Jak si nezničit turbínu

Úkolem turbíny je změnit příchozí kinetickou energii na mechanickou. Tento proces probíhá na speciálně tvarovaných lopatkách, které jsou připevněné k hřídeli s ložisky. Hřídel a vhodně tvarované lopatky tvoří rotor turbíny, který předává přijatou energii do poháněného zařízení, nejčastěji generátoru. Často se mezi hřídelí a generátorem nachází převodovka upravující otáčky hřídele turbíny podle předem daného nastavení.

Turbíny mají díky své vysoké výkonnosti a relativně jednoduché konstrukci široké využití v mnoha oblastech. Turbíny různého druhu se používají v energetice (tepelné, větrné a vodní turbíny), letectví, námořnictví a průmyslu.

Podmínky a okolní prostředí, v němž pracují, se mohou mezi sebou zásadně lišit. Jedněm z nejtěžších podmínek – vysokým teplotám, vysokým tlakům a agresivním plynům napomáhajícím korozi – jsou vystaveny tepelné turbíny (parní, plynové i kombinované). Bezporuchový provoz v těchto podmínkách vyžaduje nejen použití vysoce kvalitních konstrukčních materiálů, ale také nejkvalitnější mazací olej, který splňuje všechny požadavky výrobce. Teploty na ložiscích vysoce výkonných plynových turbín často dosahují 110–120 °C (horké body na kluzné vrstvě dokonce až 140 °C). Podobné a často vyšší teploty, nad 150 °C, může dosahovat olej, který promazává labyrintová mechanická těsnění na styku těsnění s kluznými kroužky. Navíc přítomnost vodní páry a spalinových plynů klade na mazivo další požadavky.

Neustálý vývoj zařízení za účelem zvyšování jejich výkonnosti má vliv na zvětšování požadavků na maziva používaná v turbínách. Už více než 10 let lze na trhu turbínových olejů pozorovat trend zlepšování termo-oxidační stability. V posledních letech se zvláštní a odůvodněná pozornost věnuje stálým produktům oxidace, usazeninám vznikajícím při práci maziva v ústrojí turbíny. Uvedené usazeniny, saze nebo kaly jsou jednou z hlavních příčin mechanických znečištění (kromě jiných větších nečistot), které mohou mít destrukční vliv na součásti turbíny, a tudíž způsobovat odstávky v provozu a vést k nákladným opravám. Čím vyšší provozní teploty zařízení, tím vyšší teploty maziva, jehož základním úkolem je, kromě promazávání třecích ploch, odvod tepla a chlazení neuralgických částí turbíny.

V současné době pozorujeme trend, že se k výrobě turbínových olejů používají základní minerální oleje skupiny II. a III. podle API. Tyto oleje, ve srovnání se základními oleji I. skupiny, jsou odolnější vůči oxidaci, což je žádoucí při práci ve vysokých teplotách. Na druhou stranu lepší termo-oxidační vlastnosti jsou vykoupené nižší schopností rozpouštět velké částice vznikající při oxidaci. Usazeniny, stálé produkty degradace oleje, vznikají v důsledku aglomerace a polymerizace rozpustných produktů oxidace. Turbínový olej má schopnost rozpouštět produkty oxidace, ale ta do značné míry závisí na základním oleji použitém k jeho výrobě. Tato schopnost je omezená. Ve chvíli, kdy je roztok usazenin v oleji nasycený, olej už nedokáže rozpustit větší množství nečistot, které se začínají ukládat na povrchu klíčových součástí.

Usazeniny a saze se ukládají v ložiscích turbíny a zhoršují její schopnost přenášet zátěž, a navíc omezují světlou výšku, což má vliv na nárůst tlaku a teploty, a ještě víc zrychluje proces stárnutí. Viskózní nečistoty, které se usazují na ventilech, mohou způsobovat problémy při provozu a v konečném důsledku jejich poškození. Navíc usazeniny v chladiči zhoršují výměnu tepla a usazeniny na filtrech způsobují jejich rychlejší blokaci, což vede k častějším výměnám. Důležitými prvky, které jsou vystaveny znečištění stálými produkty stárnutí oleje, jsou těsnění. Saze tvořící se na těchto místech mohou znamenat úniky oleje a nárůst tření. Poruchy spojené se vznikem usazenin mohou skončit neplánovanými odstávkami a opravami, jejichž celkové náklady mohou dosahovat až několika milionů polských zlotých.

Vzhledem k ohrožení, jaké s sebou přináší používání oleje náchylného na vytváření usazenin, stojí za to podívat se na vnitrostátní a mezinárodní normy a specifikace výrobců turbín z hlediska požadavků na kvalitu a zkoušek, které prověřují tyto sklony. Když se podíváme na běžné normy týkající se olejů používaných v turbínách (mj. ISO 8086, DIN 51515) a standardy OEM, všimneme si, že turbínové oleje musejí splňovat řadu kvalitativních požadavků. Kromě obvyklých rozborů, podstatných pro tento druh použití, jako je uvolňování vzduchu z oleje, deemulgovatelnost, číslo kyselosti nebo odolnost vůči pěnění, většinou najdeme také zkoušky, které zjišťují odolnost olejů vůči oxidaci. Roky se běžně provádějí rozbory jako RPVOT (Rotating Pressure Vessel Oxidation Test) a TOST (Turbine Oil Oxidation Stability Test).

Jak ukazují rozbory, které dělá Orlen Oil, uvedené zkušební metody často neodrážejí chování oleje v systému a nejsou dostatečné pro zhodnocení oleje z hlediska tendence uvolňování usazenin. Výsledkem zkoušky RPVOT je doba změřená v minutách do chvíle příslušného poklesu tlaku kyslíku v tlakové komoře, v níž se nachází vzorek zkoumaného oleje. Zkušenost ukazuje, že oleje, které mají velmi vysoké výsledky zkoušky RPVOT, přesto mívají sklony tvořit velké množství usazenin. Zkouška TOST vychází především z pravidelného měření čísla kyselosti oleje, který se nachází v lázni o teplotě 95 °C za přítomnosti vody a katalyzátoru Cu-Fe. Navíc se vzorek nachází v kyslíkové atmosféře. Zkouška je časově náročná, v případě olejů odolných vůči oxidaci může trvat dokonce i více než 10 000 hodin. Jak ukazují shromážděné zkušenosti, zkouška nedostatečně reflektuje chování oleje při vyšších teplotách – kolem 150 °C.

Za povšimnutí stojí, že v současné době se pouze některé specifikace vztahují přímo k problému tvorby usazenin. Zkoušky určené k prověření těchto tendencí nalezneme v mezinárodní normě kvality ISO 8086 (Požadavky na mazací oleje do turbín) a ve specifikacích výrobců strojů MAN Turbo TED 10000494596 a Mitsubishi MS04-CL005. Uvedení výrobci věnují velkou pozornost mazivům používaným v jejich zařízeních a doporučují pouze ty oleje, jejichž odolnost vůči uvolňování usazenin úspěšně projde náročnými laboratorními testy. Splnění těchto požadavků je obvykle dosažitelné díky použití základních olejů II. a III. skupiny a pečlivě vybraných funkčních přísad – antioxidantů, inhibitorů koroze, EP přídavků (pokud má olej promazávat také převodovku).

Uživatelé turbín musí pečlivě vybírat mazací olej. Na pomoc jim přicházejí výrobci zařízení, kteří zpracovávají specifikace a standardy kvality pro maziva a vyžadují od výrobce oleje, aby jeho výrobek absolvoval veškeré zkoušky, než bude doporučený k užívání v těchto zařízení. Úspěšné absolvování řady zkoušek a rozborů nakonec vede k získání povolení konkrétního výrobce turbín, které potvrzuje splnění požadavků uvedených ve specifikaci OEM a zaručuje spolehlivý provoz turbíny a příslušenství.