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Definition: eine Turbine, die von heißem Dampf angetrieben wird
Eine Dampfturbine ist eine Turbine, die von heißem Dampf (meist Wasserdampf) unter hohem Druck angetrieben wird. Ihre Funktion ist die einer Wärmekraftmaschine, d. h. die (teilweise) Umwandlung von Wärme in mechanische Energie.
Die Dampfturbine ist zu Unterscheiden von der Dampfmaschine, die zwar ebenfalls von Dampf angetrieben wird, aber keine Turbine enthält.
Hätten Sie vielleicht eine schöne Fotografie von einer Dampfturbine, die Sie für das RP-Energie-Lexikon zur Verfügung stellen könnten?
Das Funktionsprinzip einer Dampfturbine wird im Folgenden deutlich vereinfacht beschrieben, d. h. unter Vernachlässigung diverser technischer Details.
Ein flüssiges Medium (meist Wasser) wird in einem Dampferzeuger unter Zufuhr von Hochtemperatur-Wärme bei hohem Druck verdampft. In der Turbine leistet dieser Dampf Arbeit, indem er ein oder meist mehrere schnell rotierende Turbinenräder antreibt. Dabei wird er entspannt (d. h. sein Druck wird reduziert) und abgekühlt. Nach der Turbine muss der Dampf weiter gekühlt werden, so dass er kondensiert, wobei häufig nicht mehr nutzbare Abwärme anfällt. Das kondensierte Wasser wird dann mit einer Pumpe erneut dem Dampferzeuger zugeführt.
Die gesamte durch die Turbine laufende Wassermenge muss von der genannten Pumpe gegen das gleiche Druckgefälle befördert werden. Trotzdem ist die für die Pumpe benötigte Leistung nur ein kleiner Bruchteil der von der Turbine abgegebenen Leistung, da das kondensierte Wasser ein wesentlich kleineres Volumen hat als der Dampf. (Die benötigte Pumpleistung ergibt sich aus dem Produkt von Druck und Volumenstrom.)
Nach Durchlaufen der Dampfturbine enthält der Dampf immer noch einen erheblichen Teil seiner Wärme, die zwecks Kondensation entfernt werden muss. Diese Abwärme wird häufig über einen Kühlturm in die Umgebung entlassen, ggf. mit zusätzlicher Flusskühlung zur weiteren Reduktion der Temperatur und Erhöhung des Wirkungsgrads. In Heizkraftwerken wird zumindest ein Teil der Wärme als Heizwärme abgeführt. Da hierfür ein etwas höheres Temperaturniveau nötig ist, welches zu einem erhöhten Gegendruck für die Turbine führt, kann der elektrische Wirkungsgrad einer solchen Gegendruckturbine dadurch etwas reduziert werden. Es gibt auch Entnahmekondensationsturbinen, bei denen Dampf vor dem Niederdruckteil für die Wärmegewinnung entnommen werden kann, wodurch die Niederdruckturbine weniger mechanische Leistung bringt.
Häufig werden Kombinationen mehrerer Dampfturbinen mit verschiedenen Druckniveaus verwendet: Hochdruck-, Mitteldruck- und Niederdruckturbinen. Jede Turbine enthält in der Regel mehrere Turbinenräder auf einer Achse, wobei der Durchmesser der nacheinander durchströmten Turbinenräder entsprechend dem zunehmenden Dampfvolumen ansteigt. Eine Niederdruckturbine arbeitet in der Regel als Kondensationsturbine, d. h. in ihr wird ein Großteil des Wasserdampfs zu Wassertröpfchen kondensiert (Nassdampf).
Viele Dampfturbinen sollten nicht direkt mit Sattdampf betrieben werden, wie er in einem Dampferzeuger entsteht. Dieser Sattdampf enthält nämlich noch einen gewissen Anteil von Wassertröpfchen, welche die Turbinenschaufeln durch Wasserschlag zusätzlich belasten würden. Deswegen wird der Sattdampf häufig zuerst durch eine Überhitzer geleitet, der die Temperatur nochmals etwas anhebt, so dass alle restlichen Wassertröpfchen noch verdampfen. Der resultierende Frischdampf ist dann wesentlich besser verträglich für die Turbine.
Turbinen in großen Kraftwerken erzeugen mechanische Leistungen von hunderten von Megawatt, teils sogar deutlich über einem Gigawatt. Die Dampftemperaturen betragen mehrere hundert °C – tendenziell bei fossil befeuerten Kraftwerken höher als bei Kernkraftwerken. Bei hohen Dampftemperaturen sind Wirkungsgrade etwas oberhalb von 40 % erreichbar.
Das mit Dampfturbinen nutzbare Hochtemperatur-Niveau ist begrenzt. Höhere Temperaturen sind mit Gasturbinen nutzbar, welche allerdings allein verwendet einen geringeren Wirkungsgrad hätten. Die höchsten Wirkungsgrade werden in Gaskraftwerken mit kombinierten Gas-und-Dampfturbinen erreicht, die man als Gas-und-Dampf-Kombikraftwerke bezeichnet.
Siehe auch: Gasturbine, Wärmekraftmaschine, Kraftwerk, Carnot-Wirkungsgrad