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Technik kurz erklärt Die Entwicklung der Dampfturbine

| Autor / Redakteur: M.A. Bernhard Richter / Katharina Juschkat

In unserer Serie „Technik kurz erklärt“ stellen wir jede Woche ein Meisterwerk der Konstruktion vor. Heute: Die Dampfturbine.

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Ein ausgemusterter Niederdruck-Turbinenläufer aus dem Kernkraftwerk Unterweser. Dampfturbinen setzen Wasserdampf über eine Turbine in Energie um.
Ein ausgemusterter Niederdruck-Turbinenläufer aus dem Kernkraftwerk Unterweser. Dampfturbinen setzen Wasserdampf über eine Turbine in Energie um.
(Bild: Niederdruck-Turbinenläufer / Niederdruck-Turbinenläufer / Wilfried Wittkowsky / CC BY-SA 3.0 / CC BY-SA 3.0)

Dampfturbinen sorgen dafür, dass ein Energieträger in Strom umgewandelt wird. Dabei treibt Wasserdampf die Turbine an, der Generator nutzt die Drehbewegung zur Stromerzeugung. Je höher der Druck und die Temperatur des Dampfes, desto mehr Energie hat er auch, die zu Strom umgewandelt wird.

So funktioniert eine Dampfturbine

Dampfturbinen werden heute hauptsächlich in Kraftwerken für fossile Brennstoffe oder in Kernkraftwerken eingesetzt. Dabei erhitzt der Energieträger, zum Beispiel Kohle oder Erdöl, in einem Dampferzeuger in der Regel Wasser unter hohem Druck, welches zu Wasserdampf verdampft. In der Turbine leistet der Dampf Arbeit und treibt sie damit an. Der Dampf verliert dadurch Druck und Wärme.

In einem Kondensator wird der Dampf anschließend weiter herunter gekühlt, bis er wieder zu Wasser kondensiert. Dabei entsteht meist nicht nutzbare Abwärme, die häufig über Kühltürme in die Umgebung entlassen wird. Eine Pumpe befördert das Wasser zurück in den Dampferzeuger, wo der Kreislauf von vorne beginnt. Die Pumpleistung benötigt bei weitem nicht so viel Energie zur Rückbeförderung, wie von den Turbinen aufgenommen wurde, da kondensiertes Wasser weit weniger Volumen besitzt als Dampf.

Leistung und Wirkungsgrad einer Dampfturbine

Dampfturbinen leisten mechanische Arbeit und können in einem Kraftwerk hunderte von Megawatt, teilweise sogar über ein Gigawatt Energie erzeugen. Der durchschnittliche Wirkungsgrad von Kraftwerken beträgt bei hohen Dampftemperaturen etwa 45 Prozent.

Die Dampftemperaturen waren lange Zeit auf 550 Grad Celsius beschränkt, da eine höhere Temperatur zwar für mehr Energie sorgt, aber auch die Lebensdauer der Turbinenschaufeln auf wenige Jahre begrenzt. Mit neuen Legierungen, etwa aus Nickel, ist es inzwischen möglich, die Dampftemperatur auf über 600 Grad Celsius zu erhitzen.

Geschichte der Dampfturbine: Die Parsons-Turbine als Schiffsantrieb

Lange, bevor Dampfturbinen in Wärmekraftwerken zur Stromversorgung eingesetzt wurden, fanden sie auch in Schiffen Einsatz, um den Wunsch nach immer höheren Schiffsgeschwindigkeiten nachzukommen. Anlässlich des sechzigsten Kronjubiläums von Queen Victoria segelten am 26. Juni 1897 Kriegsschiffe aus aller Herren Länder durch die Meerenge von Solent bei Southhampton, als etwas schier unglaubliches geschah: Ein nur etwa 30 Meter langes Privatboot schoss mit einer Geschwindigkeit von mehr als 60 km/h durch die Jubiläumsparade. Niemand konnte dem kleinen Schiff folgen. Ein Skandal. Und ein Triumph für Erfinder Charles Parson.

Der britische Maschinenbauer hatte seine Parsons-Turbine schon 13 Jahre vorher patentiert, aber kaum Beachtung gefunden. Der Auftritt auf dem Kronjubiläum aber war ein voller Erfolg für Parson: Schon im nächsten Jahr bekam er den Auftrag, einen Zerstörer zu bauen, der mit seinen Turbinen angetrieben werden sollte – die HMS Viper. Sie erreichte dann Geschwindigkeiten bis zu 36 Knoten – für diese Zeit unvorstellbar.

Turbine wandelt ohne Getriebe Drehbewegung um

Eine Dampfturbine, wie sie 1887 erstmals der Engländer Charles Parson baute.
Eine Dampfturbine, wie sie 1887 erstmals der Engländer Charles Parson baute.
(Bild: gemeinfrei / CC0 )

Seine Grundidee war, den Wasserdampf parallel zur Turbinenwelle durch mehrere Paare Lauf- und Leitschaufeln strömen zu lassen und an den Laufschaufeln ganz allmählich die Wärmeenergie des Wasserdampfes in eine Drehbewegung umzusetzen. Die Drehzahl seiner Turbine lag von Anfang an in einem Bereich, der ohne Getriebe von einem Generator in elektrischen Strom umgewandelt werden konnte.

Auch im zweiten Weltkrieg noch wurden große Kampfschiffe und Flugzeugträger mit Dampfturbinen betrieben. Erst, als der Ölpreis Mitte der Siebziger Jahre so weit stieg, dass sich der Einsatz der Dampfturbinen nicht mehr lohnte, setzte man vermehrt auf Dieselmotoren und Gasturbinen als Schiffsantrieb.

Parsons Dampfturbinenfirma existiert übrigens heute noch – als Teil von Siemens Power Generation Services.

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Über den Autor

M.A. Bernhard Richter

M.A. Bernhard Richter

Redakteur Online/Print/Video, konstruktionspraxis – Alles, was der Konstrukteur braucht