Společnost Doosan Škoda Power (DSPW) je předním producentem parních turbín širokého výkonového spektra od 10 až po 1200 MW. To přináší nutnost disponovat širokým portfoliem koncových lopatek pokrývajícím takto rozsáhlý výkonový rozsah. Turbíny nižších výkonů jsou navrhovány jako vysokootáčkové v otáčkových řadách 5500 ot/min, 6500 ot/min a 8000 ot/min. Hlavními důvody použití vyšších otáček je dosažení vyšší účinnosti, minimalizace rozměrů a s tím související cena jak za vlastní turbínu, tak za obslužná technologická zařízení. Koncové lopatky pro vysokootáčkové turbíny vycházejí ze základní řady koncových lopatek, které byly doposud v DSPW vyvinuté pro turbíny na 3000 ot/min. Tato základní řada lopatek pro otáčky rotoru 3000 ot/min je trvale rozšiřována o typy delších lopatek. Zároveň jsou starší typy lopatek nahrazovány novými tak, aby splňovaly stále náročnější požadavky na účinnost, spolehlivost a flexibilitu provozování (flexibilitou provozování turbíny se rozumí schopnost turbíny pracovat bez omezení v širokém výkonovém pásmu, schopnost rychlých výkonových změn a častých startů). Využitím podobnostní teorie jsou lopatky základní řady měřítkovány pro vysokootáčkové turbíny. Tento přístup je velmi efektivní, neboť značně snižuje náklady a představuje časovou úsporu při vývoji těchto lopatek. Koncové lopatky jsou kritickou a limitující součástí parní turbíny z pohledu bezpečnosti, a tím i flexibility provozu. Návrh koncových lopatek můžeme rozdělit na dvě fáze. První se týká aerodynamického návrhu vlastního listu lopatky. Při využití 3D numerických analýz a optimalizačních výpočetních postupů je navržen a optimalizován pracovní list lopatky, a to zejména na maximální účinnost. Další fází je mechanický návrh, který zahrnuje optimální frekvenční naladění lopatky, zajištění dostatečných bezpečností z pohledu pevnosti lopatky a taktéž návrh závěsu a vazebních členů. Obě tyto fáze návrhu se časově prolínají, protože se vzájemně významně ovlivňují. Vývoj nové koncové lopatky zahrnuje až několik desítek návrhových iteračních kroků, které vedou k optimálnímu konstrukčnímu řešení splňujícímu náročné požadavky na její provozování. Doba potřebná pro vývoj nové koncové lopatky přímo souvisí s její délkou. Čím je delší lopatka, tím náročnější je řešení jejího návrhu. Jedná se například o stanovení účinku supersonického proudu pracovní páry u špičky pracovního listu dlouhých lopatek nebo o vyřešení pevnosti lopatky zatížené kromě ohybového momentu od výkonu i extrémní odstředivou silou od rotace. U dlouhých lopatek je každá lopatka zatížena silou přes 5000 kN. To odpovídá tíhové síle přibližně 400 osobních automobilů. Z historického pohledu byly v minulosti koncové lopatky pro nízkotlaké díly turbín navrhované jako volné. Listy lopatek nebyly žádným způsobem mezi sebou vázány. S požadavkem navrhovat pro zvyšující se výkony a účinnosti turbín stále delší koncové lopatky bylo nutné lopatky mezi sebou vázat pomocí vazebního drátu, který prochází otvory u špičky pracovních listů lopatek. Hlavním přínosem používání vazebního drátu je omezení nebezpečného kmitání lopatek aplikováním přídavného konstrukčního tlumení mezi lopatkou a vazebním drátem. Uvedené konstrukční řešení ale nelze použít pro ultra dlouhé lopatky a dále pro turbíny pro vysokou flexibilitu provozování. Proto byl na začátku minulého desetiletí v DSPW zahájen vývoj koncových lopatek s integrálními vazebními členy. To přináší mnohá pozitiva – zvýšení dynamické tuhosti celého olopatkovaného kola, přídavné konstrukční tlumení a schůdnější frekvenční ladění lopatek. Toto řešení však přináší značné nároky na přesnost výroby lopatky, zejména pak jejích vazebních členů. Koncové oběžné lopatky se nevyvíjí izolovaně. Jejich vývoj zahrnuje i návrh předposledního stupně a u ultra dlouhých lopatek ještě dalšího předchozího turbínového stupně (zde se stupněm rozumí statorová a k ní příslušející oběžná lopatka). Důvodem je nejen optimalizace proudového pole páry a s tím související účinnost, ale i vytvoření modulárního konstrukčního uzlu, který opakovaným použitím významně urychluje návrh nové turbíny. Velmi důležitou součástí návrhu lopatky je vhodný výběr materiálu. V dnešní době se v DSPW pro koncové lopatky používají zejména vysokopevnostní martenzitické oceli, které dosahují při zachování akceptovatelných plastických vlastností vysokých pevností až 1250 MPa. V ojedinělých případech jsou pro koncové lopatky využívány i slitiny titanu. Zavedení nového typu materiálu s perspektivou lepších vlastností (mechanických, korozních, erozních atd.) s sebou nese znalostní rizika. Proto jsou nově zaváděné materiály vždy podrobeny rozsáhlému souboru zkoušek a testů, které musí prověřit jejich vhodnost pro použití na koncové lopatky. Jedná se např. o zkoušky mikrostruktury materiálu, mechanických vlastností, testy vysoko- a nízkocyklové únavy na různě tvarovaných zkušebních vzorcích, testy korozní a erozní odolnosti a další. Vlastní výroba lopatky je velmi náročná na přesnost a probíhá na několika pracovištích. Lopatky se třískově obrábějí a brousí na speciálních CNC centrech. Finální operací je rozměrová kontrola 3D souřadnicovým měřicím přístrojem, kde se s přesností na setiny milimetru proměřují kritické tvarové části lopatky. Nezbytným krokem pro ověření korektnosti numerických analýz a mechanického návrhu lopatky je zhotovení prototypového oběžného kola v reálné velikosti. V experimentální laboratoři DSPW v Plzni je prototypové kolo následně podrobeno rozsáhlému souboru testů na experimentálním zařízení ( Campbellův stroj). Aerodynamický návrh profilů koncové lopatky je experimentálně ověřován ve vysokorychlostním aerodynamickém vzduchovém tunelu Ústavu termomechaniky Akademie věd České republiky v Novém Kníně. V tomto unikátním tunelu lze dosáhnout při měření profilových mříží vysokých hodnot výstupního Machova čísla proudu – vyššího než 2. Jako finální verifikační krok celého návrhového procesu koncové lopatky je její monitoring přímo na elektrárně. Pro sledování a měření lopatek za provozu se úspěšně používá bezkontaktní měřicí systém Tip-timing. Trendem poslední doby je flexibilita provozování energetických zdrojů, což souvisí zejména s rozmachem obnovitelných zdrojů energie. Poskytování podpůrných služeb ve formě sekundární a terciální regulace se stává proto velmi lukrativním byznysem a tak zákazníci kladou stále větší důraz na flexibilitu provozování našich turbín. To však má i přímý dopad na koncové oběžné lopatky jakožto na kritickou součást turbíny. Tento nový trend v energetice ovlivnil i směřování vývoje koncových lopatek v DSPW právě s ohledem na jejich schopnost bezpečně odolat širokému pásmu aerodynamického zatížení. Pro odolnost parních turbín Škoda při provozování s vysokým počtem startů, při vysokých hodnotách protitlaku v kondenzátoru, provozování při nízkém nebo vysokém aerodynamickém zatížení se v současné době finalizuje vývoj nové koncové lopatky o délce 875 mm. Aby ji bylo možné použít u turbín pro tyto speciální požadavky, hlavním kritériem při návrhu této lopatky byla její robustnost. Závěrem lze konstatovat, že celkový návrh a vývoj koncových lopatek pro kondenzační turbíny je velmi komplexním procesem. Jeho úspěšné zvládnutí vyžaduje nejen používání špičkových technologií, ale také mnoho zkušeností a široké know-how specialistů v DSPW. Ing. Tomáš Míšek Ph.D., vedoucí odboru Dynamika a pevnost Doosan Škoda Power
