Gasturbinen erklärt (Verbrennungsturbine)

Was ist eine Gasturbine?

Eine Gasturbine ist eine Art von Verbrennungsmotor, der die chemische Energie von Kraftstoff in mechanische Leistung umwandelt. Sie besteht aus drei Hauptkomponenten: dem Kompressor, Verbrennungskammer und Turbine. Die Anwendungen von Gasturbinen sind zahlreich aufgrund ihrer Effizienz, Kosten und Zuverlässigkeit. Gasturbinen werden auch als Verbrennungsturbinen bezeichnet (sie sind dasselbe). Eine an einem Flugzeug montierte Gasturbine wird als Strahltriebwerk bezeichnet.

Gasturbine

Interessante Anmerkung: Gasturbinen werden als Gasturbinen bezeichnet, weil sie mit heißen Gasen arbeiten, nicht weil sie Erdgas verbrennen! Es ist möglich, dass Gasturbinen über 30 verschiedene Kraftstoffarten verbrennen, aber Erdgas ist am häufigsten.

Grundlegendes Funktionsprinzip einer Gasturbine

Der grundlegende Prozess einer Gasturbine beinhaltet, dass Luft durch einen Lufteinlass angesaugt und durch den Kompressor geleitet wird, wo sie verdichtet wird (Druck und Temperatur steigen). Die komprimierte Luft gelangt dann in die Verbrennungskammer, wo Kraftstoff eingespritzt und mit Hilfe eines Zündsystems entzündet wird. Während der Verbrennung wird Wärme freigesetzt, was dazu führt, dass sich die Gase schnell ausdehnen und heiße Abgase mit hoher Geschwindigkeit die Verbrennungskammer verlassen. Die heißen Gase passieren eine Turbine, die dadurch in Rotation versetzt wird. Diese Drehbewegung erzeugt mechanische Arbeit, die an verschiedene Baugruppen wie Antriebswellen oder Propellerwellen usw. angeschlossen werden kann, um gewünschte Aufgaben zu erfüllen. Neben der Bereitstellung nützlicher Leistungsausgabe sind einige Turbinen auch für andere Zwecke ausgelegt, wie z.B. zum Antrieb von Flugzeugtriebwerken.

Siehe den nächsten Abschnitt für eine detailliertere Version darüber, wie eine Verbrennungsturbine funktioniert.

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Wie Gasturbinen funktionieren

Eine Gasturbine ist ein Verbrennungsmotor, der einen kontinuierlichen Gasstrom verwendet, um mechanische Leistung zu erzeugen (Gasturbinen werden auch als 'Strömungsverbrennungsmotoren' bezeichnet, da sie einen stetigen Gasstrom benötigen und erzeugen). Sie funktioniert, indem Luft komprimiert, Kraftstoff in einem Verbrennungsraum (Verbrennungskammer) verbrannt und dann die heißen Abgase aus dem Verbrennungsprozess verwendet werden, um eine Turbine zu drehen, die mechanische Leistung (kinetische Energie) erzeugt.

Die Hauptteile einer Gasturbine sind der Kompressor, die Verbrennungskammer und die Turbine. Es ist möglich, eine Gasturbine grob in einen kalten Abschnitt (Lufteinlass und Kompressor) und einen heißen Abschnitt (Verbrennungskammer und Turbine) zu unterteilen. Wie bei anderen Verbrennungsmotoren verwenden Gasturbinen den Verdichtungs-, Zünd-, Leistungs-, Abgasprozess; dieser Prozess wird auch als Ansaugen, Verdichten, Explodieren, Ausstoßen bezeichnet!

Gasturbinenkomponenten

Interessante Anmerkung: Verbrennungsmotoren werden auch als IC-Motoren bezeichnet.

Verdichtung

Luft wird mit einem mehrstufigen Axialventilator in die Turbine gesaugt; dieser Ventilatortyp verwendet mehrere Ventilatorblätter, die in Reihen installiert und in Serie angeordnet sind. Jede Reihe von Ventilatorblättern wird als Druckstufe bezeichnet, da der Druck der Luft steigt, wenn sie über jede Reihe strömt. Der Abschnitt der Gasturbine, der den mehrstufigen Ventilator beherbergt, wird als Kompressor bezeichnet, weil der Luftdruck steigt, wenn er durch jede Druckstufe strömt. Aeroderivative Gasturbinen können Druckverhältnisse von bis zu 30:1 haben, während schwere Rahmengasturbinen Druckverhältnisse von bis zu 18:1 aufweisen. Es ist möglich, zu steuern, wie viel Kraftstoff während der Verbrennung verbrannt wird, indem der zugeführte Luftdruck und damit die verfügbare Sauerstoffmenge für die Verbrennung reguliert werden.

Aufgrund der großen Menge an Leistung, die zum Antrieb des Kompressors erforderlich ist, haben Gasturbinen eine typische Effizienz von zwischen 30-35% (max. ca. 40%), obwohl diese auf bis zu 60% erhöht werden kann, wenn die Abwärme zurückgewonnen wird (Kombikraftwerke sind ein gutes Beispiel dafür).

Gasturbinen-Effizienz basierend auf Parallel- oder Serienbetrieb

Zündung

Komprimierte Luft aus dem Kompressor tritt in die Verbrennungskammer (Verbrennungsräume) ein, wo Kraftstoff eingespritzt und mit ihr vermischt wird. Der Kraftstoff wird von einem Zünder entzündet, der im Design einem Zündkerze ähnelt. Einmal entzündet, verbrennt das Luft-Kraftstoff-Gemisch und es kommt zu einem starken Temperaturanstieg. Die Abgastemperaturen aus dem Verbrennungsbereich variieren je nach Design, aber Temperaturen von bis zu 1.600°C (2.900°F) wurden erreicht.

Interessante Anmerkung: Eine Verbrennungskammer wird auch als Brenner, Verbrennungsraum oder Flammenhalter bezeichnet.

Leistung (Expansion)

Die heißen Gase aus der Verbrennung werden durch eine stationäre Düsenleitschaufel (NGV) und dann über Reihen von Turbinenblättern geleitet, die in Serie installiert sind. Wie bei den Kompressorschaufeln wird jede Turbinenblattreihe als ‘Stufe’ bezeichnet. Einzelne Druckstufen werden manchmal in eine Niederdruckstufe und Hochdruckstufe gruppiert, je nachdem, wie viele einzelne Stufen vorhanden sind.

Eine Kraft wird auf jedes Turbinenblatt ausgeübt, wenn die heißen Gase durch die Turbine strömen, diese kombinierten Kräfte erzeugen ein Drehmoment, das auf eine Zentralwelle wirkt und sie in Rotation versetzt. Die Rotationsgeschwindigkeiten der Welle variieren, aber einige Turbinen können Rotationsgeschwindigkeiten von über 20.000 U/min erreichen.

Interessante Anmerkung: Wenn die heißen Gase durch die Turbine strömen, sinken ihr Druck und ihre Temperatur; dieser Teil der Turbine wird als Expansionsabschnitt bezeichnet, da dieser Druckabfall auftritt.

Abgas

Heiße Abgase werden direkt in die Atmosphäre oder in einen anderen Prozess abgegeben, um die Wärme zurückzugewinnen. Beispielsweise kann ein Wärmerückgewinnungsdampferzeuger (HRSG) direkt nach einer Verbrennungsturbine installiert werden, um die Wärme aus den Abgasen zurückzugewinnen, diese Wärme kann dann zur Dampferzeugung verwendet werden. Die verfügbare Wärmemenge ist erheblich, da die Abgastemperaturen einer typischen Gasturbine bis zu 550°C (1.002°F) betragen können.

Wärmerückgewinnungsdampferzeuger (HRSG)

Gasturbinen-Designs

Gasturbinen können für einen bestimmten Zweck ausgelegt sein, wie z.B. zur Erzeugung von Schub (Flugzeugtriebwerke) oder mechanischer Leistung zum Antrieb von Maschinen wie Pumpen oder Generatoren (elektrische Energieerzeugung). Aeroderivative Gasturbinen werden von Flugzeugen aufgrund ihrer hohen Schubleistung genutzt, während schwere Rahmengasturbinen in der elektrischen Energieerzeugungsindustrie eingesetzt werden.

Gasturbine zur Energieerzeugung

Es ist wichtig, beim Bau und Betrieb von Gasturbinen darauf zu achten, dass alle Komponenten auf Langlebigkeit ausgelegt sind; zum Beispiel müssen Verbrennungskammern extremen Temperaturen standhalten können, ohne dass Schäden auftreten, und Schaufeln sollten aus hitzebeständigem Material wie Titan bestehen, damit sie während des Betriebs nicht überhitzen.

Zusätzliche Ressourcen

https://en.wikipedia.org/wiki/Gas_turbine

https://www.ge.com/gas-power/resources/education/what-is-a-gas-turbine

https://www.siemens-energy.com/global/en/offerings/power-generation/gas-turbines.html