Gasturbine

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Wechseln zu: Navigation, Suche
Dieser Artikel beschreibt die Gasturbine als Verbrennungskraftmaschine. Zur Gasturbine im engeren Sinne als reine Strömungsmaschine, in der ein unter Druck stehendes Gas expandiert, siehe Expander (Strömungsmaschine).
Turboproptriebwerk:
A Propeller, B Getriebe, C Kompressor, D Brennkammer, E Turbine, F Schubdüse. Die Gasturbine besteht aus den Teilen C bis E.

Eine Gasturbine im weiteren Sinne ist eine Verbrennungskraftmaschine, bestehend aus der eigentlichen Turbine, in diesem Fall einer Gasexpansionsturbine, einem vorgeschalteten Verdichter und einer dazwischen liegenden Brennkammer. Das Wirkungsprinzip beruht auf dem Kreisprozess (Joule-Prozess), den James Prescott Joule erdacht hat: Über die Beschaufelung einer oder mehrerer Verdichterstufen wird Luft komprimiert, in der Brennkammer mit einem gasförmigen oder flüssigen Treibstoff vermischt, dann gezündet und verbrannt. So entsteht ein Heißgas (Mischung aus Verbrennungsgas und Luft), das im nachfolgenden Turbinenteil entspannt, wobei sich thermische in kinetische Energie (Rotationsenergie) einer Welle umwandelt und zunächst den Verdichter antreibt. (Ein Teil der Luft dient auch zur Kühlung des Aggregates.)

Nach der gewünschten Nutzenergie unterscheidet man zwei Arten von Gasturbinen:

  • Wellenturbine: Bei ihr ist die an der Antriebswelle zur Verfügung stehende Rotationsenergie maßgeblich. Einen Anteil dieser mechanischen Energie benötigt die Gasturbine selbst zum Antrieb von Verdichter und weiteren Aggregaten wie Kraftstoffpumpen etc. Der verbleibende Anteil wird als Nutzenergie verwendet zum Antrieb von Haupt- und Heckrotor bei Hubschraubern (siehe Hubschraubertriebwerk), Propellern von Turboprop-Flugzeugen sowie anderer mechanisch angetriebener Geräte wie Generatoren, Kompressoren oder Pumpen. Bei Fluggeräten erzeugt der abgegebene Gasstrahl etwas zusätzlichen Schub.
  • Strahlturbine: Sie soll hauptsächlich die kinetische Energie des Verbrennungsgases in Form von Schub bereitstellen. Neben dem Antrieb oben erwähnter Nebenaggregate wird vorwiegend die Energie des heißen Gasstrahls ausgenutzt (Turbojet), von der Welle wird sonst keine Rotationsenergie abgegriffen. Bei Mantelstromtriebwerken (Turbofan) wird durch den Fan („Bläser“), der von der Turbine ebenfalls angetrieben wird, ein Luftstrom an Brennkammer, Turbine und Schubdüse vorbei nach hinten geblasen. Dieser „Mantelstrom“ erzeugt bei modernen Strahltriebwerken den Hauptteil des Schubs.

Eine besondere Verwendungsform sind die sogenannten Aero-Derivative, bei denen eine ursprünglich als Strahltriebwerk entwickelte Gasturbine für den Einsatz als Kraftmaschine zum Einsatz kommt.

Die Gasturbine ist eine Unterordnung der thermischen Fluidenergiemaschine und der thermischen Turbomaschine.

Insgesamt sind weltweit über 100.000 große Gasturbinen im Einsatz.[1]

Historischer Überblick[Bearbeiten]

Die ersten Erfindungen zur Gasturbine datieren auf das Jahr 1791, als der Engländer John Barber sich eine erste derartige Maschine patentieren ließ. In der Praxis versagte seine Gasturbine jedoch, in erster Linie, weil zu dieser Zeit noch keine ausreichend hitzebeständigen Werkstoffe zur Verfügung standen.

An der Wende vom 19. zum 20. Jahrhundert nahmen die Ingenieure die Idee der Gasturbine wieder auf, wobei sie sich an der parallelen Entwicklung der Dampfturbine orientierten. Nach erfolglosen Versuchen von Franz Stolze und erfolgreichen, aber dennoch in der Öffentlichkeit kaum beachteten Versuchen von Aegidius Elling entwickelte Hans Holzwarth eine Gasturbine mit einem durch Ventile abgeschlossenen Verbrennungsraum, aus dem unter Druck stehende Abgase der zuvor verbrannten Brennstoffe auf die eigentliche Turbine geleitet wurden. So eine „Gleichraumturbine“ kam ohne einen Verdichter aus, erreichte aber nur einen geringen Wirkungsgrad von maximal 13 Prozent. Ab 1935 standen die ersten Gleichraumturbinen für den stationären Betrieb in Gaskraftwerken zur Verfügung; die Entwicklung dieses Turbinentyps geht auf das historische Patent von 1791 zurück – Adolf Meyer vom schweizerischen Unternehmen BBC machte sie marktreif. Die chemische Industrie setzte diese ersten Turbinen ein, die eine Leistung von 14 MW hatten. 1939 lieferte BBC eine Gasturbine an das britische Luftfahrtministerium, das sie zu Versuchszwecken verwendete. 1940 setzte ein Kraftwerk im schweizerischen Neuenburg die erste Gasturbine ein. Die Maschine hatte 4 MW Leistung und lieferte positive Betriebsergebnisse, so dass man eine ähnliche Turbine in eine Lokomotive (SBB Am 4/6 1101) einbaute. Wegen der hohen Verluste bei der Energiewandlung wurde jedoch von dieser Traktionsart Abstand genommen. Die Gasturbine wurde nach dem Zweiten Weltkrieg in erster Linie in Flugzeugen verwendet und ist dort derzeit die wichtigste Antriebsmaschine. Bei den stationären Anlagen wird sie wegen ihrer Schnellstartfähigkeit als Kraftwerksreserve vorgehalten; in den letzten Jahren gewann sie durch die Verwendung in Gas-und-Dampf-Kombikraftwerken (GuD-Kraftwerken) zunehmend an Bedeutung.

Die Energieversorgung Oberhausen betrieb im Rahmen des Projektes ab 1973 eine Versuchsanlage mit einer fossil beheizten Helium-Gasturbine im Heizkraftwerk Sterkrade. Das Projekt scheiterte jedoch an technischen Problemen, ebenso wie ein ähnliches südafrikanisches Nuklearprojekt (Hochtemperaturreaktor mit Helium-Gasturbine), das 2010 eingestellt wurde. Das ähnliche japanische Projekt GTHTR300 wird noch weiterverfolgt.[2]

Aufbau[Bearbeiten]

Turboproptriebwerk Lycoming T53 (Propellerabtrieb links über Reduktionsgetriebe)

Die Gasturbine besteht prinzipiell aus einem Einlauf, einem Verdichter, einer Brennkammer, einer Turbine und einer Düse für Düsentriebwerke beziehungsweise einem Diffusor und einer Abtriebswelle für Wellentriebwerke. Der Begriff „Turbine“ wird nicht ganz eindeutig verwendet, da streng genommen nur ein Bauteil der Gasturbine tatsächlich eine Turbine ist, aber andererseits auch das gesamte Aggregat umgangssprachlich als „Gasturbine“ bezeichnet wird. Bis auf Einlauf und Düse werden alle anderen Komponenten über eine oder auch mehrere Wellen gekoppelt.

Wellen-Gasturbinen gibt es als ein-, zwei- und dreiwellige Maschinen. Bei der einwelligen Bauweise sitzen alle Verdichterstufen und alle Turbinenstufen hintereinander auf derselben Welle (mechanische Kopplung). Damit läuft die gesamte Maschine mit einer Drehzahl. Der Abtrieb kann am verdichter- oder am turbinenseitigen Wellenende liegen. Bei stationären Gasturbinen liegt der Abtrieb für den Generator zumeist am verdichterseitigen Wellenende, da so ein besserer Abgasdiffusor installiert werden kann, das Fluid den Generator nicht umströmen muss und die Wärmeverluste auf dem Weg zum Dampfprozess (bei GuD-Prozessen) nicht allzu groß sind.

Bei der zweiwelligen Anordnung lässt sich der Turbinenteil in Gasgenerator- und Nutzturbine unterscheiden. Dabei treiben die ersten Turbinenstufen den Verdichter an und bilden mit ihm die Gasgenerator-Einheit. Im selben Gehäuse unmittelbar dahinter läuft die Nutzturbine mit einer von der Drehzahl des Gasgenerators unabhängigen Drehzahl. Der Abtrieb liegt in der Regel auf der Turbinenseite. Angetrieben werden mit dieser Maschine üblicherweise Pumpen oder Verdichter, etwa an Gas- oder Ölpipelines, auch in der Luftfahrt sind solche Antriebe mit Freilaufturbinen verbreitet.

Eine besondere Bauart sind die sogenannten Aeroderivatives, bei denen als Gasgenerator eine modifizierte Flugzeugturbine zum Einsatz kommt.

Einlauf[Bearbeiten]

Der Lufteinlauf dient der strömungsdynamischen Anpassung zwischen der Einsatzumgebung und dem Verdichter. Bei stationärem Einsatz oder geringen Geschwindigkeiten dient der Einlauf nur der sauberen Luftführung ohne Verwirbelung oder Strömungsablösungen. Im Lufteinlass befindet sich der Einlasskonus und bei Turbofantriebwerken der Fan („Bläser“).

Insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten hat der Einlauf die Funktion eines Diffusors, der die dort einströmende Luftmasse abbremst und vorverdichtet. Dies ist besonders bei Überschallgeschwindigkeit notwendig, da die Strömung vor Eintritt in die Verdichterstufen auf Unterschallgeschwindigkeit abgebremst werden muss.

Der sich drehende Einlasskonus ist – wie auch die Naben anderer Flugzeuge – meist mit einer kurzen Spirallinie bemalt, damit Personen in der Nähe des Flugzeuges sicher erkennen können, ob sich das Triebwerk (noch) dreht, um die damit einhergehenden Gefahren – Eingesaugtwerden bzw. Kollision, Abgasstrahl, Anrollen des Flugzeugs – abschätzen zu können. Bei schneller Rotation ist die Linie nicht sichtbar, bei langsamer Rotation scheint sich die Spirale in die Mitte zusammenzuziehen.[3] Eine abweisende Wirkung auf fliegende Vögel wird bezweifelt. Manche Fluglinien verwenden einen exzentrischen Punkt oder einen Strich als Rotationsindikator.[4]

Verdichter/Kompressor[Bearbeiten]

CAD-Zeichnung eines Turbofantriebwerks im Bereich des Verdichters.
17-stufiger Axialverdichter eines General Electric J79.

Nach dem Lufteinlauf folgt der Turbokompressor, der aus Axial- oder Radialverdichtern bestehen kann. Axialkompressoren bestehen in der Regel aus mehreren Laufrädern mit Kompressorschaufeln in axialer Anordnung, wobei diese üblicherweise in Niederdruck- und Hochdruckverdichterstufen untergliedert sind. Durch ihn erhält die strömende Luftmasse mittels zugeführter kinetischer Energie in den diffusorförmigen (d. h. sich erweiternden) Zwischenräumen der Kompressorschaufeln Druckenergie. Nach dem Gesetz von Bernoulli erhöht sich in einem an Querschnittsfläche zunehmenden Kanal der statische Druck, während die Strömungsgeschwindigkeit sinkt. Die nun verlorene kinetische Energie wird in einer Rotorstufe wieder zugeführt. Eine komplette Verdichterstufe eines Axialverdichters besteht also aus einer Rotorstufe, in der sowohl Druck und Temperatur als auch die Geschwindigkeit steigen, und einer Statorstufe, in der der Druck zu Ungunsten der Geschwindigkeit steigt. Die Rotorstufen sind hintereinander auf einer gemeinsamen Trommel („Welle“; heute: meist zwei oder drei Trommeln mit unterschiedlicher Drehzahl) angeordnet, die Statorstufen sind fest in die Innenseite des Verdichtergehäuses eingebaut.

Alte Verdichter erreichten oft selbst mit vielen (z. B. 17) aufeinanderfolgenden Verdichterstufen lediglich eine mäßige Verdichtung (Druck am Ende des Verdichters:Umgebungsdruck; im Beispiel 12,5:1), während moderne Triebwerke mit weniger Stufen wesentlich höhere Verdichtungen erzielen (beispielsweise 43,9:1 mit 13 Stufen). Dies ermöglichen verbesserte Profile der Kompressorschaufeln, die selbst bei Überschallgeschwindigkeiten (resultierend aus Umfangsgeschwindigkeit der Schaufeln und Anströmgeschwindigkeit) sehr gute Strömungseigenschaften bieten. Die reine Durchströmgeschwindigkeit darf jedoch die örtliche Schallgeschwindigkeit nicht überschreiten, da sich sonst die Wirkung der diffusorförmigen Kanäle umkehren würde. Hierbei gilt es zu bedenken, dass die örtliche Schallgeschwindigkeit wegen der steigenden Temperatur im Kompressor (s. o., bis 600 °C) ebenfalls steigt.

Brennkammer[Bearbeiten]

CAD-Zeichnung: Brennkammer eines Turbofantriebwerks

Die hohe Kompression der Luft verursacht einen starken Temperaturanstieg. Die so erhitzte Luft strömt anschließend in die Brennkammer, wo der Kraftstoff, meist Kerosin, zugeführt wird. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird beim Triebwerksstart durch Zündkerzen entflammt. Anschließend erfolgt die Verbrennung kontinuierlich. Durch die exotherme Reaktion des Sauerstoff-Kohlenwasserstoff-Gemisches steigt die Temperatur nochmals stark an, und das Gas dehnt sich aus. Diesen Abschnitt des Triebwerks belasten Temperaturen von bis zu 2200 °C stark. Ohne Kühlung könnten auch die hochwertigen Materialien (oftmals Superlegierungen auf Nickel-Chrom-Molybdän-Basis) den Temperaturen nicht standhalten, denn die Brennkammer arbeitet im überkritischen Bereich. Daher wird der direkte Kontakt zwischen der Flamme und der Ummantelung unterbunden. Dies geschieht durch die sogenannte „Sekundärluft“, die nicht direkt in den Verbrennungsbereich gelangt, sondern um die Brennkammer herumgeleitet wird und erst dann, durch Bohrungen an den Blechstößen der schuppenartig aufgebauten Brennkammer, in sie gelangt und sich als Film zwischen die Verbrennungsgase und die Brennkammerwand legt. Dies wird Film- oder Schleierkühlung genannt. Rund 70 bis 80 Prozent der gesamten Luftmasse aus dem Verdichter werden als Sekundärluft genutzt, lediglich der Rest gelangt als Primärluft direkt in die Brennkammer. Damit die Flamme nicht erlischt, befinden sich die Einspritzventile für den Kraftstoff in einer geschützten Zone der durchströmenden Luft. Weiterhin wird in unmittelbarer Umgebung die Luftdurchflussgeschwindigkeit reduziert (ca. 25–30 m/s), um ein Erlöschen der Flamme zu verhindern und eine optimale Verbrennung zu erzielen. Die Brennkammer bestimmt durch ihre Auslegung den Schadstoffgehalt im Abgas. Man unterscheidet dabei zwischen Rohrbrennkammern, Ring-Rohrbrennkammern und Ringbrennkammern.

Rohrbrennkammer[Bearbeiten]

Rohrbrennkammern eines GE J79

Diese Art der Brennkammer ist besonders für Triebwerke mit Radialverdichter geeignet, wie sie insbesondere am Anfang der Entwicklung in Großbritannien (Rolls-Royce Welland). In Richtung der Brennkammern teilen einzelne Diffusoren des Radialverdichters den Luftstrom auf. Jede Brennkammer besitzt ein eigenes Primär- und Sekundärluftsystem. Die Brennkammern sind über die Zündstege miteinander verbunden. Im Allgemeinen werden etwa acht bis zwölf dieser Rohrbrennkammern radial am Triebwerk angeordnet. Sehr kleine Turbinen, etwa für APUs, besitzen nur eine einzelne Rohrbrennkammer. Den Vorteilen − einfache Entwicklung, einfache Brennstoffverteilung und gute Wartungsmöglichkeiten − steht der Nachteil des hohen Konstruktionsgewichts einer solchen Anordnung gegenüber. Auch sind die Strömungsverhältnisse gegenüber anderen Brennkammerbauarten nachteilig. Rohrbrennkammern werden heute noch bei Wellenturbinen eingesetzt, z. B. für Turbopropantriebe.

Rohr-Ringbrennkammern[Bearbeiten]

Diese Brennkammerbauart kombiniert die Rohr- und die Ringbrennkammer und eignet sich besonders für sehr große und leistungsstarke Gasturbinen, weil sie sich mechanisch sehr stabil ausbilden lässt. Wesentlicher Unterschied zur Einzelbrennkammer ist der gemeinsame Brennkammeraustritt. Die Bauart kommt bei Strahlturbinen kaum vor.

Ringbrennkammern[Bearbeiten]

Die Ringbrennkammer ist das gasdynamische Optimum für Strahlturbinentriebwerke. Sie ist recht leicht und kurz, da die Luftströmung vom Verdichter zur Turbine nicht umgelenkt werden muss. Die Brennkammer hat einige Kraftstoffeinspritzventile, die den Kraftstoff an einen ringförmigen Brennraum abgeben. Allerdings ist die Wartung recht schwierig. Auch ist die Entwicklung sehr aufwendig, da die Gasströmungen innerhalb einer solchen Brennkammer dreidimensional berechnet werden müssen. Die Ringbrennkammer ist heute (2008) der gebräuchlichste Typ bei Luftfahrtstrahltriebwerken. Auch bei bestimmten Kraftwerksgasturbinen wird eine Ringbrennkammer verwendet.

Turbine[Bearbeiten]

CAD-Zeichnung: Turbine eines Turbofantriebwerks: Die Hochdruckturbine treibt den Verdichter an, die Niederdruckturbine über eine koaxiale Welle den Fan (Zweiwellentriebwerk)

Die aus der Brennkammer nach hinten austretenden Gase treffen anschließend auf eine Turbine. Diese treibt über eine Welle den Kompressor an. Bei den meisten Einstrom-Flugzeugtriebwerken (Turbojet) wird der größte Teil der kinetischen Energie für den Rückstoß genutzt. Es wird also nur soviel Energie auf die Turbine übertragen, wie für den Betrieb des Kompressors gebraucht wird. Heute werden meist zwei- oder dreistufige Turbinen eingesetzt, die durch jeweils eine Welle einen Teil des ebenfalls mehrstufigen Kompressors antreiben.

Turbinenschaufel eines Rolls-Royce/Turbo-Union RB199. Gut zu sehen sind die Öffnungen für die Filmkühlung im Bereich der Nasenkante.
Dreistufige Turbine eines GE J79

Die Turbinenschaufeln werden normalerweise aufwendig gekühlt (Innen- und/oder Film-Kühlung) und bestehen heute aus widerstandsfähigen Superlegierungen. Diese Stoffe werden darüber hinaus in einer Vorzugsrichtung erstarrt, erhalten in ihrem Kristallgitter also eine definierte Richtung und erlauben so, die optimalen Werkstoffeigenschaften entlang der höchsten Belastung wirksam werden zu lassen. Die erste Stufe der Hochdruckturbine besteht vermehrt aus Einkristallschaufeln. Der im Gasstrom liegende Teil der Schaufeln wird mit keramischen Beschichtungen gegen hohe Temperaturen und Erosion geschützt. Wegen der hohen Belastung bei Drehzahlen von über 10.000 min-1 ist ein Bruch infolge mechanischer oder thermischer Beschädigung dennoch nicht immer auszuschließen. Deshalb wird die Außenhaut von Turbinen hoch belastbar gestaltet. Die hohen Temperaturen in der Turbine verhindern den Einsatz von Kevlar, wie es im vorderen Bereich der Fan-Schaufeln zum Einsatz kommt, um zu verhindern, dass abgelöste Triebwerksteile tragende Strukturen beschädigen oder Personen verletzen.

Bei Turbojet-Triebwerken, die Schub erzeugen, wird dieser überwiegend im Kompressor erzeugt, Brennkammer und Turbine dienen lediglich dem Antrieb des Kompressors.[5]

Bei modernen Mantelstromtriebwerken (Turbofan) mit hohem Nebenstromverhältnis wird der Schub hauptsächlich durch den Luftstrom erzeugt, der an Brennkammer, Turbine und Schubdüse vorbeigeführt wird. Die Turbine dient lediglich als Leistungsumwandler: Thermische und kinetische Leistung des heißen und schnellen Luftstroms, der aus der Brennkammer kommt, wird in mechanische umgewandelt. Diese wird wie oben beschrieben einerseits dem Kompressor, andererseits aber auch dem Fan über eine oder mehrere Wellen zugeführt (analog beim Turboprop-Triebwerk).

Dies führt zu der wenig intuitiven Wirkungsweise von Triebwerken moderner Flugzeuge: Sie drücken nicht etwa mit dem heißen Abgasstrahl, sondern ziehen vielmehr über den Antriebsfan.

Schubdüse[Bearbeiten]

Hinter der Turbine ist eine konvergente Düse angebracht, durch die das Gas mit hoher Geschwindigkeit ausströmt und damit den Schub erzeugt, weshalb diese Düse Schubdüse genannt wird. Das am Turbinenausgang vorhandene Druckgefälle (Turbinenausgangsdruck – Umgebungsdruck) wird dabei vollständig in Geschwindigkeit umgesetzt. Hierbei ist es das Ziel, eine möglichst hohe Ausströmgeschwindigkeit zu erreichen, wobei der Druck des ausströmenden Gases am Schubdüsenende gleichzeitig den Umgebungsdruck erreicht haben soll, damit der Gasstrahl nicht aufplatzt.

Triebwerke mit Nachbrenner expandieren nicht vollständig, sondern führen dem verbliebenen Gasstrom bei vorhandenem Überdruck (zum Umgebungsdruck) im Nachbrenner nochmals Kraftstoff zu, was zu einer weiteren Beschleunigung des Gasstromes führt. Somit kann einer schnellen Schubanforderung entsprochen werden, wie sie etwa im Manöverflug erforderlich ist. Triebwerke mit Nachbrenner müssen eine in ihrer Geometrie veränderliche Düse („Nozzle“) haben. Diese muss besonders während der Umschaltung von Normalbetrieb auf Nachbrennerbetrieb schnell und exakt gesteuert werden, da es sonst zu einer „Thermischen Verstopfung“ kommen kann, die einen Flammabriss (flameout) zur Folge hat.

Brennstoff[Bearbeiten]

Als Brennstoff kommen verschiedene Gas-, Flüssiggas- und Flüssigtreibstoffe in Frage: neben Erd- und Synthesegas auch Deponiegas, Biogas, Kerosin, Heizöl, Dieselkraftstoff, Gasöl und seltener auch Schweröl.[6]

Gasturbinenbaureihen, die auch mit dem problematischen Treibstoff Rohöl betrieben werden können (z. B. für Pipeline-Druckerhöhungspumpen), werden immer weniger eingesetzt und zum Beispiel durch Dieselmotoren verdrängt, die hier wesentlich bessere Wirkungsgrade erreichen.

Außerdem gibt es immer wieder Versuche, Kohlenstaub direkt oder nach vorheriger Vergasung einzusetzen. In Bergbauregionen werden Gasturbinen mit Grubengas (Methan) betrieben.

Es gibt auch Versuchsturbinen, die mit Festbrennstoff angetrieben werden. Dazu wird der Brennraum mit Brennstoff gefüllt und gezündet. Die Turbine läuft dann so lange, bis sämtlicher Brennstoff verbraucht ist und neu nachgefüllt werden muss. Zu einer kommerziellen Verwendung ist es dabei noch nicht gekommen.

Funktionsweise[Bearbeiten]

Der thermodynamische Vergleichsprozess ist der Joule-Prozess, welcher idealisiert aus zwei Isentropen und zwei Isobaren besteht; er wird auch Gleichdruckprozess genannt. Der Verdichter (auch Kompressor genannt) saugt aus der Umgebung Luft an, verdichtet sie (1 → 2) und führt sie schließlich der Brennkammer zu. Dort wird sie zusammen mit eingespritztem Brennstoff unter nahezu konstantem Druck verbrannt (2 → 3). Bei der Verbrennung entstehen Verbrennungsgase mit einer Temperatur von bis zu 1500 °C. Diese heißen Verbrennungsgase strömen mit hoher Geschwindigkeit in die Turbine. In der Turbine wird das Fluid entspannt und die im Fluid enthaltene Enthalpie in mechanische Energie umgewandelt (3 → 4). Ein Teil der mechanischen Energie (bis zu zwei Drittel) wird zum Antrieb des Verdichters genutzt, der verbleibende Teil steht als nutzbare mechanische Energie wT zur Verfügung. Der Wirkungsgrad einer Gasturbine ist umso höher, je höher die Turbineneintrittstemperatur der Brenngase und das Druckverhältnis der Turbine ist. Die maximal zulässige Materialtemperatur der gekühlten Turbinenschaufeln begrenzt die Turbineneintrittstemperatur.

Gasturbinen zeichnen sich im Gegensatz zu Kolbenmaschinen durch einen ruhigen Lauf aus, da sie kontinuierlich arbeiten und nur drehende Teile besitzen. Der Drehmomentverlauf ist flacher als bei Kolbenmaschinen.

Wellenturbine und Strahltriebwerk[Bearbeiten]

Turboméca-Wellenturbine, links die Abtriebswelle zum Rotor, rechts davon der vergitterte Lufteinlass, rechts das Abgasrohr

Gasturbinen können ihre Leistung in Form eines Abgasstrahls abgeben, der ein Flugzeug antreibt. Die Leistung kann jedoch auch auf eine Abtriebswelle übertragen werden, die dann beispielsweise beim Hubschraubertriebwerk den Rotor eines Hubschraubers, den Generator eines Kraftwerks, den Propeller eines Turboprop-Flugzeugs oder einen Schiffspropeller antreibt. Gasturbinen der letzteren Art werden häufig als Wellenturbinen oder -triebwerke bezeichnet.

Eine Mischform stellt das Mantelstromtriebwerk (Turbofan) dar, bei dem ein Teil der Leistung genutzt wird, um einen Turbofan anzutreiben. Es ist Standard bei großen Verkehrsflugzeugen.

Ab und zu wird der Ausdruck „Wellentriebwerk“ auch für herkömmliche Strahlturbinen gebraucht, weil sie im Gegensatz zum Staustrahltriebwerk zumindest eine Welle als bewegliches Teil hat.

Einsatzgebiete[Bearbeiten]

Luftfahrt[Bearbeiten]

Durch ihr niedriges Leistungsgewicht (Masse/Leistungs-Verhältnis) im Vergleich zu anderen Verbrennungsmotoren eignen sich Gasturbinen sehr gut für Anwendungen im Luftfahrtbereich, da das Gesamtgewicht des Fluggeräts verringert und die Flugleistung gesteigert beziehungsweise Treibstoff eingespart wird.

Beim Antrieb von Hubschraubern und Turboprop-Flugzeugen wird die Wellenleistung der Gasturbine (Wellenturbine) genutzt und über ein Getriebe an Rotor oder Propeller abgegeben.

Für den Rückstoßantrieb von Flugzeugen (Jets) werden Strahltriebwerke (Turbojets bzw. meist Turbofans) eingesetzt. Es fehlt dabei die Abtriebswelle, welche die Leistung an externe Komponenten überträgt. Hinter Verdichter, Brennkammer und Turbine folgt nur noch eine Düse, durch die der heiße Abgasstrahl mit hoher Geschwindigkeit austritt. Der Turbinenteil eines Strahltriebwerks erzeugt dabei nur so viel mechanische Energie, wie für den Antrieb des Verdichters, des Fans und der Nebenaggregate benötigt wird. Der Vorschub entsteht bei zivilen Triebwerken durch den großen Massendurchsatz im Nebenstrom und durch die mit hoher Geschwindigkeit aus der Turbine austretenden heißen Gase des Hauptstroms. Bei militärischen Triebwerken wird der Schub hauptsächlich durch den Hauptstrom hervorgerufen.

Die gewichtssparende Ausführung ist meist wesentliches Auslegungskriterium. Weiterhin spielt der Wirkungsgrad, also die Ausnutzung des Brennstoffs, eine Rolle, sowie geringe Schallemissionen und gute Wartbarkeit.

Siehe: Strahltriebwerk

Militärtechnik[Bearbeiten]

Gasturbinen dienen als Antriebsaggregat verschiedener Fahrzeuge, unter anderem des US-amerikanischen Panzers M1 Abrams und des russischen T-80.

In Militärfahrzeugen insbesondere der Luftabwehr werden Gasturbinen als Stromerzeuger eingesetzt, um so auch ohne Starten des Fahrmotors und des damit verbundenen Generators die Kampftechnik versorgen zu können. Beispiel sind die Startrampen und Raketenleitstation des russischen SA-4-Ganef-Systems (Startrampen je 20 kW, Leitstation 35 kW). Vorteil ist auch hier die hohe Leistungsdichte und das rasche Hochfahren bei jeder Außentemperatur. Der hohe spezifische Treibstoffverbrauch der meist nur wenige Kilowatt starken Turbinen wird dafür in Kauf genommen. Darüber hinaus werden sie für den Antrieb von Schiffen, speziell Militärschiffen oder Luftkissenbooten eingesetzt.

Mechanischer Antrieb[Bearbeiten]

Zum Einsatz kommen Gasturbinen auch in Pump- und Verdichterstationen, wie sie für Öl- und Erdgaspipelines benötigt werden.

Kopplung von Gasturbine und elektrischem Generator[Bearbeiten]

Stationär werden Gasturbinen in Gasturbinenkraftwerken oder Gas-und-Dampf-Kombikraftwerken eingesetzt. In Kopplung mit einem Generator erzeugen sie elektrische Energie. Für diese Anwendung wurden die leistungsfähigsten Gasturbinen mit über 350 MW entwickelt. Wegen der geringeren Anforderungen an das Leistungsgewicht können diese Turbinen zu 95 % aus Stahl gefertigt werden.

Im Eisenbahnverkehr werden Gasturbinen, gekoppelt mit elektrischen Generatoren, auch als Antrieb eingesetzt. Bereits anfangs der 1940er Jahre wurde in der Schweiz die von Brown Boveri gebaute Lokomotive Am 4/6 mit einer 2200-PS-Turbine (1,6 MW) ausgeliefert. Typische Vertreter dieses Loktyps waren der französische Turbotrain oder die US-amerikanischen UP Gasturbinenlokomotiven. Der kanadische Anbieter Bombardier stellte 2002 den JetTrain vor, der bisher noch keinen Einsatz fand.

Automobile[Bearbeiten]

Anwendungen (Beispiele)[Bearbeiten]

Hersteller[Bearbeiten]

Da die Herstellung von Gasturbinen hohe Investitionen (sowohl materiell als auch in Forschung und Entwicklung) erfordert, gibt es weltweit nur wenige Hersteller großer Gasturbinen: Siemens Sector Energy und Alstom Power Systems (ehemals ABB Kraftwerke) in Europa, General Electric (GE) in den USA und Mitsubishi in Japan. Alle weiteren Hersteller sind durch Lizenzen letztlich an einen der vier genannten Konzerne gebunden.

Im Bereich mittelgroßer Gasturbinen für den Industrieeinsatz (sowohl zur Stromerzeugung als auch als mechanische Antriebsmaschinen) sind die Firmen Alstom Power, Siemens Power Generation, General Electric, Rolls-Royce plc (RR), Pratt & Whitney (P & W), Hitachi, MAN Diesel & Turbo, die Caterpillar-Tochtergesellschaft Solar Turbines sowie Kawasaki zu nennen.

Im Bereich der großen Flugantriebe wird von den beiden US-Konzernen General Electric und Pratt & Whitney sowie der britischen Rolls-Royce plc dominiert. Im Bereich der kleineren Antriebe gibt es Hersteller wie Honeywell International; die Allison Engine Company ist seit 1995 Teil von Rolls-Royce North America. Aufgrund der sehr hohen Entwicklungskosten für neue Triebwerke gibt es viele Flugtriebwerksprogramme, bei denen mehrere Hersteller gemeinsam an der Entwicklung und Fertigung eines neuen Produktes zusammenarbeiten. Als Beispiel ist das amerikanisch-französische Joint Venture CFM International zu nennen, an der General Electric und Snecma beteiligt sind.

Seit etwa 1990 gibt es die sogenannten Mikrogasturbinen. Neben der kleinen Leistung im Bereich zwischen 30 und 500 kW zeichnen sich die Turbinen durch eine einfache Technik aus. Die niedrigere Turbineneintrittstemperatur lässt ungekühlte Schaufeln zu. Um den Wirkungsgrad anzuheben, verwenden Mikrogasturbinen Rekuperatoren, die die verdichtete Luft vor dem Eintritt in die Brennkammer mit der Wärme des Abgases vorwärmen. Hierdurch sind Wirkungsgrade um 30 Prozent möglich. Größter Hersteller ist die US-amerikanische Firma Capstone. Weitere Hersteller sind Turbec, Elliot und Ingersoll-Rand.

Eine Übersicht über die auf dem deutschen Markt erhältlichen Gasturbinentypen mit technischen Daten ist auf der Website der Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch zu finden.[7]

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Gasturbine – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

Literatur[Bearbeiten]

  • C. Lechner, J. Seume (Hrsg.): Stationäre Gasturbinen. Springer, Berlin 2003, ISBN 3-540-42831-3.
  • W. Bitterlich, S. Ausmeier, U. Lohmann: Gasturbinen und Gasturbinenanlagen. Darstellung und Berechnung. Teubner, Stuttgart 2002, ISBN 3-519-00384-8.
  • Richard Wegner: Eine praktisch brauchbare Gasturbine. Versuch einer Lösung des Gasturbinen-Problems mit einem vollständig durchkonstruierten Beispiel. Volckmann, Rostock 1907.
  • Hans-Joachim Braun, Walter Kaiser: Energiewirtschaft, Automatisierung, Information. Propyläen, Frankfurt am Main 1997, ISBN 3-549-05636-2, S. 75-77. (Propyläen Technikgeschichte, Band 5)
  • Kamps, Thomas: Modellstrahltriebwerke - Komponenten, Selbstbau, Praxis. Verlag für Technik und Handwerk, Baden-Baden 1996, ISBN 3-88180-071-9
  • Klaus L. Schulte: Kleingasturbinen und ihre Anwendungen. K.L.S. Publishing, Köln 2011, 2. Auflage, ISBN 978-3-942095-42-6.
  • Kyrill von Gersdorff, Helmut Schubert, Stefan Erbert: Die deutsche Luftfahrt: Flugmotoren und Strahltriebwerke. Bernard und Graefe, Bonn 2007, ISBN 978-3-7637-6128-9.

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. TU Berlin, Sonderforschungsbereich zu Gasturbinen, darin Angabe zur Anzahl Gasturbinen weltweit; Mai 2012
  2.  Hee Cheon No, Department of Nuclear and Quantum Engineering, Korea Advanced Institute of Science and Technology (Hrsg.): A review of helium gas turbine technology for hight-temperature gas-cooled reactors. 2007 (Volltext auf nuclear.or.kr).
  3. http://iptv.orf.at/stories/2161493/ Flotte bleibt am Boden, Boeing 787 in Japan, orf.at vom 16. Jänner 2013
  4. http://www.airliners.net/aviation-forums/general_aviation/read.main/3058136/ Spirals in Jet Engines - Civil Aviation Forum airliners.net : What is the purpose of the white spirals painted onto the centre of most wing mounted jet engines? Reply 1 von DLKAPA Oct 24 2006: "Safety, so the ground crew can easily tell if the engine is running."
  5. Buch "Flugzeugtriebwerke" von Willy J. Bräunling, Abbildung Seite 107 : Schubdüse und Turbine stellen einen Widerstand für die Strömung dar und bewirken eine Kraft entgegen der Flugrichtung; Hauptvortriebskraft liefert der Verdichter.
  6. Gasturbinenbetrieb mit Schweröl (pdf)
  7. ASUE: Gasturbinen-Kenndaten und -Referenzen (Stand: April 2006) (pdf)