Gasturbine

Gasturbine, eine Kraftmaschine, die die Wärmeenergie eines heißen Gases in mechanische Energie umwandelt. Gasturbinen werden in der Technik als Antriebsaggregate, z. B. für Generatoren zur Erzeugung von elektrischem Strom, eingesetzt (siehe Elektromotoren und Generatoren). Das Gas wird innerhalb der Kraftmaschine durch Verbrennung bestimmter Brennstoffe erzeugt. Anschließend wird es durch fest installierte Düsen auf die Schaufeln (Leiträder und Laufräder) der Turbine geblasen. Die Kraft, die von diesem Gasstrom ausgeht, dreht dabei die Antriebswelle. Gasturbinen werden nach einem offenen Prozess betrieben, d. h. der Stoff- und Energiekreislauf ist offen. Gasturbinen mit geschlossenem Kreislauf haben derzeit keine Bedeutung.

Zu einer Gasturbine mit offenem Kreislauf gehört ein Verdichter, der verdichtete Luft in eine Brennkammer presst. Der Brennstoff wird in Form eines Gases oder einer Flüssigkeit ebenfalls in diese Kammer gesprüht. Anschließend findet dort die Verbrennung statt. Die Verbrennungsprodukte werden durch Düsen aus der Kammer auf das Turbinenrad geleitet. Damit lässt sich beispielsweise ein Generator zur Stromerzeugung antreiben.

Der Verdichter setzt sich aus reihenförmig, auf der Hauptachse angeordneten Schaufelrädern zusammen. Diese bezeichnet man technisch als Laufräder oder auch kurz als Läufer. Die Laufräder können unabhängig voneinander mit unterschiedlichen Drehzahlen laufen. Hier wird das Gas verdichtet – meist geschieht dies über zwei Stufen mit den Niederdruck- und Hochdruckläufern. Große Anlagen sind in manchen Fällen sogar mit mehrstufigen Axialverdichtern ausgestattet. Dabei handelt es sich meist um Zweiwellen-Gasturbinen. Hier wird eintretende Luft vor der Brennkammer in einer ersten Verdichtereinheit vorverdichtet. Anschließend erfolgt die Verbrennung in der Brennkammer. Die um 1 200 °C heißen Gase gelangen dann in einen zweiten Verdichtertrakt. Die hier angetriebenen Läufer übertragen dann die Kraft des Gasstromes auf nachfolgende Leistungsabnehmer.

Wie bei allen Maschinen der Antriebstechnik ist auch bei der Gasturbine der so genannte Wirkungsgrad eine wichtige Kenngröße. Unter dem Wirkungsgrad versteht man das Verhältnis von Nutzleistung zu aufgenommener Leistung. Im Falle der Gasturbine ist der Wirkungsgrad dadurch begrenzt, dass die Brennkammer und die ersten Stufen ständig bei hohen Temperaturen betrieben werden müssen. Eine kleine Gasturbine mit offenem Kreislauf hat unter Umständen einen mit herkömmlichen benzinbetriebenen Kraftmaschinen vergleichbaren, relativ geringen thermodynamischen Wirkungsgrad. Fortschritte bei der Entwicklung von wärmebeständigen Materialien, Schutzbeschichtungen und Kühleinrichtungen haben den Bau großer Anlagen ermöglicht. Bei derartigen Anlagen liegt der Wirkungsgrad eines offenen Kreislaufes durchschnittlich bei 34 Prozent und höher.

Der Wirkungsgrad einer Gasturbine kann durch den Einsatz von Zusatzgeräten wie Zwischenkühlern, Rückkühlern und Zwischenüberhitzern erhöht werden. Allerdings sind solche Geräte teuer, und häufig kommen sie aus wirtschaftlichen Überlegungen nicht in Frage.

Bei einem kombinierten Kraftwerk wird die noch erhebliche Wärme, die im Abgas der Turbine vorhanden ist, zu einem als Abhitzedampferzeuger dienenden Wärmetauscher geleitet. Die wieder gewonnene Wärme wird dazu verwendet, den Dampf für eine nachfolgende Dampfturbine zu erzeugen. Diese Kombination von Gas- und Dampfturbine liefert eine um etwa 50 Prozent höhere Leistung als eine herkömmliche Gasturbine allein. Zurzeit technisch mögliche Kombianlagen mit Abhitzedampferzeuger erreichen einen thermischen Wirkungsgrad von 52 Prozent und eine Leistung von mehr als 230 Megawatt.

Gasturbinen werden beispielsweise auch zum Antrieb von Schiffen und Zügen eingesetzt. Eine Abwandlung der Gasturbine, das Turbinenluftstrahltriebwerk oder Turbojet, dient als Triebwerk für Flugzeuge. Aus Sicherheitsgründen sind bei diesen Ausführungen bestimmte Bereiche der Turbine mit verstärktem Material ausgestattet. So muss man beispielsweise den Einfluss von Staubpartikeln auf die Schaufelräder bei einem Flugzeugtriebwerk viel stärker berücksichtigen, als bei einer Industriegasturbine.

Zu den bei Gasturbinen eingesetzten Brennstoffen gehören u. a. Erdgas und flüssige Brennstoffe wie Kerosin und Dieselöl.

Siehe auch Flugzeug: Düsentriebwerke; Strahlantrieb; Stromversorgungsnetze