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Dampfturbine

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 wohl häufigste Anwendung ist der Antrieb eines Generators zur Erzeugung von elektrischer Energie. Häufig wird hierbei ein so genannter Turbogenerator verwendet, der direkt (ohne Getriebe) von einer Turbine angetrieben werden kann.

Die Dampfturbine ist im Prinzip eine Art von Dampfmaschine, jedoch versteht man darunter meist eher Hubkolbenmaschinen.

Funktionsprinzip

Das Funktionsprinzip einer Dampfturbine und der anderen für einen Kreisprozess benötigten Komponenten wird im Folgenden zunächst stark vereinfacht beschrieben, d. h. unter Vernachlässigung diverser technischer Details, die dann im folgenden Abschnitt beschrieben werden.

Ein flüssiges Medium (meist vollentsalztes 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 in einem Kondensator 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. Es wird also ein Kreisprozess betrieben.

Die gesamte durch die Turbine laufende Wassermenge muss von der genannten Pumpe (der Speisewasserpumpe oder Kesselspeisepumpe) 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.)

In etwas abstrahierter Form kann das Funktionsprinzip der Dampfturbine durch den sogenannten Clausius-Rankine-Kreisprozess beschrieben werden – benannt nach dem Physiker Rudolf Julius Emanuel Clausius und dem Ingenieur William John Macquorn Rankine. Hier wird angenommen, dass in der Turbine eine ideal adiabatische Expansion des Wasserdampfs erfolgt, wobei die Entropie nicht zunimmt. Die Wärmezufuhr im Dampfkessel erfolgt isobar. Bei großen Dampfturbinenanlagen kann der Clausius-Rankine-Kreisprozess schon eine einigermaßen genaue Beschreibung liefern (genauer als der Carnot-Prozess), und der dabei erreichte Wirkungsgrad liegt etwas unter dem Carnot-Wirkungsgrad.

Das bei Weitem gebräuchlichste Arbeitsmedium für Dampfturbinen ist Wasserdampf. Wenn allerdings nur ein Wärmereservoir mit relativ niedriger Temperatur zur Verfügung steht, eignet sich Wasserdampf schlecht oder gar nicht mehr. In solchen Fällen besteht die Möglichkeit, das Prinzip des Organic Rankine Cycle anzuwenden, bei dem ein meist organisches Arbeitsmedium mit niedrigerem Siedepunkt verwendet wird.

Weitere technische Details

Sattdampf und Frischdampf

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 in der Regel zuerst durch einen Überhitzer geleitet, der die Temperatur nochmals etwas anhebt, so dass alle restlichen Wassertröpfchen noch verdampfen. Der resultierende Frischdampf (Heißdampf) ist dann wesentlich besser verträglich für die Turbine, und die Energieeffizienz steigt ebenfalls.

Es gibt allerdings auch Sattdampfturbinen, die Sattdampf problemlos vertragen. Sie werden beispielsweise in Kernkraftwerken eingesetzt, wo die hohen Temperaturen für einen Überhitzer schwer realisierbar wären.

Laufschaufeln und Leitschaufeln

Jede Dampfturbine enthält einen Rotor (Laufrad), auf dem sich die Laufschaufeln befinden. In der Regel gibt es mehrere Sätze (Kränze) von Laufschaufeln, die vom Dampf dann nacheinander durchlaufen werden, wobei die Größe der Laufschaufeln entsprechend dem zunehmenden Dampfvolumen ansteigt. (Bei Niederdruckturbinen ist diese Größenzunahme besonders ausgeprägt.) Zwischen diesen Sätzen von Laufschaufeln befinden sich jeweils Leitschaufeln, die mit dem Gehäuse verbunden sind, also nicht rotieren. Sie lenken den Dampf optimal auf die folgenden Laufschaufeln und erhöhen die Strömungsgeschwindigkeit auf Kosten eines abnehmenden Drucks.

Mehrere Turbinenstufen

Häufig werden Kombinationen mehrerer Dampfturbinen mit verschiedenen Druckniveaus verwendet: Hochdruck-, Mitteldruck- und Niederdruckturbinen. (Vor allem bei Wärmekraftwerken hoher Leistung kommen oft drei Turbinenstufen zum Einsatz.) Die letzte Turbine (eine Niederdruckturbine) arbeitet in der Regel als Kondensationsturbine, d. h. in ihr wird ein Großteil des Wasserdampfs zu Wassertröpfchen kondensiert (Nassdampf).

Zwischen zwei Turbinenstufen liegt häufig ein weiterer Überhitzer, d. h. ein Wärmeübertrager, mit der der Dampf nochmals aufgeheizt wird. Damit lässt sich der Wirkungsgrad erhöhen.

Regelung der Leistung

Kurzfristige Änderungen der erzeugten Leistung sind möglich durch Betätigung einer Regelstufe. Hier handelt es sich um eine relativ kleine Turbinenstufe direkt nach dem Dampferzeuger, bei der die Dampfzufuhr mit Ventilen gedrosselt werden kann. Für längerfristige Änderungen der Leistung muss die Feuerungsleistung angepasst werden, was aber wesentlich mehr Zeit benötigt.

Kondensator; Gegendruckturbinen und Entnahmekondensationsturbinen für die Abwärmenutzung

Nach dem Durchlaufen der Dampfturbine (bzw. der letzten Turbinenstufe) enthält der Dampf immer noch einen erheblichen Teil seiner Wärme, die zwecks Kondensation abgeführt 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 dieser Wärme als Nutzwärme (Heizwärme) abgeführt. Für diese ist ein deutlich höheres Temperaturniveau nötig als das der Flusskühlung. Hierfür gibt es unterschiedliche technische Lösungen:

• Es kann als letzte Stufe eine Gegendruckturbine verwendet werden, bei der der Abdampf nicht bis zur Kondensation entspannt wird wie in einer Kondensationsturbine, sondern als überhitzter Dampf verbleibt. Der verbleibende höhere Druck bewirkt eine etwas reduzierte mechanische Leistung der Turbine. Der gewonnene Dampf wird erst im Heizkondensator, einem Wärmeübertrager für die Entnahme der Nutzwärme, kondensiert.
• Als Alternative dazu gibt es Entnahmekondensationsturbinen, bei denen ein (meist variabler) Teil des Dampfes vor dem Niederdruckteil für die Wärmegewinnung entnommen werden kann, um in den Heizkondensator geschickt zu werden. Wiederum reduziert die Entnahme die mechanische Leistung der Niederdruckturbine. Dieses Verfahren ist effizienter als das der Gegendruckturbine, wenn der Wärmebedarf gering oder stark schwankend ist.

Regenerative Vorwärmer

Im Prinzip kann das Kondensat (d. h. das im Kondensator anfallende kühle Wasser), welches wieder als Speisewasser dient, einfach im Kessel des Kraftwerks zur Dampferzeugung aufgeheizt werden. Es ist jedoch energetisch günstiger, es zunächst durch mehrere Vorwärmer zu schicken, die es z. B. bereits auf über 250 °C erhitzen. Die dazu nötige Wärme wird durch Dampf gewonnen, welcher den Turbinen an verschiedenen Stellen (mit unterschiedlichen Druck- und Temperaturniveaus) als Abzapfdampf (oder Zwischendampf) entnommen wird. Auch wenn diese Dampfentnahme die Leistung der Turbinen vermindert, ist der erreichbare Wirkungsgrad so höher, weil die Exergie des Dampfs besser genutzt wird: Die hohe Exergie des Heißdampfs wird zunächst teilweise in der Hochdruckturbine abgegeben, und der Exergie-Gehalt des Abzapfdampfs ist (pro Joule Wärme) entsprechend geringer. Man weicht hiermit etwas vom grundlegenden Clausius-Rankine-Kreisprozess ab und kommt dem Carnot-Wirkungsgrad näher, weswegen man auch von Carnotisierung spricht.

Eine zusätzliche Speisewasservorwärmung kann in einem Economiser erfolgen, d. h. in einem Wärmeübertrager, der Restwärme im Abgas nutzt.

Typische Leistungen und Wirkungsgrade

Turbinen in großen Kraftwerken erzeugen mechanische Leistungen von hunderten von Megawatt, teils sogar deutlich über einem Gigawatt. Die Dampftemperaturen betragen mehrere hundert Grad Celsius – tendenziell bei fossil befeuerten Kraftwerken höher als bei Kernkraftwerken. Bei hohen Dampftemperaturen sind Wirkungsgrade etwas oberhalb von 45 % für das Kraftwerk als Ganzes erreichbar, für die Turbine allein also noch etwas mehr.

Das mit Dampfturbinen nutzbare Hochtemperatur-Niveau (d. h. die Frischdampf-Temperatur) ist durch die Belastbarkeit der verwendeten Materialien begrenzt. Man betreibt die Turbinenschaufeln oft schon bei einer so hohen Temperatur, dass deren Lebensdauer nur noch wenige Jahre beträgt. Für viele Jahre war die Frischdampftemperatur auf rund 550 °C beschränkt. In den letzten Jahren gab es verstärkte Bemühungen, die Temperaturen durch Verwendung verbesserter Materialien (z. B. Nickel-Legierungen) nochmals erheblich zu erhöhen; es werden bereits Temperaturen von deutlich über 600 °C verwendet. In den nächsten Jahren könnten auch Werte um 700 °C möglich werden; der Dampfdruck würde dann auf ca. 350 bar steigen. Die Gesamtwirkungsgrad eines Dampfkraftwerks könnte damit etwas über 50 % liegen.

Noch wesentlich höhere Temperaturen sind mit Gasturbinen nutzbar, welche allerdings allein verwendet einen geringeren Wirkungsgrad (z. B. 35 %) hätten, da ihre Abgastemperatur recht hoch ist. Die höchsten Wirkungsgrade (rund 60 %) werden in Gaskraftwerken mit kombinierten Gas-und-Dampfturbinen erreicht, die man als Gas-und-Dampf-Kombikraftwerke bezeichnet.

Siehe auch: Gasturbine, Wärmekraftmaschine, Dampfmaschine, Wasserdampf, Dampferzeuger, Kraftwerk, Carnot-Wirkungsgrad, Kondensator, Clausius-Rankine-Kreisprozess, Organic Rankine Cycle