Gasturbine

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Gasturbine
Turboproptriebwerk:
A Propeller, B Getriebe, C Kompressor, D Brennkammer, E Turbine, F Schubd√ľse. Die Gasturbine besteht aus den Teilen C bis E.

Eine Gasturbine im engeren Sinne, auch Expander genannt, ist eine Turbine (Strömungsmaschine), in der ein unter Druck stehendes Gas expandiert.

Eine Gasturbine im weiteren Sinne ist eine Verbrennungskraftmaschine, bestehend aus der Gasturbine im engeren Sinne (Expander) mit einem vorgeschalteten Verdichter und einer dazwischengeschalteten Brennkammer. Das Wirkungsprinzip beruht auf dem Kreisprozess (Joule-Prozess), den James Prescott Joule erdacht hat: Dieser komprimiert √ľber die Beschaufelung einer oder mehrerer Verdichterstufen Luft, mischt diese anschlie√üend in der Brennkammer mit einem gasf√∂rmigen oder fl√ľssigen Treibstoff, z√ľndet und verbrennt. Au√üerdem wird die Luft zur K√ľhlung eingesetzt. So entsteht ein Hei√ügas (Mischung aus Verbrennungsgas und Luft), das im nachfolgenden Turbinenteil entspannt, wobei sich thermische in mechanische Energie umwandelt und zun√§chst den Verdichter antreibt. Der verbleibende Anteil wird beim Wellentriebwerk zum Antrieb eines Generators, eines Propellers, eines Rotors, eines Kompressors oder einer Pumpe verwendet. Beim Strahltriebwerk dagegen beschleunigt die thermische Energie den hei√üen Gasstrom, was den Schub erzeugt.

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

Inhaltsverzeichnis

Historischer √úberblick

Die ersten Erfindungen zur Gasturbine datieren auf das Jahr 1791, als der Engl√§nder John Barber sich eine erste derartige Maschine patentieren lie√ü. In der Praxis versagte seine Gasturbine jedoch, in erster Linie wegen der zu dieser Zeit noch nicht zur Verf√ľgung stehenden Werkstoffe.

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 √Ėffentlichkeit 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 ‚ÄěGleichraumturbine‚Äú kam ohne einen Verdichter aus, besa√ü aber einen geringen Wirkungsgrad von maximal 13 Prozent. Ab 1935 standen die ersten Gleichraumturbinen f√ľr den station√§ren Betrieb in Gaskraftwerken zur Verf√ľgung; die Entwicklung dieses Turbinentyps geht auf das historische Patent von 1791 zur√ľck ‚Äď 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 √§hnliche 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 im Flugzeug verwendet und ist dort zurzeit die wichtigste Antriebsmaschine. Bei den station√§ren Anlagen wird sie wegen ihrer Schnellstartf√§higkeit als Kraftwerksreserve vorgehalten; in den letzten Jahren gewann sie durch die Verwendung in GuD-Kraftwerken zunehmend an Bedeutung.

Bis 1983 gab es in Deutschland umfangreiche Entwicklungsarbeiten f√ľr eine Helium-Gasturbine, die in nuklearen Kugelhaufenreaktoren eingesetzt werden sollte. Verglichen mit konventionellen Kernkraftwerken sollte der Wirkungsgrad von 34 % bis auf nahe 50 % gesteigert werden.[1] 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 √§hnliches s√ľdafrikanisches Nuklearprojekt (Hochtemperaturreaktor mit Helium-Gasturbine), das 2010 eingestellt wurde. Das √§hnliche japanische Projekt GTHTR300 wird noch weiterverfolgt.[2]

Aufbau

Turboproptriebwerk Lycoming T53 (Propellerabtrieb links √ľber Reduktionsgetriebe)

Die Gasturbine besteht prinzipiell aus einem Einlauf, einem Verdichter, einer Brennkammer, einer Turbine und einer D√ľse f√ľr D√ľsentriebwerke beziehungsweise einem Diffusor und einer Abtriebswelle f√ľr Wellentriebwerke. Der Begriff ‚ÄěTurbine‚Äú wird nicht ganz eindeutig verwendet, da streng genommen nur ein Bauteil der Gasturbine tats√§chlich eine Turbine ist, aber andererseits auch das gesamte Aggregat umgangssprachlich als ‚ÄěGasturbine‚Äú bezeichnet wird. Bis auf Einlauf und D√ľse werden alle anderen Komponenten √ľber 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 l√§uft die gesamte Maschine mit einer Drehzahl. Der Abtrieb kann am verdichter- oder am turbinenseitigen Wellenende liegen. Bei station√§ren Gasturbinen liegt der Abtrieb f√ľr den Generator zumeist am verdichterseitigen Wellenende, da so ein besserer Abgasdiffusor installiert werden kann, das Fluid den Generator nicht umstr√∂men muss und die W√§rmeverluste auf dem Weg zum Dampfprozess (bei GuD-Prozessen) nicht allzu gro√ü sind.

Bei der zweiwelligen Anordnung l√§sst 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 Geh√§use unmittelbar dahinter l√§uft die Nutzturbine mit einer von der Drehzahl des Gasgenerators unabh√§ngigen Drehzahl. Der Abtrieb liegt in der Regel auf der Turbinenseite. Angetrieben werden mit dieser Maschine √ľblicherweise Pumpen oder Verdichter, etwa an Gas- oder √Ėlpipelines, 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

Der Einlauf dient der str√∂mungstechnischen Anpassung zwischen der Einsatzumgebung und der Luftstr√∂mung im Verdichter. Bei station√§rem Einsatz oder geringen Geschwindigkeiten dient der Einlauf nur der sauberen Luftf√ľhrung ohne Verwirbelung oder Str√∂mungsabl√∂sungen. In diesem Lufteinlass befindet sich, je nach Bauart, der Fan (oder Gebl√§se), ein gro√ües Schaufelrad aus Titan, das mit einem aerodynamischen Kegel, dem Einlasskonus, verbunden ist und √ľberwiegend in Turbofantriebwerken zu finden ist. Turbofantriebwerke werden vor allem von Zivil-, Milit√§r- und Transportflugzeugen genutzt.

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

Verdichter/Kompressor

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

Nach dem Lufteinlauf folgt der Verdichterkomplex, der aus Axial- oder Radialverdichtern bestehen kann. Axialkompressoren bestehen in der Regel aus mehreren Laufr√§dern mit Kompressorschaufeln in axialer Anordnung, wobei diese √ľblicherweise in Niederdruck- und Hochdruckverdichterstufen untergliedert sind. Durch ihn erh√§lt die str√∂mende Luftmasse mittels zugef√ľhrter kinetischer Energie in den diffusorf√∂rmigen (d. h. sich erweiternden) Zwischenr√§umen der Kompressorschaufeln Druckenergie. Nach dem Gesetz von Bernoulli erh√∂ht sich in einem an Querschnittsfl√§che zunehmenden Kanal der statische Druck, w√§hrend die Str√∂mungsgeschwindigkeit sinkt. Die nun verlorene kinetische Energie wird in einer Rotorstufe wieder zugef√ľhrt. 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 (heute: zwei bis drei Trommeln) angeordnet, die Statorstufen sind fest in die Innenseite des Verdichtergeh√§uses eingebaut.

Alte Verdichter mit 17 aufeinanderfolgenden Verdichterstufen erreichen lediglich eine Verdichtung von 12,5:1 (Druck am Ende des Verdichters: Umgebungsdruck), w√§hrend moderne Triebwerke mit weniger Stufen wesentlich h√∂here Verdichtungen erzielen (43,9:1 mit 13 Stufen). Dies erm√∂glichen verbesserte Profile der Kompressorschaufeln, die selbst bei √úberschallgeschwindigkeiten (resultierend aus Umfangsgeschwindigkeit der Schaufeln und Anstr√∂mgeschwindigkeit) sehr gute Str√∂mungseigenschaften bieten. Die reine Durchstr√∂mgeschwindigkeit darf jedoch die √∂rtliche Schallgeschwindigkeit nicht √ľberschreiten, da sich sonst die Wirkung der diffusorf√∂rmigen Kan√§le umkehren w√ľrde. Hierbei gilt es zu bedenken, dass die √∂rtliche Schallgeschwindigkeit wegen der steigenden Temperatur im Kompressor (s. o., bis 600 ¬įC) ebenfalls steigt.

Bei Triebwerken, die Schub erzeugen, wird dieser im Kompressor erzeugt, Brennkammer und Turbine dienen lediglich dem Antrieb des Kompressors.

Brennkammer

CAD-Zeichnung: Brennkammer eines Turbofantriebwerks

Die hohe Kompression der Luft verursacht einen starken Temperaturanstieg. Die so erhitzte Luft str√∂mt anschlie√üend in die Brennkammer, wo ihr Kraftstoff (Kerosin) zugef√ľhrt wird. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird beim Triebwerksstart durch Z√ľndkerzen entflammt. Anschlie√üend erfolgt die Verbrennung kontinuierlich. Durch die exotherme Reaktion des Sauerstoff-Kohlenwasserstoff-Gemisches steigt die Temperatur erneut, und das Gas dehnt sich aus. Diesen Abschnitt des Triebwerks belasten Temperaturen von bis zu 2200 ¬įC stark. Ohne K√ľhlung k√∂nnten auch die hochwertigen Materialien (oftmals Nickel-Basis-Legierungen) den Temperaturen nicht standhalten, denn die Brennkammer arbeitet im √ľberkritischen Bereich. Daher wird der direkte Kontakt zwischen der Flamme und der Ummantelung unterbunden. Dies geschieht durch die so genannte ‚ÄěSekund√§rluft‚Äú, die nicht direkt in den Verbrennungsbereich gelangt, sondern um die Brennkammer herumgeleitet wird und erst dann, durch Bohrungen an den Blechst√∂√üen der schuppenartig aufgebauten Brennkammer, in sie gelangt und sich als Film zwischen die Verbrennungsgase und die Brennkammerwand legt. Dies wird Filmk√ľhlung genannt. Rund 70 bis 80 Prozent der gesamten Luftmasse aus dem Verdichter werden als Sekund√§rluft genutzt, lediglich der Rest gelangt als Prim√§rluft direkt in die Brennkammer. Damit die Flamme nicht erlischt, befinden sich die Einspritzventile f√ľr den Kraftstoff in einer gesch√ľtzten Zone (in einem Windschatten der durchstr√∂menden Luft). Weiterhin wird in unmittelbarer Umgebung die Luftdurchflussgeschwindigkeit reduziert (ca. 25‚Äď30 m/s), um ein Erl√∂schen 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

Rohrbrennkammern eines GE J79

Diese Art der Brennkammer ist besonders f√ľr Triebwerke mit Radialverdichter geeignet, wie sie insbesondere am Anfang der Entwicklung in Gro√übritannien und heute bei Turbopropantrieben verwendet wird. Dies liegt an den einzelnen Diffusoren des Radialverdichters, der den Luftstrom bereits aufteilt. Jede Brennkammer besitzt ein eigenes Prim√§r- und Sekund√§rluftsystem. Die Brennkammern sind √ľber die Z√ľndstege miteinander verbunden. Im Allgemeinen werden etwa acht bis zw√∂lf dieser Rohrbrennkammern radial am Triebwerk angeordnet. Sehr kleine Turbinen, etwa f√ľr APUs, besitzen nur eine einzelne Rohrbrennkammer. Den Vorteilen ‚ąí einfache Entwicklung, einfache Brennstoffverteilung und gute Wartungsm√∂glichkeiten ‚ąí steht der Nachteil des hohen Konstruktionsgewichts einer solchen Anordnung gegen√ľber. Auch sind die Str√∂mungsverh√§ltnisse gegen√ľber anderen Brennkammerbauarten nachteilig.

Rohr-Ringbrennkammern

Diese Brennkammerbauart kombiniert die Rohr- und die Ringbrennkammer und eignet sich besonders f√ľr sehr gro√üe und leistungsstarke Gasturbinen, weil sie sich mechanisch sehr stabil ausbilden l√§sst. Wesentlicher Unterschied zur Einzelbrennkammer ist der gemeinsame Brennkammeraustritt. Die Bauart kommt bei Strahlturbinenantrieben kaum vor.

Ringbrennkammern

Die Ringbrennkammer ist das gasdynamische Optimum f√ľr Strahlturbinentriebwerke. Sie ist recht leicht und kurz, da die Luftstr√∂mung vom Verdichter zur Turbine nicht umgelenkt werden muss. Die Brennkammer hat einige Kraftstoffeinspritzventile, die den Kraftstoff an einen ringf√∂rmigen Brennraum abgeben. Allerdings ist die Wartung recht schwierig. Auch ist die Entwicklung sehr aufwendig, da die Gasstr√∂mungen innerhalb einer solchen Brennkammer dreidimensional berechnet werden m√ľssen. Die Ringbrennkammer ist heute (2008) der gebr√§uchlichste Typ bei Luftfahrtstrahltriebwerken. Auch bei bestimmten Kraftwerksgasturbinen wird eine Ringbrennkammer verwendet.

Turbine

CAD-Zeichnung: Turbine eines Turbofantriebwerks: Die Hochdruckturbine treibt den Verdichter an, die Niederdruckturbine √ľber eine koaxiale Welle den Fan

Die nach hinten austretenden Gase treffen anschlie√üend auf eine Turbine. Diese treibt √ľber eine Welle den Kompressor an. Bei den meisten Einstrom-Triebwerken wird der gr√∂√üte Teil der kinetischen Energie f√ľr den R√ľcksto√ü genutzt. Es wird also nur so viel Energie auf die Turbine √ľbertragen, wie f√ľr 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 RB 199. Gut zu sehen sind die √Ėffnungen f√ľr die Filmk√ľhlung im Bereich der Nasenkante.
3-stufige Turbine einer GE J79

Die Turbinenschaufeln werden normalerweise aufwendig gek√ľhlt (Innen- und/oder Film-K√ľhlung) und bestehen heute aus widerstandsf√§higen Superlegierungen. Diese Stoffe werden dar√ľber hinaus in einer Vorzugsrichtung erstarrt, erhalten in ihrem Kristallgitter also eine definierte Richtung und erlauben so, die optimalen Werkstoffeigenschaften entlang der h√∂chsten 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 gesch√ľtzt. Wegen der hohen Belastung bei Drehzahlen von √ľber 10000 min-1 ist dennoch ein Bruch infolge mechanischer oder thermischer Besch√§digung nicht immer auszuschlie√üen. Daher werden die Geh√§use von Turbinen dementsprechend ausgelegt. Im vorderen Bereich der Fan-Schaufeln kommen Kevlar-Matten zum Einsatz, um zu verhindern, dass Triebwerksteile tragende Strukturen besch√§digen oder Personen verletzen. Die hohen Temperaturen im Turbinenbereich verhindern den Einsatz von Kevlar.

Schubd√ľse

Hinter der Turbine ist eine konvergente D√ľse angebracht, durch die das Gas mit hoher Geschwindigkeit ausstr√∂mt und damit den Schub erzeugt, weshalb diese D√ľse Schubd√ľse genannt wird. Das am Turbinenausgang vorhandene Druckgef√§lle (Turbinenausgangsdruck ‚Äď Umgebungsdruck) wird dabei vollst√§ndig in Geschwindigkeit umgesetzt. Hierbei ist es das Ziel, eine m√∂glichst hohe Ausstr√∂mgeschwindigkeit zu erreichen, wobei der Druck des ausstr√∂menden Gases am Schubd√ľsenende gleichzeitig den Umgebungsdruck erreicht haben soll, damit der Gasstrahl nicht aufplatzt.

Triebwerke mit Nachbrenner expandieren nicht vollst√§ndig, sondern f√ľhren dem verbliebenen Gasstrom bei vorhandenem √úberdruck (zum Umgebungsdruck) im Nachbrenner nochmals Kraftstoff zu, was zu einer weiteren Beschleunigung des Gasstromes f√ľhrt. Somit kann einer schnellen Schubanforderung entsprochen werden, wie sie etwa im Man√∂verflug erforderlich ist. Triebwerke mit Nachbrenner m√ľssen eine in ihrer Geometrie ver√§nderliche D√ľse (‚ÄěNozzle‚Äú) haben. Diese muss besonders w√§hrend der Umschaltung von Normalbetrieb auf Nachbrennerbetrieb schnell und exakt gesteuert werden, da es sonst zu einer ‚ÄěThermischen Verstopfung‚Äú kommen kann, die einen Str√∂mungsabriss zur Folge hat.

Brennstoff

Als Brennstoff kommen verschiedene Gas-, Fl√ľssiggas- und Fl√ľssigtreibstoffe in Frage: neben Erd- und Synthesegas auch Deponiegas, Biogas, Kerosin, Heiz√∂l, Dieselkraftstoff, Gas√∂l und seltener auch Schwer√∂l[3].

Gasturbinenbaureihen, die auch mit dem problematischen Treibstoff Roh√∂l betrieben werden k√∂nnen (z. B. f√ľr Pipeline-Druckerh√∂hungspumpen), werden immer weniger eingesetzt und zum Beispiel durch Dieselmotoren verdr√§ngt, 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 gef√ľllt und gez√ľndet. Die Turbine l√§uft dann so lange, bis s√§mtlicher Brennstoff verbraucht ist und neu nachgef√ľllt werden muss. Zu einer kommerziellen Verwendung ist es dabei noch nicht gekommen.

Funktionsweise

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 ‚Üí 2)und f√ľhrt sie schlie√ülich der Brennkammer zu. Dort wird sie zusammen mit eingespritztem Brennstoff unter nahezu konstantem Druck verbrannt (2 ‚Üí 3). Bei der Verbrennung entstehen Verbrennungsgase mit einer Temperatur von bis zu 1500 ¬įC. Diese hei√üen Verbrennungsgase str√∂men mit hoher Geschwindigkeit in die Turbine. In der Turbine wird das Fluid entspannt und die im Fluid enthaltene Enthalpie in mechanische Energie umgewandelt (3 ‚Üí 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 Verf√ľgung. Der Wirkungsgrad einer Gasturbine ist umso h√∂her, je h√∂her die Turbineneintrittstemperatur der Brenngase und das Druckverh√§ltnis der Turbine ist. Die maximal zul√§ssige Materialtemperatur der gek√ľhlten 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

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

Gasturbinen k√∂nnen ihre Leistung in Form eines Abgasstrahls abgeben, der ein Flugzeug antreibt. Die Leistung kann jedoch auch auf eine Abtriebswelle √ľbertragen 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 h√§ufig als Wellenturbinen oder -triebwerke bezeichnet. Sie werden entweder mit ein, zwei oder drei Wellen gebaut.

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 ‚ÄěWellentriebwerk‚Äú auch f√ľr herk√∂mmliche Strahlturbinen gebraucht, weil sie im Gegensatz zum Staustrahltriebwerk zumindest eine Welle als bewegliches Teil hat.

Einsatzgebiete

Luftfahrt

Durch ihr niedriges Leistungsgewicht (Masse/Leistungs-Verh√§ltnis) im Vergleich zu anderen Verbrennungsmotoren eignen sich Gasturbinen sehr gut f√ľr Anwendungen im Luftfahrtbereich, da das Gesamtgewicht des Flugger√§ts verringert und die Flugleistung gesteigert beziehungsweise Treibstoff eingespart wird.

Beim Antrieb von Hubschraubern und Turboprop-Flugzeugen wird die Wellenleistung der Gasturbine genutzt und √ľber ein Getriebe an Rotor oder Propeller abgegeben.

F√ľr den R√ľcksto√üantrieb von Flugzeugen (Jets) werden Strahltriebwerke (Turbojets) eingesetzt, eine Sonderform der Gasturbine. Es fehlt dabei die Abtriebswelle, welche die Leistung an externe Komponenten √ľbertr√§gt. Hinter Verdichter, Brennkammer und Turbine folgt nur noch eine D√ľse, durch die der hei√üe Abgasstrahl mit hoher Geschwindigkeit austritt. Der Turbinenteil eines Strahltriebwerks erzeugt dabei nur so viel mechanische Energie, wie f√ľr den Antrieb des Verdichters, des Fans und der Nebenaggregate ben√∂tigt wird. Der Vorschub entsteht bei zivilen Triebwerken durch den gro√üen Massendurchsatz im Nebenstrom und durch die mit hoher Geschwindigkeit aus der Turbine austretenden hei√üen Gase des Hauptstroms. Bei milit√§rischen Triebwerken wird der Schub haupts√§chlich durch den Hauptstrom hervorgerufen.

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

Siehe: Strahltriebwerk

Militärtechnik

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

In Milit√§rfahrzeugen insbesondere der Luftabwehr werden Gasturbinen als Stromerzeuger eingesetzt, um so auch ohne Starten des Fahrmotors und des damit verbundenen Generators die Kampftechnik versorgen zu k√∂nnen. 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 Au√üentemperatur. Der hohe spezifische Treibstoffverbrauch der meist nur wenige Kilowatt starken Turbinen wird daf√ľr in Kauf genommen. Dar√ľber hinaus werden sie f√ľr den Antrieb von Schiffen, speziell Milit√§rschiffen oder Luftkissenbooten, und schweren Landfahrzeugen wie etwa Panzern eingesetzt.

Mechanischer Antrieb

Zum Einsatz kommen Gasturbinen auch in Pump- und Verdichterstationen, wie sie f√ľr √Ėl- und Erdgaspipelines ben√∂tigt werden.

Antrieb basierend auf Kopplung von Gasturbine und elektrischem Generator

Gasturbinen finden immer mehr Einsatz im Gasturbinenkraftwerk oder Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk. Hier erzeugen sie in Kopplung mit einem Generator elektrische Energie. Hier werden auch die leistungsf√§higsten Gasturbinen mit √ľber 350 MW eingesetzt.

Gasturbinen, gekoppelt mit elektrischen Generatoren, werden auch im Eisenbahnverkehr 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 franz√∂sische Turbotrain oder die amerikanischen UP Gasturbinenlokomotiven. Der kanadische Anbieter Bombardier stellte 2002 den JetTrain vor, der bisher noch keinen Einsatz fand.

Anwendungen (Beispiele)

Hersteller

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 in Europa, General Electric in den USA und Mitsubishi in Japan. Alle weiteren Hersteller sind durch Lizenzen letztlich an einen der vier genannten Konzerne gebunden.

Im Bereich mittelgro√üer Gasturbinen f√ľr den Industrieeinsatz (sowohl zur Stromerzeugung als auch als mechanische Antriebsmaschinen) sind die Firmen Alstom Power, Siemens Power Generation, General Electric, Rolls-Royce plc, Pratt & Whitney, Hitachi, MAN Turbo, die Caterpillar-Tochtergesellschaft Solar Turbines sowie Kawasaki zu nennen.

Im Bereich der gro√üen Flugantriebe dominieren die Konzerne General Electric, Rolls-Royce und Pratt & Whitney. Weitere Hersteller kooperieren mit diesen als Technologiepartner oder als Unterlieferant f√ľr einzelne Systeme. Aufgrund der sehr hohen Entwicklungskosten f√ľr neue Triebwerke gibt es viele Flugtriebwerksprogramme, bei denen mehrere Hersteller gemeinsam an der Entwicklung und Fertigung eines neuen Produktes zusammenarbeiten.

Seit etwa 1990 gibt es die so genannten Mikrogasturbinen. Neben der kleinen Leistung im Bereich zwischen 30 und 500 kW zeichnen sich die Turbinen durch eine einfache Technik aus. Die niedrigere Turbineneintrittstemperatur l√§sst ungek√ľhlte Schaufeln zu. Um den Wirkungsgrad anzuheben, verwenden Mikrogasturbinen Rekuperatoren, die die verdichtete Luft vor dem Eintritt in die Brennkammer mit der W√§rme des Abgases vorw√§rmen. Hierdurch sind Wirkungsgrade um 30 Prozent m√∂glich. Gr√∂√üter Hersteller ist die amerikanische Firma Capstone. Weitere Hersteller sind Turbec, Elliot und Ingersoll-Rand.

Eine √úbersicht √ľber die auf dem deutschen Markt erh√§ltlichen Gasturbinentypen mit technischen Daten ist auf der Website der Arbeitsgemeinschaft f√ľr sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch ver√∂ffentlicht.[4]

Einzelnachweise

  1. ‚ÜĎ In: DER SPIEGEL. 5/1981, 26. Januar 1981 (Volltext im Online-Archiv von SPIEGEL ONLINE).
  2. ‚ÜĎ 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. ‚ÜĎ Gasturbinenbetrieb mit Schwer√∂l (pdf)
  4. ‚ÜĎ ASUE: Gasturbinen-Kenndaten und -Referenzen (Stand: April 2006) (pdf)

Weblinks

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

Literatur

  • C. Lechner, J. Seume (Hrsg.): Station√§re 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 L√∂sung des Gasturbinen-Problems mit einem vollst√§ndig durchkonstruierten Beispiel. Volckmann, Rostock 1907.
  • Hans-Joachim Braun, Walter Kaiser: Energiewirtschaft, Automatisierung, Information. Propyl√§en, Frankfurt am Main 1997, ISBN 3-549-05636-2, S. 75-77. (Propyl√§en Technikgeschichte, Band 5)
  • Kamps, Thomas: Modellstrahltriebwerke - Komponenten, Selbstbau, Praxis. Verlag f√ľr Technik und Handwerk, Baden-Baden 1996, ISBN 3-88180-071-9
  • Klaus L. Schulte: Kleingasturbinen und ihre Anwendungen. K.L.S. Publishing, K√∂ln 2006, ISBN 3-9811404-0-0.
  • Kyrill von Gersdorff, Helmut Schubert, Stefan Erbert: Die deutsche Luftfahrt: Flugmotoren und Strahltriebwerke. Bernard und Graefe, Bonn 2007, ISBN 978-3-7637-6128-9.

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