28 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.

Leitschaufeln sind ein wichtiger Bestandteil vieler Turbinen, insbesondere von Strömungsmaschinen wie Dampf-, Gas- oder Wasserturbinen. Ihre Hauptaufgabe besteht darin, den einströmenden Arbeitsstoff (z. B. Dampf, Gas oder Wasser) so zu lenken, dass er mit dem optimalen Winkel auf die Laufschaufeln der Turbine trifft. Dadurch wird die Energieübertragung auf die Laufschaufeln maximiert und der Wirkungsgrad der Turbine erhöht. Zusammengefasst: Leitschaufeln lenken und beschleunigen das Medium (z. B. Dampf, Gas, Wasser) vor dem Eintritt in die Laufschaufeln und sorgen so für eine effiziente Energieumwandlung in der Turbine.

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 \( 3,97 \, \text{m} \).

Die Parsons-Turbine ist eine Dampfturbine, die 1884 von Sir Charles Parsons entwickelt wurde. Sie ist eine der ersten und bedeutendsten Reaktionsturbinen und wurde vor allem in der Schifffahrt und in Kraftwerken eingesetzt. **Funktionsprinzip:** Die Parsons-Turbine arbeitet nach dem Reaktionsprinzip. Der Dampf strömt durch feststehende Leitschaufeln und trifft dann auf bewegliche Laufschaufeln, die auf einer Welle montiert sind. Dabei expandiert der Dampf sowohl in den Leitschaufeln als auch in den Laufschaufeln, wodurch ein Teil des Drucks in Geschwindigkeit umgewandelt wird. Die entstehende Kraft versetzt die Welle in Rotation. **Aufbau:** - **Mehrstufig:** Die Parsons-Turbine ist meist mehrstufig aufgebaut, um den Dampf schrittweise zu entspannen und die Energie möglichst effizient zu nutzen. - **Zylinderform:** Die Turbine hat typischerweise eine zylindrische Form mit einer zentralen Welle. - **Schaufeln:** Abwechselnd sind feststehende und bewegliche Schaufelreihen angeordnet. **Einsatzgebiete:** - Schiffsantriebe (z. B. bei der Titanic) - Stromerzeugung in Kraftwerken **Vorteile:** - Hoher Wirkungsgrad bei großen Leistungen - Gleichmäßiger Lauf - Geringe Vibrationen Weitere Informationen findest du z. B. auf [Wikipedia: Parsons-Turbine](https://de.wikipedia.org/wiki/Parsons-Turbine).

Die Parsons-Turbine ist eine spezielle Form der Dampfturbine, die von Sir Charles Parsons entwickelt wurde. Hier sind die wichtigsten Eigenschaften einer Parsons-Turbine: 1. **Axialdurchströmung:** Der Dampf strömt axial, also parallel zur Turbinenachse, durch die Turbine. 2. **Reaktionsturbine:** Die Parsons-Turbine ist eine reine Reaktionsturbine. Das bedeutet, dass sowohl in den feststehenden Leitschaufeln als auch in den beweglichen Laufschaufeln eine Druckabsenkung des Dampfes stattfindet. 3. **Mehrstufigkeit:** Sie besteht aus vielen hintereinander angeordneten Stufen, um den Dampfdruck schrittweise zu verringern und die Energie optimal zu nutzen. 4. **Schaufelbauweise:** Die Schaufeln sind so geformt, dass sie sowohl als Leitschaufeln (feststehend) als auch als Laufschaufeln (beweglich) wirken. 5. **Kontinuierliche Energieumwandlung:** Die Energie des Dampfes wird kontinuierlich in mechanische Energie umgewandelt. 6. **Hoher Wirkungsgrad:** Durch die mehrstufige Bauweise und die Reaktionswirkung wird ein hoher Wirkungsgrad erreicht. 7. **Anwendung:** Parsons-Turbinen werden vor allem in Kraftwerken zur Stromerzeugung eingesetzt, insbesondere in Dampfkraftwerken und auf Schiffen. Weitere Informationen findest du z.B. auf [Wikipedia: Parsons-Turbine](https://de.wikipedia.org/wiki/Parsons-Turbine).

Die Düsenregelung bei einer Turbine bezeichnet ein Verfahren zur Leistungs- und Drehzahlsteuerung, insbesondere bei Dampfturbinen und Gasturbinen. Hierbei werden verstellbare Leitschaufeln oder Düsen eingesetzt, um den Durchfluss und die Geschwindigkeit des Arbeitsmediums (z. B. Dampf oder Gas) auf die Laufschaufeln der Turbine zu regulieren. **Funktionsweise:** - Bei geringer Last werden einige oder alle Düsen teilweise oder ganz geschlossen, sodass weniger Arbeitsmedium in die Turbine gelangt. - Bei höherer Last werden die Düsen weiter geöffnet, um mehr Medium durchzulassen und so die Leistung zu erhöhen. **Vorteile:** - Effiziente Steuerung der Turbinenleistung. - Bessere Anpassung an wechselnde Lastanforderungen. - Reduzierung von Energieverlusten bei Teillastbetrieb. **Einsatzgebiete:** - Dampfturbinen in Kraftwerken (z. B. Regelung der Frischdampfdüsen). - Gasturbinen (z. B. variable Einlassleitschaufeln). **Beispiel:** In einer Dampfturbine mit Düsenregelung werden bei niedriger Last nur einige Düsen geöffnet, sodass der Dampf gezielt auf bestimmte Bereiche der Turbine geleitet wird. Das ermöglicht eine feinere Leistungsanpassung im Vergleich zur sogenannten Schaufelregelung, bei der der Dampfstrom über die Leitschaufeln geregelt wird. Weitere Informationen findest du z. B. bei [Wikipedia: Dampfturbine](https://de.wikipedia.org/wiki/Dampfturbine#D%C3%BCsenregelung).

Ein Wasserrad und eine Turbine unterscheiden sich in mehreren wesentlichen Punkten: 1. **Funktionsprinzip**: Ein Wasserrad nutzt die Kraft des fließenden oder fallenden Wassers, das auf Schaufeln oder Blätter trifft und so das Rad dreht. Eine Turbine hingegen wandelt die Energie des Wassers durch eine rotierende Welle um, wobei das Wasser durch speziell geformte Laufräder (Rotoren) geleitet wird. 2. **Bauweise und Effizienz**: Wasserräder sind meist große, offene Konstruktionen mit außenliegenden Schaufeln. Sie sind relativ einfach gebaut und haben einen geringeren Wirkungsgrad. Turbinen sind kompakter, geschlossen gebaut und technisch aufwändiger, erreichen aber deutlich höhere Wirkungsgrade. 3. **Einsatzbereich und Leistung**: Wasserräder werden vor allem bei niedrigen Fallhöhen und geringen Wassermengen eingesetzt, z.B. in historischen Mühlen. Turbinen sind für größere Wassermengen und höhere Fallhöhen geeignet und werden vor allem in modernen Wasserkraftwerken zur Stromerzeugung verwendet.

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.