstupem. Tím, že se průtok rozdělí na dvě části, je umožněno použitíradiálního čerpadla i tam, kde parametry klasického uspořádání odpovídajídiagonálnímu nebo axiálnímu čerpadlu.7. Kalové čerpadlo - obr. 15Oběžná kola kalových čerpadel mají kanály, které se od vstupu k výstupu nezužují.Dále se používají oběžná kola bez krycích disků. Tyto úpravy umožňují čerpánísměsí s poměrně velkými kusovými součástmi, aniž by hrozilo ucpání oběžných kol.Účinnost těchto čerpadel díky horším hydrodynamickým poměrům je podstatně nižší.Obr. 14 - dvouproudé čerpadloObr. 15 - oběžná kola kalových čerpadel8. Samonasávací čerpadlo - obr. 16Samonasávací čerpadlo podle obr. je vlastně klasické radiální čerpadlo, které má nasání vytvořenu nádrž tak, že vstup do oběžného kola je stále ponořen. Při zapnutíčerpadla se vyčerpá kapalina z nádrže a ve vstupním potrubí nastane podtlak, kterýnasaje kapalinu.Dalším řešením je použití čerpadla s čistě radiálními lopatkami, které vyvolají podtlakv sání. Toto řešení má však nižší účinnost.Obr. 16 - samonasávací čerpadlo9. Čerpadla s elektromagnetickou spojkou - obr. 1710

Stavba a provoz strojů – lopatkové strojeTato čerpadla slouží k čerpání nebezpečných kapalin. Neporuchovějším místemčerpadla je totiž ucpávka. Pro čerpání nebezpečných kapalin se tedy používajíbezucpávková čerpadla, kde přenos kroutícího momentu probíhá přeselektromagnetickou spojku. Ložiska oběžného kola jsou tedy mazána čerpanoukapalinou. Další omezení spočívá v maximálním možném výkonu elektromagnetickéspojky.10. Ponorná čerpadlaPro čerpání z větších hloubek se používají ponorná čerpadla, u kterých je čerpadlo smotorem konstruováno v jednom bloku a celé čerpadlo včetně motoru se spouští podsací hladinu. Tato čerpadla vyžadují dokonalé ucpávky a utěsnění přívodu elektrickéenergie z důvodu nebezpečí vniknutí kapaliny do motoru.Obr. 17 - čerpadlo s elektromagnetickou spojkou4. Ventilátory a turbokompresory4.1 Rozdělení ventilátorů a turbokompresorůStroje na stlačování plynů dělíme podle1. tlaku:a) vývěvy - vstupní tlak je nižší než atmosférický. Slouží k odsávání plynuz určitého prostoru.b) ventilátory - výstupní přetlak je menší než 104 Pa.c) c) turbodmychadla - výstupní přetlak je větší než 104 Pa. Nemají chladičestlačovaného plynu.d) d) turbokompresory - výstupní přetlak je větší než 104 Pa. Obsahujíchladiče stlačovaného plynu.2. směru výstupu plynua) radiální - výstup je kolmý na osu rotoru.b) axiální - výstup je rovnoběžný s osou rotoru.3. počtu stupňů:a) jednostupňovéb) vícestupňové11

Stavba a provoz strojů – lopatkové strojeTurbokompresory jsou vždy vícestupňové.4.2 Radiální ventilátoryRadiální ventilátory mají tvar oběžného kola podle požadovaného přetlaku. Úzká kolas velkým průměrem mají větší přetlak než široká kola s malým průměrem - viz. obr.18.Obr. 18 - tvary kol radiálních ventilátorů v závislosti na dosaženém přetlakuZ hlediska energetického nemluvíme u ventilátorů na rozdíl od čerpadel o kinetické atlakové energii, ale o dynamickém ( p d ) a statickém ( p st ) přetlaku. Podíl statického acelkového přetlaku se nazývá stupeň reakce r= p st / p. Na dosažený stupeň reakcemá vlivtvar lopatek oběžného kola radiálního ventilátoru - viz. obr. 19. Stroje s vyššímstupněmreakce se používají spíše pro stlačování plynů, stroje s nižším stupněm reakce spíšepro víření.Obr. 19 - tvary lopatek radiálního ventilátoru a jejich vliv na stupeň reakce12

Stavba a provoz strojů – lopatkové strojePodle tvaru lopatek rozdělujeme radiální ventilátory na stroje s lopatkami zakřivenýmidozadu (obr. 19 a, b) -stroje s lopatkami zahnutými dopředu (obr. 19 d) -4.3 Axiální ventilátoryAxiální ventilátory se používají pro dopravu větších průtoků plynů při menšíchpřetlacích. Na rozdíl od axiálních čerpadel (obr. 13) se u axiálních ventilátorůpoužívají lopatky s konstantním úhlemnízká kinetická energie). Pouze u velkých strojů se používají zakřivené lopatkyobdobně jako u axiálních čerpadel. Řešení vstupních a výstupních úhlů lopatkyoběžného kola axiálního ventilátoru a průběh relativních(w), osovýchmeridiánových(cm)rychlostí a tlaků(p) je zobrazeno na obr.20.4.4 Radiální turbokompresoryRozdíl mezi turbodmychadlem a turbokompresorem vysvětlený v kapitole 4.1. jeznázorněn v obr. 21. Zatímco pod pozicí a a b je znázorněno jedno- a třístupňovéturbodmychadlo, pod pozicí c je čtyřstupňový turbokompresor s chladičem mezidruhým a třetím stupněm a dochlazovákem plynu za čtvrtým stupněm na výstupu zkompresoru.Obr. 21 - rozdíl mezi turbodmychadlem a turbokompresorem13

Stavba a provoz strojů – lopatkové strojeNa rozdíl od ventilátorů mají radiální turbokompresory a turbodmychadla za oběžnýmkolem difuzor, ve kterém se část dynamického tlaku (kinetické energie) získaného voběžném kole mění na tlak statický (tlakovou energii) vlivem rozšiřujících se kanálůdifuzoru (Bernoulliho rovnice), jak je znázorněno na obr. 22. Celkový statický přetlakp st se tedy získává jednak v oběžném kole ( p st0 ), jednak přeměnou z rychlosti vdifuzoru ( p std ).Obr. 22 - energetické přeměny v jednom stupni radiálního turbokompresoruZ konstrukčního hlediska platí tyto zásady:Oběžné koloZ důvodu nízké měrné hmotnosti dopravovaného plynu bývá podstatně lehčí nežoběžné kolo čerpadel. Lopatky se vyrábí plechové a bývají přivařené nebopřinýtované ke kotouči. Pouze pro nejvyšší otáčky bývají z důvodu házení lopatkyvyfrézovány z jednoho kusu společně s kotoučem. V těchto případech jsou oběžnákola otevřená bez krycího kotouče.HřídelZ důvodu vysokých otáček je nutné kontrolovat hřídel na kritické otáčky.SkříňJe dělená a obě poloviny jsou spojeny předepjatými šrouby.MezistěnySlouží k převádění plynu mezi jednotlivými stupni. Tvoří vlastně difuzor. Zmontážních důvodů jsou stejně jako skříň děleny na dvě poloviny.LožiskaPoužívají se kluzná ložiska s hydrodynamickým mazáním.UcpávkyZ důvodu vysokých obvodových rychlostí se používají bezdotykové labyrintové(břitové) ucpávky. Protože tyto ucpávky z principu své funkce propouští malou částstlačovaného plynu, musí být v případech, kdy by dopravovaná látka mohla znečistit14

Stavba a provoz strojů – lopatkové strojeokolní ovzduší, spojena komora ucpávky se sacím hrdlem turbokompresoru. Uniklýplyn je tedy odsáván do vstupního hrdla.4.5 Axiální turbokompresoryPrůběh tlaku a rychlosti je zcela shodný s axiálním čerpadlem (obr. 12). Protože všaku axiálních turbokompresorů vznikne v jenom stupni pouze malý přetlak, vyrábí setyto stroje vždy vícestupňové. Z konstrukčního hlediska platí pro axiálníturbokompresory stejné zásady jako pro radiální turbokompresory, pouze tvar lopatekje odlišný a z důvodu osového průtoku plynu jsou ve skříni místo mezistěn pouzeřady statorových lopatek, které usměrňují směr plynu. Konstrukce axiálníchturbokompresorů je tedy jednodušší než konstrukce radiálních turbokompresorů.5. Vodní turbíny5.1 Vodní dílaVodními díly nazýváme všechna stavební a strojní zařízení, ve kterých se získávázpracováním vodního spádu elektrická energie. Skládají se z přívodní části, strojovny(vodní turbína a alternátor) a odvodu vody. Vodní díla se rozdělují podlezpracovávaného spádu, tj.. rozdílu mezi hladinou vody před a za dílem.Nízkotlaké vodní dílo(do spádu 15m) - obr. 23Může být buďto derivační (viz. obr. 23) pro větší spády - je umístěno mimo hlavnívodní tok - nebo průtočné pro menší spády, kdy jsou turbíny umístěny přímo v jezu.Nízkotlaká vodní díla jsou především malé vodní elektrárny.Obr. 23 - derivační nízkotlaké vodní dílo15

Stavba a provoz strojů – lopatkové strojeStředotlaké vodní dílo(spád 10 až 90m) - obr. 24Jedná se o klasické přehradní nádrže, kde dochází k vytvoření spádu přehrazenímvodního toku sypanou nebo zděnou přehradní zdí. Jedná se o nejčastější vodní díla.Typickým příkladem těchto vodních děl je vltavská vodní kaskáda.Obr. 24 - středotlaké vodní díloVysokotlaké vodní dílo(spád nad 60m) - obr. 25Vstupní a výstupní nádrž jsou od sebe poměrně značně vzdáleny a proto jsouspojeny přiváděcím potrubím. Z důvodu vysokých tlaků a značných délek potrubíexistuje u tohoto typu nebezpečí vodního rázu při náhlém uzavření potrubí, kterémuse bráníme vyrovnávacími nádržemi.16

Stavba a provoz strojů – lopatkové strojeObr. 25 - vysokotlaké vodní díloPřečerpávací hydrocentrályobr. 26Jsou zvláštním typem vysokotlakých vodních děl. Ve strojovně je umístěna jakturbína s alternátorem, tak i čerpadlo s elektromotorem (buďto jako zcela samostatnéstroje nebo reverzní elektrický stroj s turbínou a čerpadlem na jedné hřídeli neboreverzní elektrický stroj s reverzní turbínou). V době energetických špiček se vodavypouští z horní nádrže přes turbínu do spodní nádrže a v době relativního přebytkuelektrické energie se voda čerpá ze spodní do horní nádrže. Jejich výhodou jepředevším velmi rychlý náběh. U nás se jedná např. o hydrocentrálu Dlouhé Stráně vJeseníkách. Na Slovensku pracuje přečerpávací elektrárna Čierny Váh v NízkýchTatrách.Obr. 26 - princip přečerpávací hydrocentrály5.2 Rozdělení vodních turbínVodní turbíny jsou stroje, ve kterých měníme tlakovou a kinetickou energii proudícívody na mechanickou práci. Dělíme je podle různých hledisek:1. podle tlaku před a za oběžným kolem17

Stavba a provoz strojů – lopatkové strojea) rovnotlaké - obr. 27 a) - veškerý tlak získaný spádem v přívodním potrubíse změní v rozváděcím kole (rk) na kinetickou energii. Voda vstupuje dooběžného kola (ok) s vysokou rychlostí. Oběžné kolo zpracovává pouzerychlostní energii, tlak před a za oběžným kolem je stejný (obvykleatmosférický).Obr. 27 - průběhy tlaků a rychlostí u rovnotlaké a přetlakové turbínyb) přetlakové - obr. 27 b) - v rozváděcím kole se přemění pouze část tlaku nakinetickou energii. Oběžné kolo zpracovává jak tlakovou, tak i kinetickouenergii. Tlak na výstupu z oběžného kola bývá často z důvodu co možnánejvětšího zpracování spádu menší než atmosférický, takže za oběžnýmkolem bývá umístěna kuželová roura (savka), ve které se díky sníženírychlosti zvýší tlak na atmosférický.2. podle polohy hřídelea) a) horizontální - hřídel je vodorovnýb) b) vertikální - hřídel je svislý3. podle konstrukceMezi nejpoužívanější turbíny patří Peltonova, Francisova, Kaplanova, Dériazova avrtulová turbína. První tři budou podrobněji probrány v následujících kapitolách.5.3 Peltonova turbínaPeltonova turbína (obr. 28) patří mezi rovnotlaké turbíny a používá se pro nejvyššíspády (nad 100m). Voda se přivádí do 1 až 6ti trysek (poz. 3) umístěných kolemoběžného kola (poz. 1). V tryskách dochází zúžením proudu k velkému nárůsturychlosti a poklesu tlaku. Z trysek dopadá voda vysokou rychlostí (c 1 ) na ostří lopatek18

Stavba a provoz strojů – lopatkové stroje(pravá část obr. 28). Tvar lopatek je miskový a voda se obrací proti směru otáčeníoběžného kola (w 2 ). Vzhledem k rozdílnému směru otáčení lopatky (u2)a prouduvody vzhledem k lopatce (w2) je absolutní výstupní rychlost vody (c 2 ) velmi malá.Obr. 28 - princip Peltonovy turbínyLopatky Peltonovy turbíny musí být z důvodu značného namáhání předevšímv oblasti břitu vyrobeny z vysoce kvalitních materiálů.Regulace Peltonovy turbíny (obr. 29) probíhá z důvodu nebezpečí vodního rázu ve 2krocích se zpožděnou zpětnou vazbou. V případě zvýšení otáček dá rychlostní čidlo4 signál rozváděcímu šoupátku 6, které uvede v činnost servomotor 5. Tentoservomotor částečně zasune odchylovací segment 3 do proudu vody vystupujícímu ztrysky 1. Současně vrátí do rovnovážné polohy spojovací člen regulátoru 4 arozvaděče 6. Společně s odchylovacím segmentem se uvede se zpožděním (vazba7) do činnosti pravý rozvaděč 6, který ovládá pravý servomotor 5. Tento servomotorpomalu zasouvá do trysky 1 regulační jehlu 2. Současně se opět vrací dorovnovážné polohy spojovací člen zpětné vazby 7 a pravého rozvaděče 6. Tentopohyb způsobí se zasouváním jehly 2 současné otvírání segmentu 3, takže množstvívody tryskající na lopatky se nemění. Toto uspořádání umožňuje rychlou regulaciturbíny při současné pomalé změně rychlosti vody v přívodním potrubí.Obr. 29 - regulace Peltonovy turbíny19

Stavba a provoz strojů – lopatkové stroje5.4 Francisova turbínaFrancisova turbína se používá pro velmi široké rozmezí spádů (2 až 500m). Tomuodpovídá i velmi rozdílný tvar oběžného kola (obr. 30). Oběžné kolo vlevo se používápro vysoké spádu, vpravo pro malé spády. Francisova turbína patří k turbínámpřetlakovým. Vertikální a horizontální uspořádání této turbíny pro malé a velké spádyje uvedeno na obr. 31. Voda z přívodního potrubí se rozvádí kolem kola pomocíspirály 4 a natáčivých rozváděcích lopatek 2. Po průchodu oběžným kolem 1vystupuje voda savkou 5 do spodní nádrže.Obr. 30 - tvary kol Francisovy turbínyObr. 31 - princip Francisovy turbínyRegulace Francisovy turbíny (obr. 32) se provádí otevíráním a přivíránímrozváděcích lopatek 1 pomocí regulačního kruhu 2 ovládaného servomotorem 5.Řídícím signálem jsou otáčky turbíny, kterými rychlostní čidlo 4 ovládá rozváděcíšoupátko 6. Ovládání šoupátka je spojeno zpětnou vazbou se servomotorem. Zdůvodu zabránění vodního rázu při rychlé regulaci je před turbínu umístěn obtokuzavíraný odlehčovacím ventilem 7, který je ovládán pohybem regulačního kruhu 2přes soustavu pák 8. V případě rychlého přivření rozváděcích lopatek 1 nestačíprotéci olej v odlehčovacím ventilu 7 přes malý otvor pístu odlehčovacího ventilu aventil se otevře. Tlakem pružiny olej protéká otvorem a ventil se pomalu zavírá. Připomalém uzavírání rozváděcích lopatek a při jejich otvírání je ventil 7 stále uzavřen.20

Stavba a provoz strojů – lopatkové strojeObr. 32 - regulace Francisovy turbínyRegulace průtoku natáčením pouze rozváděcích lopatek má nevýhodu v tom, že přijiném než optimálním průtoku vzniká zlom proudu vody v prostoru mezi rozváděcímia oběžnými lopatkami. Tento zlom způsobuje víření a prudší pokles účinnosti, jak jeznázorněno v obr. 33.Obr. 33 - Závislost účinnosti Francisovy a Kaplanovy turbíny na průtoku5.5 Kaplanova turbínaKaplanova turbína (obr. 34) patří stejně jako turbína Francisova do přetlakovýchturbín. Používá se pro malé spády max. do 75m. Voda z přívodního potrubí procházípřes spirálu 4 do natáčivých rozváděcích lopatek 2. Potom se proud vody ohýbá doaxiálního směru a vstupuje do oběžného kola 1. Oběžné kolo je tedy axiální a mátaké natáčivé lopatky. Řešení profilu lopatek oběžného kola je shodné s řešenímaxiálních čerpadel, jek je vidět v obr. 34. Po průchodu oběžným kolem 1 vycházívoda savkou 5 do spodní nádrže.21

Stavba a provoz strojů – lopatkové strojeProtože rozváděcí i oběžné lopatky jsou natáčivé, lze při regulaci ve velmi širokémrozsahu průtoků zajistit plynulý průtok mezi rozváděcím a oběžným kolem. Z tohotodůvodu je průběh účinnosti Kaplanovy turbíny podstatně příznivější než u turbínyFrancisovy (obr. 33). Toto je zvláště důležité, protože Kaplanovy turbíny se používajípro malé spády (např. v jezech), kde průtok v průběhu roku značně kolísá.Obr. 34 - princip Kaplanovy turbíny a tvar lopatek oběžného kolaRegulace Kaplanovy turbíny je z důvodu natáčení lopatek oběžného kolakonstrukčně složitější než regulace turbíny Francisovy - viz. obr. 35. Rychlostní čidlo4 řídí nejen rozváděcí lopatky 1 přes regulační kruh 2 pomocí rozváděcího šoupátka6 a servomotoru 5 stejně jako u turbíny Francisovy, ale i horní rozváděcí šoupátko 6,které dodává olej do dutého hřídele oběžného kola. Uvnitř hřídele je servomotor 5,který ovládá natáčení lopatek oběžného kola 3.Obr. 35 - regulace Kaplanovy turbíny22

Stavba a provoz strojů – lopatkové stroje6. Parní a plynové turbíny6.1 Parní turbíny6.1.1 Rozdělení parních turbínParní turbíny jsou rotační lopatkové stroje, ve kterých se kinetická a tlaková energiepřehřáté vodní páry mění na energii mechanickou - rotační pohyb hřídele. Používajíse na výrobu elektrické energie v tepelných elektrárnách. Můžeme je rozdělit podlerůzných hledisek:podle způsobu změny energiea) rovnotlaké - ve statoru se mění veškerá tlaková energie na energiikinetickou, která se v rotoru mění na mechanickou práci. Tlak před a zaoběžným kolem je stejný.b) přetlakové - ve statoru se mění pouze část tlakové energie na energiikinetickou. V rotoru dochází k přeměně jak tlakové, tak i kinetické energiev mechanickou práci. Tlak před oběžným kolem je vyšší než za oběžnýmkolem.4. podle tlaku páry na výstupu z turbínya) kondenzační - na výstupu je hluboký podtlak. V turbíně se využijemaximum energie obsažené v páře. Za turbínou je kondenzátor, ve kterémse vodní pára zkapalňuje. Typické pro klasické tepelné elektrárny.b) protitlaké - pára na výstupu má ještě určitý tlak. V turbíně se zpracujepouze část energie obsažené v páře. Typické pro teplárny.c) odběrové - jedná se o kombinaci předcházejících dvou typů. Část páry seodebere z turbíny pod určitým tlakem a použije se k různýmtechnologickým účelům, zbytek se využije až do podtlaku.d) s přihříváním páry - pára, která část své energie předala lopatkám rotoru,se vede zpět do kotle, kde se ohřívá a vrací se do druhé části turbíny, kdeplně expanduje. Turbína je tedy obvykle dvoutělesová.5. podle vstupu páry do turbínya) s úplným (totálním) ostřikem - pára se rozvádí po celém obvodu oběžnéhokola.b) s částečným (parciálním) ostřikem - pára se rozvádí pouze v jednom místěoběžného kola.6. podle počtu stupňůa) jednostupňové - používají se výjimečněb) vícestupňové - nejčastější typ6.1.2 Rovnotlaká parní turbína23

Stavba a provoz strojů – lopatkové strojeObr. 36 - radiální a tangenciální řez jedním stupněm rovnotlaké parní turbínyNa obr. 36 je radiální a tangenciální řez jedním stupněm rovnotlaké parní turbíny. Vrozváděcím zařízení dochází k prudkému zúžení průřezu. Díky tomuto zúžení získápára ve statoru vysokou rychlost a dojde k poklesu tlaku. Kanály oběžného kola majíkonstantní šířku a a pára v nich pouze mění svůj směr. Díky konstantní šířce a jsoutedy velikosti relativních rychlostí na vstupu do oběžného kola w1 a výstupu zoběžného kola w2 stejné, avšak absolutní rychlost klesá z rychlosti c1 na rychlost c 2 .U rovnotlaké turbíny je z důvodu velkých vstupních rychlostí vhodný částečný ostřik.Jejich výhodou je možnost výroby s poměrně velkými vůlemi mezi statorem arotorem, protože na vstupu a výstupu z oběžného kola je stejný tlak a nedochází keztrátám únikem páry mimo lopatky oběžného kola. V oblasti nižších tlaků je rychlostna vstupu do oběžného kola poměrně malá a rovnotlaká turbína má nízkou účinnost.6.1.3 Přetlaková parní turbínaObr. 37 - radiální a tangenciální řez jedním stupněm rovnotlaké parní turbínyNa obr. 37 je radiální a tangenciální řez jedním stupněm přetlakové parní turbíny. Vrozváděcích (statorových) lopatkách dochází ke zvýšení absolutní rychlosti z c0 narychlost c1 . Lopatky oběžného kola se zužují z a1 na a2. V oběžném kole tedydochází k nárůstu relativní rychlosti z w1 na vstupu do oběžného kola na w2 na24

Stavba a provoz strojů – lopatkové strojevýstupu. Podle Bernoulliho rovnice tedy v oběžném kole klesá tlak. Absolutní rychlost(viz. obr. 37) při průchodu oběžným kolem klesá z c1 na c2. Z důvodu přetlaku se utěchto typů turbín používá úplný ostřik oběžného kola a jsou nutné malé vůle mezirotorem a statorem, aby nedošlo k velkým ztrátám únikem páry mezerami. Z důvodunižších rychlostí pracuje tato turbína s dobrou účinností i v oblasti nižších spádů.Nejvhodnější je kombinace rovnotlakých stupňů na vstupu do parní turbíny apřetlakových stupňů na výstupu z parní turbíny.6.1.4 Curtisova parní turbínaPro vysoké spády se používá zvláštní druh rovnotlaké parní turbíny - Curtisova parníturbína (C-kolo). Na obr. 38 a) je radiální řez, na obr. 38 b) tangenciální řez a naobr. 38 c) je průběh tlaku a rychlosti v této turbíně. Ve vstupní trysce (1) se změnívšechna tlaková energie na energii kinetickou. Do první řady oběžných lopatek (2)vstupuje pára s vysokou rychlostí c1 a zpracovává část kinetické energie (na rychlostc2) Vratné lopatky (3) mají také konstantní mezeru jako lopatky oběžné a sloužípouze k převádění páry do směru otáčení oběžného kola. V druhé řadě oběžnýchlopatek (2) se zpracovává zbylá kinetická energie ( z c 2 na c 3 ).Tato turbína se používá buďto jako samostatná turbína menších výkonů nebo jakovstupní část velkých parních turbín.Obr. 38 - Curtisova parní turbína25

Stavba a provoz strojů – lopatkové stroje6.1.5 Konstrukce parních turbínNa obr. 39 a 40 je zobrazen řez rovnotlakou turbínou a přetlakovou turbínou spředřazených C-kolem. V dalším jsou popsány jednotlivé části a odlišnosti obou typůturbín.Obr. 39 - rovnotlaká parní turbínaObr. 40 - přetlaková parní turbína s C-kolemRotor (1) je u rovnotlaké turbíny klasický hřídel, u turbíny přetlakové je bubnový.Pozice (2) označuje těleso turbíny se vstupním (3) a výstupním (4) hrdlem . Ucpávky(5) jsou bezdotykové (labyrintové). Stejné ucpávky (pouze kratší) jsou mezijednotlivými statorovými mezistěnami a hřídelí rovnotlaké turbíny (6). Hřídel jeuložena v radiálních (7) a axiálním (8) ložisku. Vstupní hrdlo (3) je zakončenovstupními tryskami (9). Oběžné lopatky (10) s rozváděcími (11) tvoří jednotlivéstupně turbíny. Jejich tvar je dán druhem rotoru. Výstupní pohyb je přenášen přesspojku (12). U přetlakové turbíny je navíc zakresleno vstupní C-kolo (13). Protože upřetlakové turbíny z důvodu rozdílných tlaků na vstupu a výstupu z oběžného kolavznikají značné axiální síly, jsou tyto síly částečně kompenzovány vyrovnávacímpístem (14).RotorZ důvodu vysokých otáček musí být včetně lopatek pečlivě vyvážen. Vyrábí se26

Stavba a provoz strojů – lopatkové strojekováním.Oběžné lopatkyJsou uchyceny v drážkách rotoru (obr. 41) a musí být odolné jak po stráncepevnostní, tak i tepelné. Delší lopatky se z důvodu nebezpečí rozkmitání vyztužujíbuďto drátem (obr.41a) nebo bandáží s roznýtováním (obr. 41b).Obr. 41 - uchycení oběžných lopatek parní turbínySkříň turbínyJe vodorovně dělená a spojená předepjatými šrouby. Z důvodu vysokých teplot jetěsněna "kov na kov" bez vloženého těsnění a obě poloviny bývají zaškrabávány. Zdůvodu velkých teplotních rozdílů na vstupu a výstupu z turbíny vznikají různátepelná pnutí a skříň se vyrábí z několika těles.UcpávkyDělí se na vnější (těsní vstup a výstup hřídele ze skříně) a vnitřní (těsní jednotlivétlakové stupně). Z důvodu vysokých rychlostí se vyrábí jako bezdotykové(labyrintové) - viz. obr. 42. Vůle v se pohybuje v desetinách milimetru.Obr. 42 - labyrintové ucpávky parních turbínV obr. 42a) jsou soustružené břity (přesnější), v obr. 42b) jsou břity plechovézatemované do drážek (jednodušší).LožiskaKromě malých parních turbín se vyrábí kluzná s vnějším tlakovým mazáním. Zdůvodu vzniku axiálních sil musí mít hřídel kromě radiálních i axiální ložisko. Udlouhých rotorů se z důvodu průhybu používají samostavná ložiska.SpojkyPro spojení hřídele s dalším strojem případně i mezi jednotlivými tělesy turbíny se27

Stavba a provoz strojů – lopatkové strojepoužívají spojky, které umožňují jak úhlový (z důvodu průhybu) tak i axiální posuv (zdůvodu tepelných dilatací). Nejčastěji se používají univerzální zubové nebo pružnéspojky.6.2 Plynové turbíny6.2.1 Rozdělení plynových turbínPlynové turbíny jsou stroje konstrukčně obdobné turbínám parním. Na rozdíl odparních turbín nejsou poháněny párou, ale plynem, který v průběhu pracovního cyklunemění své skupenství.. Můžeme je rozdělit podle různých hledisek:1. podle druhu látky proudící turbínoua) spalovací - do oběžného kola se vedou přímo spaliny vzniklé hořenímpaliva (otevřený okruh)b) plynové - spalovací komora má funkci výměníku a do oběžného kola jdeplyn, který se ohřívá od spalin (uzavřený okruh)c) expandéry - turbína je napojena na vnější zdroj tlakového plynu. Nemá anispalovací komoru, ani turbokompresor2. podle stupně využití teplaa) bez výměníku - jednodušší, ale nižší účinnostb) s výměníkem - složitější, ale vyšší účinnost3. podle palivaa) plynná paliva - nejvýhodnější pro tento typ turbín. Používá se předevšímzemní plyn.b) kapalná paliva - způsobují intenzivnější korozi. Nejčastěji se používá topnýolej nebo mazut.c) pevná paliva - vyvolávají obtíže usazováním pevných zplodin hoření nalopatkách. Nepřímo je možné využít pevná paliva tak, že se nejdřívezplynují a tento plyn se použije k pohonu turbíny.6.2.2 Základní okruhy plynových turbínV obr. 43 jsou znázorněny základní schémata okruhů plynových turbín.Nejjednodušší je otevřený okruh bez výměníku (a), kde se do spalovací komory 3nasává turbokompresorem 2 přes filtr 8 vzduch. Současně se do spalovací komory 3čerpá čerpadlem 6 z přívodu 7 palivo. Vzniklé spaliny expandují přes turbínu 1 dovýfuku 9. Turbína 1 pohání např. alternátor 4 sloužící pro výrobu elektrické energie.Všechny rotační stroje (turbína 1, turbokompresor 2, alternátor 4, čerpadlo 6) jsou najedné hřídeli společně s roztáčecím motorem 5, který slouží ke startování.28

Stavba a provoz strojů – lopatkové strojeObr. 43 - základní okruhy plynových turbínOtevřený okruh s výměníkem (obr. 43b) má do okruhu vřazený výměník tepla 10, vekterém spaliny vycházející z turbíny ohřívají vzduch před vstupem do spalovacíkomory.U uzavřeného okruhu (obr. 43c) se ve spalovací komoře 3 ohřívá od spalin pracovníplyn 13, který cirkuluje v uzavřeném okruhu turbokompresor 2 - spalovací komora 3 –turbína 1 - chladič 12. Dále musí být do okruhu zařazeno dmychadlo 11, kterédodává vzduch do spalovací komory 3 a je také poháněno od hlavního hřídele.Uzavřený okruh s výměníkem (obr. 43d) má do okruhu navíc vřazen výměník tepla10, který více využívá teplo ve spalinách, které je u normálního okruhu odvedenovýfukem.6.2.3 Použití plynových turbín1. Stabilní elektrárenské plynové turbíny29

Stavba a provoz strojů – lopatkové strojePoužívají se především jako špičkové nebo záložní zdroje elektrické energie (např.nemocnice, hutě apod.). Jejich výhodou je velmi rychlý náběh.2. Lokomotivní pohonné jednotkyPoužívá se především u výkonných lokomotiv.3. Pohon silničních motorových vozidelNení příliš rozšířen. Používá se především pro těžká nákladní vozidla (např. tahače).4. Lodní pohonné jednotkyPoužívá se dvouhřídelové provedení, kde plynová turbína je rozdělena do dvousamostatných těles, z nichž jedno pohání turbokompresor a čerpadlo paliva a druhévlastní lodní šroub.5. Pohony turbokompresorůPoužívá se především u kompresních stanic tranzitních plynovodů v místech, kdenení k dispozici elektrická energie. Palivem je dopravovaný plyn - viz. obr. 44.Obr. 44 - schéma kompresní stanice tranzitního plynovoduSpouštěčem 5 napájeným akumulátorem se roztočí hlavní hřídel s turbínou 1,turbokompresorem 2 , dmychadlem přívodu paliva a hnaným strojem -turbokompresorem 4 v hlavním potrubí plynovodu. Energie se získává ve spalovacíkomoře 3.6. Plynové turbíny pro přeplňování spalovacích motorůJejich použití je znázorněno na obr. 45. Výfukové plyny 5 ze spalovacího motoru 3jsou vedeny přes turbínu 1, která pohání dmychadlo 2, které urychluje vzduch 4nasávaný do válců. Používá se převážně u vznětových motorů.30

Stavba a provoz strojů – lopatkové strojeObr. 45 - přeplňování spalovacích motorů7. Pohonné jednotky leteckých motorůV obr. 46 jsou základní typy leteckých motorů, u kterých se používá principspalovacích turbín. Vzduch je do motoru nasáván kompresorem 2. Ve spalovacíkomoře 3 se mísí s palivem 6, které je průběžně zapalováno zapalovacím zařízením7. Spaliny prochází přes turbínu 1 do trysky 5. U turbovrtulového uspořádání (obr. 46a, b) - pro menší rychlosti - pohání turbína kromě kompresoru především vrtuli přesreduktor 4. U proudového provedení (obr. 46 c, d) slouží spalovací turbína pouze propohon kompresoru a hnací silou motoru je proud spalin vycházející z trysky 5.Obr. 46 - základní typy leteckých motorů se spalovací turbínou31

Stavba a provoz strojů – lopatkové strojePoužitá literatura1) Skopal – Adámek – Hofírek: Stavba a provoz strojů IV, Praha, SNTL 19822) Kopernický : Stroje, Praha, SNTL 19893) Sigma Olomouc: Katalog čerpadel META, Olomouc, Sigma 198532