Turbinen

Impuls- und Reaktionsturbinen

Turbinen funktionieren auf zwei verschiedene Arten, die als Impuls- und Reaktionsturbinen bezeichnet werden – Begriffe, die oft sehr verwirrend beschrieben (und manchmal völlig durcheinander gebracht) werden, wenn man sie zu erklären versucht.Worin besteht also der Unterschied?

Impulsturbinen

Bei einer Impulsturbine wird ein sich schnell bewegendes Fluid durch eine enge Düse auf die Turbinenschaufeln geschossen, um sie in Drehung zu versetzen. Die Schaufeln einer Impulsturbine sind in der Regel schaufelförmig, so dass sie das Fluid auffangen und in einem Winkel oder manchmal sogar zurück in die Richtung leiten, aus der es gekommen ist (denn so wird die Energie am effizientesten vom Fluid auf die Turbine übertragen). Bei einer Impulsturbine wird die Flüssigkeit gezwungen, mit hoher Geschwindigkeit auf die Turbine zu treffen.

Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, ein solches Rad zum Drehen zu bringen, indem Sie Fußbälle in seine Schaufeln kicken. Die Bälle müssen hart auftreffen und gut zurückprallen, damit sich das Rad dreht – und diese konstanten Energieimpulse sind der Schlüssel zu seiner Funktionsweise. Der Energieerhaltungssatz besagt, dass die Energie, die das Rad bei jedem Aufprall eines Balls gewinnt, gleich der Energie ist, die der Ball verliert – die Bälle bewegen sich also langsamer, wenn sie zurückprallen. Außerdem besagt Newtons zweites Bewegungsgesetz, dass der Impuls, den das Rad beim Aufprall eines Balls gewinnt, gleich dem Impuls ist, den der Ball selbst verliert. Je länger ein Ball das Rad berührt und je härter (kräftiger) er auftrifft, desto mehr Impuls wird er übertragen.

Wasserturbinen basieren häufig auf einer Impulsturbine (obwohl einige auch mit Reaktionsturbinen arbeiten). Sie sind einfach konstruiert, leicht zu bauen und billig in der Wartung, nicht zuletzt, weil sie nicht in einem Rohr oder Gehäuse untergebracht werden müssen (im Gegensatz zu Reaktionsturbinen).

Kunstwerke: Ein Pelton-Wasserrad ist ein Beispiel für eine Impulsturbine. Es dreht sich, während ein oder mehrere Hochdruckwasserstrahlen (blau), die durch ein Ventil (grün) gesteuert werden, in die Schaufeln am Rand des Rades (rot) schießen. Lester Pelton erhielt 1889 ein Patent für diese Idee, dem diese Zeichnung entnommen ist (US Patent 409,865): Water Wheel by Lester Pelton, mit freundlicher Genehmigung des US Patent and Trademark Office.

Artwork: Eine Impulsturbine wie diese funktioniert, wenn die einströmende Flüssigkeit auf die Schaufeln trifft und wieder zurückprallt. Die genaue Form der Schaufeln und die Art und Weise, wie die Flüssigkeit auf sie trifft, haben großen Einfluss darauf, wie viel Energie die Turbine einfangen kann. Die Schaufeln müssen auch so konstruiert sein, dass die Wirkung des Strahls auf eine Schaufel nicht die nächste Schaufel beeinflusst.

Reaktionsturbinen

Bei einer Reaktionsturbine sitzen die Schaufeln in einem viel größeren Flüssigkeitsvolumen und drehen sich, während die Flüssigkeit an ihnen vorbeiströmt. Eine Reaktionsturbine ändert die Richtung des Flüssigkeitsstroms nicht so drastisch wie eine Impulsturbine: Sie dreht sich einfach, wenn die Flüssigkeit durch und an den Schaufeln vorbei strömt.

Foto: Eine typische Reaktionsturbine aus einem geothermischen Kraftwerk.Wasser oder Dampf strömt an den abgewinkelten Schaufeln vorbei, schiebt sie herum und dreht die zentrale Welle, an der sie befestigt sind. Die Welle treibt einen Generator an, der Strom erzeugt. Foto von Henry Price mit freundlicher Genehmigung des US-Energieministeriums/National Renewable Energy Laboratory (DOE/NREL).

Kunstwerk: Eine Reaktionsturbine wie diese ähnelt eher einem Propeller. Der Hauptunterschied besteht darin, dass eine Turbine mehr Schaufeln hat (ich habe der Einfachheit halber nur vier Schaufeln gezeichnet) und oft mehrere Sätze von Schaufeln (mehrere Stufen), wie Sie auf den Fotos der Dampf- und Gasturbinen oben auf dieser Seite sehen können.

Wenn eine Impulsturbine ein bisschen wie Fußballkicken ist, dann ist eine Reaktionsturbine eher wie Schwimmen im Rückwärtsgang. Stell dir vor, du machst Freistil (Front-Crawl), indem du deine Arme durch das Wasser ziehst, mit jeder Hand so weit vorne beginnst, wie du sie erreichen kannst, und mit einem „Follow-Through“ endest, bei dem du deine Armbeuge hinter dich wirfst. Das Ziel besteht darin, Hand und Unterarm so lange wie möglich gegen das Wasser zu drücken, um bei jedem Zug so viel Energie wie möglich zu übertragen. Eine Reaktionsturbine nutzt dieselbe Idee in umgekehrter Form: Stellen Sie sich vor, dass sich schnell fließendes Wasser an Ihnen vorbeibewegt, so dass es Ihre Arme und Beine in Bewegung setzt und Ihrem Körper Energie zuführt! Bei einer Reaktionsturbine soll das Wasser die Schaufeln gleichmäßig und so lange wie möglich berühren, damit es so viel Energie wie möglich abgibt. Das Wasser trifft nicht auf die Schaufeln und prallt ab, wie es bei einer Impulsturbine der Fall ist: Stattdessen bewegen sich die Schaufeln gleichmäßiger, „mit der Strömung“.

Turbinen fangen die Energie nur an dem Punkt ein, an dem die Flüssigkeit sie berührt, so dass eine Reaktionsturbine (mit mehreren Schaufeln, die alle gleichzeitig mit der Flüssigkeit in Berührung kommen) potenziell mehr Energie extrahiert als eine Impulsturbine derselben Größe (weil sich normalerweise nur eine oder zwei ihrer Schaufeln gleichzeitig im Weg der Flüssigkeit befinden).

Typen von Reaktionsturbinen

Einige gängige Designs von Reaktionsturbinen sind:

• Wells – sieht aus wie ein Propeller, mit blattförmigen Schaufeln, die sich um eine horizontale Achse drehen.
• Francis – typischerweise mit großen V-förmigen Schaufeln, die sich oft um eine vertikale Achse in einer Art riesigem, spiralförmigen Schneckenhaus drehen. Die Francis-Turbine ist bei weitem die häufigste Art von Wasserturbine; McCormick-, Kaplan- und Deriaz-Turbinen sind im Wesentlichen Verbesserungen des ursprünglichen Francis-Designs.
• Darrieus – mit Flügeln, die sich um eine vertikale Achse drehen.

Alle haben ihre Vor- und Nachteile. Das Wells-Triebwerk zum Beispiel kann sich sehr schnell drehen, ist aber auch laut und relativ ineffizient. Der Francis-Antrieb ist leiser und effizienter und kann sehr gut mit den mechanischen Beanspruchungen in hydroelektrischen Staudämmen (mit hoher Wasserhöhe) umgehen, aber er ist auch langsamer und mechanisch komplexer. Wenn sie in der Luft betrieben werden, sind Darrieus-Turbinen näher am Boden (so dass sie auf einen sperrigen Turm verzichten können), aber das bedeutet, dass sie den Wind (der höher über dem Boden schneller weht) weniger effektiv nutzen; im Allgemeinen sind sie weniger effizient und instabiler als andere Turbinenkonstruktionen (sie müssen oft mit Abspannseilen stabilisiert werden) und werden kommerziell kaum genutzt.

Rückwärts denken

Foto: Turbinen und Propeller arbeiten auf genau entgegengesetzte Weise. Propeller nutzen Energie, um eine Flüssigkeit in Bewegung zu setzen (Luft in einem Flugzeug oder Wasser in einem Schiff oder U-Boot); Turbinen nutzen Energie, wenn eine sich bewegende Flüssigkeit an ihnen vorbeifließt. Links: Propeller Foto von Tech. Sgt. Justin D. Pyle mit freundlicher Genehmigung der US Air Force.

Foto: Turbinenschaufeln sind ähnlich geformt wie Propellerschaufeln, werden aber in der Regel aus Hochleistungslegierungen hergestellt, da die an ihnen vorbeiströmende Flüssigkeit sehr heiß sein kann. Foto einer Turbinenschaufel, ausgestellt im Think Tank, dem Wissenschaftsmuseum in Birmingham, England.

Vielleicht haben Sie bemerkt, dass Windturbinen wie Riesenpropeller aussehen – und das ist eine andere Art, sich Turbinen vorzustellen: als Propeller, die umgekehrt arbeiten. In einem Flugzeug dreht das Triebwerk den Propeller mit hoher Geschwindigkeit, der Propeller erzeugt einen rückwärts gerichteten Luftzug, und das ist es, was das Flugzeug vorwärts treibt. Bei einem Propeller treiben die sich bewegenden Schaufeln die Luft an, bei einer Turbine treibt die Luft die Schaufeln an.

Turbinen sind auch Pumpen und Kompressoren ähnlich. Bei einer Pumpe gibt es ein sich drehendes Schaufelrad, das Wasser durch ein Rohr ansaugt und durch ein anderes Rohr wieder ausstößt, so dass man Wasser (oder eine andere Flüssigkeit) von einem Ort zum anderen befördern kann. Wenn du eine Wasserpumpe auseinander nimmst, kannst du sehen, dass das innere Schaufelrad (das so genannte Laufrad) dem einer Wasserturbine sehr ähnlich ist. Der Unterschied besteht darin, dass eine Pumpe Energie verwendet, um eine Flüssigkeit in Bewegung zu versetzen, während eine Turbine die Energie aus einer sich bewegenden Flüssigkeit gewinnt.

Turbinen in Aktion

Grundsätzlich lassen sich Turbinen nach der Art der Flüssigkeit, die sie antreibt, in vier Arten unterteilen: Wasser, Wind, Dampf und Gas.Obwohl alle vier Arten im Wesentlichen auf die gleiche Weise funktionieren – sie drehen sich, wenn sich die Flüssigkeit gegen sie bewegt -, unterscheiden sie sich auf subtile Weise und müssen auf sehr unterschiedliche Weise konstruiert werden. Dampfturbinen zum Beispiel drehen sich unglaublich schnell, weil der Dampf unter hohem Druck erzeugt wird. Windturbinen, die Strom erzeugen, drehen sich relativ langsam (vor allem aus Sicherheitsgründen), so dass sie riesig sein müssen, um angemessene Energiemengen einzufangen. Gasturbinen müssen aus besonders widerstandsfähigen Legierungen hergestellt werden, weil sie bei so hohen Temperaturen arbeiten. Wasserturbinen sind oft sehr groß, weil sie einem ganzen Fluss Energie entziehen müssen, der gestaut und umgeleitet wird, um an ihnen vorbeizufließen. Sie können sich relativ langsam drehen, denn Wasser ist schwer und transportiert (wegen seiner großen Masse) auch bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten viel Energie.

Wasserturbinen

Foto: Eine riesige Francis-Reaktionsturbine (das orangefarbene Rad oben) wird am Grand-Coulee-Damm im US-Bundesstaat Washington in Position gebracht.Das Wasser fließt an den abgewinkelten Schaufeln vorbei, schiebt sie herum und dreht die Welle, an der sie befestigt sind. Die Welle treibt einen Stromgenerator an, der Energie erzeugt. Foto mit freundlicher Genehmigung des US Bureau of Reclamation.

Wasserräder, die über 2000 Jahre alt sind und auf die Zeit der alten Griechen zurückgehen, waren die ursprünglichen Wasserturbinen. Heute wird das gleiche Prinzip zur Stromerzeugung in Wasserkraftwerken verwendet. Die Grundidee der Wasserkraft besteht darin, einen Fluss zu stauen, um seine Energie nutzbar zu machen. Anstatt dass der Fluss frei von der Quelle in den Bergen in Richtung Meer fließt, lässt man ihn über eine bestimmte Höhe (das so genannte Gefälle) fallen, damit er an Geschwindigkeit gewinnt (mit anderen Worten, damit seine potenzielle Energie in kinetische Energie umgewandelt wird), und leitet ihn dann durch ein Rohr, die so genannte Druckleitung, an einer Turbine und einem Generator vorbei. Bei der Wasserkraft handelt es sich um eine dreistufige Energieumwandlung:

• Die ursprüngliche potenzielle Energie des Flusses (die er hat, weil er von oben kommt) wird in kinetische Energie umgewandelt, wenn das Wasser über eine bestimmte Höhe fällt.
• Die kinetische Energie des fließenden Wassers wird durch eine Wasserturbine in mechanische Energie umgewandelt.
• Die sich drehende Wasserturbine treibt einen Generator an, der die mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt.

Abhängig von der Geografie des Gebiets, der verfügbaren Wassermenge (Durchfluss) und der Fallhöhe des Wassers werden verschiedene Arten von Wasserturbinen verwendet.

Einige Wasserkraftwerke verwenden schaufelartige Impulsturbinen (typischerweise Pelton-Räder); andere verwenden Francis-, Kaplan- oder Deriaz-Turbinen. Impulsturbinen (wie das Pelton-Rad) können vollständig zur Luft hin offen sein, so dass man manchmal sogar den Wasserstrahl sehen kann, der auf die Turbine trifft. Reaktionswasserturbinen hingegen (wie die Francis-Turbine) müssen vollständig in den Kanal oder den Durchgang eingeschlossen sein, durch den das Wasser fließt. Wie bereits erwähnt, wird bei einer Impulsturbine die Energie nur an dem Punkt gewonnen, an dem der Wasserstrahl auf die Turbine trifft, während bei einer Reaktionsturbine die Energie über das gesamte Rad auf einmal gewonnen wird – deshalb kann eine Reaktionsturbine in einem Wasserkraftwerk mehr Strom erzeugen als eine Impulsturbine derselben Größe: Eine Pelton-Wasserturbine. Der Wasserstrahl trifft auf den „Splitter“ (die Stelle, an der die Schaufeln in der Mitte zusammenlaufen) und teilt sich in zwei Strahlen, die auf beiden Seiten sauber austreten. Foto von Benjamin F. Pearson mit freundlicher Genehmigung von Historic American Buildings Survey/Historic American Engineering Record, US Library of Congress.

Windturbinen

Diese werden in unserem separaten Artikel über Windturbinen ausführlicher behandelt.

Foto: Eine typische Windturbine in Staffordshire, England.Der Turm ist ~50m (~150ft) über dem Boden, weil der Wind sich schneller bewegt, wenn er frei von Hindernissen am Boden ist.Die Rotorblätter haben einen Durchmesser von ~15m (50ft) und fangen mit einer großen Ausladung bis zu 225kW (Kilowatt) Energie ein.

Dampfturbinen

Dampfturbinen haben sich aus den Dampfmaschinen entwickelt, die die Welt im 18. und 19. Eine Dampfmaschine verbrennt Kohle auf einem offenen Feuer, um die darin enthaltene Wärme freizusetzen. Die Wärme wird genutzt, um Wasser zu kochen und Dampf zu erzeugen, der einen Kolben in einem Zylinder antreibt, um eine Maschine wie eine Eisenbahnlokomotive anzutreiben. Dies ist aus einer ganzen Reihe von Gründen ziemlich ineffizient (es wird Energie verschwendet). Eine viel bessere Konstruktion nimmt den Dampf und leitet ihn an den Schaufeln einer Turbine vorbei, die sich wie ein Propeller dreht und die Maschine antreibt.

Dampfturbinen wurden von dem britischen Ingenieur Charles Parsons (1854-1931) entwickelt, der sie 1889 für den Antrieb des berühmten schnellen Motorboots Turbinia einsetzte. Seitdem wurden sie auf vielfältige Weise eingesetzt. Praktisch alle Kraftwerke erzeugen Strom mithilfe von Dampfturbinen. In einem Kohlekraftwerk wird Kohle in einem Ofen verbrannt und zur Erhitzung von Wasser verwendet, um Dampf zu erzeugen, der Hochgeschwindigkeitsturbinen antreibt, die mit Stromgeneratoren verbunden sind. In einem Kernkraftwerk wird der Dampf durch Atomreaktionen erhitzt.

Im Gegensatz zu Wasser- und Windturbinen, bei denen eine einzelne rotierende Turbine in einem Flüssigkeits- oder Gasstrom betrieben wird, sind bei Dampfturbinen mehrere Turbinen (jede davon wird als Stufe bezeichnet) in einem geschlossenen Rohr hintereinander angeordnet. Wenn der Dampf in das Rohr eintritt, wird er nacheinander an jeder Stufe vorbeigeleitet, so dass nach und nach mehr Energie entnommen wird. Wenn Sie schon einmal einen Wasserkocher beim Kochen beobachtet haben, wissen Sie, dass sich Dampf ausdehnt und sehr schnell bewegt, wenn er durch eine Düse geleitet wird. Aus diesem Grund drehen sich Dampfturbinen mit sehr hoher Geschwindigkeit – viel schneller als Wind- oder Wasserturbinen.

Lesen Sie mehr im Hauptartikel über Dampfturbinen.

Foto: Der Prototyp einer Gasturbine für ein Hochleistungskraftwerk. Jedes der Metallräder ist eine separate Turbinenstufe, die dazu dient, etwas mehr Energie aus einem schnell drehenden Gas zu gewinnen. Wie groß diese Turbine ist, sieht man an dem kleinen weiß gekleideten Mann, der in der Mitte der Maschine sitzt. Das Foto wurde im National Energy Technology Laboratory in Morgantown aufgenommen, mit freundlicher Genehmigung des US-Energieministeriums.

Gasturbinen

Flugzeugdüsentriebwerke ähneln Dampfturbinen insofern, als sie mehrere Stufen haben. Anstelle von Dampf werden sie durch ein Gemisch aus Luft, die an der Vorderseite des Triebwerks angesaugt wird, und den unglaublich heißen Gasen angetrieben, die bei der Verbrennung großer Mengen Kerosin (Kraftstoff auf Erdölbasis) entstehen. Etwas weniger leistungsstarke Gasturbinentriebwerke werden auch in modernen Eisenbahnlokomotiven und Industriemaschinen eingesetzt (siehe unseren Artikel über Düsentriebwerke).