Wärmelehre

Wärmekraftmaschinen

Dampfturbine

  • Wie funktioniert eigentlich eine Dampfmaschine?
  • Was ist so besonders an einem WANKEL-Motor?
  • OTTO- oder DIESEL-Motor?
  • Was versteht man unter einem Wirkungsgrad?

Dampfturbine

Der Wirkungsgrad der Dampfmaschine von Watt bzw. deren Weiterentwicklungen kam nicht wesentlich über 10% hinaus. Die erste praktikable Dampfturbine, die von dem Schweden Carl Gustaf Patrik de Laval (1845-1913) im Jahr 1888 gebaut wurde, hatte bereits einen Wirkungsgrad von fast 30%. Moderne Hochdruckdampfturbinen erreichen Wirkungsgrade nahe 50%. Ein Grund für den höheren Wirkungsgrad der Turbine ist, dass nicht - wie bei der Dampfmaschine - durch einen komplizierten Mechanismus die Hin- und Herbewegung des Kolbens in eine Rotationsbewegung umgesetzt werden muss.

Funktionsprinzip der ersten Dampfturbinen

Das Grundprinzip der Dampfturbine ist vergleichbar mit dem eines Wasserrads. Der erhitzte Dampf strömt aus dem Dampfkessel durch eine Düse, die sogenannte Laval-Düse. Dabei erhöht sich die kinetische Energie der Dampfteilchen erheblich. Die Dampfteilchen strömen tangential auf die Schaufeln der Turbine und versetzen diese in Rotationsbewegung. Die Dampfturbine von Laval lief mit ca. 30000 Umdrehungen/Minute.

Quelle: By Andy Dingley (scanner) [Public domain], via Wikimedia Commons

Die Dampfzufuhr bei der Laval-Turbine erfolgte über vier Düsen. Die Originalapparatur dieser Turbine steht im Deutschen Museum, München. Die Dampfturbine von Laval lief mit ca. 30000 Umdrehungen/Minute, ihre Leistung lag im niederen kW-Bereich.

Moderne Dampfturbinen

Meist sitzen bei modernen Dampfturbinen zur Erhöhung der Leistung mehrere Schaufelräder auf einer Achse. Da der einströmende Dampf durch ein rotierendes Schaufelrad abgelenkt wird, führt man ihn vor dem Auftreffen auf das nächste Schaufelrad durch ein feststehendes Leitrad, das dafür sorgt, dass der Auftreffwinkel des Dampfes auf das nächste Schaufelrad wieder optimal ist (vgl. hierzu nebenstehende Animation).

Quelle: Parsons Dampfturbinen-Animation erstellt durch "start your engines!"

Bei jedem Auftreffen auf ein Schaufelrad wird innere Energie des Dampfes in kinetische Energie des Schaufelrades umgewandelt. Dabei verringern sich die Temperatur und der Druck des Dampfes. Als Folge davon nimmt das Dampfvolumen zu. Um die Energie des "geschwächten" Dampfes noch optimal ausnutzen zu können, gestaltet man die Schaufeln für den Dampf niedrigeren Druckes größer (allerdings sind der Schaufellänge wegen der bei den hohen Drehzahlen auftretenden Zentrifugalkräfte Grenzen gesetzt). Nebenstehendes Bild zeigt die Montage des "Läufers" einer Dampfturbine.

In modernen Dampfturbinen-Kraftwerken zur Elektrizitätserzeugung werden große, mehrstufige Dampfturbinen eingesetzt. Der heiße Dampf im Dampferzeuger kann durch die Verfeuerung fossiler Brennstoffe (z.B. Kohle, Erdöl) oder z.B. durch einen Kernreaktor gewonnen werden. Zunächst gelangt der sehr heiße Dampf in die Hochdruckturbine und treibt diese an. Beim Verlassen der Hochdruckturbine haben sich der Druck und die Temperatur des Dampfes verringert (man sagt der Dampf "entspannt" sich). Er wird anschließend z.B. in eine Mitteldruckturbine geleitet, entspannt sich dabei weiter und schließlich treibt man noch eine Niederdruckturbine mit dem Dampf an. Alle Turbinen sitzen - ebenso wie ein großer Generator zur Elektrizitätserzeugung - auf der gleichen Achse. Im Kondensator wird der Dampf abgekühlt und zu Wasser. Mit der Speisewasserpumpe wird das kondensierte Wasser wieder in den Verdampfer gepumpt. Die Abkühlung im Kondensor geschieht durch ein Rohrsystem durch das kaltes Wasser von einem Fluss oder abgekühltes Wasser von einem Kühlturm mit der Kühlwasserpumpe geleitet wird. Im Dampfturbinen-Kraftwerk gibt es also zwei Kreisläufe: Den Dampfkreislauf und den Kühlwasserkreislauf.

Moderne Dampfturbinenanlagen können Leistungen um die 1000MW erbringen. Hier einige Daten der Dampfturbogruppen im Braunkohlekraftwerk Lippendorf:

An den Generator abgegebene Leistung
933 MW
Frischdampfmenge
672kg/s
Frischdampfdruck
260bar
Frischdampftemperatur
550°C

 

Für die Energieversorgung im Zeitalter der "Energiewende" sind Kraftwerke gefragt, die bei momentan fehlender Wind- und Solarenergie schnell in Betrieb gehen können. Hier wurden in jüngerer Zeit sogenannte GuD-Kraftwerke (Gas-und-Dampfturbinen-Kraftwerke) entwickelt. Bei diesen Kraftwerkstypen lassen sich elektrische Wirkungsgrade in der Gegend von 60% erzielen.

Hinweis

Für handwerklich Begabte gibt es auf der Seite "Energie macht Schule" einen Vorschlag zum Selbstbau eines Dampfturbinen-Modells.

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