18 Fragen zu Turbine

Eine Turbine ist eine Maschine, die kinetische Energie aus einem Fluid (wie Wasser, Dampf, Luft oder Gas) in mechanische Energie umwandelt. Der grundlegende Aufbau einer Turbine umfasst mehrere Hauptkomponenten: 1. **Laufrad (Rotor)**: Dies ist der drehende Teil der Turbine, der mit Schaufeln oder Blättern ausgestattet ist. Das Fluid strömt durch die Schaufeln und überträgt seine Energie auf den Rotor, wodurch dieser in Drehung versetzt wird. 2. **Gehäuse (Stator)**: Das Gehäuse umgibt den Rotor und leitet das Fluid gezielt auf die Schaufeln des Rotors. Es kann auch feststehende Schaufeln enthalten, die den Fluss des Fluids steuern und optimieren. 3. **Welle**: Die Welle ist mit dem Rotor verbunden und überträgt die mechanische Energie auf eine externe Maschine oder einen Generator. 4. **Düsen oder Leitschaufeln**: Diese Komponenten lenken das Fluid in einem optimalen Winkel auf die Schaufeln des Rotors, um die Effizienz der Energieübertragung zu maximieren. 5. **Lager**: Lager stützen die Welle und ermöglichen eine reibungsarme Drehung des Rotors. 6. **Dichtungen**: Dichtungen verhindern das Austreten des Fluids aus dem Gehäuse und sorgen dafür, dass die Energieübertragung effizient bleibt. Je nach Art der Turbine (z.B. Dampfturbine, Gasturbine, Wasserturbine) können zusätzliche spezifische Komponenten vorhanden sein, aber die oben genannten Teile sind in den meisten Turbinen grundlegend.

Strom wird bei einer Turbine durch die Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie erzeugt. Hier ist ein allgemeiner Überblick über den Prozess: 1. **Mechanische Energieerzeugung**: Eine Turbine wird durch eine Energiequelle angetrieben, die mechanische Energie liefert. Diese Energiequelle kann Wind (bei Windturbinen), Wasser (bei Wasserturbinen), Dampf (bei Dampfturbinen) oder Gas (bei Gasturbinen) sein. 2. **Drehung der Turbine**: Die Energiequelle bringt die Turbinenschaufeln zum Drehen. Bei einer Windturbine dreht der Wind die Rotorblätter, bei einer Wasserturbine treibt das fließende Wasser die Schaufeln an, und bei einer Dampfturbine wird Dampf unter hohem Druck durch die Schaufeln geleitet. 3. **Generator**: Die drehende Turbine ist mit einem Generator verbunden. Ein Generator besteht aus einem Rotor (der sich dreht) und einem Stator (der feststeht). Der Rotor ist mit der Turbine verbunden und dreht sich mit ihr. 4. **Elektromagnetische Induktion**: Im Generator erzeugt die Drehung des Rotors ein sich änderndes Magnetfeld. Dieses sich ändernde Magnetfeld induziert eine elektrische Spannung im Stator, was zur Erzeugung von elektrischem Strom führt. 5. **Stromerzeugung**: Der erzeugte Strom wird dann durch Leitungen zu Verbrauchern oder ins Stromnetz geleitet. Dieser Prozess basiert auf dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion, das von Michael Faraday entdeckt wurde.

In einem Heizkraftwerk entstehen bei der Turbine und dem Generator verschiedene Formen von Energie: 1. **Mechanische Energie**: Die Turbine wandelt die thermische Energie des Dampfes (oder eines anderen Arbeitsmediums) in mechanische Energie um. Der Dampf treibt die Turbinenschaufeln an, wodurch die Turbine in Rotation versetzt wird. 2. **Elektrische Energie**: Der Generator, der mit der Turbine gekoppelt ist, wandelt die mechanische Energie der rotierenden Turbine in elektrische Energie um. Dies geschieht durch elektromagnetische Induktion, bei der die Bewegung eines Leiters in einem Magnetfeld eine elektrische Spannung erzeugt. Zusammengefasst: Die Turbine erzeugt mechanische Energie aus thermischer Energie, und der Generator wandelt diese mechanische Energie in elektrische Energie um.

Die Aufgabe einer Turbine in einem Wärmekraftwerk besteht darin, die thermische Energie des Dampfes in mechanische Energie umzuwandeln. Der Dampf, der durch die Verbrennung von Brennstoffen (wie Kohle, Gas oder Öl) oder durch Kernspaltung erzeugt wird, strömt mit hohem Druck und hoher Temperatur in die Turbine. Dort expandiert der Dampf und treibt die Schaufeln der Turbine an, wodurch die Turbinenwelle in Rotation versetzt wird. Diese mechanische Energie wird dann in einem Generator in elektrische Energie umgewandelt, die ins Stromnetz eingespeist wird.

Eine Turbine ist eine Maschine, die kinetische Energie aus einem Fluid (wie Wasser, Dampf, Luft oder Gas) in mechanische Energie umwandelt. Diese mechanische Energie wird durch die Drehung der Turbinenblätter erzeugt, die durch den Fluss des Fluids angetrieben werden. Ein Generator ist eine Maschine, die mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. Dies geschieht durch die Drehung eines Rotors innerhalb eines Magnetfeldes, was eine elektromagnetische Induktion erzeugt und somit elektrischen Strom produziert. Zusammengefasst: Eine Turbine wandelt die Energie eines Fluids in mechanische Energie um, und ein Generator wandelt diese mechanische Energie in elektrische Energie um.

Die Energieform, die durch den Dampf, der die Turbine antreibt, erzeugt wird, nennt man thermische Energie oder Wärmeenergie. In einem Kernkraftwerk wird die Wärme durch die Kernspaltung erzeugt, die dann in mechanische Energie umgewandelt wird, wenn die Turbine rotiert.

Der Austrittsquerschnitt einer Turbine im Vergleich zum Eintrittsquerschnitt beeinflusst die Strömungsgeschwindigkeit und den Druck des Arbeitsmediums. Wenn der Austrittsquerschnitt größer ist als der Eintrittsquerschnitt, kann dies zu einer Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit und des Drucks am Austritt führen, was die kinetische Energie des Mediums reduziert. Die Arbeit, die eine Turbine leistet, hängt von der Differenz der Enthalpie (oder Energie) des Arbeitsmediums zwischen Eintritt und Austritt ab. Ein größerer Austrittsquerschnitt kann dazu beitragen, den Druckabfall über die Turbine zu maximieren, was potenziell zu einer höheren Energieumwandlung und damit zu mehr geleisteter Arbeit führen kann. Allerdings hängt dies auch von anderen Faktoren wie der Turbinenkonstruktion, dem Arbeitsmedium und den Betriebsbedingungen ab. Zusammengefasst: Ein größerer Austrittsquerschnitt kann unter bestimmten Bedingungen zu mehr geleisteter Arbeit führen, da er den Druckabfall und die Energieumwandlung optimieren kann.

Wenn gesagt wird, dass der Dampf nach der Turbine im Sättigungszustand sein soll, bedeutet das, dass der Dampf am Ausgang der Turbine genau auf der Grenze zwischen flüssig und gasförmig ist. Dies wird als Sättigungszustand bezeichnet. Um den genauen Punkt zu bestimmen, an dem der Dampf im Sättigungszustand ist, benötigst du die folgenden Informationen: 1. **Druck nach der Turbine**: Der Druck des Dampfes nach der Turbine muss bekannt sein. 2. **Sättigungstemperatur**: Die Temperatur, bei der der Dampf bei diesem Druck im Sättigungszustand ist. Diese Informationen kannst du aus Dampftabellen oder Mollier-Diagrammen entnehmen. In diesen Tabellen oder Diagrammen findest du für jeden Druck die entsprechende Sättigungstemperatur und die spezifischen Volumina, Enthalpien und Entropien für den Sättigungszustand. Ein Beispiel: Wenn der Druck nach der Turbine 1 bar beträgt, dann ist die Sättigungstemperatur bei diesem Druck etwa 100°C. Der Dampf ist dann im Sättigungszustand, wenn er genau diese Temperatur hat. Dampftabellen und Mollier-Diagramme sind in vielen technischen Büchern und auch online verfügbar, z.B. hier: [Dampftabelle](https://www.engineeringtoolbox.com/saturated-steam-properties-d_457.html).

Um die Energiehöhe, die von der Turbine abgeführt wird, zu berechnen, kannst du die folgende Formel verwenden: \[ P = \eta \cdot \rho \cdot g \cdot Q \cdot h \] Dabei ist: - \( P \) die Leistung (in Watt), - \( \eta \) der Wirkungsgrad (dimensionslos), - \( \rho \) die Dichte des Wassers (ca. \( 1000 \, \text{kg/m}^3 \)), - \( g \) die Erdbeschleunigung (ca. \( 9,81 \, \text{m/s}^2 \)), - \( Q \) der Volumenstrom (in \( \text{m}^3/s \)), - \( h \) die Energiehöhe (in Metern). Zuerst musst du den Volumenstrom \( Q \) von Litern pro Sekunde in Kubikmeter pro Sekunde umrechnen: \[ Q = 8 \, \text{L/s} = 0,008 \, \text{m}^3/s \] Jetzt kannst du die Formel umstellen, um die Energiehöhe \( h \) zu berechnen: \[ h = \frac{P}{\eta \cdot \rho \cdot g \cdot Q} \] Setze die Werte ein: \[ h = \frac{210 \, \text{W}}{0,67 \cdot 1000 \, \text{kg/m}^3 \cdot 9,81 \, \text{m/s}^2 \cdot 0,008 \, \text{m}^3/s} \] Berechne den Nenner: \[ h = \frac{210}{0,67 \cdot 1000 \cdot 9,81 \cdot 0,008} \] \[ h = \frac{210}{0,67 \cdot 78,48} \] \[ h = \frac{210}{52,78} \approx 3,97 \, \text{m} \] Die Energiehöhe, die von der Turbine abgeführt wird, beträgt also ungefähr \( 3,97 \, \text{m} \).

Windkrafträder wandeln die kinetische Energie des Windes in elektrische Energie um. Der Wind dreht die Rotorblätter, die über eine Welle mit einem Generator verbunden sind. Der Generator erzeugt dann Strom, der ins Stromnetz eingespeist wird.

- **Staudamm**: Erzeugt einen Höhenunterschied und speichert Wasser. - **Wasserreservoir**: Der Stausee, der das Wasser speichert. - **Leitungen**: Transportieren das Wasser vom Reservoir zur Turbine. - **Turbine**: Wandelt die kinetische Energie des Wassers in mechanische Energie um. - **Generator**: Wandelt die mechanische Energie der Turbine in elektrische Energie um. - **Transformator**: Erhöht die Spannung der erzeugten Elektrizität für den Transport. - **Entwässerungssystem**: Reguliert den Wasserfluss und verhindert Überflutungen. - **Kontrollsystem**: Überwacht und steuert den Betrieb des Kraftwerks.

Das Turbinengebäude ist ein zentraler Bestandteil von Kraftwerken, insbesondere von Wasserkraftwerken und thermischen Kraftwerken. Es beherbergt die Turbinen, die mechanische Energie aus Wasser oder Dampf in elektrische Energie umwandeln. Im Wasserkraftwerk wird die kinetische Energie des fließenden Wassers genutzt, während in thermischen Kraftwerken Dampf, der durch die Verbrennung von fossilen Brennstoffen oder durch Kernreaktionen erzeugt wird, die Turbinen antreibt. Das Turbinengebäude ist somit entscheidend für die Energieerzeugung und trägt zur Effizienz und Sicherheit des Kraftwerksbetriebs bei.

Ein Gas- und Dampfturbinenkraftwerk, auch als GuD-Kraftwerk (Gas- und Dampf-Kombikraftwerk) bezeichnet, ist eine Anlage zur Stromerzeugung, die sowohl eine Gasturbine als auch eine Dampfturbine nutzt. Diese Kombination ermöglicht eine höhere Effizienz im Vergleich zu herkömmlichen Kraftwerken. Hier ist eine kurze Erklärung, wie ein GuD-Kraftwerk funktioniert: 1. **Gasturbine**: Erdgas oder ein anderes Brennstoff wird in einer Gasturbine verbrannt. Die dabei entstehenden heißen Abgase treiben die Turbine an, die wiederum einen Generator zur Stromerzeugung antreibt. 2. **Abhitzekessel**: Die heißen Abgase aus der Gasturbine werden nicht einfach in die Atmosphäre abgegeben, sondern durch einen Abhitzekessel geleitet. Dieser Kessel nutzt die Wärme der Abgase, um Wasser zu Dampf zu erhitzen. 3. **Dampfturbine**: Der erzeugte Dampf treibt eine Dampfturbine an, die ebenfalls mit einem Generator verbunden ist und zusätzlichen Strom erzeugt. 4. **Kondensator und Rückführung**: Nach der Dampfturbine wird der Dampf im Kondensator wieder zu Wasser kondensiert und zurück in den Kreislauf geführt. Durch die Nutzung der Abwärme der Gasturbine zur Dampferzeugung wird der Wirkungsgrad des Kraftwerks erheblich gesteigert, oft auf über 60 %. Dies macht GuD-Kraftwerke zu einer effizienten und umweltfreundlicheren Option zur Stromerzeugung im Vergleich zu reinen Gasturbinen- oder Dampfkraftwerken.

Um die abgegebene Wärme \( Q \) zu berechnen, kann der erste Hauptsatz der Thermodynamik verwendet werden, der besagt: \[ \Delta H = Q - W \] Hierbei ist: - \(\Delta H\) die Änderung der Enthalpie, - \(Q\) die abgegebene oder aufgenommene Wärme, - \(W\) die geleistete Arbeit. In diesem Fall ist die Änderung der Enthalpie \(\Delta H = -721 \, \text{J}\) (da die Enthalpie sinkt). Die geleistete Arbeit \(W\) setzt sich aus der dissipativen Arbeit und der Druckänderungsarbeit zusammen: \[ W = 84 \, \text{J} + (-511,2 \, \text{J}) = 84 \, \text{J} - 511,2 \, \text{J} = -427,2 \, \text{J} \] Setzt man diese Werte in die Gleichung ein: \[ -721 \, \text{J} = Q - (-427,2 \, \text{J}) \] \[ -721 \, \text{J} = Q + 427,2 \, \text{J} \] \[ Q = -721 \, \text{J} - 427,2 \, \text{J} \] \[ Q = -1148,2 \, \text{J} \] Das negative Vorzeichen zeigt an, dass das Gas 1148,2 Joule Wärme abgibt.

Die Kaplan-, Pelton- und Francis-Turbinen sind drei verschiedene Typen von Wasserturbinen, die in der Wasserkraftnutzung eingesetzt werden. Hier sind einige Informationen zu jeder dieser Turbinen: 1. **Kaplanturbine**: - **Bauart**: Die Kaplan-Turbine ist eine axial durchströmende Turbine, die für niedrige Fallhöhen und hohe Durchflussmengen ausgelegt ist. - **Funktionsweise**: Sie hat verstellbare Schaufeln, die es ermöglichen, die Leistung an unterschiedliche Wasserbedingungen anzupassen. - **Einsatzgebiet**: Ideal für Flüsse und Wasserkraftwerke mit variierenden Wasserständen. 2. **Pelton-Turbine**: - **Bauart**: Die Pelton-Turbine ist eine Impulsturbine, die für hohe Fallhöhen und niedrige Durchflussmengen konzipiert ist. - **Funktionsweise**: Sie nutzt Wasserstrahlen, die auf Schaufeln (Schaufelräder) treffen, um mechanische Energie zu erzeugen. - **Einsatzgebiet**: Besonders geeignet für Bergregionen mit großen Höhenunterschieden. 3. **Francisturbine**: - **Bauart**: Die Francis-Turbine ist eine gemischte Turbine, die sowohl axiale als auch radiale Strömungselemente kombiniert. - **Funktionsweise**: Sie kann in einem breiten Bereich von Fallhöhen und Durchflussmengen effizient arbeiten. - **Einsatzgebiet**: Häufig in mittelhochgelegenen Wasserkraftwerken eingesetzt. Jede dieser Turbinen hat ihre spezifischen Vor- und Nachteile, die sie für unterschiedliche Anwendungen in der Wasserkraftnutzung geeignet machen.