Master's Thesis

Steam turbine for combined cycle power plant

Final Thesis 8.29 MB Appendix 325.29 kB

Author of thesis: Bc. Miloš Musil

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Petr Kracík, Ph.D.

Reviewer: doc. Ing. Jan Fiedler, Dr.

Abstract:

This diploma thesis deals with the design of a condensing steam turbine for a combined cycle gas turbine unit with steam extraction for a district heating
system, low-pressure regenerative feedwater heating, additional low-pressure steam admission and a water-cooled condenser. The design was carried out for admission steam parameters of 543 °C, 93 bar(a) and a mass flow rate of 253 t/h. Additional low-pressure steam with parameters of 210 °C, 9 bar(a) and a mass flow rate of 46 t/h is also admitted into the turbine flow path. The thesis includes the development of a heat balance diagram of the steam cycle for condensing, summer and winter operating modes. The governing stage was designed as a nozzle-controlled impulse governing stage and the turbine stage section was designed as reaction blading divided into seven turbine cones. The resulting flow path consists of 32 reaction stages and 1 action stage. The design also included an assessment of selected dimensionless stage characteristics, a check of tensile and bending stresses in the blades, the design of the balancing piston and the determination of the residual axial thrust acting on the rotor. Furthermore, the turbine operating characteristic was determined as the relationship between the total steam mass flow rate entering the turbine and the terminal power output. The final design satisfies the specified requirements for the considered operating modes and shows the main limitations associated with extraction operation for the district heating system, loading of the last turbine stages and the requirement for axial thrust balancing.

Keywords:

steam turbine, condensing turbine, combined cycle gas turbine, CCGT, district
heating system, heat balance diagram, control stage, reaction blading,
balancing piston, operating characteristics

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, proč je tlak uvedený za kondenzátními čerpadly 5 bar, z čeho se skládá, jak byl volen a kde by byl v celku umístěn odplyňovák. Otázka byla zodpovězena. Dále se pan Ing. Sedlák dotázal na to, jak bylo dosaženo podchlazení kondenzátu v kondenzátoru o 2 °C. 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 paroplynový blok s tepelným schématem, ve kterém by měla být parní turbína provozována. Tepelné schéma je navrženo se základním a špičkovacím ohřívákem topné vody pro dodávku tepla do SCZT, rozvinutou regenerací (napájecí nádrž s odplyněním a třemi nízkotlakými regeneračními ohříváky) a vodou chlazeným kondenzátorem.

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 je vykreslena provozní charakteristika v závislosti na hmotnostním průtoku páry do turbíny, tepelném výkonu dodávaném do SCZT a svorkovém výkonu TG. Provozní charakteristika vychází z matematickofyzikálního modelu, který si student v rámci DP vytvořil pro návrh PT. V závěru práce je popsán koncepční řez navržené parní turbíny, který je přílohou DP. Koncepční řez nese známky nezkušenosti, ale plní cíle zadání.

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 B
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu B

Grade proposed by supervisor: A

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

Cílem DP byl návrh kondenzační parní turbíny pro paroplynový blok s odběrem páry pro soustavu centrálního zásobování teplem, nízkotlakou regenerací, přívodem přídavné nízkotlaké páry a vodou chlazeným kondenzátorem. Jedná se o nejrozsáhlejší DP v tomto ročníku, obsahuje 180 stran textu v 8 kapitolách, 25 tabulek a 40 obrázků. Kapitola č.1 se detailně zabývá návrhem tepelného schématu parního oběhu pro kondenzační, letní a zimní provozní režim. Další kapitoly se zabývají termodynamickým návrhem průtočného kanálu s regulačním stupněm jako A-kolo s dýzovou regulací a stupňovou částí, která byla navržena jako přetlakové lopatkování rozdělené do sedmi kuželů. Výsledná průtočná část obsahuje 32 přetlakových stupňů a jeden akční stupeň. Je stanovena axiální síla pro 3 režimy a navržen ucpávkový systém. V závěru jsou graficky shrnuty výsledky. Součástí DP je také koncepční podélný řez navržené parní turbíny.

DP splnila zadání v celém rozsahu, svojí detailností, rozsahem a pečlivostí si zaslouží i přes drobné nepřesnosti hodnocení stupněm Výborně. 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 B
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. 1) V kap. 1.4. je pro kondenzátor zvolena teplota ohřátí chladící vody 5 °C (1.22.). Jaký způsob chlazení jste uvažoval? Popište výhody zvoleného řešení.
  2. 2) V kap. 6.2.3 (str.158) píšete: "Z tohoto důvodu bylo nutné upravit geometrii průtočného kanálu v navazujících stupních. Výsledný průběh tlakového čísla je proto kompromisem mezi aerodynamickým zatížením stupňů a požadavky odběrového zapojení turbíny". Zdůvodněte (podle obr.34).

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová