Cena a význam základního výzkumu v energetickém strojírenství

• Foto

Celosvětový vývoj v ekonomice a zejména v potřebě a výrobě elektrické energie v padesátých letech minulého století se odrazil i v úkolech našeho energetického strojírenství, mimo jiné v naléhavém požadavku na výzkum lopatkových mříží parních turbín velkého výkonu a velkých turbokompresorů při vysokých podzvukových a nadzvukových rychlostech. Řešením této problematiky a zejména výstavbou potřebného experimentálního zařízení byl tehdy pověřen Ústav termomechaniky ČSAV. Nejednalo se přitom jen o bezprostřední servis našim výrobním závodům, ale i o systematický základní výzkum, který by mohl poskytnout podklady pro návrh nových, optimalizovaných lopatkových mříží.
Pro získání nezbytných zkušeností a ověření, popř. vyvinutí potřebné techniky a metodiky měření byl ještě koncem padesátých let postaven s velmi skromnými prostředky v Ústavu termomechaniky ČSAV první aerodynamický tunel na výzkum vysokorychlostních lopatkových mříží. Toto zařízení využívalo stlačený vzduch, který přebýval v nočních směnách ve slévárnách ČKD v Praze. Tento vzduch byl zaveden do ejektoru, který vytvářel potřebný podtlak pro nasávání atmosférického vzduchu přes měřicí prostor se zabudovanou lopatkovou mříží. Celé zařízení mělo od počátku charakter provizoria a navíc ani nebylo v objektu ústavu. Proto současně s jeho provozem probíhaly úvahy o stavbě zařízení, které by mohlo dlouhodobě zajistit možnosti experimentálního výzkumu vysokorychlostních lopatkových mříží jak pro základní výzkum, tak pokrývat potřeby našeho energetického strojírenství. Na základě hospodářských úvah a rozsáhlé rešerše o možnostech výroby, stavby a provozu takového zařízení bylo v roce 1962 rozhodnuto o stavbě aerodynamického tunelu s přerušovaným chodem, který by do podtlakové nádrže nasával atmosférický vzduch přes měřicí prostor se zabudovanými zkoumanými lopatkovými mřížemi.

Pohled do laboratoře na aerodynamický tunel na lopatkové mříže s Machovým-Zehnderovým interferometrem zavěšeným v pracovní poloze nad tunelem

Jako podtlakové nádrže bylo využito dvou vyčištěných štol středověkých zlatých dolů v okolí Nového Knína, které skýtají objem cca 6.500 m³ v téměř nepropustné zlatonosné břidlici. Po jejich uzavření nepropustnými přepážkami je lze odsát až na cca jednu desetinu atmosférického tlaku. S takovým podtlakem lze pak už realizovat rychlosti až do dvojnásobku rychlosti zvuku jak na vstupu, tak i na výstupu z lopatkové mříže. Pracovníci Ústavu termomechaniky ČSAV zkonstruovali aerodynamický tunel, univerzální měřicí prostor i veškeré měřicí zařízení (včetně poloautomatického traverzovacího zařízení pro měření ztrátového součinitele), plzeňská Škodovka aerodynamický tunel vyrobila, firma Průmstav Beroun navrhla a postavila laboratorní budovu a krátce po uvedení laboratoře a aerodynamického tunelu do provozu v roce 1965 se podařilo získat z Německa Machův-Zehnderův interferometr, specielně zkonstruovaný pro naše zařízení, který se v dalších letech ukázal jako nedocenitelný přístroj jak pro kvalitativní měření (vizualizaci proudění), tak i pro jemné kvantitativní měření.
Na tomto zařízení bylo k dnešnímu dni detailně proměřeno cca 110 lopatkových mříží pro energetický a letecký průmysl. Získaná data slouží k jejich optimalizaci, ke snížení energetických ztrát a jako podklady pro návrh nových strojů. Kromě toho toto zařízení slouží i základnímu výzkumu v oblasti vnitřní aerodynamiky. Právě ve spojení s teoretickým základním výzkumem je cena této laboratoře největší. Vždyť např. poprvé (v mezinárodním měřítku) se podařilo ukázat, jak se vyvíjí supersonické obtékání lopatkové mříže, včetně soustavy čelních i výstupních rázových vln, detailně zde byla proměřena struktura proudění za tupými odtokovými hranami při supersonických rychlostech, nebo chování turbínových mříží při extrémních úhlech náběhu. Výzkum těchto lopatkových mříží ale není jedinou pracovní náplní této laboratoře. Bylo zde např. proměřeno nadkritické proudění v regulačních ventilech velkých parních turbín a posouzen vliv tvaru kuželky, a rovněž poprvé se zde realizovaly aerodynamické experimenty na radiální turbínové mříži.

Optimalizace profilů poslední rotorové řady 1.000 MW parní turbíny pro jadernou elektrárnu v Temelíně
Jednou z řešených úloh v minulosti byla optimalizace profilů poslední rotorové řady 1.000 MW parní turbíny pro jadernou elektrárnu v Temelíně. S využitím poznatků základního výzkumu v oblasti transsonického proudění se na základě provedených experimentů odařilo významným způsobem zvýšit účinnost tohoto lopatkování. Tyto poslední stupně se podílejí éměř 40 % na celkovém výkonu turbíny. Temelín vyrobí za rok téměř 15 TWh. Kdybychom ztáhli náš přínos jen na oněch 40 % výkonu a odhadli jej na 1 promile na účinnosti, odpovídalo by to a rok zhruba 6 milionům kWh, což při současné ceně cca 2 Kč za 1 kWh činí kolem 12 milionů Kč roční úspory, resp. zisku, jen pro tento jediný případ. Aerodynamický výzkum je nákladnou záležitostí (i v letectví, např. NASA odhaduje jeho podíl na více než třetinu celkových nákladů na výzkum).

Příklad interferogramu a šlírového obrázku proudění ve špičkové turbínové mříži při výstupních rychlostech z mříže odpovídajících zhruba dvojnásobku rychlosti zvuku (M2is = 2,016)

Jeho výsledky ale do značné míry rozhodují nejen o dosažitelném výkonu, resp. účinnosti, ale i o provozní spolehlivosti a bezpečnosti. Pořizovací cena aerodynamické laboratoře ÚT ČSAV v Novém Kníně byla v době její výstavby kolem 3 milionů Kč, přímé náklady na aerodynamický výzkum jedné lopatkové mříže jsou při dnešních cenách kolem 1 milionu Kč. Tyto náklady se však několikanásobně zúročí velmi rychle, protože např. jednoprocentní zlepšení účinnosti posledních stupňů velkých parních turbín pro jaderné elektrárny znamená zlepšení přibližně 0,1 % na účinnosti celého stroje (a to už je u 1.000 MW turbíny 1 MW, a tedy např. 48.000 Kč za jediný den provozu turbíny).

The price and meaning of basic research in energy engineering
A perfect aerodynamic solution for the flowing part – mainly blading – of large steam turbines and jet engines means not only a gain in efficiency, which is very important particularly for large energy equipment, but also an increase in the operating reliability and service life of this equipment. An increase of the output of these machines leads to an increase in flow speeds and the occurrence of a series of new phenomena whose solution requires great knowledge and support through basic research. The author describes the importance and contributions of this basic research and mentions results of a previously resolved case, which optimised the profiles of the last rotor series 1,000 MW steam turbine for the nuclear power plant in Temelin.

Цена и значение основных исследований в энергетическом машиностроении
Совершенное аэродинамическое решение проточной части, и, особенно, облопачивание больших паровых турбин и реактивных двигателей, означает не только прибыль (что у большого энергетического оборудования очень существенно), но и повышение эксплуатационной надёжности и срока эксплуатации этих частей. Повышение мощности ведёт у этого оборудования к повышению проточной скорости и к появлению целого ряда новых явлений, решение которых требует обширных знаний и должно опираться на основные исследования. Автор описывает большой вклад основных исследований и их значение для решения подобных задач. В статье подробно описаны результаты одной из решенных задач – оптимизация профиля последнего роторного ряда 1 000 МВт паровой турбины для ядерной электростанции в Темелине.

Autor

• (red)