Gasturbine

Beispiele für die verschiedenen Ausführungen einer Gasturbine: (1) Turbojet, (2) Turboprop, (3) Wellenleistungstriebwerk (hier mit elektrischem Generator), (4) Mantelstromtriebwerk (Turbofan), hohes Bypassverhältnis, (5) Mantelstromtriebwerk (mit Nachbrenner), niedriges Bypassverhältnis
Hierbei kennzeichnen blau = Verdichter; rot = Turbine; grau = Schubdüse

Eine Gasturbine im weiteren Sinne ist eine Verbrennungskraftmaschine, bestehend aus der eigentlichen Turbine, genauer einer Gasexpansionsturbine, einem vorgeschalteten Verdichter und einer dazwischen liegenden Brennkammer.

Physikalisch gesehen ist die Gasturbine eine thermische Strömungsmaschine (Turbomaschine) und damit eine Unterordnung der thermischen Fluidenergiemaschine. Das Wirkungsprinzip beruht auf dem, in diesem Fall rechtslaufenden, thermodynamischen Kreisprozess nach James Prescott Joule (Joule-Prozess): Über die Beschaufelung einer oder mehrerer Verdichterstufen wird Luft komprimiert, in der Brennkammer mit einem gasförmigen oder flüssigen Treibstoff vermischt, dann gezündet und verbrannt. So entsteht ein Heißgas (Mischung aus Verbrennungsgas und Luft), das im nachfolgenden Turbinenteil entspannt, wobei sich thermische in kinetische Energie (Rotationsenergie) einer Welle umwandelt und zunächst den Verdichter antreibt. Rund 70 bis 80 % der gesamten Luftmasse aus dem Verdichter werden als „Sekundärluft“ zur Kühlung genutzt, lediglich der Rest dient in der Brennkammer als „Primärluft“ zur Verbrennung. Etwa 40 Prozent der chemischen Energie des Treibstoffs werden in Nutzenergie umgewandelt; der Rest geht als Wärmeenergie an die Umgebung verloren.

Nach der gewünschten Nutzenergie unterscheidet man zwei Arten von Gasturbinen:

• Wellenleistungstriebwerk (auch Wellenturbine oder Turbomotor genannt): Bei ihr ist nicht der Schub, sondern die von einer Abtriebswelle abgegebene Leistung maßgeblich. Meistens wird die Abtriebswelle durch eine hinter der Brennkammer angeordnete Niederdruckturbine sowie ein Reduziergetriebe angetrieben, sie kann jedoch auch direkt von der Gasturbinenwelle angetrieben werden. Der kompakteren Bauweise wegen werden diese Triebwerke überwiegend mit mehrflutigen Radialverdichtern oder einer Kombination von Axial- und Radialverdichtern ausgerüstet. Die Einsatzmöglichkeiten von Wellenleistungstriebwerken sind sehr vielseitig (verbreitete Beispiele siehe unten). Bei Flugtriebwerken erzeugt der abgegebene Gasstrahl manchmal etwas zusätzlichen Schub.
• Strahlturbine: Sie soll hauptsächlich die kinetische Energie des Verbrennungsgases in Form von Schub bereitstellen. Neben dem Antrieb oben erwähnter Nebenaggregate wird vorwiegend die Energie des heißen Gasstrahls ausgenutzt (Turbojet), von der Welle wird sonst keine Rotationsenergie abgegriffen. Bei Mantelstromtriebwerken (Turbofan) wird durch den Fan („Bläser“), der von der Turbine ebenfalls angetrieben wird, ein Luftstrom an Brennkammer, Turbine und Schubdüse vorbei nach hinten geblasen. Dieser „Mantelstrom“ erzeugt bei modernen Strahltriebwerken den Hauptteil des Schubs.

Eine besondere Verwendungsform sind die sogenannten Aero-Derivative, bei denen eine ursprünglich als Strahltriebwerk entwickelte Gasturbine für den Einsatz als Kraftmaschine zum Einsatz kommt.

Inklusive der Flugtriebwerke sind weltweit insgesamt deutlich mehr als 100.000 große Gasturbinen im Einsatz.

Historischer Überblick

Die ersten Erfindungen zur Gasturbine datieren auf das Jahr 1791, als der Engländer John Barber sich eine erste derartige Maschine patentieren ließ. In der Praxis versagte seine Gasturbine jedoch, in erster Linie, weil zu dieser Zeit noch keine ausreichend hitzebeständigen Werkstoffe zur Verfügung standen.

An der Wende vom 19. zum 20. Jahrhundert nahmen die Ingenieure die Idee der Gasturbine wieder auf, wobei sie sich an der parallelen Entwicklung der Dampfturbine orientierten. Nach erfolglosen Versuchen von Franz Stolze und erfolgreichen, aber dennoch in der Öffentlichkeit kaum beachteten Versuchen von Aegidius Elling entwickelte Hans Holzwarth eine Gasturbine mit einem durch Ventile abgeschlossenen Verbrennungsraum, aus dem unter Druck stehende Abgase der zuvor verbrannten Brennstoffe auf die eigentliche Turbine geleitet wurden. So eine „Gleichraumturbine“ kam ohne einen Verdichter aus, erreichte aber nur einen geringen Wirkungsgrad von maximal 13 Prozent. Ab 1935 standen die ersten Gleichraumturbinen für den stationären Betrieb in Gaskraftwerken zur Verfügung; die Entwicklung dieses Turbinentyps geht auf das historische Patent von 1791 zurück – Adolf Meyer vom schweizerischen Unternehmen BBC machte sie marktreif. Die chemische Industrie setzte diese ersten Turbinen ein, die eine Leistung von 14 MW hatten. 1939 lieferte BBC eine Gasturbine an das britische Luftfahrtministerium, das sie zu Versuchszwecken verwendete. 1940 setzte ein Kraftwerk im schweizerischen Neuenburg die erste Gasturbine ein. Die Maschine hatte 4 MW Leistung und lieferte positive Betriebsergebnisse, so dass man eine ähnliche Turbine in eine Lokomotive (SBB Am 4/6 1101) einbaute. Wegen der hohen Verluste bei der Energiewandlung wurde jedoch von dieser Traktionsart Abstand genommen. Die Gasturbine wurde nach dem Zweiten Weltkrieg in erster Linie in Flugzeugen verwendet und ist dort derzeit die wichtigste Antriebsmaschine. Bei den stationären Anlagen wird sie wegen ihrer Schnellstartfähigkeit als Kraftwerksreserve vorgehalten; in den letzten Jahren gewann sie durch die Verwendung in Gas-und-Dampf-Kombikraftwerken (GuD-Kraftwerken) zunehmend an Bedeutung.

Die Energieversorgung Oberhausen betrieb im Rahmen des Projektes ab 1973 eine Versuchsanlage mit einer fossil beheizten Helium-Gasturbine im Heizkraftwerk Sterkrade. Das Projekt scheiterte jedoch an technischen Problemen, ebenso wie ein ähnliches südafrikanisches Nuklearprojekt (Hochtemperaturreaktor mit Helium-Gasturbine), das 2010 eingestellt wurde. Das ähnliche japanische Projekt GTHTR300 wird noch weiterverfolgt.

Aufbau

Turboproptriebwerk Lycoming T53 (Propellerabtrieb links über Reduktionsgetriebe)

Turboproptriebwerk: A Propeller, B Getriebe, C Verdichter, D Brennkammer, E Turbine, F Schubdüse. Die Gasturbine besteht aus den Teilen C, D und E.

Die Gasturbine besteht prinzipiell aus einem Einlauf, einem Verdichter, einer Brennkammer, einer Turbine und einer Düse für Düsentriebwerke beziehungsweise einem Diffusor und einer Abtriebswelle für Wellentriebwerke. Der Begriff „Turbine“ wird nicht ganz eindeutig verwendet, da streng genommen nur ein Bauteil der Gasturbine tatsächlich eine Turbine ist, aber andererseits auch das gesamte Aggregat umgangssprachlich als „Gasturbine“ bezeichnet wird. Bis auf Einlauf und Düse werden alle anderen Komponenten über eine oder auch mehrere Wellen gekoppelt.

Wellen-Gasturbinen gibt es als ein-, zwei- und dreiwellige Maschinen. Bei der einwelligen Bauweise sitzen alle Verdichterstufen und alle Turbinenstufen hintereinander auf derselben Welle (mechanische Kopplung). Damit läuft die gesamte Maschine mit einer Drehzahl. Der Abtrieb kann am verdichter- oder am turbinenseitigen Wellenende liegen. Bei stationären Gasturbinen liegt der Abtrieb für den Generator zumeist am verdichterseitigen Wellenende, da so ein besserer Abgasdiffusor installiert werden kann, das Fluid den Generator nicht umströmen muss und die Wärmeverluste auf dem Weg zum Dampfprozess (bei GuD-Prozessen) nicht allzu groß sind.

Bei der zweiwelligen Anordnung können die beiden Turbinenteile als Gasgenerator- und Nutzturbine ausgelegt sein. Dabei treiben die ersten Turbinenstufen den Verdichter an und bilden mit ihm die Gasgenerator-Einheit. Im selben Gehäuse unmittelbar dahinter läuft die Nutzturbine mit einer von der Drehzahl des Gasgenerators unabhängigen Drehzahl. Der Abtrieb liegt in der Regel auf der Turbinenseite. Angetrieben werden mit dieser Maschine üblicherweise Pumpen oder Verdichter, etwa an Gas- oder Ölpipelines, auch in der Luftfahrt sind solche Antriebe mit Freilaufturbinen verbreitet.

Eine besondere Bauart sind die sogenannten Aeroderivatives, bei denen als Gasgenerator eine modifizierte Flugzeugturbine zum Einsatz kommt.

Einlauf

Der Lufteinlauf dient der strömungsdynamischen Anpassung zwischen der Einsatzumgebung und dem Verdichter. Bei stationärem Einsatz oder geringen Geschwindigkeiten dient der Einlauf nur der sauberen Luftführung ohne Verwirbelung oder Strömungsablösungen. Im Lufteinlass befindet sich der Einlasskonus und bei Turbofantriebwerken der Fan („Bläser“).

Insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten hat der Einlauf die Funktion eines Diffusors, der die dort einströmende Luftmasse abbremst (in Bezug auf die Gasturbine) und vorverdichtet. Dies ist besonders bei Überschallgeschwindigkeit notwendig, da die Strömung vor Eintritt in die Verdichterstufen auf (relative) Unterschallgeschwindigkeit abgebremst werden muss.

Der sich drehende Einlasskonus ist – wie auch die Naben anderer Flugzeuge – meist mit einer kurzen Spirallinie bemalt, damit Personen in der Nähe des Flugzeuges sicher erkennen können, ob sich das Triebwerk (noch) dreht, um die damit einhergehenden Gefahren – Eingesaugtwerden bzw. Kollision, Abgasstrahl, Anrollen des Flugzeugs – abschätzen zu können. Bei schneller Rotation ist die Linie nicht sichtbar, bei langsamer Rotation scheint sich die Spirale in die Mitte zusammenzuziehen. Eine abweisende Wirkung auf fliegende Vögel wird bezweifelt. Manche Fluglinien verwenden einen exzentrischen Punkt oder einen Strich als Rotationsindikator.

Verdichter/Kompressor

CAD-Zeichnung eines Turbofantriebwerks im Bereich des Verdichters. Leitschaufeln nicht dargestellt

17-stufiger Axialverdichter eines General Electric J79. Die Leitschaufeln sind nicht zu sehen, aber deren Verstellmechanismus (nur erste 8 Stufen)

Nach dem Lufteinlauf folgt der Turbokompressor, der aus Axial- oder Radialverdichtern bestehen kann. Axialkompressoren bestehen in der Regel aus mehreren Laufrädern mit Kompressorschaufeln in axialer Anordnung, wobei diese üblicherweise in Niederdruck- und Hochdruckverdichterstufen untergliedert sind. Durch ihn erhält die strömende Luftmasse mittels zugeführter kinetischer Energie in den diffusorförmigen (d. h. sich erweiternden) Zwischenräumen der Kompressorschaufeln Druckenergie. Nach dem Gesetz von Bernoulli erhöht sich in einem an Querschnittsfläche zunehmenden Kanal der statische Druck, während die Strömungsgeschwindigkeit sinkt. Die dort befindlichen Leitschaufeln oder Statorschaufeln lenken den schraubenförmigen Luftstrom nach jedem Laufrad wieder in die axiale Richtung. Die verlorene kinetische Energie wird in der nächsten Rotorstufe wieder zugeführt. Eine komplette Verdichterstufe eines Axialverdichters besteht also aus einer Rotorstufe, in der sowohl Druck und Temperatur als auch die Geschwindigkeit steigen, und einer Statorstufe, in der der Druck zu Ungunsten der Geschwindigkeit steigt. Die Rotorstufen sind hintereinander auf einer gemeinsamen Trommel („Welle“; heute: meist zwei oder drei Trommeln mit unterschiedlicher Drehzahl) angeordnet, die Statorstufen (Leitschaufeln) sind in die Innenseite des Verdichtergehäuses eingebaut. Oft sind die Leitschaufeln verstellbar, um den Winkel an die Anströmrichtung anzupassen.

Alte Verdichter erreichten oft selbst mit vielen aufeinanderfolgenden Verdichterstufen (im Beispiel General Electric J79 17 Stufen) lediglich eine mäßige Verdichtung (Verhältnis des Drucks am Ende des Verdichters zum Umgebungsdruck; im Beispiel 12,5:1), während moderne Triebwerke mit weniger Stufen wesentlich höhere Verdichtungen erzielen (beispielsweise 43,9:1 mit 13 Stufen im Engine Alliance GP7200). Dies ermöglichen verbesserte Profile der Kompressorschaufeln, die selbst bei Überschallgeschwindigkeiten (resultierend aus Umfangsgeschwindigkeit der Schaufeln und Anströmgeschwindigkeit) sehr gute Strömungseigenschaften bieten. Die reine Durchströmgeschwindigkeit darf jedoch die örtliche Schallgeschwindigkeit nicht überschreiten, da sich sonst die Wirkung der diffusorförmigen Kanäle umkehren würde. Hierbei gilt es zu bedenken, dass die örtliche Schallgeschwindigkeit wegen der steigenden Temperatur im Kompressor (s. o., bis 600 °C) ebenfalls steigt.

Brennkammer

CAD-Zeichnung: Brennkammer eines Turbofantriebwerks

Die Kompression der Luft verursacht einen Temperaturanstieg von etwa 400 °C. Ein Teil der so erhitzten Luft strömt als sogenannte Primärluft anschließend in die Brennkammer, wo sie mit Kraftstoff (heute meist Kerosin) vermischt und entzündet wird – beim Triebwerksstart durch Zündkerzen, später erfolgt die Verbrennung selbsttätig kontinuierlich. Durch die exotherme Reaktion des Sauerstoff-Kohlenwasserstoff-Gemisches steigt die Temperatur auf bis zu 2200 °C an mit der entsprechenden Expansion des Gases. Ohne Kühlung könnten auch die hochwertigen Materialien (oftmals Superlegierungen auf Nickel-Chrom-Molybdän-Basis) den Temperaturen nicht standhalten, denn die Brennkammer arbeitet im überkritischen Bereich. Daher wird der direkte Kontakt zwischen Flamme und Brennkammerwand weitgehend unterbunden. Dies geschieht durch die sogenannte „Sekundärluft“, die nicht direkt in den Verbrennungsbereich gelangt, sondern um die Brennkammer herumgeleitet wird und erst dann durch Bohrungen an den Blechstößen der schuppenartig aufgebauten Brennkammer in sie gelangt. Sie legt sich als (Kühl-/Trenn-)Film zwischen die Verbrennungsgase und die Brennkammerwand. Durch diese Film- oder Schleierkühlung wird die Wandtemperatur der Brennkammer um etwa 200 °C abgesenkt, was deren kritische thermische Belastung erheblich senkt. Rund 70 bis 80 Prozent der Luftmasse aus dem Verdichter werden als Sekundärluft genutzt, lediglich der Rest gelangt als Primärluft direkt in die Brennkammer. Um ein Abreißen der Flamme in der Brennkammer und damit den Ausfall des Triebwerks zu verhindern (sog. „stall“) ist eine besondere Luftführung in der Brennkammer erforderlich. So befinden sich die Einspritzventile für den Kraftstoff in einer vor der durchströmenden Luft geschützten Zone; weiterhin wird in deren unmittelbarer Umgebung die Luftdurchflussgeschwindigkeit reduziert (ca. 25–30 m/s). Hinter der Brennkammer vermischen sich die Luftströme wieder, um einen möglichst hohen Ausbrand und damit einen hohen Wirkungsgrad und niedrige Schadstoffemissionen zu erreichen. Neben der thermischen ist die mechanische Festigkeit der Brennkammern wichtig, da sie auch einen Teil der Reaktionskräfte (= Schub) aufzunehmen haben.

Rohrbrennkammer

Rohrbrennkammern eines GE J79

Diese Art der Brennkammer ist besonders für Triebwerke mit Radialverdichter geeignet. Rohrbrennkammern waren insbesondere am Anfang der Entwicklung Bestandteil britischer Triebwerke (Rolls-Royce Welland). In Richtung der Brennkammern teilen einzelne Diffusoren des Radialverdichters den Luftstrom auf. Jede Brennkammer besitzt ein eigenes Primär- und Sekundärluftsystem. Die Brennkammern sind über die Zündstege miteinander verbunden. Im Allgemeinen werden etwa acht bis zwölf dieser Rohrbrennkammern radial am Triebwerk angeordnet. Sehr kleine Turbinen, etwa für APUs, besitzen nur eine einzelne Rohrbrennkammer. Den Vorteilen – einfache Entwicklung, einfache Brennstoffverteilung und gute Wartungsmöglichkeiten – steht der Nachteil des hohen Konstruktionsgewichts einer solchen Anordnung gegenüber. Auch sind die Strömungsverhältnisse gegenüber anderen Brennkammerbauarten nachteilig. Rohrbrennkammern werden heute noch bei Wellenturbinen eingesetzt, z. B. für Turbopropantriebe.

Rohr-Ringbrennkammern

Diese Brennkammerbauart kombiniert die Rohr- und die Ringbrennkammer und eignet sich besonders für sehr große und leistungsstarke Gasturbinen, weil sie sich mechanisch sehr stabil ausbilden lässt. Wesentlicher Unterschied zur Einzelbrennkammer ist der gemeinsame Brennkammeraustritt. Die Bauart kommt bei Strahlturbinen kaum vor.

Ringbrennkammern

Die Ringbrennkammer ist das gasdynamische Optimum für Strahlturbinentriebwerke. Sie ist recht leicht und kurz, da die Luftströmung vom Verdichter zur Turbine nicht umgelenkt werden muss. Die Brennkammer hat einige Kraftstoffeinspritzventile, die den Kraftstoff an einen ringförmigen Brennraum abgeben. Allerdings ist die Wartung recht schwierig. Auch ist die Entwicklung sehr aufwendig, da die Gasströmungen innerhalb einer solchen Brennkammer dreidimensional berechnet werden müssen. Die Ringbrennkammer ist heute (2008) der gebräuchlichste Typ bei Luftfahrtstrahltriebwerken. Auch bei bestimmten Kraftwerksgasturbinen wird eine Ringbrennkammer verwendet.

Turbine

CAD-Zeichnung: Turbine eines Mantelstromtriebwerks: Die Hochdruckturbine treibt den Verdichter an, die Niederdruckturbine über eine koaxiale Welle den Fan (Zweiwellentriebwerk). Leitschaufeln nicht dargestellt

Die aus der Brennkammer nach hinten austretenden Gase treffen anschließend auf eine Turbine. Diese treibt über eine Welle den Kompressor an. Bei den meisten Einstrom-Flugzeugtriebwerken (Turbojet) wird der größte Teil der kinetischen Energie für den Rückstoß genutzt. Es wird also nur soviel Energie auf die Turbine übertragen, wie für den Betrieb des Kompressors gebraucht wird. Heute werden meist zwei- oder dreistufige Turbinen eingesetzt, die durch jeweils eine Welle einen Teil des ebenfalls mehrstufigen Kompressors antreiben.

Turbinenschaufel eines Rolls-Royce/Turbo-Union RB199. Gut zu sehen sind die Öffnungen für die Filmkühlung im Bereich der Nasenkante.

Dreistufige Turbine eines GE J79 (Turbojet), Leitschaufeln (außer vor dem Einlauf) nicht montiert

Die Turbinenschaufeln werden normalerweise aufwendig gekühlt (Innen- und/oder Film-Kühlung) und bestehen heute aus widerstandsfähigen Superlegierungen. Diese Stoffe werden darüber hinaus in einer Vorzugsrichtung erstarrt, erhalten in ihrem Kristallgitter also eine definierte Richtung (Textur) und erlauben so, die optimalen Werkstoffeigenschaften entlang der höchsten Belastung wirksam werden zu lassen. Die erste Stufe der Hochdruckturbine besteht vermehrt aus Einkristallschaufeln. Der im Gasstrom liegende Teil der Schaufeln wird mit keramischen Beschichtungen gegen hohe Temperaturen und Erosion geschützt. Wegen der hohen Belastung bei Drehzahlen von über 10.000 min⁻¹ ist ein Bruch infolge mechanischer oder thermischer Beschädigung dennoch nicht immer auszuschließen. Deshalb wird die Außenhaut von Turbinen hoch belastbar gestaltet. Die hohen Temperaturen in der Turbine verhindern den Einsatz von Kevlar, wie es im vorderen Bereich der Fan-Schaufeln zum Einsatz kommt, um zu verhindern, dass abgelöste Triebwerksteile tragende Strukturen beschädigen oder Personen verletzen.

Auch bei Turbojet-Triebwerken – die ohne Mantelstrom oder Propeller lediglich selbst Schub erzeugen – wird dieser überwiegend im Kompressor und bei der Entspannung der heißen Abgase nach der Turbine erzeugt. Die Turbine treibt lediglich den Kompressor an und liefert negativen Schub. Auch die Austrittsdüse liefert negativen Schub – sie dient lediglich als Druckregelorgan, um die Leistungsfähigkeit des Triebwerkes aufrechtzuerhalten.

Bei modernen Mantelstromtriebwerken (Turbofan) mit hohem Nebenstromverhältnis wird der Schub hauptsächlich durch den Luftstrom erzeugt, der an Brennkammer, Turbine und Schubdüse vorbeigeführt wird (Mantelstrom). Die Turbine dient lediglich als Leistungsumwandler: Thermische und kinetische Leistung des heißen und schnellen Luftstroms, der aus der Brennkammer kommt, wird in mechanische umgewandelt. Diese wird wie oben beschrieben einerseits dem Kompressor, andererseits aber auch dem Fan über eine oder mehrere Wellen zugeführt (beim Turboprop-Triebwerk dem Propeller). Moderne Triebwerke erzeugen den Schub somit weniger mit dem heißen Abgasstrahl, sondern vielmehr mit dem Fan.

Schubdüse

Hinter der Turbine kann bei Triebwerken eine konvergente Düse (oft verstellbar) angebracht sein, durch die das Gas mit hoher Geschwindigkeit ausströmt. Es ist keine Schubdüse, wie oft angenommen wird. Sie ist im Strahlverlauf ein Widerstand – anstatt einer Vortriebskraft überträgt sie eine Rückhaltekraft auf das Flugzeug; ihre Aufgabe ist vor allem die Druckregulierung in den vorausgehenden Triebwerkskomponenten. Das am Turbinenausgang vorhandene Druckgefälle (Turbinenausgangsdruck – Umgebungsdruck) soll beim Ausströmen des Gases möglichst vollständig in Geschwindigkeit umgesetzt werden. Hierbei ist es das Ziel, einen möglichst hohen Impuls zu erreichen, wobei der Druck des ausströmenden Gases am Schubdüsenende möglichst den Umgebungsdruck erreicht haben soll, damit der Gasstrahl nicht „aufplatzt“. Die Energie für diese Expansion stammt aus dem heißen Verbrennungsgas.

Triebwerke mit Nachbrenner expandieren nicht vollständig, sondern führen dem sauerstoffhaltigen Gasstrom nach dem Triebwerk nochmals verbrennenden Kraftstoff und damit Wärmeenergie zu, was zu einer weiteren Beschleunigung des Gasstromes führt. Somit kann einer schnellen Schubanforderung entsprochen werden, wie sie etwa bei Luftkampfmanövern erforderlich ist. Triebwerke mit Nachbrenner müssen eine in ihrer Geometrie veränderliche Düse („Nozzle“) haben. Diese muss besonders während der Umschaltung von Normalbetrieb auf Nachbrennerbetrieb schnell und exakt gesteuert werden, da es sonst zu einer sogenannten thermischen Verstopfung kommen kann, die einen Flammabriss (engl. flameout) zur Folge hat.

Brennstoff

Als Brennstoff kommen verschiedene Gas-, Flüssiggas- und Flüssigtreibstoffe in Frage: neben Erd- und Synthesegas auch Deponiegas, Biogas, Kerosin, Heizöl, Dieselkraftstoff, Gasöl und seltener auch Schweröl.

Gasturbinenbaureihen, die auch mit dem problematischen Treibstoff Rohöl betrieben werden können (z. B. für Pipeline-Druckerhöhungspumpen), werden immer weniger eingesetzt und zum Beispiel durch Dieselmotoren verdrängt, die hier wesentlich bessere Wirkungsgrade erreichen.

Außerdem gibt es immer wieder Versuche, Kohlenstaub direkt oder nach vorheriger Vergasung einzusetzen. In Bergbauregionen werden Gasturbinen mit Grubengas (Methan) betrieben.

Es gibt auch Versuchsturbinen, die mit Festbrennstoff angetrieben werden. Dazu wird der Brennraum mit Brennstoff gefüllt und gezündet. Die Turbine läuft dann so lange, bis sämtlicher Brennstoff verbraucht ist und neu nachgefüllt werden muss. Zu einer kommerziellen Verwendung ist es dabei noch nicht gekommen.

Funktionsweise

Joule-Prozess

Der thermodynamische Vergleichsprozess ist der Joule-Prozess, welcher idealisiert aus zwei Isentropen und zwei Isobaren besteht; er wird auch Gleichdruckprozess genannt. Der Verdichter (auch Kompressor genannt) saugt aus der Umgebung Luft an, verdichtet sie (1 → 2) und führt sie schließlich der Brennkammer zu. Dort wird sie zusammen mit eingespritztem Brennstoff unter nahezu konstantem Druck verbrannt (2 → 3). Bei der Verbrennung entstehen Verbrennungsgase mit einer Temperatur von bis zu 1500 °C. Diese heißen Verbrennungsgase strömen mit hoher Geschwindigkeit in die Turbine. In der Turbine wird das Fluid entspannt und die im Fluid enthaltene Enthalpie in mechanische Energie umgewandelt (3 → 4). Ein Teil der mechanischen Energie (bis zu zwei Drittel) wird zum Antrieb des Verdichters genutzt, der verbleibende Teil steht als nutzbare mechanische Energie w_T zur Verfügung. Der Wirkungsgrad einer Gasturbine ist umso höher, je höher die Turbineneintrittstemperatur der Brenngase und das Druckverhältnis der Turbine ist. Die maximal zulässige Materialtemperatur der gekühlten Turbinenschaufeln begrenzt die Turbineneintrittstemperatur.

Gasturbinen zeichnen sich im Gegensatz zu Kolbenmaschinen durch einen prinzipiell unwuchtfreien Lauf aus. Sie liefern kontinuierliches Drehmoment und besitzen ausschließlich sich drehende Teile ohne Gleitreibung. Der Drehmomentverlauf über die Drehzahl ist flacher als bei Kolbenmaschinen. Als Schuberzeuger zeichnen sie sich gegenüber Staustrahltriebwerken dadurch aus, das sie auch bei Stillstand des Fluggerätes Schub erzeugen können.

Einsatzgebiete

Luftfahrt

Durch ihr niedriges Leistungsgewicht (Masse/Leistungs-Verhältnis) im Vergleich zu anderen Verbrennungsmotoren eignen sich Gasturbinen sehr gut für Anwendungen im Luftfahrtbereich, da das Gesamtgewicht des Fluggeräts verringert und die Flugleistung gesteigert beziehungsweise Treibstoff eingespart wird.

Beim Antrieb von Hubschraubern und Turboprop-Flugzeugen wird die Wellenleistung der Gasturbine (Wellenturbine) genutzt und über ein Getriebe an Rotor oder Propeller abgegeben.

Für den Rückstoßantrieb von Flugzeugen (Jets) werden Strahltriebwerke (Turbojets bzw. meist Turbofans) eingesetzt. Es fehlt dabei die Abtriebswelle, welche die Leistung an externe Komponenten überträgt. Hinter Verdichter, Brennkammer und Turbine folgt nur noch eine Düse, durch die der heiße Abgasstrahl mit hoher Geschwindigkeit austritt. Der Turbinenteil eines Strahltriebwerks erzeugt dabei nur so viel mechanische Energie, wie für den Antrieb des Verdichters, des Fans und der Nebenaggregate benötigt wird. Der Vorschub entsteht bei zivilen Triebwerken durch den großen Massendurchsatz im Nebenstrom und durch die mit hoher Geschwindigkeit aus der Turbine austretenden heißen Gase des Hauptstroms. Bei militärischen Triebwerken wird der Schub hauptsächlich durch den Hauptstrom hervorgerufen.

Hilfsantriebe in (Verkehrs-)Flugzeugen für Elektrik, Hydraulik usw. (sog. APU = Auxiliary Power Unit) sind Wellenleistungstriebwerke.

Die gewichtssparende Ausführung ist meist wesentliches Auslegungskriterium. Weiterhin spielt der Wirkungsgrad, also die Ausnutzung des Brennstoffs, eine Rolle, sowie geringe Schallemissionen und gute Wartbarkeit.

Militärtechnik

Gasturbinen dienen als Antriebsaggregate verschiedener Fahrzeuge, unter anderem des US-amerikanischen Kampfpanzers M1 Abrams und des russischen Kampfpanzers T-80.

In Militärfahrzeugen, insbesondere bei Einheiten der Flugabwehr, werden Gasturbinen als Stromerzeuger eingesetzt, um so auch ohne Starten des Fahrmotors und des damit verbundenen Generators die Kampftechnik versorgen zu können. Beispiel sind die Startrampen und die Raketenleitstation des russischen SA-4-Ganef-Systems (Startrampen je 20 kW, Leitstation 35 kW). Vorteil ist auch hier die hohe Leistungsdichte und das rasche Hochfahren bei jeder Außentemperatur. Der hohe spezifische Treibstoffverbrauch der meist nur wenige Kilowatt starken Turbinen wird dafür in Kauf genommen. Darüber hinaus werden sie für den Antrieb von Schiffen, speziell Militärschiffen oder Luftkissenbooten eingesetzt.

Mechanischer Antrieb

Zum Einsatz kommen Gasturbinen auch in Pump- und Verdichterstationen bei Öl- und Erdgaspipelines.

Kopplung von Gasturbine und elektrischem Generator

Stationär werden Gasturbinen in Gasturbinenkraftwerken oder Gas-und-Dampf-Kombikraftwerken eingesetzt. In Kopplung mit einem Generator erzeugen sie elektrische Energie. Für diese Anwendung wurden die leistungsfähigsten Gasturbinen mit über 500 MW entwickelt. Wegen der geringeren Anforderungen an das Leistungsgewicht können diese Turbinen zu 95 % aus Stahl gefertigt werden.

Im Eisenbahnverkehr wurden vereinzelt Gasturbinen, gekoppelt mit elektrischen Generatoren, als Antrieb eingesetzt. Bereits Anfang der 1940er Jahre wurde in der Schweiz die von Brown Boveri gebaute Lokomotive Am 4/6 mit einer 2200-PS-Turbine (1,6 MW) ausgeliefert. Typische Vertreter dieses Loktyps waren der französische Turbotrain oder die US-amerikanischen UP-Gasturbinenlokomotiven. Der kanadische Anbieter Bombardier stellte 2002 den JetTrain vor, der aber keine Kunden fand.

Automobile

Auspuffrohre der Turbine im Howmet TX

Die Gasturbine spielte als Antrieb für Automobile keine Rolle. In den 1950er-Jahren wurden einige Erprobungen dieses Konzepts an Versuchsfahrzeugen und Rennwagen durchgeführt, wobei Rover besonders hervortrat.

• 1950 unternahm der Rover JET 1 die ersten Probefahrten.
• 1954 testete Fiat den Turbina.
• 1955 führte Austin einen Gasturbinenantrieb mit 122 PS in einem herkömmlichen Pkw vor.
• 1963 führte Chrysler mit dem Chrysler Turbine Car einen Verbrauchertest durch.
• 1965 fuhren Graham Hill und Jackie Stewart mit einem von einer Gasturbine angetriebenen Rover-B.R.M. beim 24-Stunden-Rennen von Le Mans auf den 10. Platz im Gesamtklassement.
• 1967 lag beim Indianapolis 500 der Granatelli STP-Paxton Turbocar, „Silent Sam“ genannt, kurz vor dem Rennende deutlich in Führung, als ein Getriebelager versagte. Der Wagen war wie damals üblich für das Oval asymmetrisch aufgebaut, hatte Allradantrieb, und die Turbine war links von Fahrer Parnelli Jones eingebaut.
• 1968 errang der Howmet TX Punkte in der Sportwagen-WM.
• 1968 erzielte der STP-Lotus 56 von Joe Leonard die Pole-Position in Indianapolis und führte im Rennen. In den drei Allrad-getriebenen keilförmigen 56 saß die Turbine hinter dem Fahrer. Der Wagen wurde als 56B sporadisch in der Formel-1-Saison 1971 eingesetzt.

Hersteller

Da die Herstellung von Gasturbinen hohe Investitionen (sowohl materiell als auch in Forschung und Entwicklung) erfordert, gibt es weltweit nur wenige Hersteller großer Gasturbinen: Siemens Sector Energy in Europa, General Electric (GE) in den USA und Mitsubishi in Japan und bis 2015 auch Alstom Power Systems (ehemals ABB Kraftwerke). Alle weiteren Hersteller sind durch Lizenzen letztlich an einen der vier genannten Konzerne gebunden.

Im Bereich mittelgroßer Gasturbinen für den Industrieeinsatz (sowohl zur Stromerzeugung als auch als mechanische Antriebsmaschinen) sind die Firmen Alstom Power, Siemens Power Generation, General Electric, Rolls-Royce plc (RR), Pratt & Whitney (P & W), Hitachi, MAN Diesel & Turbo, die Caterpillar-Tochtergesellschaft Solar Turbines sowie Kawasaki zu nennen.

Im Bereich der großen Flugantriebe wird von den beiden US-Konzernen General Electric und Pratt & Whitney sowie der britischen Rolls-Royce plc dominiert. Im Bereich der kleineren Antriebe gibt es Hersteller wie Honeywell International; die Allison Engine Company ist seit 1995 Teil von Rolls-Royce North America. Aufgrund der sehr hohen Entwicklungskosten für neue Triebwerke gibt es viele Flugtriebwerksprogramme, bei denen mehrere Hersteller gemeinsam an der Entwicklung und Fertigung eines neuen Produktes zusammenarbeiten. Als Beispiel ist das amerikanisch-französische Joint Venture CFM International zu nennen, an der General Electric und Snecma beteiligt sind.

Seit etwa 1990 gibt es die sogenannten Mikrogasturbinen. Neben der kleinen Leistung im Bereich zwischen 30 und 500 kW zeichnen sich die Turbinen durch eine einfache Technik aus. Die niedrigere Turbineneintrittstemperatur lässt ungekühlte Schaufeln zu. Um den Wirkungsgrad anzuheben, verwenden Mikrogasturbinen Rekuperatoren, die die verdichtete Luft vor dem Eintritt in die Brennkammer mit der Wärme des Abgases vorwärmen. Hierdurch sind Wirkungsgrade um 30 Prozent möglich. Größter Hersteller ist die US-amerikanische Firma Capstone. Weitere Hersteller sind Dürr, Turbec, Elliot und Ingersoll-Rand.

Eine Übersicht über die auf dem deutschen Markt erhältlichen Gasturbinentypen mit technischen Daten ist auf der Website der Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch zu finden.

Weblinks

 Commons: Gasturbine – Album mit Bildern und/oder Videos und Audiodateien

• Website von Mark Nye, der eine Scheitholz verbrennende Versuchsgasturbine gebaut hat (englisch)
• Der Arbeitskreis Gasturbinen-Solar betreibt eine Informationsseite mit einem Forumsbereich (nicht nur für SOLAR-Gasturbinen) (deutsch, englisch)

Literatur

• C. Lechner, J. Seume (Hrsg.): Stationäre Gasturbinen. Springer, Berlin 2003, ISBN 3-540-42831-3.
• W. Bitterlich, S. Ausmeier, U. Lohmann: Gasturbinen und Gasturbinenanlagen. Darstellung und Berechnung. Teubner, Stuttgart 2002, ISBN 3-519-00384-8.
• Richard Wegner: Eine praktisch brauchbare Gasturbine. Versuch einer Lösung des Gasturbinen-Problems mit einem vollständig durchkonstruierten Beispiel. Volckmann, Rostock 1907.
• Hans-Joachim Braun, Walter Kaiser: Energiewirtschaft, Automatisierung, Information. Propyläen, Frankfurt am Main 1997, ISBN 3-549-05636-2, S. 75–77. (Propyläen Technikgeschichte, Band 5)
• Kamps, Thomas: Modellstrahltriebwerke – Komponenten, Selbstbau, Praxis. Verlag für Technik und Handwerk, Baden-Baden 1996, ISBN 3-88180-071-9.
• Klaus L. Schulte: Kleingasturbinen und ihre Anwendungen. K.L.S. Publishing, Köln 2011, 2. Auflage, ISBN 978-3-942095-42-6.
• Kyrill von Gersdorff, Helmut Schubert, Stefan Erbert: Die deutsche Luftfahrt: Flugmotoren und Strahltriebwerke. Bernard und Graefe, Bonn 2007, ISBN 978-3-7637-6128-9.
• Gasturbinen in Kraftfahrzeugen. In: Kraftfahrzeugtechnik 3/1956, S. 88–93.
• Fritz Dietzel: Gasturbinen kurz und bündig. Vogel-Verlag, 1985, ISBN 978-3-8023-0065-3.
• Nebojsa Gasparovic: Gasturbinen. Düsseldorf, VDI-Verlag, 1974.
• Otto Martin: Dampf- und Gasturbinen. DeGruyter-Verlag, 1971, ISBN 978-3-11-114067-4.
• Julius Kruschik, Erwin Hüttner: Die Gasturbine: Ihre Theorie, Konstruktion und Anwendung für stationäre Anlagen, Schiffs-, Lokomotiv-Kraftfahrzeug- und Flugzeugantrieb. Springer-Verlag, 2014, ISBN 978-3-7091-8065-5.
• Walter Bitterlich, Sabine Ausmeier: Gasturbinen und Gasturbinenanlagen: Darstellung und Berechnung. Verlag Vieweg-Teubner, 2002, ISBN 978-3-322-86481-9.
• Eva Wiemann, Martin Morawetz (Hrsg.): Gasturbinen Handbuch (VDI-Buch). Springer-Verlag 1997, Neudruck 2012, ISBN 978-3-642-64145-9.
• Rolf Kehlhofer, Norbert Kunze, J. Lehmann, K.-H. Schüller: Gasturbinenkraftwerke, Kombikraftwerke, Heizkraftwerke und Industriekraftwerke. Technischer Verlag Dr. Ingo Resch / Verlag TÜV Rheinland, 1994, ISBN 978-3-87806-072-7.

sowie Literatur über Strömungsmaschinen (-> Dampfturbine), Ausgaben der Fachzeitschrift BWK Brennstoff – Wärme – Kraft des VDI; BBC-Druckschriften