Parní turbinová loď Grey Goose

Trochu teorie o turbinách

Již léta jsem uvažoval o využití parní turbiny. Kdysi jsem asi v 15 letech jednu postavil. Na základě článku v Modeláři o jakémsi Francouzovi, který ji postavil z ozubeného kola. Postupoval jsem stejně a pouze s pájkou a dokonce bez vrtačky jsem to postavil. Skříň turbiny-plechovka od krému na boty. Dokonce převodovka na dvě protiběžné vrtule. Do pomala, samozřejmě. Turbina poháněna parou z plechovky od juice, otápěná na plynovém sporáku, (Ještě štěstí, že se dřív dělali konzervové plechovky tak silné.) dosahovala vysokých otáček. Jaký byl výkon jsem nezjistil, protože tam fungovala setrvačnost oběžného kola a nebylo jasné, zda při trvalém zatížení otáčky neklesnou.

Pak se ovšem stalo to, že jsem postupně absolvoval strojní průmyslovku a strojní fakultu ČVUT. To je problém, protože kdo o tom moc ví, ví také proč to nejde. Já jsem navíc dělal turbiny a za diplomku jsem měl návrh parní turbiny pro pohon napáječky (asi 30 MW) jaderného bloku 1500 MW. Po tom všem mi bylo jasné, že rohatkové kolo není to pravé a jeho účinnost (myslím termodynamickou) je mizerná. Snažím se i v modelářství uplatňovat teoretické předpoklady a to je někdy chyba. Za léta praxe jsem poznal řadu lidí, (dnes politikové, zejména SZ) na které jsem používal rčení: “Nezatížen zbytečným vzděláním“. Zkrátka bylo mi jasné, že bez lopatek, které obrací proud páry do protisměru (rovnotlaký stupeň, Curtisovo kolo). Promiňte to laické vyjádření, to nebude ono. Jenže jak vyrobit lopatky délky 1-2 mm, geometricky poměrně přesné, dobře upevněné na oběžném kole a dokonale vyvážené? Nad tím jsem uvažoval mnoho let neúspěšně samozřejmě.

Nebudu tady unavovat rychlostními trojúhelníky, kterými jsem vyplnil svoje mladá léta. Kdo by chtěl, ať se podívá do skript doc.Ambrože. V posledním čísle Heissluft und Dampf to někdo rozebírá velmi podrobně teoreticky, aniž by se ovšem zmínil, jak to oběžné kolo vyrobí-pochopitelně. Proto mně velmi oslovil plánek na Teslovu turbinu, který mi věnoval přítel Voráček. Hned jsem viděl, že tady cesta vede. A na tom pracuji. Začal jsem tím, že jsem si přečetl životopis Nikoly Tesly, opravdu zajímavé. Opravdový genius, který předběhl svou dobu, patrně mimozemšťan, jak se i v knize uvádí, jak neochvějně věří přítel Jirka. Jeho nesmrtelný památník-střídavá trojfázová energetika, zejména aplikovaná na Niagarských vodopádech (tedy v Niagarské elektrárně), kde též umístěn jeho památník, ano zajel jsem si tam. Je přece třeba postupovat od lesa. Mimochodem jsou tam úžasně ochočené žebravé veverky. Další zdroj-samozřejmě internet, odkazů mnoho.

Výhody Teslovy Turbíny pro modelářské použití:

1) Snadná vyrobitelnost.

Základem jsou hladké disky naskládané s malou roztečí na hřídeli. Blízko středu musí být otvory pro axiální odchod vyexpandované páry na obě strany, nebo aspoň na jednu. Předpokladem je dokonalá symetrie, doporučuji vypálit laserem-dnes dostupná technologie. Tloušťka disků teoreticky co nejmenší, ale pozor při použití nerez plechu 0,2 mm se mi zkroutily a proto jsem přešel na 0.6mm. Asi by stačil 0.4mm, ale ten jsem nesehnal. Je třeba naostřit obvod-něco jako kráječ na pizzu.

2) Vysoká termodynamická účinnost.

Pozor, to není účinnost celého zařízení. Ta jen určuje účinnost přeměny energie v páře na mechanickou. Tepelnou účinností (Carnotova cyklu) je třeba ještě násobit. Ta udává účinnost, která se posuzuje dle teploty přivedeného tepla a odvedeného z cyklu. Ta právě bývá dost nízká. Termodynamická tedy posuzuje účinnost přeměny kinetické energie páry na mechanickou na hřídeli. Kinetickou energii získáme přeměnou potenciální energie páry (tlaková a vnitřní energie). Pro nadkritické proudění (to je i při malých tlakových spádech) je potřeba Lavalova dýza. Výsledná rychlost se snadno spočítá, dokonce staré zelené Strojnické tabulky mají přílohu i-s diagram (denní chleba náš) s průhledným pravítkem, kde se teoret.rychlost přímo odečte.

I pro malé tlaky a teploty páry jsou výsledné rychlosti páry značné. To je způsobeno malou měrnou hmotností páry. Běžné turbiny používají řadu lopatkových kol za sebou, kde se rychlost páry postupně převádí na otáčení. V tom je hospodárnost, zde nedosažitelná. U TT vstupuje pára vysokou rychlostí (300-500 m/s) mezi disky, předává postupně a bez nárazů (to je právě to důležité z hlediska účinnosti) svoji hybnost diskům třením a jak se postupně musí přesouvat do středů disků, odevzdává část energie využitím Coriolissovy síly. Pirueta krasobruslařky prudce zrychluje, když ta připažuje. Nebo zkuste si vylézt na dětský kolotoč-sami!!! A po malém roztočení se přemístit do středu. Pokud se vám to podaří, budete překvapeni otáčkami kolotoče.

Další výhodou jsou nízké ventilační ztráty. Oběžné kolo rotující 60-80 000ot/min pochopitelně je brzděno. Pokud je prostředí dost husté, je to zlé. Pochopitelně lopatky to ovlivňují. Nelze počítat s tím, že v modelářské velikosti docílíme vakua ve skříni turbiny. Labyrintové těsnění se zahlcováním parou? Určitě ne. Prostě dokonalé těsnění a vývěva by převýšily to, co bychom získali. Je to škoda, ale bohužel. I když využitelný spád je významný (to jen, že jsem na to nezapomněl). Ale my lopatky nemáme. Zaplať pánbůh.

3) Plochá křivka účinnosti.

Běžné lopatkové turbiny jsou velmi citlivé na poměr u/c, tj. poměr rychlostí mezi rychlostí páry z dýz a oběžnou rychlostí kola. Pro rovnotlaký stupeň je to 0,5. Pro Curtisovo kolo dvojnásobné 0,25. Z toho také vyplývají vysoké otáčky.

Poznámka na okraj. Začátkem století lidé neuměli vyrobit převodovky pro velké výkony. Tak dělali nízkootáčkové turbíny s přímým náhonem šroubu. Nedělalo to dobře ani turbině, ani šroubu. Střední šroub Titanicu budiž příkladem. Turbina měla rotor asi o 140t a otáčky asi 135, pokud si pamatuji. Použitím převodovky, přišlo to později, se to úžasně vylepšilo. Turbina běžela svých optimálních 3000-7000 ot/min, šroub 70-300 ot/min. Turbina se zmenšila a odlehčila, stoupla její účinnost. Přibyla pravda převodovka, často větší než turbina. Do vynálezu šípového ozubení a zvládnutí výroby kvalitních převodovek se našla ještě jedna cesta-turboelektrický pohon. Myslím,že je vše jasné.

Takže zpět.Pro náš případ odhaduji, že u/c bude optimálni 0,4–0,6. To zn obvodová rychlost kola je 40-60% rychlosti páry. Pro kolo o průměru cca 70-100 mm a páru 0,2-0,5MPa o teplotě 300°C budou otáčky 40-70000 /min. Tomu je třeba přizpůsobit převod mezi TT a šroubem. Zatím jsem použil ložiska kuličková ikdyž ani SKF pro tyto otáčky žádné nenabízí. Uvidíme, bude-li třeba přejít na kluzná, jako u skutečných turbin. Tomu jsem se zatím chtěl vyhnout, abych mohl používat kondenzát pro regeneraci a nepájení(bez příměsí oleje).

4) Snadné reverzování.

Stačí použít dvě dýzy pro opačné směry a páru přepínat.

Grey Goose

Plánek, který jsem si koupil od tuzemského vydavatele mně potěšil. Originál postaven v GB za války. Pro nedostatek výkonných dieselů použity dvě parní turbiny. Malé vibrace, velký výkon a tichost chodu. Velká výhoda v noci.

Moje oblíbené měřítko parních lodí (1:25), dalo ještě přijatelnou délku cca 11780 mm. Je to sice na hranici transportovatelnosti pomocí ASTRY COMBI, ale mně vždy nakonec chybí vnitřní prostor (viz Cervia apod.). Trup jsem objednal u osvědčené loděnice DARVASH JOE LTD. Pepa ho vystřihl velmi rychle-dělá rád, když zákazník platí, ale to je přirozené. Sám jsem se pustil do turbin. Rotory o průměru 70mm z nerezi 0,6mm. Skříně turbin z nerezu 10mm jsou dvoudílné. Dělicí čára vede Lavalovými dýzami, postupným pilováním vytvořeny kritické průřezy cca 0,2x10mm. Původní úmysl sešroubovat tyto díly pomocí šroubů M2 nakonec zkrachoval. Vrtat díry d1,6mm a řezat závity M2 v 10mm nerezu stále neumím. Nakonec jsem to spájel natvrdo s tím, že v kritických průřezech byla vložena žiletková pilka.

Dýzy mají tedy kritický průřez 2mm čtvereční a už se s tím nedá hýbat. Proč tak složitě? Neumím vytvořit díru nebo štěrbinu podobných rozměrů obráběním v oceli. Proto to skládám, tedy ze dvou částí. Tento postup považuji za své know how a dávám jej plně k dispozici. Skríně TT jsou oboustraně zakryty plechem. V oblasti dýz jsou podloženy IT deskou a je tam několik šroubů M2, co se tam vešlo, protože tam je plný tlak kotle. Ostatní části jsou již šroubovány řídce, neboť je tam tlak téměř jen atmosférický.

Převodovky jsou 1:10, vyrobky MEZ nebo koho, věnoval mi je Pavel Jakoubek ze známé firmy IRON WORKS STEM ENGINES. Můj pokus o vlastní výrobu převodovek musím označit za krajně neúspěšný. Šrouby jsou pětilisté, koupené po internetu d50mm. Měli by točit aspoň 5-6 tisíc, aby to trochu jelo. Jestli na to budou mít TT dostatečný výkon, to zatím nevím. Ale vychází mi, že by měli točit pěkných 50-60 tisíc, jak z předchozích výpočtů vyšlo. Tak to je ta teorie. Teď ještě ta praxe. Takže přikládám fotky lodě se zabudovanými tutbinami a náhony šroubů. Axiální síly šroubů zachycují kuličková ložiska. Teď pájím kotel držte mi palce.

Obrázková galerie

V Jirčanech 23.2.2010

Tomáš Kočí UK