Dampfturbine

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Dampfturbine
Montage eines Dampfturbinenläufers
Vereinfachte CAD-Darstellung eines einstufigen Turbinenläufers
Turbinenschaufel des Hochdruckteiles einer Dampfturbine

Eine Dampfturbine ist eine Turbinenbauart. Sie besteht aus einer schnell rotierenden Welle, best√ľckt mit vielen Turbinenschaufeln, die von Wasserdampf angestr√∂mt werden.

Inhaltsverzeichnis

Bezeichnungen

Genormte Bezeichnungen

Nach DIN sind folgende Bezeichnungen zu unterscheiden:

  • Dampfturbine: Sie ist die reine Kraftmaschine mit den rotierenden Bauteilen,
  • Dampfturbosatz: Er besteht neben der Dampfturbine aus den angeschlossen Arbeitsmaschinen, gegebenenfalls zus√§tzlich ein Getriebe,
  • Dampfturbinenanlage: Darunter versteht man die Gesamtheit aus Dampfturbine, Arbeitsmaschine, Kondensator und angeschlossene Rohrleitungen.

Weitere Bezeichnungen

Entwicklung

Die Dampfturbine nutzt die Totalenthalpie des Dampfes. Je nach Aufteilung des Enthalpiegef√§lles auf Leitrad und Laufrad spricht man entweder von Aktions- oder Reaktionsturbinen. Das Prinzip der Reaktionsturbine entdeckte bereits in der Antike Heron von Alexandria und nutzte es f√ľr den Bau einer primitiven Version einer solchen (Aeolipile). Diese erste Erfindung einer Turbine wurde aber nie einer weiteren Nutzung zugef√ľhrt, sondern nur als Spielerei verwendet.

Im Jahre 1551 beschrieb der osmanische Gelehrte Taqi al-Din erstmals eine Dampfturbine als Antrieb f√ľr einen Drehgrillspie√ü. Im Abendland hatte 1629 Giovanni Branca als erster die Idee, hei√üen Dampf zum Antrieb der Schaufeln eines Turbinenrades zu verwenden, allerdings setzte er die Idee nicht in die Praxis um. Die ersten einsetzbaren Dampfturbinen entwickelten der Schwede Carl Gustav Patrik de Laval 1883 (Aktionsprinzip) und der Engl√§nder Charles Parsons (1884) (Reaktionsprinzip). Beide Originalmaschinen stehen im Deutschen Museum in M√ľnchen. Parsons war auch der erste, der eine Dampfturbine in ein Schiff, die Turbinia, einbaute. Der Vorteil der Reaktionsturbine besteht u.a. darin, dass bei entsprechender Wahl des Reaktionsgrades f√ľr Lauf- und Leitreihen dieselben Schaufelprofile verwendet werden k√∂nnen. Ein Nachteil ist die gro√üe Anzahl Stufen und die daraus resultierende L√§nge des L√§ufers. Als Kompromiss zwischen der kompakten Bauweise der Laval-Turbine und dem besseren Wirkungsgrad der Parsons-Turbine entwickelten Charles Gordon Curtis in den USA und Auguste Rateau in Frankreich und Heinrich Zoelly in der Schweiz jeweils um die Jahrhundertwende mehrstufige Aktionsturbinen.

Die schwedischen Br√ľder Birger und Frederik Ljungstr√∂m entwickelten vor dem Ersten Weltkrieg einen gegenl√§ufigen Radialturbinentyp im Gegendruckbetrieb, der mit Leistungen mit bis zu 30 Megawatt und den M√∂glichkeiten des Betriebs in einem Fernw√§rmenetz oder auf einen Kondensator sehr flexibel einzusetzen war. Prinzipbedingt liegt die gr√∂√üte Leistung dieses Typs allerdings ebenfalls bei etwa 30 Megawatt; deshalb werden Ljungstr√∂mturbinen in der heutigen Zeit nicht mehr gebaut.

Funktion

Prozess einer idealisierten Heißdampfturbine mit Nassdampfteil im Ts-Diagramm dargestellt

Der idealisierte (verlustfreie) Dampfkraftprozess stellt sich wie folgt dar. (In der Dampfturbine selbst spielen sich die Zustands√§nderungen von 5 = Dampfturbineneintritt bis 6 = Dampfturbinenaustritt ab):

  • 1 - 2: Reibungsfreie und adiabate Druckerh√∂hung des Arbeitsmittels Wasser auf den im Dampferzeuger herrschenden Druck,
  • 2 - 3: Erw√§rmen des Wassers auf die zum Druck geh√∂rende Verdampfungstemperatur,
  • 3 - 4: √úberf√ľhrung des fl√ľssigen Wassers in Dampf bei konstantem Druck,
  • 4 - 5: Weitere Erw√§rmung und √úberhitzung des Dampfes bei konstantem Druck,
  • 5 - 6: Reibungsfreie und adiabate Entspannung des Dampfes bei konstanter Entropie in der Dampfturbine mit gleichzeitiger Entstehung der ersten Wassertropfen,
  • 6 - 1: Isobare Kondensation des nassen Dampfes im Kondensator.

Die vom dargestellten Kreisprozess eingeschlossene Fl√§che repr√§sentiert die technisch nutzbare Arbeit bezogen auf die durchstr√∂mende Dampfmenge. Der Prozess selbst ist sehr stark vereinfacht, in der Praxis kommen noch weitere Schritte wie beispielsweise die Zwischen√ľberhitzung des Dampfes bei 5 - 6 oder die Vorw√§rmung des Wassers bei 1 - 2 mit Anzapfdampf aus der Dampfturbine hinzu.

Technik

Montage einer Dampfturbine

Der Dampf dazu wird mit Erdgas, Erd√∂l, Kohle (fossiler Energie), Biomasse, Solarenergie oder Kernenergie im Dampferzeuger bereitgestellt und √ľber Rohrleitungen der Turbine zugef√ľhrt. Dort wird dann die Enthalpiedifferenz des Dampfes bis zu der Temperatur und dem Druck genutzt, die vom Kondensator vorgegeben wird. Diese Maschinenbauart hei√üt daher auch "Kondensationsturbine". Die heutigen Dampfturbinen haben durch die Aufteilung der Dampfmenge auf separate Teilturbinen mit einer gemeinsamem Welle eine Leistung von bis zu 1600 Megawatt. Die technisch m√∂gliche Grenzleistung dieser Bauart wird mit 4000 MW abgesch√§tzt.

W√§hrend in gro√üen konventionellen Kraftwerken √ľblicherweise Hei√üdampfturbinen mit Drehzahlen von 3000 bzw. 3600 Umdrehungen pro Minute zum Einsatz kommen, werden Kernkraftwerke meist mit Sattdampfturbinen mit Drehzahlen von 1500 bzw. 1800 Umdrehungen pro Minute betrieben. Hier werden auch die h√∂chsten Kraftwerksleistungen, h√§ufig √ľber 1000 MW, erreicht. Die leistungsst√§rkste Dampfturbine (1600 MW) wird zurzeit f√ľr das finnische Kernkraftwerk Olkiluoto III gebaut. Die Turbinen der meisten Kernkraftwerke bestehen aus einem Hochdruck- sowie zwei oder drei Niederdruckteilen in separaten Geh√§usen mit insgesamt zwei oder drei Kondensatoren.

Die gr√∂√üten Schaufell√§ngen der Niederdruckteile betragen etwa 1400 mm (bei 3000 Umdrehungen pro Minute) bzw. 2200 mm (bei 1500 Umdrehungen pro Minute). Im Betrieb erreichen die Schaufelspitzen eine Geschwindigkeit von bis zu 500 Metern pro Sekunde, was in etwa der 1,5-fachen Schallgeschwindigkeit in der Luft entspricht. Die zugeh√∂rige Zentripetalbeschleunigung der Schaufelspitze betr√§gt in diesem Betriebszustand 157.750 m/s¬≤. Die daraus resultierende und an einer Schaufel wirkende Fliehkraft entspricht dem Gewicht eines vollbetankten Airbus 380 (ca. 550 t) und wirkt an jeder der ca. 50 Laufschaufeln der Niederdruckendstufe. Nicht nur die Schaufeln selbst m√ľssen diesen Kr√§ften standhalten, sondern auch die Schaufelf√ľ√üe, die wiederum die Kr√§fte in die Rotorwelle weiterleiten. Derartige Belastungen werden durch martensitische St√§hle beherrscht, durch spezielle Werkstoffe wie beispielsweise Titanlegierungen wird versucht, das Entspannungsende weiter abzusenken, um dem Dampf mehr Arbeit zu entziehen.[1]

Ein schwierig zu beherrschender Nebeneffekt ergibt sich beim Betrieb von Niederdruckdampfturbinen. Der Dampfdruck sinkt dabei weit unter 1 bar. Zwischen bestimmten Teilbereichen der Schaufeln der letzten Stufen erreicht der Dampf die zugeh√∂rige Schallgeschwindigkeit. Damit die zuvor bei der Entspannung entstehenden Wassertropfen die Schaufeln der Turbine und beim Eintritt in den Kondensator dessen Rohre nicht erodieren k√∂nnen, durchstr√∂mt der Dampf Fliehkraftabscheider, wo die Tropfen durch Zentrifugalkraft entfernt werden. In der Turbine kommt es aufgrund der stark absinkenden Dichte zu einem radialen Druckgef√§lle und somit zu ungleichen Str√∂mungsgeschwindigkeiten √ľber der Schaufelh√∂he.

Grenzen der Turbinenleistung sind durch die realisierbaren Schauffellängen gegeben, die eher durch strömungstechnische Probleme vorgegeben sind als durch die erreichbare Festigkeit des Schaufelmaterials.

Einsatzbereich Dampfkraftwerke

Chief Customer Officer piezoelektrischer Druckaufnehmer Federh√§nger Schaltschrank Hochspannungskabel Potentialausgleich Schalld√§mpfer Erregermaschine Turbogenerator#K√ľhlung Turbogenerator Planetengetriebe Turbinenschnellschlussventil Entnahmekondensationsturbine Hydraulik federgelagertes Maschinenfundament Gitterrost Gitterrost Sattdampfleitung zur Fernw√§rme Frichdampfleitung Frichdampfleitung Frichdampfleitung Frischdampfleitung-Umgehung Frischdampfleitung-Umgehung Abdampfleitung Abdampfleitung Halogenstrahler
Dampfturbine des Biomasseheizkraftwerkes Baden; Baujahr 2006; Leistung 5.000 kW; Drehzahl des L√§ufers 12.000/min; Wenn man mit dem Mauszeiger √ľber das Bild streicht, erh√§lt man eine Erkl√§rung der Bauteile, mit zugeh√∂rigem Link im Wikipedia.

Der heute weitreichendste Einsatzbereich von Dampfturbinen findet sich in der Stromerzeugung in Kraftwerken f√ľr fossile Brennstoffe oder in Kernkraftwerken. Diese Dampfturbinen gelten mit Leistungen bis 1600 MW (zur Zeit im Bau f√ľr das finnische Atomkraftwerk Olkiluoto III) als die gr√∂√üten ihrer Art. Des Weiteren werden Dampfturbinen in Sonnenw√§rmekraftwerken eingesetzt.

Bei der Stromerzeugung gilt es jedoch besondere Rahmenbedingungen einzuhalten: So betr√§gt die Netzfrequenz in Europa 50 Hz, was bei einer Zweipolmaschine eine Drehzahl von 3000/min und bei einer Vierpolmaschine 1500/min zwingend erforderlich macht. Diese Anforderung muss auf die Umdrehung genau eingehalten werden, um die Synchronit√§t zum Netz nicht zu verlieren. Aus diesem Grund werden ganz spezielle Anforderungen an die Regelung gestellt. Aus technischer Sicht ist die niedrigere Drehzahl g√ľnstiger - dennoch wird in vielen Kraftwerken mit 3000/min gearbeitet, da die Eigenfrequenz vieler Turbinenwellen im Bereich 1200‚Äď1400/min liegt und somit zu nahe an der Betriebsdrehzahl.

Eine aktive Regelung der Drehzahl √ľber Dampfventile w√§re f√ľr diese Anforderung viel zu tr√§ge, weshalb man eine passive Regelung √ľber die Last bevorzugte. So wird die Turbinendrehzahl √ľber die Netzfrequenz vorgegeben.

Die Wellen von Kraftwerksturbinen weisen eine L√§nge von bis zu 60 m auf und k√∂nnen mehrere 100 Tonnen inklusive Turbosatz wiegen. In Verbindung mit den in dieser Gr√∂√üenordnung hohen Drehzahlen entstehen hierbei gewaltige Kr√§fte, die im ung√ľnstigsten Fall bei einem St√∂rfall zu einem Bersten der Turbine f√ľhren k√∂nnen. Aus diesem Grund werden in Kernkraftwerken Turbinen stets so aufgestellt, dass wegfliegende Tr√ľmmerteile keinesfalls den Kernreaktor treffen k√∂nnen. Auch bei konventionellen Kraftwerken ist die Bauweise so, dass solche Tr√ľmmerteile niemals in Richtung des Leitstands weggeschleudert werden k√∂nnen.

Der Anlauf einer Kraftwerksturbine aus dem Kaltzustand kann bis zu einer Woche dauern. Ein zu schnelles Anfahren k√∂nnte durch die schnelle und ungleichm√§√üige W√§rmedehnung der Welle gegen√ľber dem Geh√§use zu ihrem Verklemmen f√ľhren. Die Turbine wird daher unter st√§ndiger Drehung bei niedriger Drehzahl langsam auf bis zu 300 ¬įC vorgeheizt. Dabei wird die Welle √ľber ein elektrisches oder hydraulisches Drehwerk mit rund 60/min angetrieben, um ein Durchh√§ngen und ein axiales Schaben in der Lagerung der Welle zu verhindern. Ist die Turbine auf Betriebstemperatur, so dauert das Hochfahren auf Betriebsdrehzahl in der Regel zwischen 12 und 60 Minuten.

Eine Besonderheit sind die Kraftwerksbl√∂cke f√ľr den Bahnstrom der Deutschen Bahn, da hierf√ľr bei einer Zweipolmaschine nicht 3000, sondern nur 1000/min ben√∂tigt werden. Oftmals werden daher diese Turbos√§tze nicht direkt, sondern durch ein Getriebe so miteinander verbunden, dass nur der Generator mit niedrigerer Drehzahl betrieben wird.

In besonders effizienten Kraftwerken findet die Dampfturbine weiterhin Verwendung, da sie mit Gasturbinen kombinierbar ist: Die Abgase der Gasturbinen heizen den Dampferzeuger, durch den im Dampferzeuger entstehenden Dampf wird eine Dampfturbine angetrieben. Diese Form von Kraftwerken nennt man GuD-Kraftwerke (Gas- und Dampf-Kraftwerk).

Weitere Anwendungen

Dampfturbinen wurden bereits Anfang des 20. Jahrhunderts in Seeschiffen eingesetzt, da nur sie aufgrund ihrer Leistungsf√§higkeit der Forderung nach immer h√∂heren Schiffsgeschwindigkeiten gerecht werden konnten. Im Zweiten Weltkrieg wurden die gr√∂√üeren Kampfschiffe und Flugzeugtr√§ger meist durch Dampfturbinen angetrieben und erzielten Leistungen bis 150.000 PS (110 MW). Nachdem Mitte der siebziger Jahre die Preise des √Ėls f√ľr die Befeuerung der Dampfkessel immer weiter stiegen, wurden kaum noch Dampfturbinen in Schiffe eingebaut. Stattdessen gab man den zwar teureren, aber verbrauchsg√ľnstigeren Dieselmotoren und Gasturbinen den Vorzug.

Heute werden Dampfturbinen nur noch bei atomgetriebenen Schiffen zur eigentlichen Krafterzeugung genutzt. Vor allem im Bereich der Militärtechnik wird dabei der vibrationsfreie und geräuscharme Lauf als großer Vorteil gewertet.

Auch zum Antrieb von Verdichtern und Pumpen im hohen Leistungsbereich ( > 1 Megawatt) kommen Turbinen zum Einsatz.

Dampfturbinen finden auch in großen Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen Anwendung.

Dampfturbinen wurden versuchsweise auch zum Antrieb von Lokomotiven verwendet (Dampfturbinenlokomotive).

Abbildungen historischer Turbinen

Dampfturbinenbau

Im Dampfturbinenbau hat es in den letzten Jahrzehnten einen starken Konzentrationsprozess gegeben. Die verbliebenen Turbinenbauer sind u. a.:

Quellen

  1. ‚ÜĎ Titanlegierungen

Literatur

  • STEAG AG Essen (Hrsg.): Strom aus Steinkohle, Stand der Kraftwerkstechnik. Dampfturbinen Seite 148-191, Springer, 1988, ISBN 3-540-50134-7
  • Wilh. H. Eyermann: Die Dampfturbine, Ein Lehr- und Handbuch f√ľr Konstrukteure und Studierende. R. Oldenburg, 1906
  • Adolf J. Schwab: Elektroenergiesysteme - Erzeugung, Transport, √úbertragung und Verteilung elektrischer Energie. Springer, 2006, ISBN 3-540-29664-6

Weblinks

 Commons: Dampfturbine ‚Äď Album mit Bildern und/oder Videos und Audiodateien

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