Gasturbinen: Definition, Komponenten, Typen und Anwendungen

Seit 1939 werden Gasturbinen zur Stromerzeugung eingesetzt. Heute gehören sie zu den am weitesten verbreiteten Stromerzeugungstechnologien. Gasturbinen sind Verbrennungsmotoren (Internal Combustion Engines), bei denen Luft-Kraftstoff-Gemische heiße Gase erzeugen, die eine Turbine antreiben und Leistung liefern. Das Prinzip findet sich in Strahltriebwerken, Verbrennungsmotoren von Fahrzeugen, Schiffen, Lokomotiven u. v. m.

Heute lernen Sie Definition, Anwendungen, Funktion, Komponenten, Diagramm, Typen und Arbeitsprinzipien der Gasturbine kennen. Ebenso deren Vor- und Nachteile.

Was ist eine Gasturbine?

Eine Gasturbine ist eine mechanische Vorrichtung, die die chemische Energie eines Brennstoffs (Erdgas oder ähnliche Brennstoffe) in mechanische Energie umwandelt. Die mechanische Energie der Turbinenwelle wird über ein Getriebe auf die Generatorwelle übertragen – so wird elektrische Energie erzeugt. Gasturbinen sind nicht nach dem Brennstoff benannt, sondern nach der Entstehung heißer Gase bei der Verbrennung. Verschiedene Brennstoffe wie Heizöl, Erdgas und synthetische Kraftstoffe sind nutzbar. Die Verbrennung erfolgt kontinuierlich (nicht diskontinuierlich).

Eine Gasturbine wird auch als Verbrennungsturbine bezeichnet und ist ein Typ kontinuierlicher Verbrennungsmotoren. Hauptfunktionselemente: ein stromaufwärts rotierender Gasverdichter (Kompressor), eine Brennkammer, eine stromabwärts gelegene Turbine auf derselben Welle wie der Verdichter. Oft wird eine Komponente zur Effizienzsteigerung und Umwandlung in mechanische/elektrische Leistung eingesetzt. Auch zur Erhöhung des Schub-Gewichts-Verhältnisses bei Nachbrenner-Triebwerken.

Zusätzlich kann eine Gasturbine als Verbrennungsmotor beschrieben werden, der Gas als Arbeitsmedium nutzt, um eine Turbine anzutreiben. Die Endleistung kann einen Generator, eine Pumpe, einen Propeller oder – im Fall eines reinen Strahltriebwerks – den Schub antreiben.

Anwendungen der Gasturbine

Gasturbinen können Flugzeuge, Züge, Schiffe, elektrische Generatoren, Pumpen, Gasverdichter, Panzer u. v. m. antreiben. Detailbetrachtung:

• Elektrische Stromerzeugung – neben der Luftfahrt nutzen Stromindustrien Gasturbinen breit. Auch Dampfturbinen kommen zum Einsatz.
• Industrielle Nutzung
• Schiffsantrieb
• Lokomotivantrieb
• Kfz-Antrieb

Gasturbinen werden als mittelgroße „Spitzenlast“-Kraftwerke für kurze Phasen hoher Stromnachfrage eingesetzt.

Zum Pumpen von Erdgas durch Pipelines, wobei ein kleiner Teil des gepumpten Gases als Turbinenbrennstoff dient.

In der Ölraffinerie. Kleine mobile Gasturbinen mit Verdichtern betreiben Pumpen.

Hinweis: Hauptfunktion der Gasturbine ist die Erzeugung mechanischer und elektrischer Leistung.

Komponenten der Gasturbine

Verdichter (Kompressor)

Frühere Gasturbinen nutzten Verdichter (zentrifugal). Einfaches, kostengünstiges Design. Begrenzt auf niedrige Druckverhältnisse, effizienzmäßig nicht mit modernen Axialverdichtern vergleichbar. Zentrifugalverdichter werden heute noch in kleinen Industrieanlagen eingesetzt.

Brennkammer

Zwei Luftströme aus dem Verdichter. Der kleinere Teil wird zentral in einen Bereich geleitet, in den zerstäubter Brennstoff eingespritzt und mit einer Flamme verbrannt wird, die durch eine turbulenzerzeugende Obstruktion stabilisiert wird. Der andere, kühlere Strom wird über Bohrungen durch eine „Brennkammerauskleidung“ (Combustion Liner) in die Kammer geleitet. Dies senkt die Gesamttemperatur auf ein für den Turbineneintritt geeignetes Niveau.

Turbine

Normalerweise Reaktionsprinzip: Heiße Gase expandieren über bis zu acht Stufen. Ein- oder zweistufige (single-/twin-spool) Turbinen. Externe Last wird angetrieben; Teil der Expansion erfolgt in einer Hochdruckturbine, die nur den Verdichter antreibt. Die restliche Expansion erfolgt in einer separaten, freilaufenden Turbine, die mit der Last gekoppelt ist.

Steuerung und Anlauf

Bei Gasturbinen, die einen Generator antreiben, muss die Drehzahl geregelt und lastunabhängig konstant gehalten werden. Brennstoffminderung senkt die Austrittstemperatur der Brennkammer. Dadurch verringert sich der der Turbine zur Verfügung stehende Enthalpieabfall, auch wenn der Turbinenwirkungsgrad leicht sinkt. Steuerung bei Flugtriebwerken ist komplexer.

Weitere Designüberlegungen

Bei modernen Gasturbinen können zusätzliche Funktionsteile zur Effizienzsteigerung ergänzt werden.

Schema Gasturbine:

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Typen von Gasturbinen

Turbojet (Strahltriebwerk)

Weniger komplex als alle Flugzeugturbinen. Vier Sektionen: Verdichter, Brennkammer, Turbinensektion, Auslass. Seit Jahrzehnten verfügbar, in Deutschland und England vor WWII entwickelt. Luft strömt mit hoher Geschwindigkeit in die Brennkammer, wo Kraftstoff zugeführt und gezündet wird. Die Turbine wird von expandierender Luft angetrieben, Schub durch beschleunigte Abgase.

Turboprop

Propeller werden über ein Untersetzungsgetriebe angetrieben, das optimale Propellerdrehzahl bei niedrigeren Drehzahlen ermöglicht. Höhere Treibstoffeffizienz und Leistung bei niedrigeren Fluggeschwindigkeiten – geeignet für Kleinflugzeuge, Commuter, Frachtflugzeuge, Agrarflugzeuge. Hinweis: Propeller verlieren bei höheren Fluggeschwindigkeiten an Effizienz, daher für langsame Flugzeuge geeignet.

Turbofan (Mantelstromtriebwerk)

Flugzeugtriebwerk, das einen sekundären Luftstrom um die Brennkammer herumführt und zusätzlichen Schub erzeugt. Moderne Version in Hochgeschwindigkeitsverkehrs- und Kampfflugzeugen.

Turboshaft (Nachbrenner-Turbojet / Afterburning Turbojet)

Vorwiegend in Kampfflugzeugen. Nachbrenner im Kern-Turbojet, sodass ein Teil der Abgasenergie die Turbine antreibt. Bei aktiviertem Nachbrenner wird zusätzlicher Kraftstoff in den Abgasstrom eingespritzt, was zusätzlichen Schub erzeugt. Erhöht nicht die Fluggeschwindigkeit, verbrennt mehr Kraftstoff als klassische Turbojets.

Arbeitsprinzip der Gasturbine

Die Arbeitsweise ist wenig komplex. Der Prozess folgt dem Kreisprozess: Ansaugen, Verdichten, Expandieren, Ausstoßen. In jeder Gasturbine wird Luft durch einen Verdichter komprimiert und durch eine Brennkammer geleitet. Brennstoff wird kontinuierlich für heißes Hochdruckgas verbrannt. Das Luft/Kraftstoff-Gemisch wird entzündet, Expansion erfolgt, Drehenergie entsteht – genutzt vom Verdichter der vorigen Stufe. Die verbleibende Energie treibt die Abtriebswelle an.

Video: Arbeitsweise der Gasturbine

https://www.youtube.com/watch?v=t7N1kKz5faM

In wenigen Schritten: Wie Gasturbinen Strom erzeugen. Gleicher Prozess, aber Klärung der Stromerzeugung. Die Gasturbine erhitzt das Luft/Kraftstoff-Gemisch auf sehr hohe Temperaturen, wodurch die Turbinenschaufeln rotieren. Die rotierende Turbine treibt einen Generator an, der die Energie in Strom umwandelt. Gasturbinen können mit Dampfturbinen in GuD-Kraftwerken (Combined Cycle) kombiniert werden für extrem effiziente Stromerzeugung. Schritte:

• Luft-Kraftstoff-Gemisch entzündet sich
• Heißes Gas lässt Turbinenschaufeln rotieren
• Antriebswelle rotiert mit den Schaufeln
• Turbinenrotation treibt Generator an
• Generatormagnet bewegt Elektronen → Strom entsteht

Vor- und Nachteile der Gasturbine

Vorteile:

• Sehr hohes Leistungs-Gewichts-Verhältnis im Vergleich zu Kolbenmotoren
• Kleiner als die meisten Kolbenmotoren gleicher Leistung
• Weniger bewegte Teile
• Laufruhige Hauptwellenrotation
• Weniger Vibrationen als Kolbenmotoren
• Abwärme wird fast vollständig im Auslass abgeführt
• Niedrige Spitzenbrennraumdrücke im Vergleich zu Kolbenmotoren
• Geringe Schmierölkosten und -verbrauch
• Vielfältige Brennstoffe nutzbar
• Kein Warmlauf nach Start erforderlich
• Geringere Investitionskosten
• Weniger Platzbedarf

Nachteile:

• Hohe Motorkosten durch exotische Materialien
• Längerer Anlauf
• Weniger responsiv auf Laständerungen
• Inhärent niedrigerer Wirkungsgrad

Fazit

Gasturbinen sind vor allem für Luftfahrtanwendungen bekannt – die oben genannten Typen werden alle in der Luftfahrt eingesetzt. Gasturbinen bieten in den meisten Situationen Vorteile und nutzen chemische Energie. In diesem Artikel wurden Definition, Anwendungen, Funktion, Komponenten, Diagramm, Typen und Arbeitsweise der Gasturbine erklärt. Ebenso Vor- und Nachteile.

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