Gasturbine


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Zuletzt aktualisiert von Rolf Gloor am 31.08.2014

Die Gasturbine ist eine Wärmekraftmaschine, bei der das durchströmende Medium, im Gegensatz zum Dampfturbinenprozess, keine Veränderung des Aggregatzustandes (Wasser, Wasserdampf) erfährt, es bleibt immer gasförmig. Die Temperaturen in einer Gasturbine sind bedeutend höher als die in einer Dampfturbine. Die Gasturbine wird als Antrieb bei Flugzeugen und in thermischen Kraftwerken (Erdgas oder Dieselöl) eingesetzt. Wenn die heissen Abgase der Gasturbine noch zum Betrieb einer Dampfturbine verwendet werden, dann spricht man von einem GuD oder Kombikraftwerk, welches einen elektrischen Wirkungsgrad von über 60% erreichen kann.

Der prinzipielle Ablauf dieses rechtsläufigen Kreisprozesses ist:

  1. Luft (Gas) wird im Verdichter komprimiert und erwärmt sich dabei. Dafür wird etwa 35% der Turbinenleistung benötigt. Beispiel: pv = 10 bar (1 MPa), Tv = 280 °C (553 K)
  2. Im Brenner wird ein Brennstoff verbrannt, die Luft erwärmt sich und dehnt sich aus. Der Druck erhöht sich nicht (isobar). Beispiel: pk = 10 bar (1 MPa), Tk = 880 °C (1153 K)
  3. In der Turbine entspannen sich die Abgase und geben mechanische Leistung ab. Beispiel: pk = 1 bar (0,1 MPa), Tk = 320 °C (593 K)
  4. Über die Atmosphäre werden die Abgase gekühlt und verdünnt. Geschlossene Gasturbinenprozesse werden kaum verwendet (Hochtemperaturkernreaktoren).
gasturbine
Schematische Darstellung einer Gasturbine.
gasturbine_pv_Ts
Im p-v Diagramm verläuft der Gasturbinenprozess auf den roten Linien. Die umspannte Fläche entspricht dem Energieinhalt pro umgesetzte Masseneinheit [J/kg].

Je höher die Verbrennungstemperatur ist, desto höher ist der theoretische thermodynamische Wirkungsgrad. Je höher die Temperatur, desto höher ist aber auch die Belastung der Flügel in der Turbine. Aus diesem Grund werden bei grösseren Anlagen die Flügel mit Luft gekühlt. Die Kühlluft (etwa 10% der Verdichtermenge) wird am Ausgang des Verdichters über eine Verbindung in der Welle zu den ersten Flügel in der Turbine geführt. Die Luft kühlt den Flügel von innen und strömt durch kleine Öffnungen an die Flügeloberfläche, wo sie eine Art isolierenden Schutzfilm um den Flügel bildet. So sind Brennertemperaturen von über 1100 °C und Wirkungsgrade von 35% möglich.

Wenn das Verdichtungsverhältnis nicht zu hoch ist, dann kann über einen Wärmetauscher (Rekuperator) das warme Gas nach dem Verdichter mit den heissen Abgasen weiter erwärmt werden. Dadurch muss der Brenner das Gas um eine geringere Temperaturdifferenz erhitzen und der Wirkungsgrad verbessert sich um etwa 5%.

Gasturbinen gibt es von 1 bis 200 MW Leistung. Bei sauberem Brennstoff beträgt die Lebensdauer etwa 40'000 Betriebsstunden. Sie sind kompakt (0.2 kg/kW), relativ günstig und sie lassen sich schnell starten und stoppen.


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