Turbinen im Überblick: Typen, Funktionsweise und Anwendungen

Bei der weit überwiegenden Mehrheit der Energieerzeugung und Fluidförderung gibt es verschiedene Turbinentypen, die in unterschiedlichen Anwendungen denselben Zweck erfüllen. Eine Turbine ist eine Vorrichtung, die die kinetische Energie eines Fluids (Wasser, Dampf, Luft, Verbrennungsgase) nutzt und in Drehbewegung des Geräts selbst umwandelt. Das Gerät ist weiter mit einem Generator verbunden, der elektrische Energie erzeugt, oder es kann für mechanische Arbeit genutzt werden.

Heute lernen Sie die verschiedenen Turbinentypen, ihre Schemata und Arbeitsprinzipien kennen.

Turbinenarten

Impuls- und Reaktionsturbinen

Wasserkraftturbinen in Wasserkraftwerken. Wasser als Arbeitsmedium. Millionen Liter Wasser werden aus einem Stausee gesammelt, die Staumauerhöhe bestimmt den Druck. Das hochdruckwasser strömt durch ein großes Rohr (Druckrohr / Penstock) zur Turbine am Ende des Druckrohrs. Das hochdruckwasser trifft mit hoher Geschwindigkeit auf die Turbinenschaufeln und versetzt sie in Rotation. Strom wird erzeugt, wenn die Turbine mit einem Generator gekoppelt ist. Ein grundlegender Unterschied zwischen Impuls- und Reaktionsturbine ist die Form der Turbinenschaufeln.

Eine Impulsturbine arbeitet nach Newtons 2. Gesetz. Statt Schaufeln am Rotor sind elliptische, halbe Schöpfe (Buckets) angebracht. Trifft Wasser mit hoher Geschwindigkeit auf die Schöpfe, rotiert der Rotor – kinetische Energie des Wassers wird in mechanische Drehenergie umgewandelt. Strom entsteht durch Generatorankopplung an die Turbinenwelle. Beispiele: Pelton, Turgo, Cross-Flow.

Bei einer Reaktionsturbine bewirkt die Summe aus potenzieller und kinetischer Energie des Wassers (durch Druck bzw. Geschwindigkeit) die Rotation der Turbinenschaufeln. Der gesamte Turbinenkörper ist in Wasser getaucht, Druckänderungen und kinetische Energie bewirken den Energieaustausch. Anwendungen typischerweise bei niedrigeren Fallhöhen und höheren Durchflüssen als Impulstypen.

Dampfturbinen

Häufig in Kern- und Thermalkraftwerken. Wasser wird erhitzt, Dampf strömt durch Turbine zur Stromerzeugung. Auch moderne Dampfturbinen lassen sich in Impuls- und Reaktionstypen klassifizieren. Unterschied: Anordnung und Design.

Dampfturbinen bestehen aus rotierenden Schaufeln (Rotoren) und feststehenden Schaufeln (Statoren), abwechselnd angeordnet, um maximale Energieausbeute zu erzielen (Compounding). Bei Impulsturbinen werden bewegliche Schaufeln vom Dampf gestoßen. Bei Reaktionsturbinen sind Rotorschaufeln als Tragflügel (Aerofoil) geformt, erzeugen selbst Reaktion und lassen Dampfgeschwindigkeit erhalten.

In den meisten Dampfturbinen strömt Dampf zuerst durch Hochdruckturbine (H.P.), dann Mitteldruckturbine (I.P.). Nach Wiedererhitzung durch Niederdruckturbine (L.P.) – großer Schaufelsatz. Die Zunahme der Schaufelgröße von innen nach außen erfolgt, weil Dampf sich ausdehnt und Druck sowie kinetische Energie verliert.

Gasturbinen

Oft in Wärmekraftmaschinen, daher auch Verbrennungsmotoren genannt. Eines der flexibelsten Turbinensysteme mit breitem Anwendungsspektrum. Einsatz in Kraftwerken zur Stromerzeugung und zum Antrieb von Flugzeugen und Hubschraubern. System hat einen Axialverdichter am Einlass – rotierende Schaufeln, die große Luftmengen ansaugen und verdichten, um die Lufttemperatur zu erhöhen. Luft gelangt in Brennkammer, Kraftstoff wird zugegeben und gezündet. Große Mengen Abgas strömen durch die Turbine.

Verschiedene Gasturbinen-/Strahltriebwerkstypen:

1. Turbojet
2. Turbofan
3. Turboprop
4. Turboshaft
5. Ramjet

Windkraftanlagen

Die Erfindung der Windkraftanlage nutzt der Menschheit als saubere Stromerzeugungsmethode. Wie andere Turbinen haben Windkraftanlagen drei Schaufeln, die rotieren, wenn Wind hindurchströmt. Windkraftanlagen drehen sich mit sehr niedriger Drehzahl, die nicht die erforderliche Netzfrequenz erzeugen kann. Daher ist ein Getriebe nötig, um die Wellendrehzahl zu erhöhen. Der Ausgang wird an den Generator gekoppelt.

Anders ausgedrückt: Windturbinen wandeln kinetische Energie des Windes in mechanische Leistung um, die einen Generator antreibt. Onshore- oder Offshore-Anlagen möglich.

Die 3 primären Windkraftanlagentypen:

1. Horizontalachsen-Windkraftanlagen (HAWT)
2. Savonius-Vertikalachsen-Windkraftanlagen (Savonius VAWT)
3. Darrieus-Vertikalachsen-Windkraftanlagen (Darrieus VAWT)

Fazit

Dies war der Überblick über verschiedene Turbinentypen: Impuls- und Reaktionsturbinen, Dampfturbinen, Gasturbinen und Windkraftanlagen.

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