Interakce rázové vlny s mezní vrstvou v turbínových lopatkových mřížích

Přestože se v současnosti snažíme zavádět ve stále větší míře nové způsoby výroby elektrické energie, vyrábí se stále okolo 93 % elektrické energie v České republice v elektrárnách s parními a plynovými turbínami (tj. především v elektrárnách s jaderným a uhelným palivem, dále v elektrárnách spalujících různé druhy plynů, biomasu atd.). Jakékoliv, třeba i sebemenší zvýšení účinnosti turbín tak přináší velké úspory, a to nejen ekonomické, ale i v oblasti životního prostředí. Vyšší účinnost přeměny energie znamená, že k výrobě stejného množství elektřiny využijeme méně paliva. Zejména u elektráren spalujících fosilní paliva a různé další biologické hmoty to pak znamená, že vyprodukujeme méně skleníkových plynů, popílku a dalších znečišťujících látek. A to nehovoříme (především v souvislosti s těžbou uhlí a plynu) o znečištění ovzduší, zásazích do krajiny a do celého ekologického systému.

Hledání nových příležitostí ke zvyšování účinnosti parních turbín tím, že zkoumáme složité jevy v proudícím médiu, tak má velký smysl. Výsledky tohoto úsilí však najdou uplatnění i jinde než při výrobě elektřiny – obecně všude tam, kde jsou stroje nebo jejich části obtékány stlačitelným médiem.

Turbostroje jsou rotační stroje, ve kterých je energie obsažená v proudícím médiu (ve vodní páře, plynech a jejich směsích, vodě apod.) přeměňována na rotační pohyb stroje. Může tomu být i naopak – proudícímu médiu je energie rotačním strojem dodávána. Pokud bychom hledali příklady z běžného života, potom představiteli první skupiny jsou například vodní či větrná kola a turbíny, turbíny v proudových motorech nebo právě výše zmíněné parní turbíny. Druhou skupinu představují nejen pokojové ventilátory, ale i veliké kompresory pro stlačování a dopravu plynů nebo dmychadla a kompresory proudových motorů dopravních letadel.

 

Schéma turbínové lopatkové mříže Interakce výstupní rázové vlny s laminární mezní vrstvou

Obr. 1 (vlevo): Schéma turbínové lopatkové mříže se zobrazením vývoje systému výstupních rázových vln v závislosti na rychlosti (Machově čísle M) vystupujícího proudu.

Obr. 2 (vpravo): Detailní šlírové obrazy interakce výstupní rázové vlny s laminární mezní vrstvou na podtlakovém povrchu lopatky pořízené při různých hodnotách rychlosti (Machova čísla M) vystupujícího proudu.

V turbostrojích, které pracují se stlačitelnými médii, jako je pára nebo různé směsi plynů, se médium za určitých okolností vůči obtékaným lopatkám pohybuje velmi vysokými rychlostmi. Tyto rychlosti dosahuji – a často i překračují – rychlost zvuku. Hovoříme pak o transsonických a supersonických proudových polích. Jsou-li lopatky stroje obtékány transsonickými rychlostmi, či rychlostmi supersonickými, vznikají v proudovém poli rázové vlny, které významně ovlivňují účinnost lopatkových strojů. Rázové vlny jsou poruchy v proudu, ve kterých se skokově mění tlak, hustota a teplota proudícího média.  Výsledkem je skoková změna rychlosti proudění (Machova čísla). Za určitých okolností dochází v rázové vlně i ke změně směru proudění. Při takovéto náhlé změně všech parametrů proudu se ale tzv. disipuje energie. To znamená, že jistá část energie obsažené v proudícím expandujícím plynu se přemění na energii, kterou nelze využít na roztočení rotoru turbíny a jedná se tedy o ztracenou energii.

Ústav termomechaniky AV ČR disponuje unikátním vysokorychlostním aerodynamickým tunelem v Novém Kníně ve Středočeském kraji, ve kterém je možné tyto rázové vlny pozorovat a zkoumat. Výzkum se provádí na tzv. modelových lopatkových mřížích, které představují řezy skutečnými lopatkami turbín a kompresorů. U transsonických turbínových lopatkových mříží, kde je proud při průchodu mříží urychlován ze subsonických (podzvukových) rychlostí na supersonické, vznikají za odtokovými hranami lopatek dvě rázové vlny. Rázová vlna vznikající na přetlakové straně lopatky dopadá na podtlakovou stranu lopatky sousední (obr. 1). Zde dochází k interakci rázové vlny s mezní vrstvou, což je tenká vrstva (o tloušťce v řádu milimetrů) proudícího média bezprostředně u povrchu lopatky, kde rychlost narůstá z nuly (na povrchu je obecně rychlost vždy nulová) až na rychlost v nerozrušeném proudu. Je-li mezní vrstva interagující s rázovou vlnou turbulentní (tj. vířívá), rázová vlna se od povrchu pouze jakoby odrazí. Je-li ovšem mezní vrstva před interakcí s rázovou vlnou laminární (nevířivá), dojde k místnímu „odtržení“ proudu od lopatky a vzniku dvou rázových vln. Povaha interakce rázové vlny s mezní vrstvou závisí kromě charakteru mezní vrstvy také na parametrech interagující rázové vlny. Tyto parametry závisí na Machově čísle proudění v místě interakce a na geometrii lopatkové mříže (obr. 2).

Tento jev se v Ústavu termomechaniky AV ČR podařilo podrobně zdokumentovat a popsat (obr. 1 a 2). A jak budou nově získané poznatky z našeho výzkumu vlastně použity? Tak jako doposud – k návrhu účinnějších turbostrojů a zpřesňování výpočetních modelů využívaných při numerických simulacích proudění. Jevů, jako je interakce rázové vlny s mezní vrstvou, je v proudění stlačitelných médií mnoho. Vědci je studují do stále větší hloubky s tím, jak se zdokonalují experimentální a numerické nástroje, které mají k dispozici. Od 60. let minulého století, kdy začala spolupráce Ústavu termomechaniky AV ČR (dříve ČSAV) se společností Doosan Škoda Power, s.r.o. (dříve Škoda Plzeň), výrobcem parních turbín, vedl výzkum složitých jevů v proudění stlačitelných médií turbínovými mřížemi k bezpočtu zlepšení a k návrhu nových, účinnějších a spolehlivějších turbínových lopatek. Např. výkon každé z velkých turbín v jaderné elektrárně Temelín se díky vylepšením a modernizaci lopatek postupně zvýšil z 981 MW na 1079 MW, a to je zlepšení, které jistě přineslo obrovské ekonomické a ekologické úspory, vezmeme-li v úvahu, že turbíny v ostatních elektrárnách byly průběžně také modernizovány. Vždyť celkový instalovaný výkon parních turbín v České republice je asi 15 000 MW!

Kontakt: Ing. David Šimurda, Ph.D., Ústav termomechaniky AV ČR, v. v. i.

 

Zpět na všechna témata měsíce