Dampfturbine,
nach dem Prinzip der Strömungs- oder Turbomaschinen arbeitende Wärmekraftmaschine, in der die Energie stetig strömenden Dampfes (meist Wasserdampf) in einer oder mehreren Stufen in mechanischer Arbeit umgewandelt wird (Dampfkraftprozess). Jede Stufe besteht aus einem fest stehenden Leitrad und einem rotierenden Laufrad. Beide Räder sind beschaufelt (Schaufelgitter). In den Schaufeln wird der Dampf so umgelenkt, dass durch Impulsänderung eine Umfangskraft an den Laufradschaufeln und damit ein Drehmoment an der Turbinenwelle erzeugt wird. Da die Drehbewegung im Gegensatz zur Kolbendampfmaschine (Dampfmaschine) direkt, d. h. ohne Kurbeltrieb, erzeugt wird, sind hohe Umfangsgeschwindigkeiten und Drehzahlen möglich.Die daraus resultierende kompakte Bauweise und die heute üblichen Druck- und Temperaturgefälle ermöglichen den Bau von Dampfturbinen mit Leistungen bis 1 300 MW. Durch hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer sowie günstigen Wirkungsgrad hat sich die Dampfturbine als Großantrieb z. B. für die Stromerzeugung durchgesetzt, wird aber auch für mittlere und kleine Leistungen in großen Stückzahlen verwendet.
Bauarten
Druck-Energie-Umsetzung:
Bei der Gleichdruckturbine ist der Druck vor und hinter jedem Laufrad gleich. Dem Dampf wird also im Laufrad nur kinetische Energie entzogen, die durch Entspannung im Leitrad davor entsteht (Aktionsturbine, Reaktionsgrad 0). Bei der Überdruckturbine wird das Enthalpiegefälle einer Stufe zu gleichen Teilen im Leit- und im Laufrad abgebaut, sodass der Druck vor der Laufschaufel höher als dahinter ist (Reaktionsturbine, Reaktionsgrad 0,5). Günstigste Austrittsgeschwindigkeit des Dampfes aus jedem Laufrad ist bei der Überdruckturbine die volle Umfangsgeschwindigkeit des Rades, bei der Gleichdruckturbine die halbe. Bei Gleichdruckturbinen ist eine Teilbeaufschlagung möglich, d. h., nur über einen Teil des Laufradumfangs wird Dampf zugeführt. Teilbeaufschlagung wird benutzt, wenn der Dampfvolumenstrom in der ersten Stufe zu klein für eine Vollbeaufschlagung ist, ferner zur Mengenregelung; sie verursacht aber Ventilationsverluste. Bei der Vollbeaufschlagung wird über den ganzen Laufradumfang Dampf zugeführt. Bei Überdruckturbinen ist nur Vollbeaufschlagung möglich.
Die erste moderne Dampfturbine, die Laval-Turbine, eine reine Aktionsturbine, hatte nur ein Laufrad und daher (zu) hohe Umfangsgeschwindigkeit. Eine Verbesserung bringt die Unterteilung in mehrere Druckstufen, d. h. mehrere Laufräder mit jeweils vorgeschalteten Leiträdern (Zoelly-Rateau-Turbine), oder die Geschwindigkeitsverminderung des Dampfes in Stufen, d. h. in mehreren Laufrädern unter gleichem Druck und entsprechende Umlenkung in Leiträdern (Curtis-Turbine), oder in mehreren Schaufelsystemen an nur einem Laufrad, die nacheinander nach Umlenkung in feststehenden Leitschaufelsystemen durchströmt werden (Elektroturbine). - Die Reaktionsturbinen (Parsons-Turbine) haben ein kleineres Stufendruckgefälle als Aktionsturbinen.
Dampfstromrichtung:
In Axialturbinen strömt der Dampf in axialer Richtung, wobei das zunehmende Dampfvolumen bei der Entspannung entsprechend zunehmende Schaufellängen erfordert. Die Schaufellängen am Turbinenaustritt sind wegen der hohen Fliehkraftbeanspruchung und wegen der schwierigen Strömungsführung - die Umfangsgeschwindigkeit nimmt über die Schaufelhöhe erheblich zu - begrenzt (Grenzturbine). Die Schaufellängen betragen heute bis zu 1 200 mm im Niederdruckteil von Kondensationsturbinen. Eine Entlastung der Endlager vom Axialschub lässt sich durch entgegengesetzte Dampfstromrichtung, z. B. im Hochdruckteil und im Mitteldruckteil, erreichen. Axialturbinen sind heute die wichtigste Dampfturbinenart. Bei Radialturbinen, in denen der Dampf von innen nach außen strömt, nimmt der Querschnitt in Richtung des Dampfstroms zu, sodass die Schaufellängen nicht so unterschiedlich sind wie bei Axialturbinen. Radialturbinen haben entweder nur einen Läufer mit in axialer Richtung angeordneten Kränzen von Schaufeln, zwischen denen jeweils ein Kranz von Leitschaufeln steht, oder zwei in Gegenrichtung drehende Läufer mit Schaufelkränzen, die den Dampfstrom so lenken, dass keine Leitschaufeln benötigt werden (Ljungström-Turbine). Die Energie muss hier von beiden Läufern (z. B. zwei Generatoren) abgenommen werden. Die Querschnitte sind bei den Radialturbinen beschränkt. Von den Radialturbinen hat nur noch die Ljungström-Turbine für kleinere Leistungen wegen ihres guten Wirkungsgrades Bedeutung.
Dampfzuführung und -abführung:
Frischdampfturbinen werden unmittelbar vom Dampferzeuger versorgt. Abdampfturbinen verarbeiten Abdampf aus Wärmeprozessen (früher zum Teil auch als Niederdruckdampfturbinen hinter Kolbendampfmaschinen). Zweidruckturbinen und Mehrdruckturbinen erhalten Dampf aus getrennten Netzen mit unterschiedlichem Druck.
Überwiegend werden Dampfturbinen nach der Art der Dampfabführung bezeichnet. Die größten Energiegefälle werden in Kondensationsturbinen verarbeitet. Der Enddruck ist der Wasserdampf-Sättigungsdruck im Kondensator. Er hängt ab von der Kühltemperatur und beträgt meist 0,03-0,06 bar. Die Kondensationswärme wird ohne Ausnutzung an die Umgebung abgegeben. Bei der Gegendruckturbine wird die gesamte Abdampfenergie bei Gegendrücken oberhalb 1 bar meist für Heizzwecke (Kraft-Wärme-Kopplung) u. a. verwendet. Bei Anzapfturbinen wird eine Teildampfmenge ungeregelt, bei Entnahmeturbinen geregelt, d. h. bei konstant gehaltenem Entnahmedruck, entnommen.
Anwendungsgebiete
Kraftwerksturbinen liefern den größten Teil des auf der Erde erzeugten elektrischen Stroms. Sie sind v. a. Kondensationsturbinen. Im Unterschied zu Kraftwerken mit konventioneller Feuerung werden in Kernkraftwerken mit Leichtwasserreaktoren die Turbinen mit Sattdampf von 70 bar und 285 ºC versorgt. Industrieturbinen dienen zum Antrieb von Generatoren, Pumpen, Gebläsen und Verdichtern, liefern aber meist auch Heiz- oder Prozesswärme. Deshalb sind dort Gegendruck-, Anzapf- oder Entnahmeturbinen üblich. Außerdem gibt es Schiffsturbinen mit Untersetzungsgetriebe und zusätzliche Turbine für Rückwärtsfahrt. Kleinturbinen werden als Haupt- oder Hilfsantriebe in der Industrie und im Schiffbau eingesetzt. Sie werden v. a. als Einradturbinen mit Gleichdruckbeschaufelung ausgeführt, wodurch für kleine Leistungen Teilbeaufschlagung möglich wird.
Betrieb
Beim Anfahren großer Dampfturbinenanlagen sind Mindestzeiten für die Vorwärmung vor der eigentlichen Belastung einzuhalten; durch die großen Massen entstehen bei der Erwärmung Differenzdehnungen und daraus Wärmespannungen. Für Großturbinen verwendet man deshalb automatische Anfahrregelungen mit Temperaturmesssystemen. Auch nach dem Abstellen entstehen häufig durch ungleichförmige Abkühlung unsymmetrische Temperaturverteilungen und Dehnungen. Um Berührung zwischen Läufer und Gehäuse zu vermeiden, wird der Läufer nach dem Abstellen für einige Stunden mittels einer äußeren Dreheinrichtung langsam gedreht und dabei gleichmäßig abgekühlt.
Die Regelung der Dampfturbine erfolgt entsprechend der Aufgabe, z. B. auf konstante Drehzahl (Kraftwerksdampfturbine) oder auf konstanten Vor- oder Gegendruck. Stellgröße ist der Dampfstrom, der durch ein Drosselventil (merkliche Verluste; nur für kleine Dampfturbinen) oder Düsengruppen (variable Teilbeaufschlagung) geändert wird. Günstigere Wirkungsgrade erzielt man mit dem Gleitdruckverfahren (Änderung des Frischdampfdrucks), das aber erheblich träger reagiert. Die wesentlichen Betriebsdaten werden fortlaufend überwacht. Bei Störungen wird schlagartig (Schnellschlussventil) die Dampfzufuhr unterbrochen.
Geschichtliches
Schon im Altertum war das Prinzip der Dampfturbine bekannt (Äolusball des Heron von Alexandria, um 62 n. Chr.), ebenso im 17. Jahrhundert (1629 Dampfrad des italienischen Baumeisters Giovanni Branca, * 1571, ✝ 1645). 1883 schuf der schwedische Ingenieur C. G. P. de Laval als erste technische Dampfturbine eine einstufige Gleichdruckturbine und 1884 der Engländer C. A. Parsons eine mehrstufige Überdruckturbine. Aber erst seit 1900, nachdem der Amerikaner C. G. Curtis die Geschwindigkeitsstufung erfunden hatte und die unmittelbare Kopplung von Dampfturbinen mit einem elektrischen Stromerzeuger möglich war, begann der Siegeszug der Dampfturbine. Einen wesentlichen Beitrag zur wissenschaftlichen Behandlung der Dampfturbine lieferte A. Stodola.
Literatur:
A. Stodola: Dampf- und Gasturbinen (51922, Nachdr. 1986);
W. Traupel: Therm. Turbomaschinen, 2 Bde. (31977-82);
C. Pfleiderer u. H. Petermann: Strömungsmaschinen (61991).
Hier finden Sie in Überblicksartikeln weiterführende Informationen:
Turbine: Maschine zur Erzeugung mechanischer Energie