10. Turbiny parowe i wodne
Turbiny nale do du ej grupy maszyn przepływowych, zwanych silnikami
wirnikowymi [1]. Dzieli si je na:
¾ turbiny gazowe,
¾ turbiny parowe,
¾ turbiny wiatrowe,
¾ turbiny wodne.
Ze wzgl du na powszechno ć zastosowania oraz rol , jak odgrywaj w
energetyce, najwi ksze znaczenie maj turbiny parowe.
10.1. Turbiny parowe
Turbina parowa jest cieplnym silnikiem wirnikowym, w którym nast puje
przemiana energii  cieplnej pary wodnej w prac . W siłowni parowej turbina parowa
wraz z nap dzanym przez ni generatorem elektrycznym tworz turbozespół.
Pierwsz turbin parow zbudował w 1883 r. de Laval; była to jednostopniowa
turbina akcyjna o 26 000 obr/min i mocy zaledwie 5 kW. Niezale nie od niego
Parsons w 1884 r. zbudował turbin reakcyjn o 17 000 obr/min i mocy 10 kW. Od
tego czasu turbiny parowe zacz ły stopniowo wypierać tłokowe silniki parowe,
zarówno
w energetyce, jak i w nap dach przemysłowych i w okr townictwie. Współczesne
turbiny parowe osi gaj moc ponad 1500 MW, a istniej techniczne mo liwo ci
budowy maszyn wirnikowych o znacznie wi kszej mocy [9].
10.1.1. Zasada działania stopnia turbinowego
Stopie turbinowy jest głównym elementem turbiny parowej, odpowiedzialnym
za zachodz ce w niej przemiany energetyczne; składa si z nieruchomego wie ca
przyrz dów rozpr nych (ekspansywnych) oraz wie ca łopatek obracaj cego si
wirnika. Działanie stopnia turbinowego sprowadza si w istocie do przekazania

140
energii przez par organowi roboczemu maszyny, którym jest wieniec łopatek
wirnika.
Przemiany energetyczne zachodz ce w turbinie parowej mo na schematycznie
przedstawić nast puj co:
energia cieplna energia kinetyczna praca.
Przemiana energii cieplnej pary w energi kinetyczn nast puje w przyrz dach
rozpr nych turbiny. Stosowane s dwa rodzaje przyrz dów rozpr nych: dysze
i kierownice. W dyszy, rozszerzaj cej si u wylotu, mo e być osi gana pr dko ć
nadd wi kowa. Kierownica jest szczególnym rodzajem dyszy, której powierzchnia
otworu wylotowego ma
najmniejsze pole
przekroju (rys. 10.1).
Maksymalna pr dko ć
przepływu w kierownicy
na wylocie nie
przekracza pr dko ci
d wi ku [11].




141



Głównym elementem turbiny parowej jest wirnik, do którego s przymocowane
jednakowe, odpowiednio wyprofilowane, Å‚opatki wirnikowe. Para wodna przekazuje
energi wirnikowi przez działaj ce na wirnik siły aerodynamiczne, powstaj ce
podczas opływu łopatek wirnika par pod odpowiednim k tem [11].
Ukształtowanie profilu łopatki powoduje, e pr dko ć przepływu pary jest ró na
w poszczególnych punktach jej powierzchni: wi ksza po stronie wypukłej i mniejsza
po stronie wkl słej. Dlatego tak e ci nienie S ró ni si po obu stronach łopatki  jest
mniejsze po stronie wypukłej i wi ksze po stronie wkl słej łopatki.
Zsumowane parcia ci nienia po powierzchniach obu stron Å‚opatki daj wypadkow
sił obwodow 5 obracaj c wirnik. Na rysunku 10.2 pokazano schematycznie
rozkłady pr dko ci i ci nienia powierzchni łopatki oraz  dla porównania  siły
działaj ce na tłok silnika tłokowego [5].
Turbiny parowe buduje si przewa nie jako turbiny o przepływie osiowym,
w skrócie  turbiny osiowe. Schemat stopnia turbinowego turbiny osiowej
przedstawiono na rysunku 10.3 [9]. A
opatki kierownicze s
umieszczone na obwodzie nieruchomej tarczy
kierowniczej, Å‚opatki robocze s natomiast umocowane na
obwodzie obracaj cej si tarczy wirnikowej. Czynnik
roboczy, rozpr aj c si mi dzy Å‚opatkami kierownicy,
nabiera du ej pr dko ci
i trafia na Å‚opatki obracaj cego si z du pr dko ci wir-
nika.



  
10.1.2. Typy stopni
turbinowych
10.1.2.1. Turbiny osiowe
W zale no ci od sposobu rozpr ania si pary mi dzy Å‚opatkami kierownicy oraz
mi dzy łopatkami wirnika rozró niano, według tradycyjnego nazewnictwa, dwa
sposoby pracy stopnia turbinowego (10.4):
¾ akcyjny, w którym rozpr enie pary nast puje tylko w nieruchomych
kierownicach, w wie cu wirnikowym natomiast nie zachodzi adna ekspansja,
¾ reakcyjny, w którym rozpr anie pary w nieruchomych kierownicach nast puje
tylko cz ciowo; para, przepływaj c przez wieniec wirnikowy, nadal ekspanduje [9].
Układy łopatek obu rodzajów stopni pokazano na rysunku 10.4, w stopniu
akcyjnym ci nienie S zmienia si tylko mi dzy Å‚opatkami kierownic, a w stopniu

142
reakcyjnym para rozpr a si tak e mi dzy Å‚opatkami wirnika. Na obu stopniach
turbinowych nast puje VWRSQLRZDQLH FL QLHQLD [8].
Nieco inaczej zbudowany jest stopie Curtisa, który składa si z tarczy dysz
rozpr onych, dwu- (lub wi cej), wie cowego wirnika i znajduj cej si mi dzy
wie cami nieruchomej tarczy kierownic (rys. 10.5).
a) b)


 
W dyszach kierownicy tego
stopnia turbinowego nast puje nie-
mal całkowite rozpr enie pary,
która zyskuje maksymaln
pr dko ć. Po przej ciu przez
pierwszy wieniec wirnika para
oddaje cz ć energii kinetycznej,
redukuj c sw pr dko ć. Dalej,
przechodz c przez tarcz
kierownicz , para jest kierowana
na drugi wieniec Å‚opatek wirnika,
gdzie pr dko ć ulega dalszej
redukcji. Dzi ki temu nast puje
VWRSQLRZDQLH SU GNR FL przy nie-
wielkich zmianach ci nienia.



 





143
Turbiny promieniowe
Inn konstrukcj maj stopnie turbinowe turbin promieniowych, w których para
płynie nie w kierunku osi wirnika, ale prostopadle do osi. Wyró nia si turbiny
promieniowe o przepływie RG URGNRZ\P (para płynie w kierunku promienia od osi na
zewn trz) lub o przepływie GR URGNRZ\P (para płynie w kierunku odwrotnym).
A
opatki wirnika s umieszczone równolegle do osi, zamiast promieniowo, jak
w turbinach osiowych. Rozmieszczone w postaci pier cienia kierownice tak e kieruj
przepływ pary w kierunku promieniowym. W przedstawionym (rys. 10.6) stopniu
turbiny promieniowej para napływa osiowo, a nast pnie przez kierownic B płynie
promieniowo mi dzy Å‚opatkami wirnika C [8].

 
10.1.3. Wielostopniowe turbiny osiowe
Do uzyskania du ych mocy turbiny jednostopniowe potrzebuj wielkich pr dko ci
obrotowych, co wymaga zastosowania materiałów o du ej wytrzymało ci
mechanicznej. Ponadto, w razie du ej pr dko ci obrotowej wirnika, konieczne jest
stosowanie przekładni redukcyjnej mi dzy turbin a generatorem elektrycznym,
którego pr dko ć obrotowa wirnika wynosi 3000 min dla cz stotliwo ci sieci 50 Hz.
W celu unikni cia wad turbin jednostopniowych, turbiny du ej mocy buduje si
jako wielostopniowe. Zmniejszenie pr dko ci obrotowej wirnika nast puje dzi ki
cz ciowej redukcji (stopniowaniu) ci nienia lub pr dko ci na poszczególnych
stopniach turbinowych. Stopniowanie ci nienia lub pr dko ci polega na ustawieniu
wielu stopni turbinowych, jednego za drugim w ten sposób, aby ka dy stopie
pobierał par wylotow z poprzedniego i po przej ciu cz ci energii oddawał j
nast pnemu stopniowi. Na rysunku 10.7 pokazano przykład stopniowania ci nienia w
trójstopniowej turbinie akcyjnej.

144
W turbinach parowych du ej mocy dominuje stopniowanie ci nienia. Turbiny ze
stopniowaniem pr dko ci (stopnie Curtisa  rys. 10.5), ze wzgl du na gorsz
sprawno ć, s stosowane tylko jako turbiny pomocnicze lub turbiny przeciwpr ne
małej mocy [8].
Wielostopniowe turbiny osiowe nazywa si tradycyjnie odpowiednio turbinami
akcyjnymi (np. turbina de Lavala) lub turbinami reakcyjnymi (np. turbina Parsonsa)
[8]. To nazewnictwo ma ju raczej znaczenie historyczne, w obecnie budowanych
turbinach parowych reakcyjno ć jest tylko jednym z wa niejszych parametrów stopnia
i  analizuj c prac stopnia  nie ma potrzeby odró niania turbin akcyjnych od
reakcyjnych [5], [9]. Wa niejsze s cechy konstrukcyjne, uzasadniaj ce podział turbin
na komorowe i b bnowe.

rójstopniow

w poszczegó
Turbin o konstrukcji komorowej pokazano na rysunku 10.8. Tarcze wirnikowe,
do których s przymocowane łopatki wirnika oraz wał, zostały wykonane z jednej
odkuwki. Mi dzy tarczami wirnika znajduj si nieruchome, umocowane do korpusu,
tarcze kierownicze z zamocowanymi Å‚opatkami kierownicy.

145


    
Konstrukcj turbiny b bnowej przedstawiono na rysunku 10.9. O ile w akcyjnym
stopniu turbinowym ró nica ci nienia po stronach tarczy wirowej jest niewielka, o tyle
w turbinie reakcyjnej ró nica ci nienia działaj cego na wieniec wirowy jest znaczna.
W celu skompensowania du ego parcia osiowego wirnika działaj cego na ło ysko
stosuje si tłok odci aj cy, który jest charakterystycznym elementem turbin
reakcyjnych (rys. 10.9).

 

  
Wielostopniowe turbiny osiowe s maszynami znacznie bardziej zło onymi ni
turbiny jednostopniowe, bowiem  oprócz zmniejszenia pr dko ci obrotowej wirnika
 uzyskuj wi ksz sprawno ć, umo liwiaj tak e regeneracyjne podgrzewanie wody,
przez upuszczanie pewnej ilo ci pary podczas ekspansji.
10.1.4. Turbiny promieniowe

146
Turbiny promieniowe s budowane jako turbiny o nieruchomych kierownicach
(rys. 10.10) oraz jako turbiny przeciwbie ne (zwane turbinami Ljungströma) [8].
W turbinie przeciwbie nej dwie tarcze wirnikowe obracaj si w przeciwnych
kierunkach z t sam pr dko ci obrotow , nap dzaj c osobne generatory elektryczne
(rys. 10.10b). Przeciwbie ne turbiny promieniowe nie wymagaj tłoków
odci aj cych, poniewa siły działaj ce na łopatki znosz si wzajemnie.
Rzadziej wyst puj promieniowe turbiny wielotarczowe, w których para zmienia
kierunek przepływu z od rodkowego na do rodkowy lub odwrotnie.
Zalet turbin promieniowych jest ich du a sprawno ć i zwarto ć budowy, w
wykonaniu przeciwbie nym za brak tłoków odci aj cych. Wzgl dy
wytrzymało ciowe ograniczaj jednak długo ć łopatek wirnika i jego pr dko ć
obrotow , co powoduje, e moc turbin promieniowych nie przekracza 100 MW [8].

10.1.5. Niektóre elementy turbin
10.1.5.1. Układ łopatkowy
Przyrz dy rozpr ne (kierownice, dysze) s umieszczone na obwodach tarcz
kierowniczych, które  mocowane w korpusie turbiny  pełni rol przegród mi dzy
kolejnymi tarczami wirnikowymi. W zakresie niskich parametrów pary tarcza
kierownicza jest najcz ciej lana z eliwa, z łopatkami poł czonymi z tarcz przez
zalanie ich górnych i dolnych kraw dzi (rys. 10.11). W zakresie rednich i wysokich
parametrów pary stosuje si spawane poł czenia łopatek w tarczy kierowniczej [8].

147
Ze wzgl du na du g sto ć pary na wlocie do turbiny w pierwszych,
regulacyjnych jej stopniach stosuje si zasilanie tylko na cz ci obwodu; kierownice
lub dysze tworz wówczas segmenty lub półpier cienie (rys. 10.12). Dysze stopnia
regulacyjnego s wykonywane przede wszystkim przez frezowanie.
A
opatka turbinowa to wyj tkowo wa ny element turbiny, który w niekorzystnych
warunkach (wysoka temperatura, korozja, erozja) przenosi du e obci enia
dynamiczne i statyczne. A
opatki mo na podzielić według ró nych cech [9]:
¾ zale nie od stopnia reakcyjno ci  umownie: akcyjne lub reakcyjne,
¾ wedÅ‚ug dÅ‚ugo ci  krótkie cylindryczne lub dÅ‚ugie zwijane,
¾ Å‚opatki mog być wolnono ne lub Å‚ czone ze sob ,
¾ wedÅ‚ug wykonania  Å‚opatki przeci gane, walcowane, kute, lane, frezowane.
Na rysunku 10.13 pokazano typow krótk łopatk cylindryczn z jej
zamocowaniem, a na rysunku 10.14  przykład długiej łopatki wolnono nej [8].




148




  

  
10.1.5.2. Wirniki
Wyró nia si dwa typy konstrukcji wirników, zwyczajowo ł czonych z
tradycyjnymi typami turbin: wirniki tarczowe w turbinach akcyjnych (rys. 10.15a) i
b bnowe w turbinach reakcyjnych (rys. 10.15b) [8].

149

Ze wzgl dów wykonawczych wirniki dzieli si na składane, całokute i spawane
[8], [9]. Wirnik składany składa si z wału, na którym mocowane s tarcze
wirnikowe oraz inne, mniejsze elementy turbiny. Wirniki całokute mog być
wykonane ze wspólnej odkuwki z wałem lub wykonane oddzielnie i nasadzane na wał.
Wirniki spawane składaj si z niewielkich, zespawanych odkuwek.
Wirniki tarczowe s wykonane jako składane lub całokute, wirniki b bnowe
natomiast ze wspólnej odkuwki z wałem lub jako spawane.
10.1.5.3. Uszczelnianie
W celu zapewnienia szczelno ci turbiny stosuje si dławnice zewn trzne i
wewn trzne. Te pierwsze słu do uszczelnienia wału w miejscu jego wyprowadzenia
na zewn trz kadłuba, drugie natomiast zapewniaj szczelno ć mi dzy stopniami

150
turbiny. Ze wzgl du na du e pr dko ci obrotowe wirnika dławnica powinna stawiać
minimalny opór. Warunek ten spełniaj dławnice labiryntowe, wodne i uszczelnienia
w glowe [8]. Schemat uszczelnienia labiryntowego przedstawiono na rysunku 10.16.
Ostrza dławnicy nie mog dotkn ć obracaj cego si wału, pozostaje wi c mała
szczelina, przez któr przepływa para.
Pojedyncza dławnica byłaby jednak mało
skuteczna, stosuje si wi c szereg nast puj cych po
sobie ostrzy, na których ci nienie redukuje si
stopniowo, co powoduje zmniejszenie przepływu
pary przez uszczelnienie.





10.1.5.4. Kadłuby
Kadłuby turbin parowych poddane s znacznym obci eniom, spowodowanym
du ymi ró nicami ci nienia i temperatury pary. W celu ułatwienia monta u zwykle s
dzielone w płaszczy nie
poziomej (rys. 10.17). Turbiny
parowe o du ej mocy maj tak e
kadłuby dzielone w płaszczy nie
pionowej. Dzi ki temu mo liwe
jest oddzielenie od siebie cz ci:
wysoko-, rednio- i niskopr -
nej; ponadto kadłuby
poszczególnych cz ci mog być
wykonane z ró nych materiałów.
Kadłuby dla  wysokich
parametrów pa-
ry s odlewane, kadłuby w cz -
ci niskopr nej s wykonywane
z blach stalowych [6].

10.1.5.5. Skraplacz

151
Energetyczne turbiny parowe z zasady pracuj w układzie kondensacyjnym, co
oznacza, e na wylocie turbiny znajduje si skraplacz pary. Taka turbina nazywa si
kondensacyjn , a skraplanie pary u jej wylotu obni a ci nienie ko cowe i poprawia
sprawno ć układu cieplnego bloku energetycznego (rys. 10.18).
Skraplacz turbiny parowej najcz ciej chłodzony jest wod z naturalnego obiegu lub
wod z obiegu z chłodni (p. 7.3.3). Skraplacze chłodzone wod dzieli si na
mieszankowe i powierzchniowe [6]. W skraplaczach mieszankowych para ma
bezpo redni kontakt z wod chłodz c , natomiast w skraplaczach powierzchniowych
woda chłodz ca przepływa rurami, a para skrapla si na ich powierzchni (rys. 10.19).
Skroplona para (kondensat) cieka na dno skraplacza, sk d jest pobierana do obiegu
pomp skroplin.
W energetycznych turbinach parowych na ogół u ywa si skraplaczy powierzchniowych.

-

- - - - -

- - - - -

pró - - -


10.1.6. Układ turbinowy
Układ turbinowy składa si , oprócz turbiny, z kilku innych urz dze ,
zapewniaj cych bezpieczn i ekonomiczn prac turbiny. Na rysunku 10.20
przedstawiono przekrój jednokadłubowej, wielostopniowej, reakcyjnej turbiny
kondensacyjnej i jej główne elementy składowe [8]. Para napływa z kotła do turbiny
ruroci giem przez zawór główny 1, poł czony z regulatorem bezpiecze stwa, którego
zadaniem jest szybkie odci cie dopływu pary po przekroczeniu nominalnej pr dko ci
obrotowej turbiny
o 10%. Nast pnie para przepływa przez jeden lub  cz ciej  kilka zaworów

152
regulacyjnych 2 do pierwszego stopnia turbinowego. Pierwszy stopie turbiny,
regulacyjny, ma zwykle charakter akcyjny  z nieznaczn reakcyjno ci [9]. W du ych
turbinach jest on wykonywany jako stopie jednowie cowy, w mniejszych turbinach
zwykle jako koło wirnikowe Curtisa z dwoma wie cami.

Rys. 10.20. Przekrój turbiny: 1   

    

  
W turbinach energetycznych wirnik 8 jest bezpo rednio sprz ony z wirnikiem
pr dnicy sprz głem 12. Wirnik 8 spoczywa na dwóch ło yskach no nych 9 i 10.
W celu lepszego wykorzystania entalpii pary rozpr a si j do mo liwie niskiego
ci nienia, dlatego na wylocie turbin kondensacyjnych znajduje si skraplacz
(p. 10.1.5.5). Dzi ki ogromnej redukcji obj to ci pary po skropleniu (kilkadziesi t
tysi cy razy) ci nienie na wylocie turbiny maleje do kilku kilopaskali.
Małe turbiny s budowane jako jednokadłubowe; turbiny kondensacyjne o du ej
mocy wykonuje si natomiast jako wielokadłubowe. Kadłuby turbiny dzieli si na
wysokopr ne (WP), redniopr ne (SP) i niskopr ne (NP).

153
Na rysunku 10.21 przedstawiono przykład współczesnej turbiny kondensacyjnej
o du ej mocy (360 MW) produkcji ZAMECH BBC [9]. Warto zwrócić uwag , e
ostatni niskopr ny stopie turbiny jest dwustrumieniowy. Takie konstrukcje kanałów
przepływowych tworzy si , ze wzgl dów wytrzymało ciowych, przy du ych
strumieniach obj to ciowych pary.
rys. 10.21 na kol. le .

154
Instalacja turbinowa jest zwykle rozło ona w dwóch poziomach. Na poziomie
górnym znajduj si : turbina, pr dnica i stanowiska do ich obsługi, na dolnym
natomiast układ kondensacyjny (skraplacz, pompa skroplin i inne) oraz pozostałe
urz dzenia układu turbinowego. Turbina i generator s osadzone na wspólnym
fundamencie, oddzielonym od fundamentu budynku (rys. 10.22).

Obci enie turbiny energetycznej ulega cz stym zmianom, dlatego do stabilizacji
i synchronizacji obrotów wirnika niezb dny jest układ elektroniczny regulacji obrotów
z serwomotorem współpracuj cym z zaworem regulacyjnym (rys. 10.20). Obroty
wirnika reguluje si przez zmian strumienia pary do turbiny. W turbinach
przeciwpr nych i upustowych stosuje si ponadto regulatory ci nienia pary
wylotowej lub upustowej.
W instalacji turbinowej wa n rol pełni obieg olejowy. Podawany przez pomp
olejow olej słu y do smarowania i chłodzenia ło ysk oraz jako płyn roboczy do
serwomotorów. W turbinach o du ej mocy praktykuje si rozdzielenie regulacyjnego
i Å‚o yskowego obiegu oleju.

155
10.1.7. Obiegi cieplne
Obieg cieplny siłowni parowej rozpatrywany na wykresie temperatura entropia
wła ciwa pary (7 V) dogodnie jest odnie ć do schematu siłowni parowej (rys. 7.2).
Woda w kotle ulega najpierw podgrzaniu 1 2, nast pnie odparowaniu 2 3, a para
w ko cu przegrzaniu 3 4. W turbinie para rozpr a si 4 5, a nast pnie ulega
skropleniu w skraplaczu 5 1 (rys. 10.23).
Strumie ciepła doprowadzony do
czynnika roboczego odpowiada polu 3 (1 2
3 4
 5 6 7 1), natomiast zamieniony w prac
w turbinie kondensacyjnej strumie ciepła od-
powiada polu 3 (1 2 3 4 5 1). Teoretyczna
sprawno ć obiegu cieplnego jest równa
stosunkowi obu pól 3 :3 . Sprawno ć obiegu
mo na poprawić, zwi kszaj c warto ć
parametrów pary dolotowej i zmniejszaj c
warto ci parametrów pary wylotowej turbiny
parowej (temperatura, ci nienie). Dlatego
nowoczesne siłownie parowe s budowane na
coraz wy sze warto ci parametrów pary
dolotowej.
Mo liwe jest jednak poprawienie sprawno ci obiegu cieplnego bez


podwy szania tem- peratury lub ci nienia pary dolotowej. Jednym ze
sposobów jest PL G]\VWRSQLRZH SU]HJU]HZDQLH pary, innym sposobem
jest UHJHQHUDF\MQH SRGJU]HZDQLH wody.
Uproszczony schemat bloku parowego z wtórnym mi dzystopniowym
przegrzewem pary i odpowiadaj cy obieg cieplny pokazano na rysunku 10.24. Para po
rozpr eniu w turbinie do ci nienia około 0,25 warto ci ci nienia dolotowego jest
kierowana do przegrzewacza pary wtórnej w kotle, sk d wraca do turbiny. Dzi ki
mi dzystopniowemu przegrzewowi pary sprawno ć obiegu polepsza si o 3 4% [7].

156


  


Znaczne polepszenie sprawno ci obiegu cieplnego elektrowni parowej mo na
uzyskać dzi ki regeneracyjnemu podgrzewaniu wody zasilaj cej par upustow .
Pobierany z upustu w turbinie strumie pary
jest kierowany do wymiennika ciepła,
zwanego regeneracyjnym, w którym s
podgrzewane skropliny tłoczone ze
skraplacza turbiny (p. 10.1.5.5) do kotła
(rys. 10.25). Para, rozpr aj c si w turbinie
do warto ci ci nienia przy upu cie,
wykonuje prac , ale ma jeszcze znaczn
energi ciepln , któr przekazuje wodzie
zasilaj cej w wymienniku regeneracyjnym,
zwi kszaj c jej entalpi . Uzyskana dzi ki
temu poprawa sprawno ci obiegu cieplnego
si ga 5 14% [7].
Mała sprawno ć obiegów kondensacyj-

nych wynika przede wszystkim z odprowa-

dzania znacznej ilo ci ciepła z wod

chłodz c skraplacz turbiny. Mo liwo ć
  
wykorzystania tego ciepła jest znikoma, ze
wzgl du na nisk temperatur wody chÅ‚odz cej (25 38 °C) [3], [7]. W celu
wykorzystania energii pary wylotowej do celów grzewczych lub technologicznych
 podwy sza si jej parametry, ograniczaj c rozpr anie w turbinie do tzw.
przeciwci nienia, o warto ci okre lonej odpowiednimi zastosowaniami. Turbina
parowa o takich wła ciwo ciach nazywa si przeciwpr n .

157
Sprawno ć obiegu ciepłowniczego z przeciwpr n turbin parow jest znacznie
wi ksza ni obiegu z turbin kondensacyjn . Przyjmuj c, e entalpia odlotowa pary
zostanie wykorzystana do celów grzewczych, otrzymuje si teoretyczn sprawno ć
obiegu z turbin przeciwpr n · = 1.
10.1.8. Podział turbin parowych
Podziału turbin parowych mo na dokonywać według ró nych kryteriów; za
najwa niejsze z nich uwa a si cechy konstrukcyjne oraz parametry pary dolotowej
i wylotowej.
1. Według liczby stopni:
¾ jednostopniowe (maÅ‚ej mocy, stosowane do nap du pomp, wentylatorów,
małych pr dnic itp.),
¾ wielostopniowe (na przykÅ‚ad turbiny energetyki zawodowej).
2. Według liczby kadłubów:
¾ jednokadÅ‚ubowe,
¾ wielokadÅ‚ubowe (turbiny z rozdziaÅ‚em zakresu ci nienia: cz ć wysoko-,
rednio- i niskopr na turbiny, oznaczane odpowiednio WP, SP i NP).
3. Według liczby nie sprz onych wałów:
¾ jednoosiowe
¾ wieloosiowe.
4. Według kierunków przepływu pary:
¾ osiowe,
¾ promieniowe.
5. Według konstrukcji:
¾ komorowe (akcyjne),
¾ b bnowe (reakcyjne),
¾ kombinowane.
6. Według parametrów pary:
¾ niskopr ne 0,12 0,2 MPa,
¾ redniopr ne do 3,5 MPa,
¾ wysokopr ne ponad 3,5 MPa.
7. Według przebiegu procesu cieplnego (rys. 10.26):
¾ kondensacyjne: a) bez ukÅ‚adu regeneracji, b) z ukÅ‚adem regeneracji,
¾ kondensacyjne: a) bez przegrzewania, b) z przegrzewaniem mi dzystopniowym,
¾ kondensacyjne z regulowanymi upustami,
¾ przeciwpr ne.
8. Według zastosowa :
¾ energetyczne (du e moce, ci nienie pary 13 25 MPa, przewa nie
kondensacyjne),

158
¾ ciepÅ‚ownicze (mo na zaliczyć do energetycznych, z zadaniem oddania ciepÅ‚a
w parze odlotowej),
¾ przeciwpr ne (para z wylotu przekazywana do zastosowa przemysÅ‚owych),
¾ nap dowe (sÅ‚u do nap du maszyn; głównie statków).


Uzupełniaj c t klasyfikacj , nale y podkre lić, e najwi ksz grup stanowi
energetyczne parowe turbiny kondensacyjne, które słu do nap du generatorów
elektrycznych w elektrowniach i osi gaj ogromne moce ( ponad 1500 MW). Pr dko ć
obrotowa wirnika turbiny energetycznej wi e si z cz stotliwo ci sieci  w Europie
wynosi 3000 min , w USA natomiast 3600 min .
10.1.9. Sprawno ć turbiny parowej
10.1.9.1. Straty turbiny
Zachodz ca w turbinie parowej przemiana ciepła na prac mechaniczn odbywa
si ze stratami energii, spowodowanymi niedoskonało ci urz dzenia oraz działaniem
praw fizycznych. Warto ci strat, dziel cych si na wewn trzne i zewn trzne, decyduj
o sprawno ci turbiny.
Straty wewn trzne turbiny parowej s nast puj ce:
1. Straty dławienia, spowodowane oporami przepływu pary ruroci giem oraz
przez zawory  odcinaj cy i regulacyjne (3 5%).
2. Straty w dyszach i kierownicach, wywołane tarciem pary o ciany i
nierównomierno ci przepływu (8 10%).
3. Straty w łopatkach wirnika, wywołane uderzeniami pary o kraw dzie łopatek,
zmianami kierunku przepływu pary oraz oderwaniem strumienia pary od łopatek
(15 20%).

159
4. Straty tarcia kół wirowych turbin komorowych o wypełniaj c przestrze par
(w turbinach b bnowych straty te s znacznie mniejsze) i wentylacji, spowodowane
porywaniem, jak w wentylatorze, przez niezasilan cz ć wirnika pary z jego
otoczenia.
5. Strata wylotowa równa energii kinetycznej pary opuszczaj cej turbin (2 7%).
6. Straty nieszczelno ci spowodowane omijaniem przez par Å‚opatek
kierowniczych (4 10%).
7. Straty wywołane wilgotno ci pary w ostatnich stopniach turbiny, poniewa
para, która si wykropliła, nie wykonuje pracy.
Wyst puj tak e nast puj ce straty zewn trzne turbiny:
1. Nieszczelno ci dławnic ko cowych s przyczyn utraty 1,5 3% pary zu ywanej
przez turbin .
2. Niedoskonała izolacja cieplna turbiny powoduje straty ciepła przez
promieniowanie około 1%.
3. Straty mechaniczne wywołane oporami tarcia w ło yskach oraz nap dem
urz dze pomocniczych turbiny; okre laj one sprawno ć mechaniczn turbiny.
10.1.9.2. Moc turbiny
Moc turbiny parowej jest cz ci strumienia entalpii, doprowadzanej wraz z par
do turbiny. Dokonuj c bilansu entalpii, nale y pami tać, e entalpia dolotowa musi
być pomniejszona o entalpi odlotow L . Po oznaczeniu przez L entalpi dolotow
(w kJ/kg pary) moc u yteczn turbiny mo na zdefiniować nast puj co:

3 =· P(L - L )
przy czym P jest strumieniem masowy pary, D · jest sprawno ci ogóln turbiny.
Sprawno ć ogólna turbiny mie ci si w nast puj cych granicach
· = 0,16 0,4.
Tak jak w maszynie parowej, na sprawno ć turbiny parowej · skÅ‚adaj si
· = · · ·
 sprawno ć wewn trzna · S /S (stosunek mocy wewn trznej do mocy
teoretycznej turbiny) małych turbin (do 50 kW) wynosi 0,3 0,45, wielostopniowych
turbin du ej mocy natomiast 0,7 0,92,
 sprawno ć teoretyczna · 3 /4 = 0,15 0,5, 4 = P (L  L ),
 sprawno ć mechaniczna · 3 /3 0,88 0,99.
Rozró nia si tak e PRF ]QDPLRQRZ L PRF HNRQRPLF]Q turbiny. Moc
znamionowa turbiny jest to jej maksymalna moc mierzona na zaciskach pr dnicy (w
przypadku turbin, których nie nap dzaj pr dnice  moc mierzona na sprz gle), gdy
parametry pary dolotowej i wylotowej maj warto ci znamionowe. Moc ekonomiczna

160
jest to moc uzyskiwana przez turbin , gdy jej sprawno ć jest najwi ksza. Moc
ekonomiczna turbiny wynosi 80 100% mocy nominalnej.
10.2. Turbiny wodne
10.2.1. Podział turbin wodnych
Turbiny wodne, podobnie jak turbiny parowe i gazowe, dzieli si ze wzgl du na
zasad działania na dwa rodzaje:
¾ akcyjne, w których woda jest doprowadzana do wirnika z maksymaln
pr dko ci pod ci nieniem zbli onym do atmosferycznego,
¾ reakcyjne, w których woda jest doprowadzana do wirnika pod ci nieniem
wi kszym od atmosferycznego.
Ze wzgl du na cechy konstrukcyjne turbiny akcyjne nazywa si natryskowymi,
a reakcyjne - naporowymi (rys. 10.27) [2]. Wa ne znaczenie dla podziału turbin
wodnych na typy ma współczynnik szybkobie no ci
1
5
-
2
4
Q =1,17Q 1 + ,
gdzie Q, 1 i + oznaczaj odpowiednio: pr dko ć obrotow , moc turbiny i spad
u yteczny elektrowni. Im wyró nik Q jest wi kszy, tym turbina jest bardziej
szybkobie na.
a)
b)


161

Ró ne warunki hydrotechniczne powoduj du e ró nice spadów elektrowni,
dlatego opracowano systemy elektrowni wodnych charakterystyczne dla danego
zakresu wyró nika Q b d cego funkcj spadu elektrowni + :
¾ turbiny Peltona + = 300-2000 m, Q = 2-35,
¾ turbiny Francisa + = 50-500 m, Q = 50-450,
¾ turbiny Deriaza + = 50-300 m, Q = 250-500,
¾ turbiny Kaplana i migÅ‚owe + = 3-80 m, Q = 300-1000.
Kształty wirników turbin ró nych systemów przestawiono na rysunku 10.28.
Tylko turbiny Peltona s akcyjne, pozostałe s typu reakcyjnego.
10.2.2. Wa niejsze cechy wybranych systemów turbin wodnych
Turbiny Peltona (akcyjne) s stosowane do du ych spadów. Woda jest
doprowadzona do wirnika jedn lub wi cej dyszami, które pełni rol kierownic.
A
opatki wirnika turbiny Peltona maj kształt czarek, dzi ki czemu odbieraj
efektywnie energi kinetyczn strumienia wody (rys. 10.28). Woda, która spłyn ła z
wirnika, jest odprowadzana do ZRG\ GROQHM. Schemat turbiny Peltona w przekroju z
dwiema dyszami przedstawiono na rysunku 10.29.

162

- - - -

- - -
Turbiny reakcyjne. W turbinach reakcyjnych woda jest doprowadzana do
wirnika na całym obwodzie za pomoc kierownicy, nadaj cej wodzie ruch obrotowy,
przez co pr dko ć przepływu ma tak e składow obwodow [4].
Turbiny wodne Francisa i Deriaza, stosowane na rednie spady, charakteryzuj
si promieniowo-osiowym przepływem wody, która jest kierowana na wirnik
kierownicami. Rozwi zania konstrukcyjne obu typów turbin s podobne, ró nica
polega na tym, e wirniki turbin Francisa maj nieruchome Å‚opatki, a nowszego typu
turbiny Deriaza maj Å‚opatki wirnika przestawiane podczas pracy (rys. 10.30 i 10.31).
Turbiny wodne systemu Francisa i Deriaza s stosowane jako pompoturbiny.
a) b)

163

Turbiny Kaplana oraz turbiny migłowe s stosowane na spady niskie, nale
do turbin osiowych. Wirnik turbiny Kaplana ma ruchome Å‚opatki, Å‚opatki turbin
migłowych s natomiast mocowane na stałe (rys. 10.32). Dzi ki mo liwo ci zmiany
poło enia zarówno łopatek wirnika, jak i kierownic, turbiny w układzie Kaplana maj
bardzo dobre wła ciwo ci regulacyjne, a ponadto charakteryzuj si du sprawno ci
hydrauliczn [4].
a) b)

Turbiny Kaplana pracuj ce w układzie poziomym lub uko nym, w obudowie
rurowej, stosuje si w elektrowniach wodnych małej mocy. Maj one tak e
zastosowanie jako pompoturbiny [2].

164
10.2.3. Budowa turbozespołu wodnego
Turbozespół wodny (hydrozespół) składa si z turbiny wodnej, generatora

elektrycznego oraz układów pomocniczych. Wyst puje du ró norodno rozwi za
a ć

- -
hydrozespołów, wynikaj ca z konieczno ci ich dostosowania do warunków lokalnych.

-

-


- - -

-
Budowa hydrozespołu zale y od przyj tego systemu turbiny wodnej, a wi c
przede wszystkim od spadu elektrowni, który zale y od topografii cieku. Zasadniczy

165
wpływ na wymiar turbin, budynku elektrowni i rozwi zania hydrotechniczne ma
SU]Há\N elektrowni. Najwi ksze turbozespoÅ‚y wodne osi gaj moce 500-700 MW [3].
Na rysunku 10.33 przedstawiono schematycznie przekrój przez turbozespół
z pompoturbin Deriaza [12]. Woda doprowadzana jest VSLUDO ZORWRZ 2 - spiralnym
kanałem, którym woda dopływa do kierownicy. Kierownica słu y do regulacji
SU]Há\NX turbozespoÅ‚u (strumienia wody przepÅ‚ywaj cej przez turbin ) oraz do
odpowiedniego ukierunkowania strugi wody na Å‚opatki wirnika 1. Z obudowy wirnika
woda spływa do UXU\ VVDZQHM 3. Pr dnica 4, b d ca jednocze nie silnikiem, jest
sprz ona bezpo rednio z wirnikiem turbiny 1.
Rurowy turbozespół elektrowni pływowej z turbin Kaplana przedstawiono
w przekroju na rysunku 10.34. Poł czony bezpo rednio z pompoturbin
generator-silnik znajduje si w gruszkowatej obudowie  w JUXV]FH. Opływana wod
gruszka jest w komorze doprowadzaj cej, poniewa ten turbozespół nie ma spirali [2].

- -
10.2.4. Turbozespoły pompowe
Turbozespoły pompowe s stosowane przede wszystkim w elektrowniach
szczytowo-pompowych. We współczesnych elektrowniach pompowych turbozespół
pełni podwójn rol : podczas spadu wody wykonuje SUDF WXUELQRZ , a podczas
napełniania zbiornika górnego  SUDF SRPSRZ . Turbozespół pompowy jest wi c
GZXPDV]\QRZ\, poniewa składa si tylko z pompoturbiny i pr dnicy-silnika [3].
Sprawno ć takiego zespołu maszynowego przekracza 0,75 [4].
Ka da reakcyjna turbina wodna mo e, co prawda, pracować jako pompa i
odwrotnie, ale zazwyczaj b d one miały bardzo mał sprawno ć [4]. Pompoturbiny

166
s to specjalnie opracowane turbozespoły zapewniaj ce prac turbinow i pompowa z
du sprawno ci . Pompoturbiny s zawsze typu reakcyjnego, dla spadów niskich -
systemu Kaplana, dla rednich  Deriaza lub Francisa i dla wysokich  Francisa [2].
Na rysunku 10.33 przedstawiono turbozespół z pompoturbin Deriaza. Przej cie
do pracy pompowej wymaga zmiany obrotów wirnika 1 oraz odpowiedniego
ustawienia jego łopatek. Podczas pracy pompowej woda napływa do turbozespołu rur
ssawn 3 i wypływa spiral 2.
Na niskie spady stosuje si rurowe turbiny Kaplana, które  obracaj c si w
przeciwn stron  pracuj jako pompy osiowe. Rurowe turbiny OHZDURZH stosuje si
do spadów zaledwie 2 3 m. Maj one wirnik umieszczony nad poziomem wody
górnej, dlatego uruchomienie maszyny wymaga zastosowania pompy pró niowej (rys.
10.35).

Literatura
[1] C J.T., 0DV]\Q\ SU]HSá\ZRZH, Wydawnictwo Politechniki l skiej, Gliwice
1997.
[2] J K., (OHNWURZQLH ZRGQH, WNT, Warszawa 1971.
[3] L D., P M., S F., (OHNWURZQLH, WNT, Warszawa 1995.
[4] M S., P J., (QHUJHW\ND ZRGQD, WNT, Warszawa 1975.
[5] M A., 0DV]\Q\ L XU] G]HQLD FLHSOQH L HQHUJHW\F]QH, WSiP, Warszawa 1998.
[6] M A., 7HRULD PDV]\Q ZLUQLNRZ\FK, Wydawnictwa Politechniki Warszawskiej,
Warszawa 1989.
[7] N L., (OHNWURZQLH FLHSOQH, WNT, Warszawa 1974.
[8] N T., 7XUELQ\ SDURZH, PWN, Warszawa 1980.
[9] P S., 7XUELQ\ SDURZH L JD]RZH, Wyd. Ossolineum, Wrocław 1992.
[10] 3RUDGQLN LQ \QLHUD 0HFKDQLND, t. II, WNT, Warszawa 1969.
[11] S J., 7HUPRG\QDPLND WHFKQLF]QD, PWN, Warszawa 1991.
[12] Z Z., 0DV]\Q\ L XU] G]HQLD FLHSOQH L HQHUJHW\F]QH, PWSiP, Warszawa 1969.