Dampfturbine

Laufrad einer Parsons-Dampfturbine, der Dampf strömt parallel zur Turbinenwelle in Richtung der großen Laufschaufeln

Turbinenschaufel des Hochdruckteiles einer Dampfturbine

Eine Dampfturbine ist eine Turbinenbauart. Sie besteht aus einer schnell rotierende Welle bestückt mit vielen Turbinenschaufeln, die von Wasserdampf umströmt werden.

Bezeichnungen

Genormte Bezeichnungen

Nach DIN sind folgende Bezeichnungen zu unterscheiden:

• Dampfturbine: Sie ist die reine Kraftmaschine mit den rotierenden Bauteilen,
• Dampfturbosatz: Er besteht neben der Dampfturbine aus den angeschlossen Arbeitsmaschinen, gegebenenfalls zusätzlich ein Getriebe,
• Dampfturbinenanlage: Darunter versteht man die Gesamtheit aus Dampfturbine, Arbeitsmaschine, Kondensator und angeschlossene Rohrleitungen.

Weitere Bezeichnungen

• Durchflussrichtung: Axialturbine und Radialturbine
• Arbeitsverfahren: Gleichdruckturbine (Entspannung des Dampfes auf den Leitschaufeln) und Überdruckturbine (Entspannung des Dampfes auf den Leitschaufeln und den Laufschaufeln)
• Dampfzustand: Heißdampf-, Nassdampfturbine sowie Hochdruck-, Mitteldruck- und Niederdruckturbine
• Dampfzuführung: Frischdampf-, Abdampf- und Speicherdampfturbine
• Dampfabführung: Kondensations- und Gegendruckturbine

Entwicklung

Die Dampfturbine nutzt die kinetische- und Druckenergie des Dampfes. Deshalb spricht man hier auch vom Reaktionsprinzip. Dieses Prinzip entdeckte bereits in der Antike Heron von Alexandria und nutzte es für den Bau einer einfachen Dampf-Reaktionsturbine. Diese erste Erfindung einer Turbine wurde aber nie einer weiteren Nutzung zugeführt, sondern nur als Spielerei verwendet.

Die Idee, heißen Dampf zum Antrieb der Schaufeln eines Turbinenrades (Propellers) zu verwenden, hatte Giovanni Branca bereits im Jahre 1629. Die ersten einsetzbaren Dampfturbinen entwickelten der Schwede Carl Gustav Patrik de Laval 1883 (Aktionsprinzip) und der Engländer Charles Parsons (1884) (Reaktionsprinzip). Beide Originalmaschinen stehen im Deutschen Museum in München. Die schwedischen Gebrüder Ljungstöm entwickelten vor dem ersten Weltkrieg einen gegenläufigen Radialturbinentyp im Gegendruckbetrieb, der mit Leistungen mit bis zu 30 Megawatt und dem wahlweisen Betrieb in ein Fernwärmenetz oder auf einen Kondensator sehr flexibel einzusetzen war. Prinzipbedingt liegt die größte Leistung dieses Types allerdings ebenfalls bei etwa 30 Megawatt; deshalb werden Ljungströmturbinen in der heutigen Zeit nicht mehr gebaut.

Funktion

TS-Diagramm einer typischen Heißdampfturbine mit Nassdampfteil

Der idealisierte (verlustfreie)thermodynamische Kreisprozess einer Dampfturbine stellt sich wie folgt dar:

• 1 - 2: Reibungsfreies Verdichten des Arbeitsmittels Wasser auf den im Dampferzeuger herrschenden Druck,
• 2 - 3: Erwärmen des Wassers auf die zum Druck gehörende Verdampfungstemperatur,
• 3 - 4: Überführung des flüssigen Wassers in Dampf bei konstanten Druck,
• 4 - 5: Weitere Erwärmung (Überhitzung) des Dampfes bei konstantem Druck,
• 5 - 6: Reibungsfreie Entspannung des Dampfes bei konstanter Entropie in der Dampfturbine mit gleichzeitiger Entstehung der ersten Wassertropfen,
• 6 - 1: Kondensation des nassen Dampfes im Kondensator.

Die vom dargestellten Kreisprozess eingeschlossene Fläche repräsentiert die technisch nutzbare Arbeit bezogen auf die durchströmende Dampfmenge. Der Prozess selbst ist sehr stark vereinfacht, in der Praxis kommen noch weitere Schritte wie beispielspielsweise die Zwischenüberhitzung des Dampfes bei 5 - 6 oder die Vorwärmung des Wassers bei 1 - 2 mit Anzapfdampf aus der Dampfturbine hinzu.

Heutige Anwendungen

Entlang ihrer Rotationsachse durchströmte Axialturbinen bilden heute das Antriebsaggregat der meisten thermischen Dampfkraftwerke zur Erzeugung von elektrischem Strom. Bedingt durch die europäische Netzfrequenz von 50Hz liegt die Drehzahl von getriebelosen Dampfturbinen zur Stromerzeugung bei zweipoligen Generatoren bei 3000 Umdrehungen pro Minute, bei vierpoligen bei 1500 U/min. Der Dampf dazu wird mit Erdgas, Erdöl, Kohle (fossiler Energie), Biomasse oder Atomenergie im Dampferzeuger bereit gestellt und über Rohrleitungen der Turbine zugeführt. Dort wird dann die Enthalpiedifferenz des Dampfes bis zu der Temperatur und dem Druck genutzt, die vom Kondensator vorgegeben wird. Diese Maschinenbauart heißt daher auch "Kondensationsturbine". Die heutigen Dampfturbinen haben durch die Aufteilung der Dampfmenge auf separate Teilturbinen mit einer gemeinsamem Welle eine Leistung von bis zu 1500 Megawatt. Die technisch mögliche Grenzleistung dieser Bauart wird mit 4000 MW abgeschätzt.

Dampfturbinen dieser Größe werden vornehmlich in Kernkraftwerken eingesetzt. Im Atomkraftwerk Grohnde befindet sich beispielsweise eine Nassdampfturbine bestehend aus einem Hochdruck-, einem Mitteldruck- und drei Niederdruckteilen mit insgesamt sechs Kondensatoren.

Ein schwierig zu beherrschender Nebeneffekt ergibt sich beim Betrieb von großen Dampfturbinen: Der vom letzten Schaufelkranz abströmende Dampf erreicht an diesen Stellen die zugehörige Schallgeschwindigkeit. Die zuvor bei der Entspannung entstehenden Wassertropfen erodieren die Beschaufelung der Turbine und beim Eintritt in den Kondensator dessen Berohrung.

Dampfturbinen waren auch lange Zeit eine wichtige Antriebsquelle in der Schifffahrt. Sie werden jedoch allmählich durch effizientere Dieselmotoren verdrängt.

In besonders effizienten Kraftwerken findet die Dampfturbine weiterhin Verwendung, da sie mit Gasturbinen kombinierbar ist: Die Abgase der Gasturbinen heizen den Dampferzeuger, durch den im Dampferzeuger entstehenden Dampf werden eine oder mehrere Dampfturbinen angetrieben. Diese Form von Kraftwerken nennt man GuD-Kraftwerke (Gas- und Dampf-Kraftwerk)

Dampfturbinen finden auch in großen Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen Anwendung.

Weblinks

• http://www.energytech.at/kwk/portrait_kapitel-2_1.html
• http://www.deutsches-museum.de/ausstell/meister4/turbine.htm

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