Gasturbine vs. Dampfturbine
Turbinen sind eine Klasse von Turbomaschinen, die verwendet werden, um die Energie in einem fließenden Fluid durch den Einsatz von Rotormechanismen in mechanische Energie umzuwandeln. Turbinen wandeln im Allgemeinen entweder thermische oder kinetische Energie des Fluids in Arbeit um. Gasturbinen und Dampfturbinen sind thermische Turbomaschinen, bei denen die Arbeit aus der Enthalpieänderung des Arbeitsmediums erzeugt wird; d.h. die potentielle Energie des Fluids in Form von Druck wird in mechanische Energie umgewandelt.
Basierend auf der Richtung der Flüssigkeitsströmung werden Turbinen in Axialströmungsturbinen und Radialströmungsturbinen kategorisiert. Technisch gesehen ist eine Turbine ein Expander, der durch den Druckabfall mechanische Arbeitsleistung liefert, was dem entgegengesetzten Betrieb des Kompressors entspricht. Dieser Artikel konzentriert sich auf den Axialströmungsturbinentyp, der in vielen technischen Anwendungen häufiger vorkommt.
Die Grundstruktur einer Axialströmungsturbine ist so ausgelegt, dass sie einen kontinuierlichen Flüssigkeitsstrom ermöglicht und gleichzeitig die Energie entzieht. In thermischen Turbinen wird das Arbeitsfluid bei hoher Temperatur und hohem Druck durch eine Reihe von Rotoren geleitet, die aus abgewinkelten Schaufeln bestehen, die auf einer rotierenden Scheibe montiert sind, die an der Welle befestigt ist. Zwischen den einzelnen Rotorscheiben sind Leitschaufeln montiert, die als Düsen und Lenker für den Flüssigkeitsstrom dienen.
Mehr über Dampfturbine
Obwohl das Konzept, Dampf für mechanische Arbeiten zu verwenden, lange Zeit verwendet wurde, wurde die moderne Dampfturbine 1884 vom englischen Ingenieur Sir Charles Parsons entworfen.
Die Dampfturbine verwendet Druckdampf aus einem Kessel als Arbeitsmedium. Der in die Turbine eintretende überhitzte Dampf verliert seinen Druck (Enthalpie), indem er sich durch die Schaufeln der Rotoren bewegt, und die Rotoren bewegen die Welle, mit der sie verbunden sind. Dampfturbinen liefern Leistung mit gleichmäßiger, konstanter Geschwindigkeit, und der thermische Wirkungsgrad einer Dampfturbine ist höher als der eines Kolbenmotors. Der Betrieb der Dampfturbine ist bei höheren Drehzahlzuständen optimal.
Streng genommen ist die Turbine nur eine einzelne Komponente des Kreisbetriebs zur Stromerzeugung, der idealerweise durch den Rankine-Kreisprozess modelliert wird. Die Kessel, Wärmetauscher, Pumpen und Kondensatoren sind ebenfalls Bestandteile des Betriebs, aber keine Teile der Turbine.
In der heutigen Zeit werden Dampfturbinen hauptsächlich zur Stromerzeugung verwendet, aber zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurden Dampfturbinen als Kraftwerk für Schiffe und Lokomotiven verwendet. Als Ausnahme werden in einigen Schiffsantriebssystemen, in denen Dieselmotoren unpraktisch sind, wie Flugzeugträger und U-Boote, immer noch Dampfmaschinen verwendet.
Mehr über Gasturbine
Gasturbinentriebwerk oder einfach eine Gasturbine ist ein Verbrennungsmotor, der Gase wie Luft als Arbeitsmedium verwendet. Der thermodynamische Aspekt des Betriebs der Gasturbine wird idealerweise durch den Brayton-Zyklus modelliert.
Gasturbinentriebwerke bestehen im Gegensatz zur Dampfturbine aus mehreren Schlüsselkomponenten; Dies sind der Kompressor, die Brennkammer und die Turbine, die entlang einer rotierenden Welle montiert sind, um verschiedene Aufgaben eines Verbrennungsmotors zu erfüllen. Das vom Einlass angesaugte Gas wird zunächst mit einem Axialkompressor komprimiert; die das genaue Gegenteil einer einfachen Turbine leistet. Das unter Druck stehende Gas wird dann durch eine Diffusorstufe (eine divergierende Düse) geleitet, in der das Gas seine Geschwindigkeit verliert, aber die Temperatur und den Druck weiter erhöht.
In der nächsten Stufe gelangt Gas in die Brennkammer, wo ein Brennstoff mit dem Gas vermischt und gezündet wird. Durch die Verbrennung steigen Temperatur und Druck des Gases auf ein unglaublich hohes Niveau. Dieses Gas strömt dann durch den Turbinenabschnitt und erzeugt beim Durchgang eine Drehbewegung an der Welle. Eine Gasturbine durchschnittlicher Größe erzeugt Wellendrehzahlen von bis zu 10.000 U/min, während kleinere Turbinen fünfmal so viel produzieren können.
Gasturbinen können verwendet werden, um Drehmoment (durch die rotierende Welle), Schub (durch Hochgeschwindigkeits-Gasauslass) oder beides in Kombination zu erzeugen. Im ersten Fall, wie in der Dampfturbine, ist die von der Welle gelieferte mechanische Arbeit lediglich eine Transformation der Enthalpie (des Drucks) des Gases mit hoher Temperatur und hohem Druck. Ein Teil der Wellenarbeit wird verwendet, um den Kompressor durch einen internen Mechanismus anzutreiben. Diese Form der Gasturbine wird hauptsächlich zur Stromerzeugung und als Kraftwerk für Fahrzeuge wie Panzer und sogar Autos verwendet. Der US-Panzer M1 Abrams verwendet ein Gasturbinentriebwerk als Kraftwerk.
Im zweiten Fall wird das Hochdruckgas durch eine konvergierende Düse geleitet, um die Geschwindigkeit zu erhöhen, und der Schub wird durch das Abgas erzeugt. Diese Art von Gasturbine wird oft als Strahltriebwerk oder Turbojet-Triebwerk bezeichnet, das die militärischen Kampfflugzeuge antreibt. Der Turbofan ist eine fortschrittliche Variante des oben genannten, und die Kombination aus Schub- und Arbeitserzeugung wird in Turboprop-Triebwerken verwendet, bei denen Wellenarbeit zum Antrieb eines Propellers verwendet wird.
Es gibt viele Varianten der Gasturbinen, die für bestimmte Aufgaben ausgelegt sind. Sie werden gegenüber anderen Motoren (hauptsächlich Hubkolbenmotoren) aufgrund ihres hohen Leistungsgewichts, weniger Vibrationen, hohen Betriebsgeschwindigkeiten und Zuverlässigkeit bevorzugt. Die Abwärme wird fast vollständig als Abgas abgeführt. Bei der Stromerzeugung wird diese thermische Abwärme zum Kochen von Wasser für den Betrieb einer Dampfturbine verwendet. Der Prozess ist als Kombikraftwerk bekannt.
Was ist der Unterschied zwischen Dampfturbine und Gasturbine?
• Die Dampfturbine verwendet Hochdruckdampf als Arbeitsmedium, während die Gasturbine Luft oder ein anderes Gas als Arbeitsmedium verwendet.
• Dampfturbine ist im Grunde ein Expander, der Drehmoment als Arbeitsleistung liefert, während eine Gasturbine ein kombiniertes Gerät aus Kompressor, Brennkammer und Turbine ist, das einen zyklischen Betrieb ausführt, um Arbeit entweder als Drehmoment oder Schub zu liefern.
• Die Dampfturbine ist nur eine Komponente, die einen Schritt des Rankine-Zyklus ausführt, während ein Gasturbinentriebwerk den gesamten Brayton-Zyklus ausführt.
• Gasturbinen können entweder Drehmoment oder Schub als Arbeitsleistung liefern, während Dampfturbinen fast immer Drehmoment als Arbeitsleistung liefern.
• Der Wirkungsgrad der Gasturbinen ist aufgrund der höheren Betriebstemperaturen der Gasturbinen viel höher als bei der Dampfturbine. (Gasturbinen ~1500 0C und Dampfturbinen ~550 0C)
• Der Platzbedarf für die Gasturbinen ist viel geringer als beim Dampfturbinenbetrieb, da Dampfturbinen Kessel und Wärmetauscher benötigen, die zur Wärmezufuhr extern angeschlossen werden sollten.
• Gasturbinen sind vielseitiger, weil viele Brennstoffe verwendet werden können und Arbeitsmedium, das ständig zugeführt werden muss, überall verfügbar ist (Luft). Dampfturbinen hingegen benötigen große Wassermengen für den Betrieb und neigen bei niedrigeren Temperaturen zu Problemen durch Vereisung.
