42 Fragen zu Turbine

Windturbinen sind Geräte, die die kinetische Energie des Windes in elektrische Energie umwandeln. Sie bestehen aus mehreren Hauptkomponenten, darunter Rotorblätter, die sich bei Windbewegung drehen, ein Generator, der die mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt, und ein Turm, der die Turbine in eine geeignete Höhe bringt, um effizienter Wind zu erfassen. Windturbinen können sowohl an Land (Onshore) als auch auf dem Wasser (Offshore) installiert werden und sind eine wichtige Technologie zur Erzeugung erneuerbarer Energie, da sie keine schädlichen Emissionen produzieren und zur Reduzierung des CO2-Ausstoßes beitragen.

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

Refraktärmetalle wie Wolfram, Molybdän, Tantal und Niob werden in Turbinen eingesetzt, trotz ihrer hohen Dichte, aufgrund ihrer außergewöhnlichen Eigenschaften, die in Hochtemperaturanwendungen von entscheidender Bedeutung sind. Hier sind einige Gründe: 1. **Hohe Schmelzpunkte**: Refraktärmetalle haben extrem hohe Schmelzpunkte, was sie ideal für den Einsatz in Umgebungen mit sehr hohen Temperaturen macht, wie sie in Turbinen vorkommen. 2. **Hervorragende Festigkeit bei hohen Temperaturen**: Diese Metalle behalten ihre Festigkeit und strukturelle Integrität auch bei extrem hohen Temperaturen, was die Effizienz und Lebensdauer der Turbinenkomponenten erhöht. 3. **Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit**: Refraktärmetalle sind widerstandsfähig gegen Korrosion und Oxidation, was ihre Haltbarkeit und Zuverlässigkeit in aggressiven Umgebungen verbessert. 4. **Gute Wärmeleitfähigkeit**: Einige Refraktärmetalle, wie Molybdän, haben eine hohe Wärmeleitfähigkeit, was zur effizienten Wärmeverteilung und -ableitung in Turbinen beiträgt. Diese Eigenschaften machen Refraktärmetalle trotz ihrer hohen Dichte zu einer wertvollen Wahl für kritische Komponenten in Turbinen, wo Leistung und Zuverlässigkeit bei extremen Bedingungen entscheidend sind.

Die Tandem-Anordnung in Turbinen bezieht sich auf die Anordnung von Schaufeln oder Laufrädern in einer Weise, dass zwei oder mehr Schaufelreihen hintereinander angeordnet sind, um den Wirkungsgrad und die Leistung der Turbine zu verbessern. Diese Anordnung kann unter bestimmten extremen Betriebsbedingungen vorteilhaft sein, aber es gibt auch Herausforderungen, die berücksichtigt werden müssen. **Vorteile:** 1. **Erhöhter Wirkungsgrad:** Die Tandem-Anordnung kann den aerodynamischen Wirkungsgrad verbessern, da sie eine bessere Strömungsführung und Energieumsetzung ermöglicht. 2. **Reduzierte Verluste:** Durch die optimierte Strömungsführung können Verluste durch Turbulenzen und Strömungsabrisse minimiert werden. 3. **Flexibilität im Design:** Diese Anordnung bietet mehr Flexibilität bei der Gestaltung der Schaufeln, was zu einer besseren Anpassung an spezifische Betriebsbedingungen führen kann. **Herausforderungen:** 1. **Komplexität der Konstruktion:** Die Konstruktion und Fertigung von Tandem-Schaufeln ist komplexer und erfordert präzisere Fertigungstechniken. 2. **Wartungsaufwand:** Der Wartungsaufwand kann höher sein, da mehr Komponenten vorhanden sind, die potenziell ausfallen oder verschleißen können. 3. **Kosten:** Die initialen Kosten für die Entwicklung und Herstellung können höher sein im Vergleich zu einfacheren Anordnungen. **Eignung unter extremen Betriebsbedingungen:** - **Hohe Temperaturen:** Tandem-Anordnungen können in Hochtemperaturumgebungen effektiv sein, wenn die Materialien und Kühltechniken entsprechend ausgelegt sind. - **Hohe Drücke:** Sie können auch bei hohen Drücken vorteilhaft sein, da sie eine bessere Energieumsetzung ermöglichen. - **Schwankende Betriebsbedingungen:** Die Flexibilität im Design kann helfen, die Turbine an schwankende Betriebsbedingungen anzupassen. Insgesamt kann die Tandem-Anordnung für den Einsatz in Turbinen unter extremen Betriebsbedingungen geeignet sein, wenn die Vorteile die zusätzlichen Kosten und den erhöhten Wartungsaufwand rechtfertigen. Eine sorgfältige Abwägung der spezifischen Betriebsanforderungen und eine detaillierte technische Analyse sind jedoch unerlässlich, um die optimale Lösung zu finden.

Um die abgegebene Wärme \( Q \) zu berechnen, kann der erste Hauptsatz der Thermodynamik verwendet werden, der besagt: \[ \Delta H = Q - W \] Hierbei ist: - \(\Delta H\) die Änderung der Enthalpie, - \(Q\) die abgegebene oder aufgenommene Wärme, - \(W\) die geleistete Arbeit. In diesem Fall ist die Änderung der Enthalpie \(\Delta H = -721 \, \text{J}\) (da die Enthalpie sinkt). Die geleistete Arbeit \(W\) setzt sich aus der dissipativen Arbeit und der Druckänderungsarbeit zusammen: \[ W = 84 \, \text{J} + (-511,2 \, \text{J}) = 84 \, \text{J} - 511,2 \, \text{J} = -427,2 \, \text{J} \] Setzt man diese Werte in die Gleichung ein: \[ -721 \, \text{J} = Q - (-427,2 \, \text{J}) \] \[ -721 \, \text{J} = Q + 427,2 \, \text{J} \] \[ Q = -721 \, \text{J} - 427,2 \, \text{J} \] \[ Q = -1148,2 \, \text{J} \] Das negative Vorzeichen zeigt an, dass das Gas 1148,2 Joule Wärme abgibt.

Der Abschattungseffekt bei Windanlagen bezieht sich auf die Reduktion Windgeschwindigkeit und die Turbulenzen, die durch die Präsenz einer Windturbine hinter dieser entstehen. Wenn der Wind durch die Rotorblätter einer Windturbine strömt, verliert er an Energie und Geschwindigkeit, was zu einem sogenannten "Windschatten" führt. Dieser Effekt kann die Effizienz von nachfolgenden Windturbinen in einem Windpark beeinträchtigen, da sie in einem Bereich mit geringerer Windgeschwindigkeit und höherer Turbulenz arbeiten müssen. Um den Abschattungseffekt zu minimieren, werden Windturbinen in einem Windpark in einem bestimmten Abstand zueinander aufgestellt, der in der Regel das 5- bis 10-fache des Rotordurchmessers beträgt. Dies ermöglicht es dem Wind, sich nach dem Passieren einer Turbine wieder zu erholen, bevor er auf die nächste trifft.

Der Wirkungsgrad von Wasserturbinen ist in der Regel höher als der von Kreiselpumpen aus mehreren Gründen: 1. **Energieumwandlung**: Wasserturbinen wandeln die kinetische und potentielle Energie des Wassers direkt in mechanische Energie um, die dann in elektrische Energie umgewandelt wird. Dieser Prozess ist sehr effizient, da die Turbinen speziell dafür ausgelegt sind, die Energie des Wassers optimal zu nutzen. 2. **Betriebsbedingungen**: Wasserturbinen arbeiten oft unter optimalen Bedingungen, wie konstantem Wasserfluss und Druck, was zu einem höheren Wirkungsgrad führt. Kreiselpumpen hingegen müssen oft unter variablen Bedingungen arbeiten, was ihren Wirkungsgrad beeinträchtigen kann. 3. **Design und Konstruktion**: Wasserturbinen sind speziell für den Einsatz in Wasserkraftwerken konzipiert und optimiert, um maximale Effizienz zu erreichen. Kreiselpumpen sind vielseitiger und müssen für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet sein, was oft zu Kompromissen im Design führt. 4. **Verluste**: In Kreiselpumpen gibt es mehr mechanische und hydraulische Verluste, wie Reibungsverluste und Turbulenzen, die den Wirkungsgrad verringern. Wasserturbinen sind so konstruiert, dass diese Verluste minimiert werden. 5. **Skaleneffekte**: Wasserturbinen in großen Wasserkraftwerken profitieren von Skaleneffekten, die den Wirkungsgrad erhöhen. Größere Anlagen können effizienter arbeiten als kleinere Pumpensysteme. Diese Faktoren zusammen führen dazu, dass Wasserturbinen in der Regel einen höheren Wirkungsgrad haben als Kreiselpumpen.

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).

Dampfturbinen haben unterschiedliche Druckstufen, um die Energie des Dampfes effizienter zu nutzen und die Gesamtleistung der Turbine zu maximieren. Hier sind einige Gründe dafür: 1. **Effizienzsteigerung**: Durch die Aufteilung des Druckabfalls in mehrere Stufen kann die Energie des Dampfes schrittweise und effizienter in mechanische Energie umgewandelt werden. Dies reduziert Verluste und erhöht den Wirkungsgrad der Turbine. 2. **Mechanische Belastung**: Eine einzige Stufe, die den gesamten Druckabfall bewältigen müsste, würde extrem hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt sein. Mehrere Stufen verteilen diese Belastungen gleichmäßiger und verringern das Risiko von Materialermüdung und Schäden. 3. **Optimale Strömungsgeschwindigkeit**: Unterschiedliche Druckstufen ermöglichen es, die Strömungsgeschwindigkeit des Dampfes zu kontrollieren und zu optimieren, was zu einer besseren Leistung der Turbine führt. 4. **Flexibilität im Betrieb**: Mehrstufige Turbinen können flexibler auf unterschiedliche Betriebsbedingungen reagieren und sind besser in der Lage, Schwankungen in der Dampfzufuhr oder im Lastprofil zu bewältigen. 5. **Thermodynamische Vorteile**: Durch die schrittweise Expansion des Dampfes in mehreren Stufen kann die thermodynamische Effizienz verbessert werden, da der Dampf in jeder Stufe näher an seinem optimalen Expansionspunkt arbeitet. Diese Faktoren tragen dazu bei, dass Dampfturbinen mit mehreren Druckstufen in der Praxis weit verbreitet sind, insbesondere in großen Kraftwerken und industriellen Anwendungen.

Die Turbinenbauart, die konstruktionsbedingt den größten Axialschub erzeugt, ist in der Regel die Axialturb. Bei Axialturbinen strömt das Arbeitsmedium (z.B. Dampf oder Gas) parallel zur Rotationsachse der Turbine, was zu einem signifikanten Axialschub führt. Dieser Schub entsteht durch die Druckdifferenzen entlang der Turbinenstufen und die Beschleunigung des Arbeitsmediums in axialer Richtung. Im Vergleich dazu erzeugen Radialturbinen, bei denen das Arbeitsmedium radial zur Rotationsachse strömt, tendenziell weniger Axialschub, da die Kräfte hauptsächlich in radialer Richtung wirken.

Das Regelrad bei Dampfturbinen hat die Aufgabe, die Drehzahl der Turbine zu regulieren und konstant zu halten. Es ist ein Teil des Regelungss, das die Dampfzufuhr zur Turbine steuert. Durch Anpassung der Dampfmenge, die in die Turbine eintritt, kann das Regelrad die Drehzahl an die Anforderungen des angeschlossenen Generators oder der mechanischen Last anpassen. Dies ist wichtig, um eine stabile und effiziente Energieerzeugung zu gewährleisten.

Wasserturbinen und Kreiselpumpen haben unterschiedliche Funktionsprinzipien und Einsatzbedingungen, die ihre Bauweise beeinflussen. 1. **Wasserturbinen:** - **Energiequelle:** Wasserturbinen nutzen die kinetische und potenzielle Energie des Wassers, das mit hoher Geschwindigkeit und/oder hohem Druck auf die Turbinenschaufeln trifft. - **Einstufigkeit:** Eine einstufige Wasserturbine kann die gesamte Energie des Wassers in einer einzigen Stufe effizient umwandeln, da das Wasser mit hoher Energie auf die Schaufeln trifft und diese Energie direkt in mechanische Energie umgewandelt wird. Die Konstruktion ist so ausgelegt, dass eine Stufe ausreicht, um die benötigte Leistung zu erzeugen. 2. **Kreiselpumpen:** - **Förderprinzip:** Kreiselpumpen arbeiten durch die Erzeugung eines Druckunterschieds, der das Wasser durch die Pumpe bewegt. Sie nutzen die Zentrifugalkraft, um das Wasser von der Mitte des Laufrads nach außen zu schleudern. - **Mehrstufigkeit:** Um eine hohe Förderhöhe zu erreichen, muss der Druck in mehreren Stufen aufgebaut werden. Jede Stufe erhöht den Druck des Wassers weiter, was notwendig ist, um die gewünschte Förderhöhe zu erreichen. Eine einstufige Kreiselpumpe könnte nicht den erforderlichen Druck erzeugen, um das Wasser auf die gleiche Höhe zu fördern. Zusammengefasst: Wasserturbinen sind einstufig, weil sie die gesamte Energie des Wassers in einer einzigen Stufe effizient umwandeln können. Kreiselpumpen sind mehrstufig, weil sie den Druck in mehreren Stufen aufbauen müssen, um eine hohe Förderhöhe zu erreichen.

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.

Ein Gas- und Dampfturbinenkraftwerk, auch als GuD-Kraftwerk (Gas- und Dampf-Kombikraftwerk) bezeichnet, ist eine Anlage zur Stromerzeugung, die sowohl eine Gasturbine als auch eine Dampfturbine nutzt. Diese Kombination ermöglicht eine höhere Effizienz im Vergleich zu herkömmlichen Kraftwerken. Hier ist eine kurze Erklärung, wie ein GuD-Kraftwerk funktioniert: 1. **Gasturbine**: Erdgas oder ein anderes Brennstoff wird in einer Gasturbine verbrannt. Die dabei entstehenden heißen Abgase treiben die Turbine an, die wiederum einen Generator zur Stromerzeugung antreibt. 2. **Abhitzekessel**: Die heißen Abgase aus der Gasturbine werden nicht einfach in die Atmosphäre abgegeben, sondern durch einen Abhitzekessel geleitet. Dieser Kessel nutzt die Wärme der Abgase, um Wasser zu Dampf zu erhitzen. 3. **Dampfturbine**: Der erzeugte Dampf treibt eine Dampfturbine an, die ebenfalls mit einem Generator verbunden ist und zusätzlichen Strom erzeugt. 4. **Kondensator und Rückführung**: Nach der Dampfturbine wird der Dampf im Kondensator wieder zu Wasser kondensiert und zurück in den Kreislauf geführt. Durch die Nutzung der Abwärme der Gasturbine zur Dampferzeugung wird der Wirkungsgrad des Kraftwerks erheblich gesteigert, oft auf über 60 %. Dies macht GuD-Kraftwerke zu einer effizienten und umweltfreundlicheren Option zur Stromerzeugung im Vergleich zu reinen Gasturbinen- oder Dampfkraftwerken.

Nein, bei der Verbrennung von Wasserstoff in Gasturbinen ist kein zusätzlicher Brennstoff nötig. Wasserstoff kann als alleiniger Brennstoff verwendet werden, da er bei der Verbrennung mit Sauerstoff aus der Luft eine ausreichende Menge an Energie freisetzt. Allerdings können technische Anpassungen an der Gasturbine erforderlich sein, um die Verbrennungseigenschaften von Wasserstoff zu optimieren und die Bildung von Stickoxiden (NOx) zu minimieren.