Funktionsweise und Klassifizierung von Gasturbinen

Einführung in die Gasturbinen-Technologie

Gasturbinen sind rotierende Verbrennungsmotoren. Das Arbeitsmittel durchläuft die Transformationen Kompression, Verbrennung und Expansion. Die Expansion des Mediums erfolgt zwischen den Schaufeln einer Turbine zur Erzeugung mechanischer Energie.

Anwendungen von Gasturbinen

Anwendungen von Gasturbinen können wie folgt eingestuft werden:

• Industrielle Anwendungen
• Luftfahrt

Industrielle Anlagen

Industrielle Anlagen werden in stationären und mobilen Systemen eingesetzt. Zu den wichtigsten Anwendungen gehört die Stromerzeugung durch Generatoren sowie der Antrieb großer Kompressoren, Pumpen und Schiffe. Zudem werden sie in Kombination mit anderen thermomechanischen Systemen zur Abgaswärmerückgewinnung genutzt.

Luftfahrt

In der Luftfahrt kommen Gasturbinen als Strahltriebwerke (Turbojets), Turboprops, Turbofans (Mantelstromtriebwerke) und Wellenturbinen (Turboshaft) zum Einsatz.

Bei industriellen Turbinen, Turboprops und Wellenturbinen für Kraftwerke wird der Großteil der durch die Verbrennung erzeugten Energie im Turbinenrotor in mechanische Energie umgewandelt.

Beim Turbojet dient die mechanische Energie, welche die Turbine erzeugt, lediglich dazu, den Kompressor anzutreiben. Der Rest der Energie wird in einer Reaktion zur Erzeugung eines Antriebsstrahls genutzt.

In der Turbofan-Turbine treibt ein erheblicher Teil der Energie die Welle mit der Kompressor-Lüfter-Einheit (Fan) an, während der Rest aus der Düse austritt, um Abgase für den Vortrieb zu produzieren.

Klassifizierung von Gasturbinen

• Gleichdruckturbine: Offenes System, bestehend aus Verdichter, Brennkammer und Turbine.
• Gleichraumturbine (Explosionsturbine): Geschlossenes System mit Ventilen an Verdichter, Brennkammer und Turbine.

Die Gasturbinen, die bei konstantem Druck arbeiten, folgen dem Brayton-Zyklus. Turbinen bei konstantem Volumen entwickeln einen Otto-Zyklus.

Der Prozess bei konstantem Druck

Bei der Turbine mit konstantem Druck gelangt atmosphärische Luft in den Verdichter und von dort mit höherem Druck in die Brennkammer. Der Kraftstoff wird kontinuierlich in die Kammer eingespritzt, und die Verbrennung erfolgt bei konstantem Druck. Der Beginn der Verbrennung wird durch ein elektrisch betriebenes Zündgerät eingeleitet; danach setzt sich die Verbrennung fort, solange Brennstoff zugeführt wird. Der starke Anstieg von Druck und Temperatur der Verbrennungsgase treibt das Turbinenrad an.

Die Expansion der Verbrennungsgase erfolgt durch den Turbinenrotor bis auf Atmosphärendruck. Die nutzbare Arbeit, die das Gas entwickelt, wird zunächst von der Turbinenwelle absorbiert, um den Kompressor anzutreiben. Der Rest wird entweder über die Welle (industrielle Gasturbine, Turboprop, Wellenturbine etc.) oder als Strahlenergie (Turbojet) abgegeben.

Der Prozess bei konstantem Volumen

Die Turbine mit konstantem Volumen (oder Verpuffungsturbine) unterscheidet sich dadurch, dass die Verbrennung in einer geschlossenen Kammer mit Einlass- und Auslassventilen erfolgt. Die Energiezufuhr geschieht intermittierend, und die Gase verlassen die Kammer in Impulsen, um auf die Turbine einzuwirken. Diese Konfiguration wurde in den frühen Stadien der Gasturbinenentwicklung genutzt, da die damalige Materialentwicklung einen kontinuierlichen Betrieb mit akzeptabler Leistung noch nicht zuließ.