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Turbogenerator

Ein Turbogenerator ist eine spezielle Bauform eines elektrischen Synchrongenerators, d. h. eine Maschine, die mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. Turbogeneratoren sind als Vollpolmaschinen so ausgeführt, dass sie mit einer relativ hohen Drehzahl betrieben werden können – beispielsweise mit 3000 Umdrehungen pro Minute, wenn die Netzfrequenz 50 Hz beträgt. Dadurch kann ein Turbogenerator z. B. direkt mit einer Dampfturbine oder einer Gasturbine angetrieben werden, ohne dass ein Getriebe benötigt würde. Der englische Begriff turbo generator ist nicht gleichbedeutend, sondern bezeichnet die Kombination einer Turbine mit einem Generator.

Wegen der vergleichsweise hohen Drehzahl und deshalb starken Fliehkräfte haben Turbogeneratoren nur relativ geringe Durchmesser in der Größenordnung von ein bis zwei Metern. Für die typischerweise sehr hohen Leistungen von Dutzenden von Megawatt oder teils sogar weit über einem Gigawatt ergeben sich dann relativ lang gestreckte zylindrische Bauweisen. Solche Turbogeneratoren werden in praktisch allen Großkraftwerken angewandt, insoweit es sich um Wärmekraftwerke (z. B. Kohle-, Gaskraftwerke oder Kernkraftwerke) handelt. Dagegen werden beispielsweise in Wasserkraftwerken in der Regel mit vielpoligen Generatoren verwendet, die bei wesentlich niedrigeren Drehzahlen arbeiten.

Grundprinzip des Turbogenerators

Das Grundprinzip des Turbogenerators ist das des Innenpol-Synchrongenerators. Der Rotor enthält also eine Erregerwicklung, die mit Gleichstrom gespeist wird. Der Gleichstrom wird entweder über Bürsten von außen von einer Stromrichteranlage her zugeführt oder mit einer Außenpolmaschine und einem mit rotierenden Gleichrichter erzeugt. Die Nutzenergie wird in Form von Drehstrom den Wicklungen des Stators entnommen, und zwar mit einer Effektivspannung von vielen Kilovolt (bis zu 27 kV) und einer elektrischen Stromstärke von etlichen Kiloampere (kA).

Der Wirkungsgrad großer Turbogeneratoren (mit hunderten von Megawatt oder mehr) liegt sehr hoch – in der Größenordnung von 99 %. (Nur deutlich weniger als 1 % der erzeugten Leistung wird für die Erregung des Rotors benötigt.) Trotzdem entsteht eine nennenswerte Menge von Wärme aufgrund der unvermeidbaren Energieverluste, die durch ein leistungsfähiges Kühlsystem (z. B. mit Wasserstoff als Kühlmedium) abgeführt werden muss.

Falls eine wesentliche Schieflast auftritt (d. h. eine ungleiche Belastung der verschiedenen Drehstrom-Wicklungen), treten Wirbelströme im Stahlkern des Rotors auf, die die thermische Belastung des Rotors stark erhöhen und unter Umständen sogar zu dessen Zerstörung führen könnten. Ebenfalls kritisch wäre eine wesentliche Erhöhung der Drehzahl beispielsweise als Folge eines plötzlichen Lastabfalls (d. h. Abfalls der abgenommenen Leistung); in solchen Fällen ist eine Schnellabschaltung der Turbine nötig. Wenn solche kritischen Situationen zuverlässig beherrscht werden, kann ein Turbogenerator aber für viele Jahrzehnte mit relativ geringem Wartungsaufwand arbeiten.

Siehe auch: Generator, Kraftwerk, Großkraftwerk, Dampfturbine, Gasturbine