Trvalým trendem v oblasti vývoje energetických strojů (např. parní turbíny) je zvyšování jejich účinnosti. U kondenzačních parních turbín je klíčovým faktorem, který významně ovlivňuje účinnost, koncová lopatka nízkotlakové části turbíny. Snížením výstupních ztrát koncové lopatky, a tím zvýšením účinnosti je možné docílit větší výstupní průtočnou plochou turbíny, čehož lze dosáhnout právě použitím delší lopatky. To má mimo jiné i ekonomický přínos, neboť větší výstupní průtočná plocha turbíny v mnoha případech umožňuje snížit počet jejich nízkotlakových dílů, což má pozitivní vliv na cenu (cena dvouproudového nízkotlakového dílu se pohybuje vysoko nad 100 mil. Kč). Vývoj ultra dlouhých koncových lopatek vyžaduje aplikovat nejmodernější numerické simulační přístupy. Je nutné optimálně skloubit aerodynamický a mechanický návrh lopatky. Z pohledu proudění páry se dosahují kolem koncových lopatek supersonické rychlosti, které vykazují hodnoty až 2 Ma (1 Ma = rychlost zvuku). Z pohledu pevnosti je kritickým konstrukčním uzlem zavěšení lopatky do rotoru. Například závěs lopatky je při jmenovitých otáčkách turbíny 3000 ot/min namáhán odstředivými silami, které jsou rovny ekvivalentní hmotnosti až 500 tun. Takto vysoké namáhání lopatky společně s korozním a erozním prostředím páry vytváří rovněž vysoké nároky na materiál lopatky. Vysokopevnostní korozivzdorné oceli s mezí pevnosti dosahující hodnot až 1300 MPa, které se často používají pro koncové lopatky, lze již jen problematicky použít pro ultra dlouhé lopatky. Proto se pro tyto lopatky zvolily titanové slitiny, např. 6Ti4Al, původně vyvinuté pro letecký průmysl. Hlavní výhodou titanových slitin je jejich příznivý poměr mezi měrnou hmotností a pevností, která dosahuje hodnot kolem 1000 MPa. Na druhou stranu je nutné počítat s problematickou obrobitelností a zhoršenou erozní odolností, tu lze zlepšit speciálními laserovými nástřiky povrchu lopatky.
Popis návrhu lopatky
Oběžná lopatka je tvořena aerodynamickým listem a tzv. stromečkovým závěsem, jímž se lopatka upevňuje v disku rotoru a přenáší veškeré odstředivé síly lopatky. Ultra dlouhé lopatky jsou dále osazeny dvěma integrovanými vazebními členy, a to na špičce listu a pak přibližně v polovině délky listu. Tyto vazební členy mají za úkol jednotlivé lopatky oběžného kola obvodově propojit, a tím vyztužit celé kolo, což má pozitivní vliv na snížení nebezpečného kmitání lopatek. Vazební člen na špičce listu plní funkci bandáže, která slouží taktéž k zamezení nežádoucího proudění páry, a tím ke zvýšení účinnosti. Zajímavý je princip, jakým se lopatky obvodově propojí. Za klidu jsou mezi vazebními členy sousedních lopatek přesně definované vůle v řádu milimetrů. Tím, jak se při rozběhu turbíny zvyšují otáčky, dochází k nárůstu odstředivých sil a díky velmi komplexnímu tvaru listu lopatky dochází k jeho tzv. deplanaci a následnému rozkrucování, což způsobí při určitých otáčkách vymezení vůlí a následné „zamknutí“ vazebních členů. Při návrhu listu lopatky je kladen značný důraz na minimalizaci velikosti odstředivých sil, neboť ty mají přímý vliv na životnost závěsu lopatky. Při každém startu turbíny dochází k zátěžnému cyklu, kdy v určitých částech závěsu dochází k překročení meze kluzu materiálu lopatky i rotoru, a to způsobuje snižování její životnosti. Pokud je lopatka použita u turbín pracujících v režimu každodenního odstavování (špičkovací turbíny), pak zvýšený počet startů turbíny je jedním z mnoha kritérií při návrhu lopatky. Pro získání pole napjatosti v lopatce a rotoru jsou prováděny rozsáhlé nelineární numerické simulace na základě tzv. Metody konečných prvků. Výsledná vypočtená napětí jsou pak následně hodnocena například z pohledu nízkocyklové únavy, kdy se stanovuje dovolený počet startů. Každá oběžná lopatka musí být frekvenčně naladěna tak, aby se její vlastní frekvence nevyskytovaly v blízkosti násobků frekvence otáčení, což je nutné kritérium pro eliminování rezonančního kmitání lopatky. Rezonanční kmitání lopatek bývá často hlavní příčinou vzniku trhlin, které mohou následně zapříčinit vážnou havárii. Je logické, že čím je lopatka delší, tím je její frekvenční naladění náročnější. Při procesu vývoje ultra dlouhých lopatek se hledá jejich optimální aerodynamický a mechanický design, což často obnáší i několik desítek interakčních kroků, než jsou splněna veškerá požadovaná kritéria kladená na lopatku. Nezbytným krokem pro ověření korektnosti numerických analýz a mechanického návrhu lopatky je zhotovení prototypového kola v reálné velikosti. Toto kolo je pak následně podrobeno rozsáhlému souboru testů v experimentálním zařízení zvaném Campbell, které je součástí vývojové a experimentální základny Doosan Škoda Power v Plzni. Jak již bylo zmíněno, v nízkotlakových dílech – zvláště na jejich konci – dosahuje proud pracovní páry supersonických rychlostí. Kondenzací páry zde vzniká vodní fáze ve formě vodních kapiček. V koncových stupních parních turbín dochází k podstatným změnám rychlostí proudu, jejichž příčinou jsou změny výkonového zatížení, které je pak zvýrazněné například u turbín s teplofikačním odběrem páry. Uvedené jevy jsou zdrojem budicích sil, které dynamicky namáhají oběžné lopatky. Rovněž vedou ke zvýšení eroze nebo k nežádoucím deformacím nízkotlakových dílů, jež jsou způsobeny vlivem dilatací od nerovnoměrného ohřátí. To vše má nepříznivý vliv nejen na účinnost, ale také na spolehlivost a životnost parních turbín. Ještě v nedávné době se účinky proudu pracovní páry zkoumaly převážně experimentálně v aerodynamických vzduchových tunelech. Z praktických důvodů se až na výjimky jedná o vzduchové tunely. V České republice jsou hlavními experimentálními pracovišti cirkulační tunel ve Výzkumném zkušebním a leteckém ústavu v Praze Na Palmovce a vysokorychlostní tunel AV ČR v Novém Kníně. Tento vysokorychlostní aerodynamický tunel využívá Doosan Škoda Power k validačnímu měření také proto, že v tunelu lze dosáhnout při měření turbínových mříží vysokých hodnot výstupního Machova čísla proudu – vyšších než 2. S nástupem výkonných počítačů se rychle rozvinuly výpočtové metody, které umožňují komplexně modelovat proudění pracovní páry v posledních stupních. Kromě nominálních provozních bodů lze výpočtem vyhodnotit i vlivy dílčích výkonových režimů na účinnost a životnost. Významné jsou pro návrh posledních stupňů výpočtové optimalizační metody. Výpočtovými metodami se podstatně zrychlil a zlevnil návrh nových nízkotlakových dílů s moderními koncovými stupni. V případě velmi dlouhých oběžných lopatek jsou zcela nezastupitelné. Nově vyvinutá titanová lopatka o délce 1375 mm se může uplatnit jak u turbín velkých výkonů až 1200 MW (např. pro nové bloky jaderné elektrárny Temelín), tak i pro menší jednotělesové turbíny (např. pro paroplynové cykly). Vývoj posledního stupně s titanovou oběžnou lopatkou byl finančně podpořen Ministerstvem průmyslu a obchodu České republiky, jeho grantovým programem TIP projektu FR – Ti1/458 s názvem Koncový stupeň parní turbíny s vysokou účinností a průtočností. Ing. Ph.D., vedoucí odboru Dynamika a pevnost, Doosan Škoda Power