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Gasturbinen, Strahltriebwerke

01. Nach welchem Prinzip arbeiten Gasturbinen bzw. Strahltriebwerke?

Die Gasturbine gehört zu den Wärmekraftmaschinen und wird mit den Verbrennungsgasen flüssiger oder gasförmiger Kraftstoffe betrieben (Gas, Kerosin, leichtes Heizöl). Die Wirkungsweise ist ähnlich wie bei der Dampfturbine.

  • Die Gasturbine mit offenem Kreislauf arbeitet nach folgendem Prinzip:

    • Frischluft aus der Atmosphäre wird angesaugt und gefiltert,

    • im Kompressor verdichtet und

    • in einer Brennkammer unter kontinuierlicher Zuführung eines Brennstoffs verbrannt.

    • Die Verbrennungsgase mit einer Temperatur von bis zu 1.500 °C strömen in die Turbine und versetzen diese in eine Drehbewegung.

    • Die Turbine treibt den Kompressor und eine spezielle Arbeitsmaschine, z. B. einen Generator, an.

    • Danach treten die Verbrennungsgase in die Atmosphäre aus (offener Kreislauf).

      In einigen Bauarten werden die Abgase noch über einen Wärmetauscher gelenkt, der die angesaugte Frischluft vorwärmt, da der Wirkungsgrad einer Gasturbine umso größer ist, je höher die Turbineneintrittstemperatur der Brenngase ist.

    • Verdichter, Turbine, Generator und Motor sitzen auf einer Welle (mechanische Kopplung).

    • Die Nutzleistung (z. B. für einen Generator) ergibt sich aus der Differenz von Turbinenleistung und Kompressorleistung.

    • Zum Hochfahren der Anlage wird ein Elektromotor eingesetzt, der den Kompressor startet und sich automatisch wieder abschaltet.

    Schematische Darstellung eine Gasturbine mit offenem Kreislauf (ohne Wärmetauscher):

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    Gasturbinenkraftwerke unterscheiden sich von Dampfkraftwerken durch folgende Merkmale:

    • Die Leistung ist sofort verfügbar

    • die Anlagenkosten sind geringer

    • die Stromerzeugungskosten sind höher.

    Gasturbinenkraftwerke werden daher vielfach für die Abdeckung von Bedarfsspitzen eingesetzt.

  • Die Gasturbine mit geschlossenem Kreislauf arbeitet nach folgendem Prinzip:

    • Die Verbrennungsgase werden im Kreislauf geführt

    • im Kompressor verdichtet

    • über einen Wärmetauscher erhitzt

    • entspannt

    • rückgekühlt.

    Gasturbinen mit geschlossenem Kreislauf finden bisher wenig Anwendung wegen der hohen Anlagenkosten.

  • Das Antriebsprinzip bei Strahltriebwerken (auch: Düsentriebwerk) beruht auf der Arbeitsweise der Gasturbine:

    • Ein Laufrad saugt Frischluft an,

    • der Kompressor verdichtet die Luft und führt sie in die Brennkammer.

    • Die Verbrennungsgase setzen die Turbine in Bewegung.

    • Die Turbine nutzt einen kleinen Teil ihrer Leistung für den Kompressor; der Hauptteil der Nutzenergie wird der Schubdüse zum Vortrieb zugeführt.

    Schematische Darstellung eines Luftstrahltriebwerks (Einstrom-Einwellentriebwerk):

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02. Wie werden Gasturbinen bzw. Strahltriebwerke in der Industrie genutzt?

Gasturbinen besitzen im Gegensatz zu Kolbenmaschinen einen kontinuierlichen, ruhigen Lauf, aber einen flacheren Verlauf des Drehmoments. Außerdem zeichnen sie sich durch ein gutes Leistungs-/Masse-Verhältnis aus. Einsatzgebiete:

  • In der Luftfahrt, z. B.:

    Triebwerk für Hubschrauber, Turboprop-Flugzeuge; als Strahltriebwerk zum Rückstoßantrieb für Flugzeuge.

  • Zur Stromerzeugung, z. B.:

    Schwere Turbinen-Bauarten werden im stationären Dauerbetrieb eingesetzt (Leistung ab 25 MW); leichte Turbinen-Bauarten werden z. B. als Notstromaggregat verwendet (Leistung von 100 kW und mehr); außerdem gibt es die Kombination von Gas- und Dampfkraftwerk (GuD-Kraftwerk; Wirkungsgrad = 90 %).

  • In der Schifffahrt, z. B.:

    Schiffsturbine, Luftkissenfahrzeug.

  • Als Zusatzaggregat

    zur Verbesserung der Leistung von Motoren, z. B. Turbolader im Kfz.