Turbina parowa –
turbina
, w której
czynnikiem obiegowym
jest
para wodna
. Pierwowzorem turbiny parowej była
bania Herona
. Jest to
silnik
(
maszyna cieplna
) wykorzystujący
energię cieplną
pary wodnej
, wytworzonej zwykle w
kotle parowym
lub
wytwornicy pary
, do wytworzenia
energii mechanicznej
, odprowadzanej
wałem
do innej maszyny, np.
generatora elektrycznego
.
Zasada działania
Przepływ gazu przez turbinę wiąże się ze spadkiem jego
entalpii
(
energii potencjalnej
). W myśl
zasady zachowania energii
entalpia ta zamieniana jest w inną formę energii, a konkretnie w energię mechaniczną odprowadzaną wałem do maszyny napędzanej. Z
drugiej zasady termodynamiki
wynika, że nie można skonstruować
silnika cieplnego
w całości zamieniającego dostarczone
ciepło
na
pracę
, co w praktyce oznacza, że turbiny parowe oprócz użytecznej pracy zawsze oddają do otoczenia ciepło, które jeśli nie jest wykorzystane, staje się ciepłem odpadowym. Stanowi to podstawę
skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła
w
elektrociepłowniach
.
Moc
turbiny bez
upustów regeneracyjnych
określa się wzorem:

gdzie:
- P – moc, [
W
],
- G –
wydatek masowy
, [
kg
/
s
],
- h0 –
entalpia
pary na wlocie do turbiny, [
J
/
kg
],
- h2 – entalpia pary na wylocie z turbiny, [
J
/
kg
],
- c2 – prędkość pary na wylocie z turbiny, [
m
/
s
]
- ηm –
sprawność mechaniczna
.
W przypadku turbin wielostopniowych wzór ten może być stosowany zarówno do poszczególnych stopni, jak i całej turbiny. W obliczeniach dotyczących turbin upustowych należy jednak pamiętać, że w poszczególnych stopniach zmienia się wydatek masowy.
W obliczeniach często pomocna okazuje się
sprawność wewnętrzna
, którą w przypadku turbiny można określić wzorem:

gdzie:
- h0-h2t to teoretyczny spadek entalpii przy takim samym, jak w rzeczywistości, spadku ciśnienia podczas analogicznej
przemiany izentropowej
(
adiabata
odwracalna jest jednocześnie
izentropą
).
Ponieważ turbina cieplna składa się z kolejno po sobie następujących stopni, więc obliczenia energetyczne turbiny sprowadzają się do obliczeń poszczególnych stopni. Moc całkowita turbiny jest sumą mocy poszczególnych stopni. Stopień turbiny składa się z nieruchomego wieńca kierowniczego, związanego na stałe z korpusem, i wieńca wirnikowego, związanego z obracającym się wałem. W wieńcu kierowniczym następuje zamiana entalpii czynnika na jego energię kinetyczną, w wieńcu wirnikowym zaś zamiana energii kinetycznej na mechaniczną. W stopniu jako całości następuje zamiana entalpii czynnika na energią mechaniczną.
Różnica między parą wodną a innym gazem (np.
spalinami
) jest niewielka i polega przede wszystkim na większym
cieple właściwym
. Układ siłowni parowej różni się od
gazowej
temperaturą
i
ciśnieniem
czynnika roboczego na wlocie do turbiny. Optymalne ciśnienie spalin na wlocie do turbiny w układzie gazowym jest kilkakrotnie niższe, niż w układzie parowym. Ponadto uzyskanie wysokiego ciśnienia wody jest znacznie łatwiejsze i mniej energochłonne, niż powietrza (
pompa
zamiast
sprężarki
). Także ciśnienie czynnika na wylocie z turbiny jest w większości przypadków różne. W siłowni gazowej ciśnienie to jest zwykle zbliżone do ciśnienia otoczenia, natomiast w siłowni parowej możliwe jest uzyskanie ciśnienia znacznie niższego od otoczenia (tzw. próżnia w
skraplaczu
). Znacznie większa różnica ciśnień w siłowni parowej oraz większe ciepło właściwe pary wodnej, niż gazów spalinowych powodują, że w turbinie parowej może być zrealizowany znacznie większy spadek entalpii czynnika, niż w turbinie gazowej. Wynika z tego, że turbiny parowe mają znacznie większą liczbę stopni, na poziomie kilkudziesięciu. Turbina gazowa ma zwykle kilka stopni.
Duża liczba stopni turbiny parowej powoduje, że konieczny staje się podział wirnika turbiny na kilka części połączonych ze sobą
sprzęgłem
. Zbyt długi wał wirnika byłby za mało sztywny, co powodowałoby zbyt duże ugięcia i problemy dynamiczne (związane zwłaszcza z drganiami). Podział wału wirnika na kilka części, z których każda jest odpowiednio ułożyskowana na własnych łożyskach, pozwala na uzyskanie odpowiedniej sztywności elementów wirujących. Zwykle każda część wału ma także osobny korpus. Mamy więc do czynienia z jakby niezależnymi turbinami, których wały połączone są sprzęgłami i napędzają zwykle jeden wspólny generator.
Ze względu na sposób zamiany entalpii czynnika na energię mechaniczną w stopniu można wyróżnić stopnie:
- akcyjne, w których znaczna większość entalpii czynnika zamieniana jest w kierownicy na energię kinetyczną, która w wirniku zamieniana jest z kolei na energię mechaniczną;
- reakcyjne, w których zarówno w kierownicy jak i w wirniku zamieniana jest entalpia na energię kinetyczną, z czym wiąże się generowanie mocy mechanicznej w ruchomym wieńcu wirnikowym.
Jeśli turbina składa się ze stopni akcyjnych, to nazywana jest akcyjną, jeśli z reakcyjnych – reakcyjną. W wielu przypadkach część stopni turbiny to stopnie akcyjne, a część – reakcyjne. Trudno wtedy jednoznacznie zakwalifikować turbinę do jednej z grup.
W zależności od ciśnienia pary w poszczególnych częściach turbiny wyróżnia się część wysokoprężną, średnioprężną i niskoprężną. Para po rozprężeniu w części wysokoprężnej doprowadzana jest do średnioprężnej, i dalej ze średnioprężnej do niskoprężnej. Z części niskoprężnej odprowadzana jest już do
skraplacza
, gdzie następuje jej całkowite skroplenie i nieznaczne przechłodzenie
kondensatu
.
Z powodu wysokiego ciśnienia pary na wlocie do turbiny (a właściwie w całej części wysokoprężnej) konieczne jest (ze względów wytrzymałościowych) stosowanie grubych ścianek elementów doprowadzających czynnik do turbiny oraz korpusu turbiny. Wraz ze spadkiem ciśnienia w kolejnych stopniach konstrukcja staje się coraz „lżejsza”.
Jednym ze sposobów podnoszenia
sprawności
siłowni cieplnej jest
przegrzew wtórny
czynnika. Jest to realizowane między częścią wysokoprężną a średnioprężną turbiny. Para wodna po opuszczeniu części wysokoprężnej kierowana jest z powrotem do kotła celem podniesienia temperatury i entalpii a następnie trafia do części średnioprężnej. W wyjątkowych przypadkach, w największych elektrowniach parowych, stosowane są dwa przegrzewy wtórne.
Innym sposobem podnoszenia sprawności siłowni cieplnej jest stosowanie regeneracyjnego podgrzewu wody zasilającej przed dopływem do kotła parowego. Woda podgrzewana jest parą odprowadzaną z upustów turbiny.
Zastosowanie turbin parowych
Turbina parowa jest podstawową maszyną wytwarzającą moc mechaniczną wykorzystywaną do napędu
generatorów elektrycznych
w
elektrowniach
parowych (przede wszystkim węglowych i jądrowych, znacznie rzadziej geotermalnych czy solarnych),
elektrociepłowniach
i
układach gazowo-parowych
. Fakt ten stawia ją na pierwszym miejscu wśród maszyn nakręcających rozwój gospodarczy (wiek XIX –
maszyna parowa
, wiek XX i XXI – turbina parowa). Bez istnienia turbiny parowej wystąpiłby prawdopodobnie deficyt energii elektrycznej na świecie.
Na
statkach
i
okrętach
do napędu
pędników
(
Śruba okrętowa
,
Koło łopatkowe
) bądź innych urządzeń.
Na statkach (np. na
Titanicu
) często stosowana była łącznie z
maszyną parową
jako stopień niskiego ciśnienia. Para wylotowa zza turbiny może być wykorzystywana w
elektrociepłowniach
do podgrzewania wody użytkowej lub w innych zakładach do celów przemysłowych.
W pierwszej połowie XX. wieku próbowano napędzać
lokomotywy parowe
przy użyciu turbin parowych. Próby były jednak nieudane z powodu bardzo niskich sprawności tych maszyn w zakresie małych prędkości obrotowych.
W elektrowniach współczesnych stosowane są także do napędu pompy zasilającej. Są bowiem najlepszym źródłem mocy mechanicznej, odprowadzanej wałem przy
prędkościach obrotowych
znacznie wyższych od prędkości synchronicznej
maszyn elektrycznych
, dzięki czemu pompy mają mniejsze wymiary i większą sprawność.
Turbiny parowe dzieli się również ze względu na wykorzystanie pary odlotowej na
przeciwprężne
i
kondensacyjne
. W turbinach kondensacyjnych para odlotowa nie jest w żaden sposób wykorzystywana, a ciepło jej skraplania jest odprowadzane do otoczenia i stanowi czystą stratę energii. Można ją zmniejszyć stosując zamiast wody ciecze organiczne, których
ciepło parowania
jest znacznie mniejsze, jednak komplikuje to znacznie układ i prowadzi do powstawania innych problemów, trudnych do ominięcia.