Společná fotografie pracovního týmu
Proudění mokré vodní páry v parních turbínách je i přes dlouhodobý výzkum jedním z nejsložitějších problémů při stavbě lopatkových strojů. Dobrá znalost chování proudu páry v nízkotlakém (NT) dílu parních turbín Doosan Škoda je bezpodmínečně nutná pro výpočtáře, konstruktéry a v konečném důsledku i pro zákazníky. Na základě experimentálních, numerických i analytických metod a pochopení principů vnitřní aerodynamiky dvoufázového proudění, to nejen v lopatkování turbíny, lze navrhnout takovou průtočnou část, která splňuje veškeré parametry požadované zákazníky. Mezi ně se řadí: účinnost, dynamická i statická stabilita lopatek včetně únavy materiálu, erozní odolnost, pokud možno jednoduchá výroba, montáž, údržba a samozřejmě i cena.
Jako vstupní parametr pro řadu numerických a empirických výpočtů slouží experimentálně získané podklady. Měření jsou nejčastěji prováděna na experimentálních zařízeních v laboratořích (ať už v laboratoři Doosan Škoda Power nebo u dodavatelů). Světově výjimečné je však provádění experimentů na reálných turbínách přímo v elektrárně. Takové měření je extrémně náročné nejen z pohledu ceny, technické přípravy, ale i z pohledu organizace, realizace a zejména vyhodnocení naměřených dat. Na druhou stranu jsou však získaná data (např. tlak, teplota nebo vlhkost páry v různých částech parní turbíny) jedinečná. Dávají totiž informace o chování skutečného stroje, nikoliv modelového zařízení v laboratoři, ve kterém jsou jak proudové, tak i geometrické parametry pouze odvozované z teorie podobnosti.
Mezi nejsložitější úlohy v oblasti výzkumného měření v parních turbínách patří výzkum proudění mokré vodní páry pomocí pneumatických i optických sond. Pneumatická měření provádí Doosan Škoda Power a optická měření pak FS ČVUT Praha. Výsledky získané pomocí obou sond se vzájemně korelují. Sondu si lze představit jako ocelovou tyč, nejčastěji o průměru 30 mm s příslušnou měřicí hlavicí, viz obrázek. Sonda je zaváděna a vyjímána za chodu stroje pomocí předem připravených průchodek do turbíny, nejčastěji před nebo za poslední NT stupeň. Ten je totiž nejvíce namáhanou komponentou a podrobné informace o chování páry v jeho okolí jsou velmi žádoucí. Hlavice sondy po zavedení do stroje pojíždí pomocí ručního nebo elektrického traverzéru s určitým krokem po délce poslední lopatky a v diskrétních bodech snímá tlaky (sonda Doosan Škoda Power) a útlumy vlnových délek při průchodu páry optickým oknem (sonda ČVUT). Z naměřených primárních dat se pak dá dopočítat rozložení tlaků, rychlostí, úhlů proudu páry v jednotlivých směrech dále spektra průměrů vodních kapek a ve finále i vlhkost páry. Získaná data pak slouží jako okrajové podmínky pro numerické simulace proudění v NT dílech parních turbín a dokonce i pro úpravy defaultně zavedených modelů v CFD kódech. CFD metody upravené na základě experimentů jsou pak používány jako nezbytný podklad pro vývojáře nových typů lopatek parních turbín. Na obrázcích, získaných pomocí CFD metod je vidět počet vodních kapek vznikajících za jednu sekundu v jednom metru krychlovém a pozice jejich vzniku v průtočné části NT dílu parní turbíny. Tato pozice se nazývá nukleační zóna. Na obrázku níže je nukleační zóna zjištěna pomocí přednastaveného modelu, implementovaného v CFD, na obrázku vpravo se nukleační zóna posouvá po proudu směrem doprava. Tato změna je dána ovlivněním konstant výpočetního modelu na základě podobných experimentů, jaké byly prováděny na turbíně 660 MW. Jedná se v podstatě o posun Wilsonovy linie v mokré vodní páře. Touto zdánlivě drobnou změnou v průtočné části lze docílit vhodné přeprofilování lopatek a zvýšení výkonu NT dílu až o 0,15 % bez významnějšího zásahu do konstrukce a tedy i ceny.
Plzeňské know-how
Na základě znalosti současného stavu experimentálních aktivit lze konstatovat, že jedno z nejlepších know-how a technické možnosti má v oblasti výzkumného měření parních turbín v jaderných, uhelných i jiných elektrárnách právě Doosan Škoda Power. Díky tomu byla společnost oslovena provozovatelem jaderných elektráren ve Francii, firmou EDF (Électricité de France), za účelem provedení porovnávacího měření průběhů parametrů páry (tlaky, teploty, úhly a složky rychlostí a úhly proudu páry a vlhkost) po délce poslední oběžné lopatky. Výsledky z porovnávacího měření jsou nutné jednak pro Doosan Škoda Power s ohledem na případnou dostavbu nového jaderného zdroje, kde vlhkost páry v turbíně a jí způsobené ztráty hrají zásadní roli, a jednak pro EDF, které potřebuje ověřit chování nového typu sondy, vyvinuté ve spolupráci s Institut für Thermische Strömungsmaschinen und Maschinenlaboratorium – ITSM Stuttgart pro použití na turbíně 1600 MW Arabelle v budované jaderné elektrárně Flamanville. Vzhledem ke složitosti měřicí instrumentace i vyhodnocení získaných dat je oboustranné porovnání získaných dat více než žádoucí. Obdobné srovnávací měření nebylo dosud realizováno ani na světové úrovni. Jako jeden z prvních výsledků, který nasvědčuje dobré shodě obou měřicích systémů, je prezentováno rozložení absolutního výstupního úhlu páry α2 po délce poslední oběžné lopatky, viz graf na předchozí stránce. Α2 vyjadřuje úhel odklonu páry od osového směru. Rozdíl v měřeném úhlu je významnější ve střední části lopatky do 8° a lze jej přičíst více obvodově nerovnoměrnému výstupnímu rychlostnímu poli než chybě (a nejistotě) měření. Experiment sice probíhal ve stejnou dobu, ale na obvodově opačných stranách NT dílu.
Příprava měřicí kampaně trvala od prvního kontaktu mezi Doosan Škoda Power a EDF zhruba 2,5 roku. Bylo nutné vyřešit celou řadu technických, organizačních, bezpečnostních a logistických problémů. Součástí přípravy byla návštěva týmu EDF na elektrárně Ledvice pro zjištění připojovacích rozměrů a vibrací turbínového tělesa v blízkosti otvoru pro sondování, a i návštěva týmu Doosan Škoda Power v Paříži v R&D centru EDF za účelem představení koncepce sondy i traverzovacího zařízení. Celá měřicí kampaň byla kryta právně poměrně složitým kontraktem.
Na závěr je nutno poděkovat za konstruktivní a vstřícný přístup společnosti ČEZ, konkrétně vedení elektrárny Ledvice, které nejen, že umožnilo měření realizovat, ale poskytlo po celou dobu experimentu i zázemí pro všechny zúčastněné pracovníky.
Doc. Ing. Michal Hoznedl, Ph.D.
Vedoucí Experimentálního výzkumu proudění
Doosan Škoda Power
