Was ist eine Turbine?

Turbinen wandeln die Energie eines Gases oder einer Flüssigkeit in Strom um, indem sie die kinetische Energie eines Fluids als Arbeitsmedium in Form von Geschwindigkeit sowie potenzielle Energie in Form von Druck durch mehrere Laufschaufeln, die an einer Welle befestigt sind, in kinetische Rotationsenergie umwandeln. Die Laufschaufel ist im Wesentlichen ein Hebel, auf den Impuls und Druck des Fluids wirken. Die Kraft auf den Hebel erzeugt ein Drehmoment um die Welle herum und produziert mechanische Energie. Diese Energie kann dann von jedem System genutzt werden, das mit der Welle verbunden ist.

Das Wort "Turbine" kommt vom lateinischen turbo, was "Wirbel" bedeutet. Dieser Durchströmungsansatz zur Energiegewinnung aus einem Fluid steht im Gegensatz zu Maschinen zur Energiegewinnung mittels Kolben wie einem Verbrennungsmotor oder einer Dampfmaschine. Geräte, die eine Turbine zur Energiegewinnung verwenden, werden in der Regel als Turbomaschinen eingestuft.

Seit Jahrtausenden nutzen Menschen Turbinen, um industrielle Innovationen voranzutreiben, angefangen mit einfachen Wasserrädern und Windmühlen, die an Steinmühlen angeschlossen sind. Heute nutzt man Turbinen, um Energie aus Wind, Wasser, Druckluft, Dampf und erhitzten Gasen in elektrischen Strom umzuwandeln, Automotoren effizienter zu machen, Flugzeuge anzutreiben und vieles mehr. Die Turbomaschinen-Industrie konzentriert sich auf das Verständnis und die Verbesserung von Thermodynamik, Strömungsdynamik und Stabilität von Turbinen und Turbomaschinen.

Alle Turbinen haben dünne Strukturen, sogenannte Laufschaufeln, gegen die das Fluid drückt oder die es umströmt, und die an einem Zylinder befestigt sind, der mit einer Welle verbunden ist. Turbinen werden jedoch unterschiedlich klassifiziert, je nachdem, ob sie Energie aus dem Impuls eines Fluids verwenden (Gleichdruckturbinen) oder ob sie den Druck des Fluids nutzen (Überdruckturbinen). 

Gleichdruckturbinen

In einer Gleichdruckturbine trifft eine Fluidströmung auf eine Reihe tiefer Schaufeln, die Becher genannt werden. Die kinetische Energie der Fluidströmung wird in mechanische Energie umgewandelt, wenn sie die Laufschaufeln bewegt. Dadurch entsteht eine Kraft, die als Drehmoment auf die Welle wirkt und das Laufrad dreht.

Die früheste Form einer Gleichdruckturbine war ein Wasserrad, bei dem die Schaufeln auf einem Rad durch die Strömung eines Flusses oder Kanals bewegt wurden. In modernen Gleichdruckturbinen erzeugen Düsen eine starke Strömung von Wasser, Dampf oder Druckluft. Im Gegensatz zu Überdruckturbinen benötigen Gleichdruckturbinen kein Gehäuse, um das Fluid zu leiten. In einem Gleichdruckturbinensystem ändert sich der Druck des Fluids nicht, nachdem es aus der Düse austritt, aber die Strömungsrichtung des Fluids ändert sich oft erheblich, nachdem es auf die Schaufeln der Turbine getroffen ist.

Überdruckturbinen

Bei Überdruckturbinen wird ein Fluid durch einen Satz Schaufeln geleitet, die das Fluid ausdehnen, wodurch Druck auf die Laufschaufeln ausgeübt wird. Auf jede Schaufel wirkt die gleiche Last. Eine Überdruckturbine kann mehrere Laufradsätze haben, sogenannte Stufen, die für den Druck in diesem Teil der Fluidströmung optimiert sind.

Die sichtbarsten Arten von Überdruckturbinen sind Windturbinen und Gasturbinen, die für Strahltriebwerke verwendet werden. Die meisten Dampf- und Erdgas-Antriebsturbinen sind Überdruckturbinen. Überdruckturbinen verwenden ein Gehäuse, um die Fluidströmung durch die Laufschaufeln zu richten. Die Strömung in Überdruckturbinen unterliegt einem erheblichen Druckabfall, wenn das Fluid durch die Turbine strömt.

Die wichtigsten Komponenten von Turbinen

Eine gute Möglichkeit, die Funktionsweise von Turbinen zu verstehen, besteht darin, zu sehen, was die wichtigsten Komponenten jeweils tun.

Laufschaufeln

Die allerwichtigsten Komponenten einer Turbine sind die Laufschaufeln. Diese sind über eine Platte an einer Welle befestigt, üblicherweise eine Scheibe. Turbinenschaufeln werden manchmal Rotorblätter genannt. Der Zweck einer Laufschaufel besteht darin, Impuls oder Druckabfall in eine Kraft umzuwandeln, die senkrecht zur Rotationsachse wirkt und so ein Drehmoment um die Welle herum erzeugt.

Laufschaufeln können einfach flache Schaufeln sein, die in einen fließenden Kanal mit Wasser tauchen und im rechten Winkel zur Fließrichtung geneigt sind. Sie können auch komplex sein, wie in einer Radialturbine in einem Turbolader, der spiralförmig angeordnet ist, um die Strömung vom Außenrand des Laufrads nach innen in eine axiale Strömung in Wellenrichtung umzuwandeln. Einige Laufschaufeln sind sehr dünn und lang, wie bei einer Dampfturbine oder einer Windturbine. Andere sind länger und relativ dick, wie bei den Hochdruckschaufeln von Gasturbinenmotoren.

Laufrad

Das Rad, die Scheibe oder die Trommel, an dem die Laufschaufeln befestigt sind, wird als Laufrad bezeichnet.

Welle

Die mechanische Kraft, die von den Laufschaufeln erzeugt und vom Laufrad übertragen wird, wird über eine Welle aus der Turbine heraus übertragen. Die Welle ist über Hochgeschwindigkeitslager mit den statischen Teilen verbunden. Mehrere Laufräder können an derselben Welle befestigt werden. Die Welle ist mit dem von der Turbine betriebenen System verbunden, oft über ein Getriebe.

Getriebe

Die Drehzahl oder das Drehmoment der Welle passen möglicherweise nicht zur Anwendung der Turbine. Häufig wird eine Turbine mit einem Getriebe versehen, um die Drehzahl der Turbine zu erhöhen oder zu senken und umgekehrt das Drehmoment zu senken oder zu erhöhen.

Laufzeug

Das Laufzeug ist der rotierende Teil einer Turbine, bestehend aus Laufrad, Welle und Laufschaufeln. Die drei Komponenten können durch verschiedene Mechanismen getrennt und verbunden werden, oder die Komponenten können aus einem einzigen Stück Material gefertigt werden.

Rotationsgruppe

Eine Rotationsgruppe besteht aus mehreren Laufradstufen, die sich mit derselben Drehzahl drehen. Die meisten Gasturbinen haben eine mehrstufige Hochdruck-Rotationsgruppe, die einen Verdichter antreibt, und eine Niederdruck-Rotationsgruppe, die den Antriebspropeller oder die Antriebswelle antreibt. In einer Dampfturbine werden mehrere Stufen verwendet, um Druck zu entnehmen, wenn die Energie im Dampf abnimmt.

Leitschaufeln

Geschwindigkeit, Größe und Richtung sowie der Druck der Fluidströmung in und aus einer Laufradstufe sind für die Leistung der Turbine von entscheidender Bedeutung. Turbinen haben stehende Schaufeln vor und hinter den Laufzeugen, um Druck, Axialgeschwindigkeit und Tangentialgeschwindigkeit oder Drall zu regeln. Diese nicht rotierenden Schaufeln werden Leitschaufeln genannt.

Turbinenstufe

Eine Turbinenstufe umfasst eine einzelne Laufradstufe und die jeweiligen statischen Komponenten, einschließlich des dazugehörigen Leitrads. Viele Turbinen haben mehrere Stufen pro Turbinensektion und oft zwei oder mehr Turbinensektionen, die jeweils für einen bestimmten Druckabfall optimiert sind.

Düse

Eine Düse wandelt Druck in Geschwindigkeit um und leitet die Strömung als zylindrischen Strom im optimalen Winkel. In Überdruckturbinen werden Leitschaufeln, die Druck in Geschwindigkeit umwandeln, oft als Düsen bezeichnet.

Lager

Eine kritische Komponente jeder Turbine sind die Lager, die es dem Laufzeug ermöglichen, sich relativ zu den stehenden Teilen des Systems zu drehen. Drehzahl, Temperatur, Betriebsumgebung und Lasten einer Turbine bestimmen, welche Art und welche Größe Lager benötigt werden.

Turbinengehäuse

Die meisten Überdruckturbinen benötigen eine feste Oberfläche außen um das Laufzeug herum, um das Fluid durch die Schaufeln zu drücken. Diese Außenhülle wird als Turbinengehäuse bezeichnet. Das Turbinengehäuse ist in der Regel Teil der stehenden Struktur einer Turbine. Bei einem eingehausten Laufrad wird außen um das Laufzeug herum ein Materialband hinzugefügt.

Eintritt

Der Eintritt ist die Stelle, an der das Fluid in die Turbine eintritt. Der Eintritt ist so geformt, dass der optimale Druck und die optimale Geschwindigkeit für die Turbine erreicht werden. In Eintritte werden häufig bewegliche Leitschaufeln oder Ventile gesetzt, um die Strömung in die Turbine zu regeln.

Austritt

Das Fluid tritt durch den Austritt aus der Turbine aus. Ingenieur*innen optimieren auch die Form des Austritts, um die Leistung zu verbessern.

Statische Teile

Die nicht rotierenden Teile einer Turbine. Die statischen Teile umfassen Eintritt, Austritt, Auflager, Kühlung, Lagerhalterungen und ein Gehäuse, um die Strömung innerhalb der Turbine und Fremdkörper aus der Strömung herauszuhalten.

Instrumentierung und Regelungssystem

Ein wichtiger Bestandteil jeder Turbine sind die mechanischen und elektronischen Regelungen und Sensoren, die die physikalischen Eigenschaften der Turbine messen. In der Regel sind sie Teil des Regelungssystems der gesamten Turbomaschine und werden verwendet, um die Eingänge der Turbine zur Optimierung von Wirkungsgrad, Leistung und Sicherheit zu ändern. 

Es gibt viele verschiedene Möglichkeiten, Turbinen zu kategorisieren. Diese Einstufungen beziehen sich auf die rotierende Maschine, die die Energie in einem sich bewegenden Fluid in nutzbare Arbeit umwandelt, nicht auf das gesamte Turbomaschinen-System oder externe Einrichtungen, die von der Turbine angetrieben werden.

Einige gängige Methoden zur Angabe des in einer Turbomaschine verwendeten Turbinentyps umfassen:

• Fluid: Turbinen können Energie aus Wasser, Wind, Dampf, erhitzten Gasen oder Druckluft umwandeln.
• Strömungsrichtung: Axiale Strömung läuft entlang der Welle, tangentiale Strömung verläuft senkrecht zur Welle und radiale Strömung verläuft vom Außenrand nach innen zur Welle. Einige Turbinen haben eine gemischte Strömung, wobei sowohl radiale Strömung am Eintritt als auch axiale Strömung am Austritt auftreten.
• Energiegewinnung aus Geschwindigkeit oder Druck: Wie oben erwähnt, verwenden Gleichdruckturbinen die Geschwindigkeit gegen eine Schaufel, um eine Kraft zu erzeugen, und Überdruckturbinen verwenden Druck.

Gängige Arten und Anwendungen von Turbomaschinen

Es ist schwierig, über Turbinen zu sprechen, ohne die Art der von ihnen betriebenen Maschinen zu definieren. Nachfolgend finden Sie eine Liste der häufigsten Arten von Turbomaschinen, die Energiequelle für die verwendeten Fluide und einige bekannte Anwendungen.

Wasserturbinen

Die älteste Art von Turbomaschinen sind Wasserturbinen. Das Fluid ist Wasser, und die Energiequelle des Wassers ist die Schwerkraft. Turbinen für die Energieerzeugung in Wasserkraftwerken (Talsperren) nutzen normalerweise gemischte Strömung und sind direkt an einen Generator am Boden der Talsperre angeschlossen. Stromerzeugung ist die häufigste Anwendung für Wasserturbinen.

Dampfturbinen

Die meisten Kraftwerke weltweit verwenden Dampfturbinen zur Stromerzeugung. Wasser wird Wärme zugeführt, um einen Phasenübergang zu bewirken, wodurch erhebliche Mengen Energie nutzbar werden. Die thermische Energie stammt normalerweise aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe, aber auch aus Kernreaktoren. Eine zunehmende Form erneuerbarer Energien nutzt konzentrierte Sonnenenergie, um Wasser für Dampfturbinen in großen Kraftwerken zum Kochen zu bringen.

Windturbinen

Windmühlen entwickelten sich zu Windturbinen, um Windkraft als Ersatz für menschliche und tierische Arbeit zu nutzen. Wind erhält seine Energie durch eine Erwärmung der Atmosphäre durch die Sonne. Moderne Windenergieanlagen verwenden große, hochwirksame dreischauflige Windturbinen, die an Land oder in Offshore-Windparks stehen. Die überwiegende Mehrheit der großen Windturbinen, wie die oben gezeigte, sind Windturbinen mit horizontaler Achse. Kleinere Windturbinen mit vertikaler Achse werden manchmal in eher städtischen Umgebungen eingesetzt. Auch wenn einige Teile der Welt noch Windkraft zum Antreiben von Mühlen und zum Pumpen von Wasser nutzen, ist die Stromerzeugung heute die Hauptverwendung von Windturbinen.

Druckluftturbinen

Hochleistungs-Handwerkzeuge werden oft direkt mit Druckluft angetrieben. Energie wird der Luft durch einen Kolben zugeführt und in einem Druckbehälter gespeichert. Ein Ventil gibt die Hochdruckluft frei, die auf eine Gleichdruckturbine trifft, in der Regel ein Peltonrad, und erzeugt so sehr hohe Drehzahlen. Die häufigste Form von Druckluftturbinen sind Dentalbohrmaschinen.

Gasturbinen oder Turbinenmotoren

Gasturbinen sind eine große Familie von Turbomaschinen, die eine Brennkammer verwenden, um einem Gas Energie zuzuführen, das sich dann durch eine Turbine ausdehnt. Turbinen, die etwas antreiben, werden Turbinentriebwerke genannt. Gasturbinen enthalten in der Regel auch einen Verdichter, der von einer Rotationsgruppe in der Turbinensektion angetrieben wird, um den Wirkungsgrad der Verbrennung zu verbessern. Gasturbinen können z. B. nach der Art der Verbrennung, die sie verwenden, oder der Art der Verwendung ihrer Leistung eingestuft werden.

• Antriebsturbinen: Dabei handelt es sich um Gasturbinen, die normalerweise mit Erdgas betrieben werden und die Generatoren zur Stromerzeugung antreiben.
• Turbolader: Eine Turbine gewinnt ansonsten ungenutzte Energie aus der Verbrennung eines Verbrennungsmotors, um einen Verdichter vor den Zylindern anzutreiben, wodurch die Verbrennung leistungsfähiger wird.
• Strahlantriebe: Turboluftstrahltriebwerke erzeugen Schub für Flugzeuge nur durch Verbrennung und haben eine einzige Rotationsgruppe, die wie ein Turbolader einen Verdichter antreibt und so den Wirkungsgrad der Verbrennung erhöht.
• Mantelstromtriebwerke: Mantelstromtriebwerke verfügen über eine zweite Rotationsgruppe, die ein großes Gebläse antreibt, einen effizienten, eingehausten Propeller, der die Hauptquelle des Schubs ist. Sie sind effizienter als Turboluftstrahltriebwerke und sind heute die wichtigste Form des Antriebs von Verkehrsflugzeugen.
• Wellenleistungstriebwerke: Anstatt Schub für den Antrieb zu erzeugen, erzeugen Wellenleistungstriebwerke Drehmoment, um einen Propeller für Flugzeuge, eine Schraube für Wasserfahrzeuge oder Räder für Landfahrzeuge anzutreiben.
• Turbopumpen: Turbopumpen verwenden heiße Gase aus Verbrennung zum Antrieb von Pumpen. Die gängigsten Arten von Turbopumpen sind Kraftstoffpumpen für Raketentriebwerke mit Flüssigbrennstoff oder Pumpen mit hohem Durchfluss für die Öl- und Gasförderung. 

Ingenieur*innen, die Turbinen konstruieren, untersuchen verschiedene Aspekte der Definition und Optimierung von Turbinen. Man ging zunächst nach der Versuch-und-Irrtum-Methode vor und verwendete dann einfache Gleichungen, um Schaufelgeometrie, Eintrittskonfiguration und Laufradkonstruktion in frühen Turbinen zu entwickeln. Doch als die Nachfrage nach effizienteren und kostengünstigeren Turbinen zunahm, begannen Ingenieur*innen, zur Entwicklung ihrer Konstruktionen fortschrittliche Simulationen zu nutzen.

Wie bei allen Konstruktionen muss man bei der Turbinenkonstruktion ein Gleichgewicht zwischen Kosten, Wirkungsgrad, Leistung und Stabilität herstellen. Bei Turbinen, die als Flugzeugantrieb eingesetzt werden, müssen Ingenieur*innen auch das Gewicht berücksichtigen.

Konstruktion des Strömungswegs

Die Grundkonfiguration einer Turbine wird in der Konstruktionsphase des Strömungswegs festgelegt. Leistungsingenieur*innen betrachten das thermodynamische Verhalten einer Turbine im Kontext des gesamten Turbomaschinen-Systems, das sie antreibt. Sie können ein 2D-Durchflusswerkzeug wie die Turbomaschinen-Konstruktionssoftware Ansys Vista TF verwenden, um verschiedene Arten von Strömungen, Konfigurationen von Stufen, Leitradoptionen und Eintritts- und Austrittsgeometrie zu testen.

Laufschaufel- und Leitradkonstruktion

Sobald ein Strömungsweg definiert ist, besteht der nächste Schritt darin, die Laufschaufeln und Leiträder zu konstruieren, die zu jeder Stufe gehören. Anhand grundlegender Berechnungen, die als Vektordiagramme bezeichnet werden, können Ingenieur*innen eine erste Einschätzung abgeben. Als Nächstes müssen sie eine 3D-Geometrie erstellen und ein universelles CFD-Tool (Computational Fluid Dynamics) verwenden, z. B. die Fluidsimulationssoftware Ansys Fluent oder eine CFD-Plattform für Turbomaschinen wie die Software Ansys CFX. Ingenieur*innen verwenden solche Tools zur Verfeinerung der 3D-Geometrie, um die Energiegewinnung aus einer Fluidströmung unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu optimieren. Die Laufschaufelkonstruktion ist ein iterativer Prozess, der im Laufe der Zeit feiner wird.

Konstruktion mehrstufiger und transienter Komponenten

Nach Abschluss der Laufschaufelkonstruktion besteht der nächste Schritt darin, das Zusammenspiel zwischen statischen und rotierenden Stufen zu optimieren. Die Laufschaufel- und Leitradwinkel jeder Stufe werden modifiziert, sodass Ingenieur*innen die statische und transiente Strömung im Zeitverlauf mit den erweiterten Funktionen von Turbomaschinen-spezifischen Tools wie CFX oder Fluent untersuchen können, die sowohl stehende als auch rotierende Bereiche modellieren können.

Strukturelle und thermische Konstruktion

Die Konstruktion sowohl der rotierenden als auch der statischen Teile einer Turbine ist aufgrund der extremen Lastbedingungen und der zyklischen Natur dieser hohen Lasten schwierig und komplex. Die hohen Temperaturen in Gas- und Dampfturbinen bringen ebenfalls ihre eigenen Herausforderungen mit sich, ebenso wie die Schwingungen, die durch den zyklischen Druck und die Rotationslasten verursacht werden, denen Turbinen ausgesetzt sind. Die meisten Wärmetechnik- und Maschinenbauingenieur*innen, die an der Turbinenkonstruktion beteiligt sind, verwenden dafür allgemeine Multiphysiksimulations-Tool wie die Software für Finite Elemente Analyse (FEA) Ansys Mechanical, um das statische, dynamische und Schwingungsverhalten jeder Komponente und Baugruppe in einer Turbine zu erfassen. Dazu gehören die Simulation von Lagern, Sekundärkühlung, Laufraddynamik, Scheibenbelastungen, Schaufelbelastungen, Haltbarkeit und Wärmespannungen. Ingenieur*innen können auch ein CFD-Tool wie CFX mit einem Strukturprogramm wie Mechanical verbinden, um die Schwingungsinteraktion zwischen den Bereichen Fluid und Tragwerk zu verstehen.

Anlagenkonstruktion

Ingenieur*innen müssen Turbinen auch im Kontext der Gesamtanlage konstruieren, zu der sie gehören. Sobald die Anlage ausgearbeitet ist, verwenden die Ingenieur*innen ein Tool für modellbasierte Systemtechnik (MBSE) wie Ansys ModelCenter, um sicherzustellen, dass jede Komponente anlagenweit optimiert ist.

Mehr erfahren Sie in der Produktkollektion Ansys Fluids.

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