Turbine

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Einleitung

Turbine, Maschine, in der die Strömungsenergie von Wasser, Dampf, Gas bzw. Wind in Rotations- und schließlich in mechanische Energie umgewandelt wird. Das Grundelement einer Turbine sind mit Schaufeln ausgestattete Laufräder. Die meist gekrümmten Schaufeln sind so am äußeren Rand des Rades angebracht, dass sie bei Betrieb eine tangentiale Kraft auf das Rad ausüben und ihm damit Energie übertragen. Diese mechanische Energie wird dann weiter auf eine Welle übertragen, die dann praktisch am Ende der Übertragungskette beispielsweise eine Maschine, einen Kompressor, einen Generator oder eine Schraube antreibt. Turbinen teilt man in Wasserturbinen, Dampfturbinen und Gasturbinen ein. Heute wird weltweit der größte Teil des elektrischen Stromes von turbinengetriebenen Generatoren erzeugt.

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Wasserturbinen

Diese Kraftmaschinen bestehen im Kern aus einer Leitvorrichtung und dem Laufrad. In den Leitschaufeln des Leitrades erhält das durchströmende Wasser eine gerichtete Geschwindigkeit. Durch das Leitrad gelangt das Wasser weiter auf die darauf folgenden Laufschaufeln des Laufrades. Hier ändern sich der Betrag und die Richtung der gerichteten Geschwindigkeit. Bei diesem auch Aktionswirkung genannten Prozess gibt das Wasser im Prinzip seine potentielle Energie (z. B. in Abhängigkeit von der Fallhöhe) an das Laufrad weiter. Diese mechanische Energie wird an die nachfolgende Übertragungskette weitergegeben.

Wasserturbinen lassen sich u. a. nach ihrer Bauart oder ihrer Funktionsweise unterscheiden. Je nach Arbeitsweise kennt man beispielsweise Gleichdruck- oder Überdruckturbinen (auch Aktions- bzw. Reaktionsturbinen).

Nach Bauart unterscheidet man verschiedene Gleichdruckturbinen. Ein Beispiel für so genannte Tangentialturbinen ist die Freistrahl- oder Pelton-Turbine, nach ihrem Erfinder L. A. Pelton (1880). Bei diesem Typ erfolgt die Umwandlung in Geschwindigkeitsenergie in ein bis sechs Düsen. Freistrahlturbinen sind für Fallhöhen bis 2 000 Meter und Leistungen bis 300 Megawatt ausgelegt. In der Durchström- oder Bànki-Turbine strömt das Wasser praktisch zweimal durch die Turbine. Beim ersten Mal wird das Wasser von außen nach innen befördert, im Anschluss daran umgelenkt und ein zweites Mal durch das Laufrad geleitet – in diesem Fall ist die Durchströmrichtung von innen nach außen. Diesen Turbinentyp schufen A. G. M. Mitchell (1903) und D. Bànki (1913). Die Bànki-Turbine wird meist nur für kleine Leistungen bis 800 Kilowatt verwendet.

Bei den Überdruckturbinen kennt man ebenfalls verschiedene Bauarten. In der Francis-Turbine strömt das Wasser über eine Einlaufspirale aus zwei Richtungen, radial (in Radiusrichtung) und halbaxial (fast in Achsenrichtung), in die Turbine ein. Im Gegensatz dazu erfolgt die Abströmung des Wassers bei diesem Modell axial (in Achsenrichtung). Die an der Einlaufspirale verdrehbar angeordneten Leitschaufeln regulieren den so genannten Vordrall. Auf diese Weise wird die Laufraddrehzahl konstant gehalten. Diesen Turbinentyp erfand der Amerikaner J. B. Francis 1849. In der Kaplan-Turbine erfolgt die Zu- und Abströmung des Wassers auf das Laufrad axial. Die propellerartigen Leitschaufeln sind bei diesem Modell radial angebracht und zur Regulation der Laufradgeschwindigkeit verstellbar. Dieser Turbinentyp ist für kleinere Fallhöhen (bis 80 Meter) ausgelegt und wurde von dem Österreicher V. Kaplan zwischen 1912 und 1918 entwickelt.

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Trends bei Wasserkraftanlagen

Der Trend bei modernen Wasserkraftanlagen geht mehr zum Bau von größeren Anlagen an größeren Gefällen. Die Anlage mit dem weltweit größten Gefälle in einer Stufe (etwa 1 770 Meter) ist derzeit das Hochdruck-Speicherkraftwerk bei Reisseck-Kreuzeck in Österreich. In diesem Werk wird eine Pelton-Turbine eingesetzt. Die größten Turbinen gibt es in einem Wasserkraftwerk bei Itaipu in Paraguay, unmittelbar an der Grenze zu Brasilien. Dort sind 18 Francis-Turbinen mit je 700 Megawatt Leistung und einer Gesamtleistung von 12 600 Megawatt installiert. Itaipu ist derzeit das leistungsstärkste Wasserkraftwerk der Welt – seine Leistung soll mit zwei weiteren Turbineneinheiten ab April 2004 auf insgesamt 14 000 Megawatt gesteigert werden. Das Kraftwerk wird von Paraguay betrieben, produziert aber mehr Strom, als das Land selbst benötigt. Da Brasilien sich stark an den Baukosten für das Unternehmen beteiligt hat, geht ein Großteil des produzierten Stromüberschusses nach Brasilien.

Die größte Anlage in den Vereinigten Staaten befindet sich beim Grand-Coulee-Damm am Columbia. Die dort installierte Gesamtleistung beträgt fast 10 000 Megawatt. Beispiele für leistungsstarke Anlagen in Deutschland sind die Laufwasserkraftwerke Jochenstein (Bayern und Österreich) an der Donau und Schwörstadt-Riburg (Baden-Württemberg und Schweiz) am Rhein.

Die zunehmend steigenden Kosten für fossile Brennstoffe lassen in neuerer Zeit die Anlagen mit geringem Gefälle wieder interessant erscheinen. Durch die Entwicklung standardisierter Schraubenturbinen, deren Wellen fast horizontal liegen, sind kleine Anlagen wieder attraktiv geworden.

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Dampfturbinen

Der Erfolg mit Wasserturbinen führte zu der Überlegung, Turbinen auch zur Energiegewinnung aus Dampf einzusetzen. In Dampfturbinen wird die Druckenergie von hochgespanntem, heißem Dampf auf Schaufelrädern in mechanische Energie umgewandelt.

Dampfturbinen werden u. a. in Kernkraftwerken und in Schiffen mit Nuklearantrieb eingesetzt, wo sie in Verbindung mit brennstoffbeheizten Dampferzeugern Strom erzeugen. In Blockheizkraftwerken, die sowohl Prozesswärme (Wärme für den Einsatz in technischen Verfahren) als auch Elektrizität produzieren, wird im Dampferzeuger unter hohem Druck stehender Dampf erzeugt, der sich im Prinzip in der Turbine auf den Druck und die Temperatur entspannt, die in dem technischen Verfahren benötigt wird. Dampfturbinen lassen sich in kombinierten Verfahrenskreisläufen mit Dampfgenerator einsetzen. Industrielle Anlagen nutzt man u. a. für den Antrieb von Maschinen, Pumpen, Kompressoren und elektrischen Generatoren. Das Leistungsspektrum dieser Einrichtungen reicht von einigen Kilowatt bis über 1 300 Megawatt.

Die Dampfturbine wurde nicht von einer einzelnen Person erfunden, sondern ist das Ergebnis der Arbeit zahlreicher Erfinder in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts. Bemerkenswerte Beiträge zur Entwicklung der Turbine leisteten der britische Erfinder Charles Algernon Parsons und der schwedische Erfinder Carl Gustaf Patrik de Laval. Parsons entwickelte ein Prinzip, bei dem sich der Dampf in einer Reihe einzelner Stufen entspannt und bei jeder Stufe Arbeit verrichtet. De Laval entwarf als Erster strömungsgünstige Gehäuse und Schaufeln für die wirkungsvolle Nutzung des expandierenden Heißdampfes.