Gasturbine

mini|Turboproptriebwerk Lycoming T53 (Propellerabtrieb links über Reduktionsgetriebe)

Eine Gasturbine (GT) ist eine Verbrennungskraftmaschine, in der ein Treibstoff verbrannt wird, um eine Heißgasströmung zu erzeugen, die beispielsweise genutzt werden kann, um durch eine Heißgas-Entspannungsturbine (mechanische) Rotationsenergie zu erzeugen. Neben dem Antrieb der Verdichterkomponente der Gasturbine kann die Rotationsenergie auch zum Antrieb gekuppelter Maschinen, wie z. B. eines Erdgasverdichters oder eines Synchron-Generators, verwendet werden. Die Heißgasströmung als Abgas wird bei ortsfester Nutzung für einen Abhitzedampfkessel zur Versorgung einer Dampfturbine genutzt. Im Falle einer mobilen Anwendung (Flugzeug) wird die Heißgasströmung meist zum Betrieb einer weiteren Turbine genutzt (siehe Turbofan und Turboprop). Damit kann deren Drehzahl deutlich niedriger als die der Gasturbine liegen sowie recht unabhängig geregelt sein – bis hin zum Stillstehen.

Die Hauptkomponenten einer Gasturbine sind in Strömungsrichtung zuerst der Lufteintritt und Verdichter (der Luft ansaugt und komprimiert), dann die Brennkammer, in der der Treibstoff eingebracht und verbrannt wird, eine Gasexpansionsturbine (die einen Teil der Energie der Verbrennung in Rotationsenergie wandelt) sowie der Abgasaustritt.

Physikalisch gesehen ist die Gasturbine eine thermische Strömungsmaschine (Turbomaschine) und damit eine Unterordnung der thermischen Fluidenergiemaschine. Das Wirkungsprinzip beruht auf dem in diesem Fall rechtslaufenden thermodynamischen Kreisprozess nach James Prescott Joule (Joule-Prozess; siehe Abschnitt „Funktionsweise“).

Inklusive der Flugtriebwerke sind weltweit insgesamt deutlich mehr als 100.000 große Gasturbinen im Einsatz.7 Millionen Euro für Gasturbinenforschung, Sonderforschungsbereich der TU Berlin vom 23. Mai 2012, abgerufen am 17. September 2014

Geschichte Die ersten Erfindungen zur Gasturbine datieren auf das Jahr 1791, als der Engländer John Barber sich eine erste derartige Maschine patentieren ließ. In der Praxis versagte seine Gasturbine jedoch, in erster Linie, weil zu dieser Zeit noch keine ausreichend hitzebeständigen Werkstoffe zur Verfügung standen.

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 Öffentlichkeit kaum beachteten Versuchen von Ægidius 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 „Gleichraumturbine“ kam ohne einen Verdichter aus, erreichte aber nur einen geringen Wirkungsgrad von maximal 13 Prozent. Ab 1935 standen die ersten Gleichraumturbinen für den stationären Betrieb in Gaskraftwerken zur Verfügung; die Entwicklung dieses Turbinentyps geht auf das historische Patent von 1791 zurück – 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 ähnliche Turbine in eine Lokomotive (SBB Am 4/6 1101) einbaute. Wegen der hohen Verluste bei der Energiewandlung wurde jedoch von dieser Traktionsart Abstand genommen.

Nach dem Zweiten Weltkrieg entwickelte sich die Gasturbine als Flugzeugtriebwerk zur wichtigsten Antriebsmaschine für die Luftfahrt. Ebenso wird die GT für die Gasversorgung (Antrieb für Förderpumpen (= Kompressoren) an Gaspipelines) benötigt. Erst später mit verstärktem Umweltbewusstsein wurde sie für die Stromerzeugung (Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk) genutzt. Als Ersatz für Atomkraftwerke sowie Öl- bzw. Kohle-befeuerte Kraftwerke wurden Gasturbinen mit höheren Leistungen, Wirkungsgraden und mit niedrigen Emissionen entwickelt. Ihre Vorzüge sind die Fähigkeit zum Schnellstart und zu schneller Leistungsänderung.

1973 betrieb die Energieversorgung Oberhausen im Rahmen einer Versuchsanlage eine in sich geschlossene, mit Helium beaufschlagte „Gasturbine“ im Heizkraftwerk Sterkrade.Art. Heliumturbine. In: Otto Ahlhaus, Gerhard Boldt, Klaus Klein (Hrsg.): Taschenlexikon Umweltschutz. 10. Auflage. Schwann, Düsseldorf 1986, ISBN 3-590-14362-2, S. 101. Das Projekt scheiterte jedoch an technischen Problemen, ebenso wie ein ähnliches südafrikanisches Nuklearprojekt (Hochtemperaturreaktor mit Helium-Gasturbine), das 2010 eingestellt wurde. Das ähnliche japanische Projekt GTHTR300 wird noch weiterverfolgt.

Aufbau

mini|Turboproptriebwerk: A Propeller, B Getriebe, C Verdichter, D Brennkammer, E Turbine, F Düse. Die Gasturbine besteht aus den Teilen C bis F.

Die Gasturbine besteht prinzipiell (in Strömungsrichtung gesehen) aus einem Lufteintrittsgehäuse, einem meist mehrstufigen GT-Verdichter, einem Brennkammer-System und einer Turbine. Verdichter und Turbine sind grundsätzlich auf einer Welle angeordnet; über die Welle treibt die Turbine den Verdichter an.

Die Form der Einläufe und Auslässe, ob als Diffusor oder Düse geformt, unterscheidet sich je nach Anwendungsfall.

Soll die Gasturbine Wellenleistung liefern (Rotationsenergie an einer Abtriebswelle), dann sind zwei Bauformen gebräuchlich: Die Abtriebswelle kann (meist über ein Getriebe) an die Turbinen-Verdichter-Welle angeschlossen sein, direkt mechanisch gekoppelt. Der Heißgas-Abgasstrahl wird über eine weitere Turbine geführt, die auf einer zweiten Welle sitzt, die dann die Abtriebswelle ist. Es besteht nur eine fluiddynamische Kopplung.

Einlauf Der Lufteinlauf dient der strömungsdynamischen Anpassung zwischen der Einsatzumgebung und dem Verdichter. Bei stationärem Einsatz oder geringen Geschwindigkeiten dient der Einlauf nur der sauberen Luftführung ohne Verwirbelung oder Strömungsablösungen. Im Lufteinlass befindet sich der Einlasskonus und bei Turbofantriebwerken der Fan („Bläser“).

Insbesondere bei hohen Lufteintritts-Geschwindigkeiten hat der Einlauf die Funktion eines Diffusors, der die dort einströmende Luftmasse abbremst (in Bezug auf die Gasturbine) und vorverdichtet. Dies ist besonders bei Flugzeugen bei Überschallgeschwindigkeit notwendig, da die Strömung vor Eintritt in die Verdichterstufen auf (relative) Unterschallgeschwindigkeit abgebremst werden muss.

Bei stationären Gasturbinen ist hier auch die Turbineneinlassluftkühlung installiert.

Verdichter/Kompressor mini|300px|CAD-Darstellung eines Turbofantriebwerks im Bereich des Verdichters. Leitschaufeln nicht dargestellt mini|250px|17-stufiger Axialverdichter eines General Electric J79. Die Leitschaufeln sind nicht zu sehen, aber deren Verstellmechanismus (nur erste 8 Stufen)

Nach dem Lufteinlauf folgt der Turbokompressor, der aus Axial- oder Radialverdichtern bestehen kann. Axialkompressoren bestehen in der Regel aus mehreren Laufrädern mit Kompressorschaufeln in axialer Anordnung, wobei diese üblicherweise in Niederdruck- und Hochdruckverdichterstufen untergliedert sind. Durch den Verdichter erhält die strömende Luftmasse mittels zugeführter kinetischer Energie in den diffusorförmigen (d. h. sich erweiternden) Zwischenräumen der Kompressorschaufeln Druckenergie. Nach dem Gesetz von Bernoulli erhöht sich in einem an Querschnittsfläche zunehmenden Kanal der statische Druck, während die Strömungsgeschwindigkeit sinkt. Die dort befindlichen Leitschaufeln oder Statorschaufeln lenken den schraubenförmigen Luftstrom nach jedem Laufrad wieder in die axiale Richtung. Die verlorene kinetische Energie wird in der nächsten Rotorstufe wieder zugeführt. 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 („Welle“; heute: meist zwei oder drei Trommeln mit unterschiedlicher Drehzahl) angeordnet, die Statorstufen (Leitschaufeln) sind in die Innenseite des Verdichtergehäuses eingebaut. Oft sind die Leitschaufeln verstellbar, um den Winkel an die Anströmrichtung anzupassen.

Alte Axialverdichterkonstruktionen erreichten oft selbst mit vielen aufeinanderfolgenden Verdichterstufen (im Beispiel General Electric J79 17 Stufen) lediglich eine mäßige Verdichtung (Verhältnis des Drucks am Ende des Verdichters zum Umgebungsdruck; im Beispiel 12,5:1, entspricht 1,16 pro Stufe), während moderne Gasturbinen mit weniger Stufen wesentlich höhere Verdichtungen erzielen (beispielsweise 43,9:1 mit 13 Stufen im Engine Alliance GP7200, entspricht 1,34 pro Stufe). Genauere Berechnungsmethoden ermöglichen verbesserte Profile der Kompressorschaufeln, die selbst an Stellen im Strömungskanal, an denen die Luftströmung relativ zur Schaufel Überschallgeschwindigkeit erreicht (resultierend aus Umfangsgeschwindigkeit der Schaufeln und Anströmgeschwindigkeit), sehr gute Strömungseigenschaften bieten. Die reine Durchströmgeschwindigkeit darf jedoch die örtliche Schallgeschwindigkeit nicht überschreiten, da sich sonst die Wirkung der diffusorförmigen Kanäle umkehren würde. Hierbei gilt es zu bedenken, dass die örtliche Schallgeschwindigkeit wegen der steigenden Temperatur im Kompressor (siehe oben, bis 600 °C) ebenfalls steigt.

Brennkammer Es gibt Brennkammersysteme für gasförmige oder für flüssige Brennstoffe. In der Stromerzeugung werden öfters sogenannte Doppel-Brennstoffmaschinen eingesetzt, deren Brennkammersysteme primär für „Brenngas“ und im Falle eines Ausfalls als Reserve „Brennöl“ (durch die Bevorratung zeitlich limitierter Betrieb) verfeuert wird.mini|hochkant=1.5|CAD-Darstellung: Brennkammer eines Turbofantriebwerks