Dampfturbine

In einer Dampfturbine entspannt sich Dampf durch Reihen fester und bewegter Schaufeln: Aus seinem Druck wird Geschwindigkeit, und diese Geschwindigkeit dreht eine Welle. Charles Parsons kuppelte 1884 eine solche Turbine mit einem Dynamo; ihre Nachfolger treiben heute die Generatoren an, die den größten Teil des Stroms der Welt erzeugen.

Was es ist

Eine Dampfturbine ist ein Rad, das von Dampf angetrieben wird, ohne Kolben und ohne Kurbel. Der Dampf strömt durch Schaufelreihen rund um eine Welle und verlässt die Maschine mit viel geringerem Druck; die Energie, die er unterwegs abgibt, dreht die Welle. Die Bewegung ist gleichmäßig und schnell, genau richtig für einen elektrischen Generator.

Kohle- und Kernkraftwerke kochen Wasser, um diese Maschinen anzutreiben. Gas-und-Dampf-Kraftwerke erzeugen Dampf mit dem heißen Abgas einer Gasturbine, und Solarthermie- sowie die meisten Geothermiekraftwerke tun dasselbe mit Wärme aus Sonne oder Erdreich. Zusammen machen sie die Dampfturbine zur Quelle des größten Teils des Stroms der Welt.

Wie es funktioniert

Dampf gibt seine Energie ab, indem er sich entspannt. In einer Düse, einem sich verengenden Kanal, sinkt sein Druck und er wird schneller. An der engsten Stelle, dem Hals, kann er Schallgeschwindigkeit erreichen; um noch schneller zu werden, braucht er hinter dem Hals einen Kanal, der sich erweitert. Das ist die Trichterform der Düsen von de Laval. In jeder Stufe wirkt ein Kranz fester Leitschaufeln am Gehäuse wie eine Reihe von Düsen und lenkt den Dampf auf einen Kranz gekrümmter Laufschaufeln am Läufer. Sie lenken den Strahl um und werden dabei mitgenommen.

Das Gleichdruckrad von de Laval: sich erweiternde Düsen schicken ihre Strahlen durch einen einzigen Schaufelkranz.

In einer Gleichdruck- oder Aktionsstufe fällt fast der ganze Druck in den festen Düsen ab, und die Laufschaufeln fangen nur den Strahl auf. In einer Überdruck- oder Reaktionsstufe, wie Parsons sie wählte, verengen sich auch die Kanäle zwischen den Laufschaufeln. Der Dampf entspannt sich beim Durchströmen weiter und stößt sie beim Austritt zurück. In einer Parsons-Stufe verteilt sich die Entspannung etwa zu gleichen Teilen auf die feste und die bewegte Reihe.

Lässt man ein großes Druckgefälle durch eine einzige Düse ab, schießt der Strahl mit über 1.000 Metern pro Sekunde heraus, und Schaufeln arbeiten am besten bei etwa halber Strahlgeschwindigkeit. Ein einzelnes Rad muss dann gefährlich schnell laufen und braucht ein Getriebe. Parsons zerlegte das Gefälle in viele kleine Schritte, sodass die Welle mit einer Drehzahl läuft, die ein Dynamo verwerten kann.

Mit sinkendem Druck braucht der Dampf mehr Raum, deshalb werden die Schaufeln zum Austritt hin länger: In der letzten Reihe der für Hinkley Point C in England gebauten Turbinen messen sie 1,9 Meter.

Dampf, der ins Freie entweicht, hört beim Luftdruck auf, sich zu entspannen. Ein Kondensator, ein Behälter voller Rohre, die mit Fluss-, Meer- oder Kühlturmwasser gekühlt werden, verflüssigt den Abdampf und hält am Ende der Turbine ein fast vollständiges Vakuum. So kann sich der Dampf in der Turbine weiter entspannen und mehr Arbeit leisten, bevor er kondensiert. Parsons’ erste Kondensationsturbinen in Cambridge waren 1892 so sparsam wie die besten Kolbenmaschinen gleicher Leistung.

Dieser Kreislauf heißt Rankine-Prozess: Eine Pumpe drückt Wasser in den Kessel, der es verdampft; der Dampf entspannt sich in der Turbine, und der Kondensator macht ihn wieder zu Wasser für die Pumpe. Eine Flüssigkeit zu pumpen kostet wenig im Vergleich zu dem, was der Dampf hergibt, daher bleibt Nutzarbeit übrig. Die Pumpe stammt von der Kolbenpumpe ab, Kessel und Kondensator von der Dampfmaschine; ein Kühlschrank betreibt einen verwandten Kreislauf in umgekehrter Richtung.

Im 50-Hertz-Netz dreht sich ein zweipoliger Generator auf der Welle mit 3.000 Umdrehungen pro Minute, im 60-Hertz-Netz mit 3.600. Transformatoren heben danach die Spannung für die Leitungen an.

Wie man sie baut

Eine Kraftwerksturbine wird von einem Kessel gespeist, also einem Druckbehälter: Bauen Sie keinen. Dieses Modell läuft mit Luft. Sie brauchen eine Einweg-Kuchenform aus Aluminium, zwei Korken, eine Stricknadel, Trinkhalme, einen Pappkarton, Kleber und einen Föhn mit Kaltstufe oder eine Fahrradpumpe.

Ein Schaufelrad schneiden. Eine Scheibe von 10 cm ausschneiden. Vom Rand aus 12 bis 16 Schnitte machen, 2 cm vor der Mitte aufhören, und alle Flügel in dieselbe Richtung um etwa 30 Grad verdrehen.

Lagern. Das Rad auf einen Korken kleben, der auf der Nadel steckt; die Nadel dreht sich in zwei Halmstücken, die quer am Karton befestigt sind.

Rohr und Düse vergleichen. Mit derselben Pumpe, im selben Abstand und Winkel erst durch ein weites Rohr auf die Flügel blasen, dann durch einen gekürzten, schräg gehaltenen Trinkhalm, und beobachten, womit sich das Rad schneller dreht.

Eine Stufe hinzufügen. Ein zweites Rad mit gleichsinnig verdrehten Flügeln auf einen zweiten Korken auf derselben Nadel kleben, 3 cm hinter dem ersten. Dazwischen einen Pappring mit gegensinnig verdrehten Flügeln am Karton befestigen; sein Mittelloch muss so weit sein, dass er weder Nadel noch Räder berührt. Entlang der Nadel durch das vordere Rad blasen, dann den Ring herausnehmen und vergleichen: Die festen Flügel sollten die Luft, die das erste Rad verlässt, auf das zweite lenken.

Die Spannung messen. Einen kleinen Gleichstrom-Modellbaumotor mit einem Schlauchstück an die Nadel kuppeln und ein Multimeter im Gleichspannungsbereich an seine Klemmen anschließen. Kann das Rad den Motor drehen, steigt die Anzeige mit der Drehzahl.

Das Modell nicht mit Dampf betreiben. Kochendes Wasser wird zu mehr als dem Tausendfachen seines Volumens an Dampf, und ein beheiztes Gefäß, das verschlossen oder verstopft ist, baut Druck auf, bis es platzt. Echte Kessel folgen zugelassenen Konstruktionen, haben Sicherheitsventile und werden regelmäßig von einer befähigten Person geprüft; ein selbst gebauter Kessel bietet keine dieser Sicherheiten.

Sicherheit. Dampf verbrüht in Sekundenbruchteilen, auch an der Tülle eines Wasserkochers, wo er unsichtbar ist: Hände und Gesichter fernhalten. Niemals ein beheiztes Gefäß verschließen, zustopfen oder verstopfen. Ein laufendes Alurad hat scharfe Kanten und kann einen Flügel wegschleudern, also Schutzbrille tragen und Haare zusammenbinden. Nur einen kleinen Modellbaumotor und ein Messgerät verwenden, nie das Stromnetz, und den Föhn von Wasser fernhalten.

Geschichte und Entwicklung

Herons Aeolipile: Zwei Dampfstrahlen drehen die Kugel auf ihren Zapfen.

Im 1. Jahrhundert n. Chr. beschrieb Heron von Alexandria die Aeolipile, eine hohle Kugel, die von Dampf aus gebogenen Röhrchen gedreht wird. Sie ist das erste bekannte Gerät, das Dampf in Drehung verwandelt. 1629 veröffentlichte Giovanni Branca die Zeichnung einer Maschine, bei der ein Dampfstrahl auf ein Schaufelrad bläst; gebaut wurde sie wohl nie. In Schweden patentierte Gustaf de Laval 1883 ein kleines Reaktionsrad für seine Milchzentrifugen, 1889 dann eine einstufige Gleichdruckturbine mit Getriebe.

1884 kuppelte Charles Parsons, Teilhaber bei Clarke, Chapman in Gateshead, eine Turbine mit vielen Reaktionsstufen direkt mit einem Dynamo. Sie leistete 7,5 Kilowatt bei 18.000 Umdrehungen pro Minute, und 1888 beleuchteten rund 200 solcher Turbodynamos Schiffe. 1890 setzte das Kraftwerk Forth Banks in Newcastle als erstes Turbinen ein.

Turbinia in voller Fahrt: Drei Turbinen auf drei Wellen trieben neun Schrauben.

Um zu zeigen, was die Turbine als Schiffsantrieb leistet, baute Parsons die Turbinia, ein 31 Meter langes Boot, das 34,5 Knoten erreichte. Am 26. Juni 1897 ließ er sie unangemeldet an den Reihen der Kriegsschiffe bei der Flottenparade von Spithead vorbeifahren. 1905 empfahl ein Ausschuss der Admiralität Turbinen für alle Kriegsschiffklassen.

In den Vereinigten Staaten verkaufte Charles Curtis seine Rechte 1896 an General Electric. Sein Turbogenerator von 5.000 Kilowatt aus dem Jahr 1903, damals der stärkste der Welt, war 7,6 Meter hoch, gegenüber 18 Metern bei einer Kolbenmaschine ähnlicher Leistung. Die Turbosätze wuchsen auf 660 Megawatt in Drax in den 1970er-Jahren; die beiden für Hinkley Point C gebauten Turbinen sind für je 1.770 Megawatt ausgelegt.