Turbinen: Grundlagen, Typen, Funktionsweise und Anwendungen

Was ist eine Turbine?

Eine Turbine ist eine rotierende Strömungsmaschine, die Energie aus einem Fluidstrom (Arbeitsfluid) entzieht und in nutzbare mechanische und/oder elektrische Energie umwandelt. Die mechanische Arbeit kann mit einem Generator zur Stromerzeugung gekoppelt werden.

Ein Schaufelkränz auf einem Rotor entzieht dem strömenden Fluid Energie. Schaufelgeometrie bestimmt maßgeblich den Wirkungsgrad – verschiedene Anwendungen erfordern unterschiedliche Designs.

Alternative Sicht: Turbine nutzt kinetische Energie eines Fluids (Luft, Wasser, Dampf, Verbrennungsgase) → Umwandlung in Drehbewegung → Energieerzeugung.

Historisches: Begriff 1822 von Claude Burdin (franz. Bergbauingenieur), griech. „Wirbel“. Dampfturbine: Sir Charles Parsons (1884, Reaktionsturbine). Gustaf de Laval (1883, Impulsturbine). Moderne Dampfturbinen kombinieren Impuls- und Reaktionsprinzip (Grad der Reaktion variiert vom Schaufelfuß zur Spitze).

Anwendungen

• Elektrische Energieerzeugung: Großer Anteil Weltstrom aus Turbogeneratoren.
• Gasturbinen-Triebwerke: Land, See, Luft (Flugtriebwerke).
• Turbolader: Verbrennungsmotoren (PKW, LKW, Schiff, stationär) → höhere Leistung/Wirkungsgrad.
• Turboexpander: Kältetechnik/Industrieprozesse (Entspannungskälte).
• Turbopumpen: Space Shuttle Haupttriebwerk – Fördern von LOX/LH2 in Brennkammer.
• Wärmekraftmaschinen: Gasturbinen flexibel, hoher Wirkungsgrad bei hoher Leistung.
• Strahltriebwerke: Spezifische Gasturbinenanwendung.
• Windkraftanlagen: Windkinetik → Mechanik → Generator (Onshore/Offshore).
• Wasserturbinen: Wasserkraftwerke (Arbeitsfluid Wasser).
• Dampfturbinen: Kern- und Thermalkraftwerke (Wasser → Dampf → Turbine → Strom).

Primärfunktion: Energieumwandlung / Leistungserzeugung.

Komponenten (beispielhaft)

Komponenten variieren stark nach Turbinentyp. Beispiele:

• Kaplan: Generator (Starter, Rotor, Welle, Leitschaufeln, Schaufeln)
• Cross-Flow (modifizierte Impulsturbine): Laufrad, Schaufeln, Wasserführung, Verteiler
• Pelton: Laufrad (Impeller), Düse, Speer, Speerstange, Einlauf, Umlenkschaufel, Schaufeln, Auslass

Klassifikation und Typen

Nach Energieaustausch Fluid ↔ Maschine

Wie Fluid auf Schaufeln reagiert → Hydroturbinen:

• Impulsturbinen (Konstanter Druck): Rad wird von kinetischer Energie eines Fluidstrahls angetrieben, der durch Düse(n) auf Schaufeln trifft. Laufrad umspült von atmosphärischem Druck. Geeignet: hohe Fallhöhe, geringer Durchfluss. Typen: Pelton, Turgo, Cross-Flow (modifizierte Impulsturbine, läuft bei Atmosphärendruck).
• Reaktionsturbinen (Druck + Geschwindigkeit): Antrieb durch Summe aus potentieller (Druck) und kinetischer Energie (Geschwindigkeit). Gesamte Turbine im Fluid eingetaucht. Druckänderung + kinetische Energie → Leistungsaustausch. Niedrigere Fallhöhen, höhere Durchflüsse. Typen: Francis, Kaplan, Deriaz.

Nach Strömungsrichtung durch das Laufrad

• Radialturbinen: Strömung radial im Laufrad. Unterscheidung: einwärtsradial (Francis: Einlauf außen → Auslauf innen) und auswärtsradial.
• Tangentialturbinen (Peripheral Flow): Strömung tangential zum Laufrad. Pelton-Typ.
• Axialturbinen: Strömung parallel zur Wellenachse. Kaplan-Typ.
• Diagonalturbinen / Mischstromturbinen: Eintritt radial, Austritt axial. Moderne Francis-Turbinen.

Nach hydraulischem Betriebsbereich (Fallhöhe)

• Niedrigfallturbinen (< 45 m): Kaplan. Ultra-niedrig: < 3 m.
• Mittelfallturbinen (45–250 m): Francis.
• Hochfallturbinen (> 250 m): Pelton.

Nach spezifischer Drehzahl (n_q / N_s)

Spezifische Drehzahl: Drehzahl einer geometrisch ähnlichen Turbine, die bei Einheitsfallhöhe Einheitsleistung erbringt.

• Niedrige n_q (1–10): Impulsturbinen (Pelton: n_q ≈ 4)
• Mittlere n_q (10–100): Francis-Typ
• Hohe n_q (> 100): Kaplan-Typ

Funktionsweise am Beispiel Gasturbine

Verdichtete Luft wird erhitzt + mit Kraftstoff gemischt → Verbrennung → rasche Expansion. Expandierendes Gas treibt Turbine an. Durch Verdichtung höhenunabhängige Leistung → ideal für Flugtriebwerke.

Fazit

Turbinen sind rotierende Strömungsmaschinen zur Energieumwandlung aus Fluidströmen. Klassifikation nach Energieaustausch (Impuls/Reaktion), Strömungsrichtung (radial, tangential, axial, diagonal), Fallhöhe (niedrig/mittel/hoch), spezifischer Drehzahl. Hauptanwendungen: Stromerzeugung (Dampf, Wasser, Gas, Wind), Antrieb (Gasturbinen, Turbolader, Turbopumpen), Kälte (Turboexpander). Verständnis der Klassifikationskriterien ist essenziell für Auswahl und Auslegung.