Master's Thesis

Steam turbine for a SMR

Final Thesis 4.78 MB

Author of thesis: Bc. Jiří Osolsobě

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Petr Kracík, Ph.D.

Reviewer: doc. Ing. Jan Fiedler, Dr.

Abstract:

This thesis deals with the thermodynamic design of a condensing steam turbine with heat regeneration and a water cooled condenser. The steam turbine is designed for operation in the secondary circuit of a power plant with a small modular reactor with a thermal output of 200 MWt. The thesis includes a variant design of the heat balance scheme of the secondary circuit. The steam turbine design itself, which is carried out for a secondary circuit with a moisture separator and steam reheater, includes an impulse governing stage with partial admission and a stage section with reaction type blading. Stage section is divided into a single flow high pressure part and a double flow low pressure part. Attention is also given to the design of the labyrinth seal system and the compensation of axial forces by a balancing piston. In conclusion, the performance characteristic of the turbine is determined, and the effect of the condenser cooling water temperature increase on the overall energy balance is evaluated. The final steam turbine design achieves a rated internal power of 70,0 MW with an internal thermodynamic efficiency of 81,7 %.

Keywords:

Steam turbine, small modular reactor, heat balance, governing stage, turbine stages, heat regeneration, condenser

Date of defence

10.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student odprezentoval obsah své diplomové práce. Otázky oponenta byly zodpovězeny. V průběhu obhajoby byly položeny následující doplňující otázky. Pan Ing. Sedlák se dotázal na rozdíly VT a NT ucpávkové páry, co se s párou z ucpávek poté děje a co by se stalo, kdyby KUP nefungoval. Otázka byla zodpovězena.

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Energy Institute

Study programme

Power and Thermo-fluid Engineering (N-ETI-P)

Specialization

Power Engineering (ENI)

Composition of Committee

doc. Ing. Jan Fiedler, Dr. (předseda)
Ing. Petr Kracík, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Ladislav Šnajdárek, Ph.D. (člen)
Ing. Pavel Nešpor (člen)
Ing. Pavel Sedlák (člen)

Supervisor’s report
Ing. Petr Kracík, Ph.D.

Předložená diplomová práce se zabývá návrhem kondenzační parní turbíny pro malý modulární reaktor. V úvodu práce nejprve student navrhl tepelné schéma, ve kterém by měla být parní turbína provozována, ve variantním řešení. Student jednotlivé varianty mezi sebou vhodně porovnal. Hlavní zvolenou variantou pro návrh parní turbíny bylo tepelné schéma se čtyřmi nízkotlakými ohříváky, napájecí nádrží, dvěma vysokotlakými ohříváky a separátorem a přihřívákem páry umístěnými mezi vysokotlakým a nízkotlakým dílem parní turbíny.

Pro tepelné schéma student provedl návrh parní turbíny. Student postupoval při návrhu dílčích částí parní turbíny podle doporučených metodik a provedl optimalizaci, a to včetně jednotlivých stupňů v přetlakové části lopatkování sousledně s bilancí navrženého tepelného schématu. Výsledný návrh reflektuje mimo jiné doporučené bezrozměrné podobnostní součinitele v optimálních mezích s ohledem na dovolené pevnostní namáhání jednotlivých stupňů. Součástí návrhu je i vyrovnávací píst a systém ucpávkové páry.

Pro optimalizovanou variantu parní turbíny student prověřoval vliv ohřátí chladící vody v kondenzátoru na svorkový výkon a příkon oběhových čerpadel terciálního okruhu. V závěru práce je také pro optimalizovanou variantu vykreslena provozní charakteristika v závislosti na hmotnostním průtoku páry do turbíny a svorkovém výkonu TG při respektování vymezené teploty napájecí vody do parogenerátoru. Provozní charakteristika vychází z matematickofyzikálního modelu, který si student v rámci DP vytvořil pro návrh PT.

Při zpracování práce student projevil zájem o danou problematiku, prokázal schopnost samostatného řešení zadaného úkolu a dokázal dobře zhodnotit získané výsledky. Práce splnila zadání v celém rozsahu, doporučuji ji k obhajobě a hodnotím známkou výborně / A.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
doc. Ing. Jan Fiedler, Dr.

Cílem DP byl návrh kondenzační parní turbíny s regenerací tepla a vodou chlazeným kondenzátorem pro malý modulární reaktor o tepelném výkonu 200 MWt. Vývoj malých modulárních  reaktorů je důležitý pro současnou energetiku. Mezi cíle patřil návrh tepelného schématu, termodynamický návrh parní turbíny s ohledem na vybraná pevnostní kritéria a provozní charakteristika vybraných veličin navržené parní turbíny. Obsáhlá DP se skládá ze 6 kapitol a obsahuje 132 stran textu, grafickou úroveň hodnotím jako výbornou. V kapitole č.1 je proveden návrh 3 variant tepelného schématu sekundárního okruhu, kde hlavní rozdíl mezi variantami je zahrnutí nebo absence separátoru a přihříváku páry. Jako vhodná varianta byl stanoven sekundární okruh se separátorem a přihřívákem páry. Další kapitoly pokračují termodynamickým návrhem průtočného kanálu parní turbíny s kontrolou pevnostního dimenzování a návrhem ucpávkového systému. V závěru jsou správně shrnuty provozní vlivy a charakteristiky.

DP je výborně zpracovaná, splnila zadání v celém rozsahu a práci doporučuji k obhajobě. 
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. 1) V kapitole 6.2.3 je uvedena vnitřní termodynamická účinnost turbíny 81,7% (vztah 6.7.), což je vzhledem k použitým profilům a syté páře odpovídající. Existují možnosti zvýšit účinnost takové turbíny?
  2. 2) V kap. 1.5. uvádíte k ohřátí chladící vody: Tento parametr se liší pro průtočný typ a typ s chladící věží. Na základě hodnoty zadané teploty chladící vody na vstupu do kondenzátoru, viz rovnice (1.6), lze předpokládat využití okruhu s chladící věží. Pak ale obvyklé ohřátí chladící vody je 10-15°C. Ohřátí 4°C odpovídá spíš průtočnému chlazení. Zdůvodněte výběr i s využitím tab. 6.15

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová