Gasturbine

Beispiele für Gasturbinenkonfigurationen: (1) Turbojet, (2) Turboprop, (3) Turbowelle (elektrischer Generator), (4) High-Bypass-Turbofan, (5) Low-Bypass-Nachverbrennungsturbofan ⓘ

Eine Gasturbine, auch Verbrennungsturbine genannt, ist eine Art von Verbrennungsmotor mit kontinuierlicher Strömung. Die Hauptbestandteile, die allen Gasturbinentriebwerken gemeinsam sind, bilden den stromerzeugenden Teil (den so genannten Gasgenerator oder Kern) und sind in Strömungsrichtung:

• ein rotierender Gasverdichter
• eine Brennkammer
• eine vom Verdichter angetriebene Turbine. ⓘ

Je nach Anwendung muss der Gasgenerator um weitere Komponenten ergänzt werden. Allen gemeinsam ist ein Lufteinlass, der jedoch unterschiedlich konfiguriert ist, um den Anforderungen des Einsatzes auf See, an Land oder im Flug bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten von stationär bis Überschall gerecht zu werden. Eine Treibdüse wird hinzugefügt, um Schub für den Flug zu erzeugen. Eine zusätzliche Turbine wird zum Antrieb eines Propellers (Turboprop) oder eines Mantelfans (Turbofan) hinzugefügt, um den Treibstoffverbrauch (durch Erhöhung des Vortriebswirkungsgrads) bei Unterschallfluggeschwindigkeiten zu senken. Eine zusätzliche Turbine ist auch erforderlich, um einen Hubschrauberrotor oder ein Landfahrzeuggetriebe (Turbowelle), einen Schiffspropeller oder einen Stromgenerator (Nutzturbine) anzutreiben. Ein größeres Schub-Gewichts-Verhältnis für den Flug wird durch einen zusätzlichen Nachbrenner erreicht. ⓘ

Das Grundprinzip der Gasturbine ist ein Brayton-Zyklus mit Luft als Arbeitsmedium: Die atmosphärische Luft strömt durch einen Verdichter, der sie auf einen höheren Druck bringt; anschließend wird Energie zugeführt, indem Brennstoff in die Luft gesprüht und gezündet wird, so dass die Verbrennung einen Hochtemperaturstrom erzeugt; dieses unter Druck stehende Hochtemperaturgas tritt in eine Turbine ein und erzeugt dabei eine Wellenarbeit, die zum Antrieb des Verdichters dient; Die ungenutzte Energie wird in den Abgasen freigesetzt und kann für externe Zwecke verwendet werden, z. B. zur direkten Schuberzeugung in einem Turbinenstrahltriebwerk oder zum Antrieb einer zweiten, unabhängigen Turbine (einer so genannten Nutzturbine), die an einen Ventilator, einen Propeller oder einen Stromgenerator angeschlossen werden kann. Der Zweck der Gasturbine bestimmt die Konstruktion, so dass die wünschenswerteste Aufteilung der Energie zwischen dem Schub und der Wellenarbeit erreicht wird. Der vierte Schritt des Brayton-Zyklus (Kühlung des Arbeitsmediums) entfällt, da es sich bei Gasturbinen um offene Systeme handelt, die nicht dieselbe Luft wiederverwenden. ⓘ

Gasturbinen werden zum Antrieb von Flugzeugen, Zügen, Schiffen, elektrischen Generatoren, Pumpen, Gaskompressoren und Tanks verwendet. ⓘ

Turboproptriebwerk Lycoming T53 (Propellerabtrieb links über Reduktionsgetriebe) ⓘ

Eine Gasturbine (GT) ist eine Verbrennungskraftmaschine, in der ein Treibstoff verbrannt wird, um eine Heißgasströmung zu erzeugen, die beispielsweise genutzt werden kann, um durch eine Heißgas-Entspannungsturbine (mechanische) Rotationsenergie zu erzeugen. Neben dem Antrieb der Verdichterkomponente der Gasturbine kann die Rotationsenergie auch zum Antrieb gekuppelter Maschinen wie z. B. eines Erdgasverdichters oder eines Synchron-Generators verwendet werden. Die Heißgasströmung als Abgas wird bei ortsfester Nutzung für einen Abhitzedampfkessel zur Versorgung einer Dampfturbine genutzt. Im Falle einer mobilen Anwendung (Flugzeug) wird die Heißgasströmung meist zum Betrieb einer weiteren Turbine genutzt (siehe Turbofan und Turboprop). Damit kann deren Drehzahl deutlich niedriger als die der Gasturbine liegen sowie recht unabhängig geregelt sein bis hin zum Stillstehen. ⓘ

Physikalisch gesehen ist die Gasturbine eine thermische Strömungsmaschine (Turbomaschine) und damit eine Unterordnung der thermischen Fluidenergiemaschine. Das Wirkungsprinzip beruht auf dem in diesem Fall rechtslaufenden thermodynamischen Kreisprozess nach James Prescott Joule (Joule-Prozess; siehe Abschnitt „Funktionsweise“). ⓘ

Inklusive der Flugtriebwerke sind weltweit insgesamt deutlich mehr als 100.000 große Gasturbinen im Einsatz. ⓘ

Zeitleiste der Entwicklung

Skizze der Gasturbine von John Barber, aus seinem Patent ⓘ

• 50: Früheste Aufzeichnungen über Heros Motor (Aeolipile). Er diente höchstwahrscheinlich keinem praktischen Zweck, sondern war eher eine Kuriosität; nichtsdestotrotz demonstrierte er ein wichtiges physikalisches Prinzip, auf dem alle modernen Turbinenmotoren beruhen.
• 1000: Die "Trabende Pferdelampe" (chinesisch: 走马灯, zŏumădēng) wurde von den Chinesen bereits in der Nördlichen Song-Dynastie auf Laternenfesten verwendet. Wenn die Lampe angezündet wird, steigt der erhitzte Luftstrom auf und treibt ein Flügelrad an, auf dem reitende Figuren angebracht sind, deren Schatten dann auf den äußeren Schirm der Laterne projiziert werden.
• 1500: Leonardo da Vinci zeichnete die Rauchbuchse: Heiße Luft aus einem Feuer steigt durch ein einstufiges Axialturbinenrad, das im Abluftkanal des Kamins montiert ist, und dreht über eine Zahnrad-Kettenschaltung den Bratspieß.
• 1629: Dampfstrahlen treiben eine Impulsturbine an, die über ein von Giovanni Branca entwickeltes Kegelradgetriebe ein funktionierendes Stanzwerk antreibt.
• 1678: Ferdinand Verbiest baute ein Kutschenmodell, das von einem Dampfstrahl angetrieben wurde.
• 1791: Dem Engländer John Barber wird ein Patent für die erste echte Gasturbine erteilt. Seine Erfindung enthielt die meisten Elemente, die auch in den heutigen Gasturbinen zu finden sind. Die Turbine war für den Antrieb einer pferdelosen Kutsche bestimmt.
• 1861: Das britische Patent Nr. 1633 wurde Marc Antoine Francois Mennons für einen "Caloric engine" erteilt. Aus dem Patent geht hervor, dass es sich um eine Gasturbine handelt, und die Zeichnungen zeigen, dass sie für eine Lokomotive verwendet wurde. In dem Patent wird auch Nicolas de Telescheff (eigentlich Nicholas A. Teleshov) genannt, ein russischer Luftfahrtpionier.
• 1872: Ein von dem Berliner Ingenieur Franz Stolze entworfener Gasturbinenmotor gilt als erster Versuch, ein funktionierendes Modell zu bauen, das jedoch nie mit eigener Kraft lief.
• 1894: Sir Charles Parsons lässt sich die Idee, ein Schiff mit einer Dampfturbine anzutreiben, patentieren und baut ein Demonstrationsschiff, die Turbinia, das damals das mit Abstand schnellste Schiff auf See war. Dieses Antriebsprinzip wird auch heute noch genutzt.
• 1895: Drei 4-Tonnen-100-kW-Parsons-Radialstromgeneratoren werden im Kraftwerk von Cambridge installiert und zum Betrieb der ersten elektrischen Straßenbeleuchtung der Stadt eingesetzt.
• 1899: Charles Gordon Curtis patentiert den ersten Gasturbinenmotor in den USA ("Apparatus for generating mechanical power", Patent Nr. US635,919).
• 1900: Sanford Alexander Moss reichte eine Dissertation über Gasturbinen ein. Im Jahr 1903 wurde Moss Ingenieur in der Abteilung für Dampfturbinen von General Electric in Lynn, Massachusetts. Dort wandte er einige seiner Konzepte bei der Entwicklung des Turboladers an. Seine Konstruktion verwendet ein kleines Turbinenrad, das durch Abgase angetrieben wird, um einen Lader zu drehen.
• 1903: Der Norweger Ægidius Elling baute die erste Gasturbine, die mehr Energie erzeugen konnte, als für den Betrieb ihrer eigenen Komponenten erforderlich war, was in einer Zeit, in der das Wissen über Aerodynamik noch begrenzt war, als große Leistung angesehen wurde. Mit Hilfe von Rotationsverdichtern und Turbinen erzeugte sie 11 PS.
• 1906: Der Armengaud-Lemale-Turbinenmotor in Frankreich mit einer wassergekühlten Brennkammer.
• 1910: Die Holzwarth-Impulsturbine (Impulsverbrennung) erreicht 150 kW (200 PS).
• 1913: Nikola Tesla patentiert die Tesla-Turbine auf der Grundlage des Grenzschichteffekts.
• 1920er Jahre: Die praktische Theorie der Gasströmung durch Kanäle wird von A. A. Griffith zu einer formelleren (und auf Turbinen anwendbaren) Theorie der Gasströmung an Schaufeln weiterentwickelt, was 1926 zur Veröffentlichung von An Aerodynamic Theory of Turbine Design führt. Das Royal Aeronautical Establishment entwickelte Axialturbinen, die für den Antrieb eines Propellers geeignet waren, und bewies damit 1929 die Effizienz der aerodynamischen Formgebung der Schaufeln.
• 1930: Nachdem die RAF kein Interesse an seiner Idee gezeigt hatte, patentierte Frank Whittle den Entwurf einer Zentrifugalgasturbine für den Strahlantrieb. Der erste erfolgreiche Einsatz seines Triebwerks erfolgte im April 1937 in England.
• 1932: BBC Brown, Boveri & Cie aus der Schweiz beginnt mit dem Verkauf von Axialverdichter- und Turbinen-Turbosätzen als Teil des aufgeladenen Dampfkessels Velox. Nach dem Prinzip der Gasturbine sind die Dampfverdampferrohre innerhalb der Gasturbinenbrennkammer angeordnet; die erste Velox-Anlage wird in Mondeville, Calvados, Frankreich, errichtet.
• 1934: Raúl Pateras de Pescara patentiert den Freikolbenmotor als Gasgenerator für Gasturbinen.
• 1936: Whittle gründet mit anderen Investoren die Power Jets Ltd.
• 1937: Der Prototyp eines funktionierenden Düsentriebwerks läuft im Vereinigten Königreich (Frank Whittle) und in Deutschland (Hans von Ohain's Heinkel HeS 1). Henry Tizard sichert sich die Finanzierung der britischen Regierung für die weitere Entwicklung des Power Jets-Triebwerks.
• 1939: Erste 4-MW-Gasturbine von BBC Brown, Boveri & Cie. für ein Notstromkraftwerk in Neuchâtel, Schweiz.
• 1944: Der Junkers-Motor Jumo 004 geht in Serie und treibt die ersten deutschen Militärjets wie die Messerschmitt Me 262 an. Dies markiert den Beginn der Herrschaft der Gasturbinen am Himmel.
• 1946: Das National Gas Turbine Establishment wird aus Power Jets und der RAE-Turbinenabteilung gegründet, um die Arbeit von Whittle und Hayne Constant zusammenzuführen. In Beznau, Schweiz, wird die erste kommerzielle rekuperativ-erhitzte Anlage mit einer Leistung von 27 MW in Betrieb genommen.
• 1947: Eine Metropolitan Vickers G1 (Gatric) wird zur ersten Schiffsgasturbine, als sie die Seeerprobung auf dem Schiff M.G.B 2009 der Royal Navy abschließt. Die Gatric war eine von einem Flugzeug abgeleitete Gasturbine, die auf dem Strahltriebwerk Metropolitan Vickers F2 basierte.
• 1995: Siemens ist der erste Hersteller großer stromproduzierender Gasturbinen, der die Technologie der Einkristall-Turbinenschaufeln in seine Produktionsmodelle einbaut, was höhere Betriebstemperaturen und einen höheren Wirkungsgrad ermöglicht.
• 2011: Mitsubishi Heavy Industries testet in seinem Werk in Takasago, Hyōgo, die erste Gasturbine mit einem Wirkungsgrad von mehr als 60 % (die M501J). ⓘ

Betriebstheorie

Der Brayton-Zyklus ⓘ

In einer idealen Gasturbine durchlaufen die Gase vier thermodynamische Prozesse: eine isentrope Verdichtung, eine isobare (druckkonstante) Verbrennung, eine isentrope Expansion und die Wärmeabfuhr. Diese Prozesse bilden zusammen den Brayton-Zyklus. ⓘ

In einer echten Gasturbine wird mechanische Energie irreversibel (aufgrund von innerer Reibung und Turbulenzen) in Druck- und Wärmeenergie umgewandelt, wenn das Gas verdichtet wird (entweder in einem Zentrifugal- oder Axialverdichter). In der Verbrennungskammer wird Wärme zugeführt und das spezifische Volumen des Gases erhöht sich, begleitet von einem leichten Druckverlust. Bei der Expansion durch die Stator- und Rotorkanäle der Turbine findet erneut eine irreversible Energieumwandlung statt. Anstelle der abgeführten Wärme wird Frischluft angesaugt. ⓘ

Wenn dem Triebwerk eine Nutzturbine zum Antrieb eines Industriegenerators oder eines Hubschrauberrotors hinzugefügt wird, liegt der Austrittsdruck so nahe wie möglich am Eintrittsdruck, wobei nur so viel Energie übrig bleibt, dass die Druckverluste in der Abgasleitung überwunden und das Abgas ausgestoßen wird. Bei einem Turboprop-Triebwerk gibt es ein bestimmtes Gleichgewicht zwischen Propellerleistung und Strahlschub, das den wirtschaftlichsten Betrieb ermöglicht. Bei einem Turbostrahltriebwerk wird der Strömung nur so viel Druck und Energie entnommen, dass der Verdichter und andere Komponenten angetrieben werden. Die verbleibenden Hochdruckgase werden durch eine Düse beschleunigt, um einen Strahl für den Antrieb eines Flugzeugs zu erzeugen. ⓘ

Je kleiner das Triebwerk ist, desto höher muss die Drehzahl der Welle sein, um die erforderliche Schaufelspitzengeschwindigkeit zu erreichen. Die Schaufelspitzengeschwindigkeit bestimmt die maximalen Druckverhältnisse, die von der Turbine und dem Verdichter erreicht werden können. Dies wiederum begrenzt die maximale Leistung und den maximalen Wirkungsgrad, die vom Motor erreicht werden können. Wird der Durchmesser eines Rotors um die Hälfte verringert, muss sich die Drehzahl verdoppeln, damit die Spitzengeschwindigkeit konstant bleibt. Große Düsentriebwerke arbeiten beispielsweise mit 10.000 bis 25.000 Umdrehungen pro Minute, während Mikroturbinen bis zu 500.000 Umdrehungen pro Minute erreichen. ⓘ

Mechanisch gesehen sind Gasturbinen wesentlich weniger komplex als Kolbenverbrennungsmotoren. Einfache Turbinen können ein einziges bewegliches Hauptteil haben, nämlich die Baugruppe Verdichter/Welle/Turbinenrotor, und weitere bewegliche Teile im Kraftstoffsystem. Dies wiederum kann sich auf den Preis auswirken. Mit einem Materialpreis von 10.000 ℛℳ erwies sich der Jumo 004 beispielsweise als billiger als der Junkers 213-Kolbenmotor, der 35.000 ℛℳ kostete und für dessen Fertigstellung (einschließlich Herstellung, Montage und Versand) nur 375 Arbeitsstunden von weniger qualifizierten Arbeitskräften erforderlich waren, verglichen mit 1.400 für den BMW 801. Dies bedeutete jedoch auch eine geringere Effizienz und Zuverlässigkeit. Fortschrittlichere Gasturbinen (wie sie in modernen Düsentriebwerken oder Kombikraftwerken zu finden sind) können zwei oder drei Wellen (Spools), Hunderte von Verdichter- und Turbinenschaufeln, bewegliche Statorschaufeln und umfangreiche externe Rohrleitungen für Kraftstoff-, Öl- und Luftsysteme haben; sie verwenden temperaturbeständige Legierungen und werden nach strengen Spezifikationen hergestellt, die eine präzise Fertigung erfordern. All dies macht die Konstruktion einer einfachen Gasturbine oft komplizierter als die eines Kolbenmotors. ⓘ

Um eine optimale Leistung in modernen Gasturbinenkraftwerken zu erreichen, muss das Gas zudem nach genauen Brennstoffspezifikationen aufbereitet werden. Mit Hilfe von Brenngasaufbereitungsanlagen wird das Erdgas so aufbereitet, dass es vor dem Eintritt in die Turbine die exakten Brennstoffspezifikationen in Bezug auf Druck, Temperatur, Gaszusammensetzung und den entsprechenden Wobbe-Index erfüllt. ⓘ

Der Hauptvorteil eines Gasturbinentriebwerks ist sein Leistungsgewicht. Da ein relativ leichtes Triebwerk eine beträchtliche Nutzleistung erbringen kann, sind Gasturbinen perfekt für den Antrieb von Flugzeugen geeignet. ⓘ

Axial- und Gleitlager sind ein entscheidender Teil der Konstruktion. Es handelt sich um hydrodynamische Öllager oder ölgekühlte Wälzkörperlager. Folienlager werden in einigen kleinen Maschinen wie z. B. Mikroturbinen verwendet und haben auch ein großes Potenzial für den Einsatz in kleinen Gasturbinen/Hilfsturbinen ⓘ

Kriechen

Eine große Herausforderung bei der Konstruktion von Turbinen, insbesondere von Turbinenschaufeln, ist die Verringerung des Kriechens, das durch die hohen Temperaturen und Spannungen während des Betriebs verursacht wird. Um den Wirkungsgrad zu erhöhen, werden ständig höhere Betriebstemperaturen angestrebt, was jedoch mit höheren Kriechraten einhergeht. Es wurden daher verschiedene Methoden angewandt, um eine optimale Leistung bei gleichzeitiger Begrenzung des Kriechens zu erreichen. Die erfolgreichsten sind Hochleistungsbeschichtungen und einkristalline Superlegierungen. Diese Technologien funktionieren, indem sie die Verformung begrenzen, die durch Mechanismen auftritt, die allgemein als Versetzungsgleiten, Versetzungsklettern und Diffusionsfluss klassifiziert werden können. ⓘ

Schutzbeschichtungen sorgen für die thermische Isolierung der Schaufel und bieten Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit. Wärmedämmschichten (TBCs) sind häufig stabilisierte Keramiken auf Zirkoniumdioxidbasis, und oxidations- und korrosionsbeständige Beschichtungen (bond coats) bestehen in der Regel aus Aluminiden oder MCrAlY-Legierungen (wobei M typischerweise Fe und/oder Cr ist). Durch die Verwendung von TBCs wird die Temperaturexposition des Superlegierungssubstrats begrenzt, wodurch die Diffusionsfähigkeit der aktiven Spezies (in der Regel Leerstellen) innerhalb der Legierung verringert und das Kriechen von Versetzungen und Leerstellen reduziert wird. Es wurde festgestellt, dass eine Beschichtung von 1-200 μm die Schaufeltemperaturen um bis zu 200 °C (392 °F) senken kann. Bond Coats werden direkt auf die Oberfläche des Substrats mittels Pack-Carburization aufgetragen und dienen dem doppelten Zweck, eine bessere Haftung für die TBC und eine bessere Oxidationsbeständigkeit für das Substrat zu gewährleisten. Das Al aus den Haftschichten bildet Al₂O₃ an der Grenzfläche zwischen TBC und Haftschicht, was die Oxidationsbeständigkeit gewährleistet, aber auch zur Bildung einer unerwünschten Interdiffusionszone (ID) zwischen sich und dem Substrat führt. Die Oxidationsbeständigkeit überwiegt die mit der ID-Zone verbundenen Nachteile, da sie die Lebensdauer der Schaufeln erhöht und die durch Ablagerungen an der Außenseite der Schaufeln verursachten Effizienzverluste begrenzt. ⓘ

Superlegierungen auf Nickelbasis weisen aufgrund ihrer Zusammensetzung und der daraus resultierenden Mikrostruktur eine höhere Festigkeit und Kriechbeständigkeit auf. Das Gamma-(γ)-FCC-Nickel wird mit Aluminium und Titan legiert, um eine gleichmäßige Dispersion der kohärenten Ni₃(Al,Ti)-Gamma-Phasen (γ') auszufällen. Die fein verteilten γ'-Ausscheidungen behindern die Versetzungsbewegung und führen eine Schwellenspannung ein, die die für das Einsetzen des Kriechens erforderliche Spannung erhöht. Außerdem ist γ' eine geordnete L1₂-Phase, die es den Versetzungen erschwert, an ihr vorbeizuscheren. Weitere hochschmelzende Elemente wie Rhenium und Ruthenium können in fester Lösung hinzugefügt werden, um die Kriechfestigkeit zu verbessern. Durch den Zusatz dieser Elemente wird die Diffusion der Gamma-Prime-Phase verringert, so dass die Ermüdungsfestigkeit, die Festigkeit und die Kriechfestigkeit erhalten bleiben. Die Entwicklung von Einkristall-Superlegierungen hat ebenfalls zu erheblichen Verbesserungen der Kriechfestigkeit geführt. Da es keine Korngrenzen gibt, eliminieren Einkristalle das Coble-Kriechen und verformen sich folglich durch weniger Modi, wodurch die Kriechrate sinkt. Obwohl Einkristalle bei hohen Temperaturen ein geringeres Kriechverhalten aufweisen, haben sie bei Raumtemperatur, wo die Festigkeit durch die Hall-Petch-Beziehung bestimmt wird, deutlich niedrigere Streckspannungen. Die Konstruktionsparameter müssen sorgfältig optimiert werden, um das Kriechen bei hohen Temperaturen zu begrenzen, ohne die Streckgrenze bei niedrigen Temperaturen zu verringern. ⓘ

Typen

Strahltriebwerke

Eine Strahlturbine soll hauptsächlich die kinetische Energie des Verbrennungsgases in Form von Schub bereitstellen. Neben dem Antrieb von Nebenaggregaten wird vorwiegend die Energie des heißen Gasstrahls ausgenutzt („Turbojet“), von der Welle wird keine Rotationsenergie abgegriffen. Bei Mantelstromtriebwerken („Turbofan“) wird durch den „Fan“ (Bläser) ein Luftstrom an Brennkammer, Turbine und Schubdüse vorbei nach hinten geblasen. Dieser „Mantelstrom“ erzeugt bei modernen Strahltriebwerken den Hauptteil des Schubs. Der Fan wird entweder von einer eigenen Niederdruckturbine angetrieben (Zweiwellen-Triebwerk) oder von der Gasturbinenwelle über ein Getriebe („Getriebefan“-Triebwerk), das die Drehzahl reduziert und das Drehmoment erhöht. ⓘ

Eine besondere Verwendungsform sind die sogenannten Aero-Derivative, bei denen eine ursprünglich als Strahltriebwerk entwickelte Gasturbine für den Einsatz als Kraftmaschine zum Einsatz kommt. ⓘ

Ein typisches Gasturbinentriebwerk mit Axialströmung, das J85, wird zur Veranschaulichung zerlegt. Strömung von links nach rechts, mehrstufiger Verdichter links, Brennkammern in der Mitte, zweistufige Turbine rechts ⓘ

Gasturbinen werden auch in vielen Flüssigtreibstoffraketen eingesetzt, wo Gasturbinen eine Turbopumpe antreiben, um die Verwendung von leichten Niederdrucktanks zu ermöglichen und so das Leergewicht der Rakete zu verringern. ⓘ

Turboprop-Triebwerke

Ein Turboprop-Triebwerk ist ein Turbinentriebwerk, das einen Flugzeugpropeller über ein Untersetzungsgetriebe antreibt. Turboprop-Triebwerke werden in kleinen Flugzeugen wie der Cessna 208 Caravan für die allgemeine Luftfahrt und dem Embraer EMB 312 Tucano-Militärtrainer, in mittelgroßen Pendlerflugzeugen wie der Bombardier Dash 8 und in großen Flugzeugen wie dem Airbus A400M und dem 60 Jahre alten strategischen Bomber Tupolev Tu-95 eingesetzt. ⓘ

Aeroderivative Gasturbinen

Eine LM6000 in einer Anwendung in einem Kraftwerk ⓘ

Aeroderivative Gasturbinen basieren in der Regel auf bestehenden Flugzeuggasturbinen und sind kleiner und leichter als Industriegasturbinen. ⓘ

Sie sind kleiner und leichter als Industriegasturbinen. Aeroderivative Gasturbinen werden in der Stromerzeugung eingesetzt, da sie schneller abgeschaltet werden können und schneller auf Laständerungen reagieren als Industriemaschinen. Sie werden auch in der Schifffahrtsindustrie eingesetzt, um Gewicht zu sparen. Zu den gängigen Typen gehören die LM2500 von General Electric, die LM6000 von General Electric sowie abgeleitete Versionen der Pratt & Whitney PW4000 und der Rolls-Royce RB211. ⓘ

Amateur-Gasturbinen

Immer mehr Gasturbinen werden von Amateuren verwendet oder sogar selbst gebaut. ⓘ

In der einfachsten Form handelt es sich um kommerzielle Turbinen, die aus militärischen Überschüssen oder vom Schrottplatz erworben und dann im Rahmen des Hobbys des Motorensammelns zu Ausstellungszwecken betrieben werden. In ihrer extremsten Form haben Amateure sogar Motoren, die nicht mehr fachgerecht repariert werden konnten, umgebaut und sie dann für Landgeschwindigkeitsrekorde eingesetzt. ⓘ

Die einfachste Form der selbstgebauten Gasturbine verwendet einen Turbolader für Kraftfahrzeuge als Kernstück. Zwischen dem Verdichter- und dem Turbinenteil wird eine Verbrennungskammer gebaut und angeschlossen. ⓘ

Es werden auch anspruchsvollere Turbojets gebaut, deren Schubkraft und geringes Gewicht ausreichen, um große Modellflugzeuge anzutreiben. Bei der Schreckling-Konstruktion wird das gesamte Triebwerk aus Rohstoffen gebaut, einschließlich der Herstellung eines Zentrifugalverdichterrads aus Sperrholz, Epoxid und umwickelten Kohlefasersträngen. ⓘ

Mehrere kleine Unternehmen stellen inzwischen kleine Turbinen und Teile für den Amateur her. Die meisten turbogetriebenen Modellflugzeuge verwenden heute diese kommerziellen und halbkommerziellen Mikroturbinen und keine Schreckling-ähnlichen Eigenkonstruktionen. ⓘ

Hilfsturbinen

Kleine Gasturbinen werden als Hilfsturbinen (Auxiliary Power Units, APUs) eingesetzt, um größere, mobile Maschinen, wie z. B. Flugzeuge, mit Energie zu versorgen. Sie liefern:

• Druckluft für Klimaanlagen und Belüftung,
• Druckluft zum Anlassen größerer Düsentriebwerke,
• mechanische (Wellen-)Kraft für ein Getriebe zum Antrieb von wellenförmigem Zubehör oder zum Starten großer Düsentriebwerke und
• elektrische, hydraulische und andere Energieübertragungsquellen für die von der APU entfernten Verbrauchsgeräte. ⓘ

Industriegasturbinen für die Stromerzeugung

Die Gateway Generating Station, ein gasbefeuertes Kombikraftwerk in Kalifornien, verwendet zwei GE 7F.04 Verbrennungsturbinen für die Verbrennung von Erdgas. ⓘ

GE-Gasturbine der H-Serie für die Stromerzeugung: In der Kombikraftwerkskonfiguration beträgt ihr höchster thermodynamischer Wirkungsgrad 62,22 %. ⓘ

Industriegasturbinen unterscheiden sich von Flugzeugturbinen dadurch, dass die Rahmen, Lager und Schaufeln schwerer gebaut sind. Außerdem sind sie viel enger mit den Geräten, die sie antreiben - oft ein elektrischer Generator - und den Sekundärenergieanlagen, die zur Rückgewinnung der Restenergie (hauptsächlich Wärme) verwendet werden, verbunden. ⓘ

Ihre Größe reicht von tragbaren mobilen Anlagen bis hin zu großen, komplexen Systemen mit einem Gewicht von mehr als hundert Tonnen, die in eigens dafür errichteten Gebäuden untergebracht sind. Wird die Gasturbine ausschließlich für die Wellenleistung verwendet, liegt ihr thermischer Wirkungsgrad bei etwa 30 %. Es kann jedoch billiger sein, Strom zu kaufen als ihn zu erzeugen. Daher werden viele Motoren in KWK-Konfigurationen (Kraft-Wärme-Kopplung) eingesetzt, die so klein sind, dass sie in tragbare Container integriert werden können. ⓘ

Gasturbinen können besonders effizient sein, wenn die Abwärme der Turbine durch einen Abhitzedampferzeuger (HRSG) zurückgewonnen wird, um eine konventionelle Dampfturbine in einer kombinierten Zykluskonfiguration anzutreiben. Die 605 MW General Electric 9HA erreicht einen Wirkungsgrad von 62,22 % bei Temperaturen von bis zu 1.540 °C (2.800 °F). Für das Jahr 2018 bietet GE seine 826-MW-HA mit einem Wirkungsgrad von über 64 % im kombinierten Zyklus an, dank Fortschritten bei der additiven Fertigung und bahnbrechenden Verbrennungsmethoden, gegenüber 63,7 % bei den Bestellungen von 2017, und ist auf dem besten Weg, bis Anfang der 2020er Jahre 65 % zu erreichen. Im März 2018 erreichte GE Power einen Bruttowirkungsgrad von 63,08 % für seine 7HA-Turbine. ⓘ

Aeroderivative Gasturbinen können auch in kombinierten Kreisläufen eingesetzt werden, was zu einem höheren Wirkungsgrad führt, der jedoch nicht so hoch ist wie bei einer speziell entwickelten Industriegasturbine. Sie können auch in Kraft-Wärme-Kopplung betrieben werden: Die Abgase werden für die Raumheizung oder die Warmwasserbereitung verwendet oder treiben eine Absorptionskältemaschine an, die die Zuluft kühlt und so die Leistung erhöht (so genannte Turbinenzuluftkühlung). ⓘ

Ein weiterer bedeutender Vorteil ist, dass sie innerhalb von Minuten ein- und ausgeschaltet werden können, um bei Bedarfsspitzen oder außerplanmäßigem Bedarf Strom zu liefern. Da Einkreislaufkraftwerke (nur Gasturbinen) weniger effizient sind als Kombikraftwerke, werden sie in der Regel als Spitzenlastkraftwerke eingesetzt, die je nach Stromnachfrage und Erzeugungskapazität der Region zwischen einigen Stunden pro Tag und einigen Dutzend Stunden pro Jahr in Betrieb sind. In Gebieten mit einem Mangel an Grundlast- und Lastfolgekraftwerkskapazität oder mit niedrigen Brennstoffkosten kann ein Gasturbinenkraftwerk regelmäßig die meisten Stunden des Tages in Betrieb sein. Eine große Eintakt-Gasturbine erzeugt in der Regel 100 bis 400 Megawatt elektrische Leistung und hat einen thermodynamischen Wirkungsgrad von 35-40 %. ⓘ

Industriegasturbinen für mechanische Antriebe

Industriegasturbinen, die ausschließlich für den mechanischen Antrieb oder in Verbindung mit einem Rückgewinnungsdampferzeuger eingesetzt werden, unterscheiden sich von Stromerzeugungsaggregaten dadurch, dass sie häufig kleiner sind und über eine Doppel- statt eine Einzelwelle verfügen. Der Leistungsbereich reicht von 1 Megawatt bis zu 50 Megawatt. Diese Motoren sind direkt oder über ein Getriebe mit einer Pumpe oder einem Kompressor verbunden. Die meisten Anlagen werden in der Öl- und Gasindustrie eingesetzt. Mechanische Antriebsanwendungen erhöhen den Wirkungsgrad um etwa 2 %. ⓘ

Auf Öl- und Gasplattformen werden diese Motoren benötigt, um Kompressoren anzutreiben, die Gas in die Bohrlöcher einspritzen, um Öl durch eine andere Bohrung nach oben zu drücken, oder um das Gas für den Transport zu verdichten. Häufig werden sie auch zur Energieversorgung der Plattform eingesetzt. Diese Plattformen brauchen den Motor nicht in Verbindung mit einem KWK-System zu verwenden, da sie das Gas zu extrem niedrigen Kosten erhalten (oft kostenlos aus dem Abgas). Dieselben Unternehmen verwenden Pumpensätze, um die Flüssigkeiten in verschiedenen Intervallen an Land und über Pipelines zu fördern. ⓘ

Speicherung von Druckluftenergie

Eine moderne Entwicklung zielt darauf ab, die Effizienz auf andere Weise zu verbessern, indem Kompressor und Turbine durch einen Druckluftspeicher getrennt werden. Bei einer herkömmlichen Turbine wird bis zur Hälfte der erzeugten Energie für den Antrieb des Kompressors verwendet. Bei einer Druckluftspeicherkonfiguration wird der Strom, der z. B. aus einem Windpark stammt oder zu Zeiten geringer Nachfrage und niedriger Preise auf dem freien Markt eingekauft wird, zum Antrieb des Kompressors verwendet und die Druckluft bei Bedarf zum Betrieb der Turbine freigegeben. ⓘ

Turbinenwellenmotoren

Turbowellenmotoren werden für den Antrieb von Kompressoren in Gaspumpstationen und Erdgasverflüssigungsanlagen eingesetzt. Sie werden auch für den Antrieb aller modernen Hubschrauber außer den kleinsten verwendet. Eine Hauptwelle trägt den Verdichter und seine Turbine, die zusammen mit einer Brennkammer als Gasgenerator bezeichnet wird. Für den Antrieb des Rotors von Hubschraubern wird normalerweise eine separat drehende Nutzturbine verwendet. Dadurch, dass sich der Gasgenerator und die Nutzturbine/der Rotor mit ihren eigenen Geschwindigkeiten drehen können, sind sie flexibler in ihrer Konstruktion. ⓘ

Scale-Düsentriebwerke

Maßstabsgetreue Düsentriebwerke sind verkleinerte Versionen dieses frühen Großtriebwerks. ⓘ

Sie werden auch als Miniaturgasturbinen oder Mikrodüsen bezeichnet. ⓘ

In diesem Sinne hat der Pionier der modernen Micro-Jets, Kurt Schreckling, eine der ersten Micro-Turbinen der Welt, die FD3/67, entwickelt. Dieses Triebwerk kann bis zu 22 Newton Schubkraft erzeugen und kann von den meisten mechanisch begabten Menschen mit einfachen Werkzeugen, wie z. B. einer Metalldrehbank, gebaut werden. ⓘ

Mikroturbinen

Mikroturbinen, die sich aus Turboladern von Kolbenmotoren, Flugzeug-APUs oder kleinen Düsentriebwerken entwickelt haben, sind 25- bis 500-Kilowatt-Turbinen von der Größe eines Kühlschranks. Mikroturbinen haben ohne Rekuperator einen Wirkungsgrad von etwa 15 %, mit Rekuperator 20 bis 30 %, und in der Kraft-Wärme-Kopplung können sie einen kombinierten thermisch-elektrischen Wirkungsgrad von 85 % erreichen. ⓘ

Externe Verbrennung

Bei den meisten Gasturbinen handelt es sich um Verbrennungsmotoren, aber es ist auch möglich, eine Gasturbine mit externer Verbrennung herzustellen, bei der es sich im Grunde um eine Turbinenversion eines Heißluftmotors handelt. Diese Systeme werden gewöhnlich als EFGT (Externally Fired Gas Turbine) oder IFGT (Indirectly Fired Gas Turbine) bezeichnet. ⓘ

Die externe Verbrennung wurde für die Verwendung von Kohlenstaub oder fein gemahlener Biomasse (z. B. Sägemehl) als Brennstoff eingesetzt. Beim indirekten System wird ein Wärmetauscher verwendet, und nur saubere Luft ohne Verbrennungsprodukte durchströmt die Turbine. Der thermische Wirkungsgrad ist bei der indirekten Art der externen Verbrennung geringer, aber die Turbinenschaufeln sind keinen Verbrennungsprodukten ausgesetzt, und es können wesentlich minderwertige (und daher billigere) Brennstoffe verwendet werden. ⓘ

Bei der externen Verbrennung ist es möglich, die Abluft der Turbine als primäre Verbrennungsluft zu verwenden. Dadurch werden die globalen Wärmeverluste wirksam verringert, obwohl Wärmeverluste im Zusammenhang mit den Verbrennungsabgasen unvermeidlich bleiben. ⓘ

Geschlossene Gasturbinen auf der Basis von Helium oder überkritischem Kohlendioxid sind ebenfalls vielversprechend für den Einsatz bei der künftigen Hochtemperatur-Solar- und Kernenergieerzeugung. ⓘ

In Überwasserfahrzeugen

MAZ-7907, ein Transporter, der mit einem turbinen-elektrischen Getriebe ausgestattet ist ⓘ

Gasturbinen werden häufig in Schiffen, Lokomotiven, Hubschraubern, Panzern und in geringerem Umfang auch in Autos, Bussen und Motorrädern eingesetzt. ⓘ

Ein entscheidender Vorteil von Strahltriebwerken und Turboprops für den Antrieb von Flugzeugen - ihre überlegene Leistung in großer Höhe im Vergleich zu Kolbenmotoren, insbesondere Saugmotoren - ist für die meisten Automobilanwendungen irrelevant. Ihr Leistungsgewichtvorteil ist zwar weniger kritisch als bei Flugzeugen, aber dennoch wichtig. ⓘ

Gasturbinen bieten einen leistungsstarken Motor in einem sehr kleinen und leichten Paket. Sie sind jedoch nicht so reaktionsschnell und effizient wie kleine Kolbenmotoren in dem breiten Drehzahl- und Leistungsbereich, der für Fahrzeuganwendungen erforderlich ist. In Serienhybridfahrzeugen sind die antreibenden Elektromotoren mechanisch vom stromerzeugenden Motor getrennt, so dass die Probleme des Ansprechverhaltens, der schlechten Leistung bei niedrigen Drehzahlen und des geringen Wirkungsgrads bei niedriger Leistung weniger ins Gewicht fallen. Die Turbine kann mit der für ihre Leistung optimalen Drehzahl betrieben werden, und Batterien und Ultrakondensatoren können je nach Bedarf Strom liefern, wobei der Motor ein- und ausgeschaltet werden kann, um ihn nur mit hohem Wirkungsgrad zu betreiben. Das Aufkommen des stufenlosen Getriebes könnte auch das Problem des Ansprechverhaltens mildern. ⓘ

Die Herstellung von Turbinen war in der Vergangenheit teurer als die von Kolbenmotoren, was jedoch zum Teil darauf zurückzuführen ist, dass Kolbenmotoren seit Jahrzehnten in großen Mengen hergestellt werden, während kleine Gasturbinenmotoren eine Rarität sind; Turbinen werden jedoch in der eng verwandten Form des Turboladers serienmäßig hergestellt. ⓘ

Der Turbolader ist im Grunde eine kompakte und einfache Radialgasturbine mit freier Welle, die von den Abgasen des Kolbenmotors angetrieben wird. Das zentripetale Turbinenrad treibt über eine gemeinsame Drehwelle ein zentrifugales Verdichterrad an. Dieses Rad lädt die vom Motor angesaugte Luft bis zu einem Grad auf, der durch ein Wastegate oder durch dynamische Änderung der Geometrie des Turbinengehäuses (wie bei einem Turbolader mit variabler Geometrie) gesteuert werden kann. Der Turbolader dient in erster Linie der Energierückgewinnung, indem er einen großen Teil der ansonsten vergeudeten thermischen und kinetischen Energie in Ladedruck umwandelt. ⓘ

Turbo-Compound-Motoren (die derzeit in einigen Sattelschleppern eingesetzt werden) sind mit Abgasturbinen ausgestattet, die in Aufbau und Aussehen einem Turbolader ähneln mit dem Unterschied, dass die Turbinenwelle mechanisch oder hydraulisch mit der Kurbelwelle des Motors verbunden ist und nicht mit einem Zentrifugalkompressor, so dass anstelle von Ladedruck zusätzliche Leistung bereitgestellt wird. Während der Turbolader eine Druckturbine ist, handelt es sich bei einer Energierückgewinnungsturbine um eine Geschwindigkeitsturbine. ⓘ

Personenkraftwagen (Autos, Fahrräder und Busse)

Es wurde eine Reihe von Experimenten mit gasturbinenbetriebenen Fahrzeugen durchgeführt, das größte davon von Chrysler. In jüngster Zeit gibt es ein gewisses Interesse an der Verwendung von Turbinenmotoren für Hybrid-Elektroautos. So hat ein Konsortium unter der Leitung des Mikrogasturbinenunternehmens Bladon Jets eine Investition des Technology Strategy Board erhalten, um einen ultraleichten Range Extender (ULRE) für Elektrofahrzeuge der nächsten Generation zu entwickeln. Ziel des Konsortiums, dem auch der Luxusautohersteller Jaguar Land Rover und das führende Elektromaschinenunternehmen SR Drives angehören, ist es, den weltweit ersten kommerziell nutzbaren - und umweltfreundlichen - Gasturbinengenerator speziell für Automobilanwendungen zu entwickeln. ⓘ

Der übliche Turbolader für Benzin- oder Dieselmotoren ist ebenfalls ein Turbinen-Derivat. ⓘ

Konzeptfahrzeuge

Der Rover JET1 von 1950 ⓘ

Die erste ernsthafte Untersuchung des Einsatzes einer Gasturbine in Autos fand 1946 statt, als zwei Ingenieure, Robert Kafka und Robert Engerstein von Carney Associates, einem New Yorker Ingenieurbüro, das Konzept eines einzigartigen kompakten Turbinenmotors vorstellten, der ein Auto mit Hinterradantrieb antreiben sollte. Nachdem ein Artikel in Popular Science erschienen war, wurde das Konzept nur noch auf dem Papier weiterverfolgt. ⓘ

1950 stellten der Konstrukteur F.R. Bell und der Chefingenieur Maurice Wilks vom britischen Automobilhersteller Rover das erste mit einem Gasturbinenmotor angetriebene Auto vor. Der zweisitzige JET1 hatte den Motor hinter den Sitzen, Lufteinlassgitter auf beiden Seiten des Fahrzeugs und Auspufföffnungen oben am Heck. Bei Tests erreichte der Wagen eine Spitzengeschwindigkeit von 140 km/h bei einer Turbinendrehzahl von 50.000 U/min. Nachdem der JET1 1950 im Vereinigten Königreich und in den USA vorgestellt worden war, wurde er weiterentwickelt und im Juni 1952 auf der belgischen Jabbeke-Autobahn getestet, wo er eine Geschwindigkeit von 240 km/h erreichte. Der Wagen konnte mit Benzin, Petroleum oder Diesel betrieben werden, aber die Probleme mit dem Kraftstoffverbrauch erwiesen sich als unüberwindbar für ein Serienfahrzeug. Der JET1 ist im Londoner Wissenschaftsmuseum ausgestellt. ⓘ

Ein französisches Auto mit Turbinenantrieb, der SOCEMA-Grégoire, wurde im Oktober 1952 auf dem Pariser Autosalon vorgestellt. Er wurde von dem französischen Ingenieur Jean-Albert Grégoire entworfen. ⓘ

GM Firebird I ⓘ

Das erste in den USA gebaute Auto mit Turbinenantrieb war der GM Firebird I, der 1953 in die Wertung kam. Während Fotos des Firebird I den Eindruck erwecken, dass der Schub der Düsenturbine das Auto wie ein Flugzeug antrieb, trieb die Turbine tatsächlich die Hinterräder an. Der Firebird 1 war nie als kommerzieller Personenwagen gedacht und wurde ausschließlich für Test- und Evaluierungszwecke sowie für die Öffentlichkeitsarbeit gebaut. ⓘ

Motorraum eines Chrysler Turbinenfahrzeugs von 1963 ⓘ

Der amerikanische Automobilhersteller Chrysler, der 1954 mit einem modifizierten Plymouth begann, stellte von den frühen 1950er bis in die frühen 1980er Jahre mehrere Prototypen von Autos mit Gasturbinenantrieb vor. Chrysler baute 1963 fünfzig Chrysler Turbine Cars und führte den einzigen Verbrauchertest von Autos mit Gasturbinenantrieb durch. Jede dieser Turbinen verfügte über einen einzigartigen rotierenden Rekuperator, einen so genannten Regenerator, der den Wirkungsgrad erhöhte. ⓘ

1954 stellte Fiat ein Konzeptfahrzeug mit einem Turbinenmotor vor, das Fiat Turbina genannt wurde. Dieses Fahrzeug, das wie ein Flugzeug mit Rädern aussah, nutzte eine einzigartige Kombination aus Jet-Schub und dem Antrieb der Räder. Es wurde eine Geschwindigkeit von 282 km/h (175 mph) angegeben. ⓘ

Der ursprüngliche General Motors Firebird war eine Reihe von Konzeptfahrzeugen, die für die Motorama-Autoshows 1953, 1956 und 1959 entwickelt wurden und von Gasturbinen angetrieben wurden. ⓘ

In den 1960er Jahren entwickelten Ford und GM Gasturbinen-Sattelschlepper. Ein solcher Konzept-Lkw war als Big Red bekannt. Mit dem Anhänger war er 29 m lang und 4,0 m hoch und karminrot lackiert. Er enthielt den von Ford entwickelten Gasturbinenmotor mit 450 kW (600 PS) und 1.160 N⋅m (855 lb⋅ft). In der Kabine befanden sich eine Highway-Karte des amerikanischen Kontinents, eine Miniküche, ein Badezimmer und ein Fernseher für den Beifahrer. Das Schicksal des Lastwagens war jahrzehntelang unbekannt, doch Anfang 2021 wurde er in Privatbesitz wiederentdeckt, nachdem er restauriert worden war und wieder fahrbereit war. ⓘ

Infolge des U.S. Clean Air Act Amendments von 1970 wurden Forschungsarbeiten zur Entwicklung der Gasturbinentechnologie für Kraftfahrzeuge finanziert. Konstruktionskonzepte und Fahrzeuge wurden von Chrysler, General Motors, Ford (in Zusammenarbeit mit AiResearch) und American Motors (in Zusammenarbeit mit Williams Research) durchgeführt. Es wurden Langzeittests durchgeführt, um eine vergleichbare Kosteneffizienz zu ermitteln. Mehrere AMC Hornets wurden von einer kleinen regenerativen Williams-Gasturbine angetrieben, die 113 kg wog und 80 PS (60 kW; 81 PS) bei 4450 U/min leistete. ⓘ

Toyota stellte mehrere Konzeptfahrzeuge mit Gasturbinenantrieb vor, darunter den Century Gas Turbine Hybrid im Jahr 1975, den Sports 800 Gas Turbine Hybrid im Jahr 1979 und den GTV im Jahr 1985. Es wurden keine Serienfahrzeuge hergestellt. Der GT24-Motor wurde 1977 ohne ein Fahrzeug ausgestellt. ⓘ

In den frühen 1990er Jahren stellte Volvo den Volvo ECC vor, ein Hybrid-Elektrofahrzeug mit Gasturbinenantrieb. ⓘ

1993 stellte General Motors das erste kommerziell genutzte Hybridfahrzeug mit Gasturbinenantrieb vor - eine begrenzte Produktionsserie des Hybridfahrzeugs der EV-1-Serie. Eine 40-kW-Turbine von Williams International trieb einen Wechselstromgenerator an, der den batterieelektrischen Antriebsstrang versorgte. Die Turbine war mit einem Rekuperator ausgestattet. 2006 beteiligte sich GM zusammen mit Jay Leno an dem Konzeptfahrzeugprojekt EcoJet. ⓘ

Auf dem Pariser Autosalon 2010 stellte Jaguar sein Konzeptfahrzeug Jaguar C-X75 vor. Dieser elektrisch angetriebene Supersportwagen erreicht eine Höchstgeschwindigkeit von 328 km/h (204 mph) und beschleunigt in 3,4 Sekunden von 0 auf 100 km/h (0 auf 62 mph). Er nutzt Lithium-Ionen-Batterien, um vier Elektromotoren anzutreiben, die zusammen eine Leistung von 780 PS erzeugen. Mit einer Batterieladung kommt er 109 km weit, und zwei Bladon-Mikrogasturbinen sorgen für die Aufladung der Batterien, was die Reichweite auf 900 km erhöht. ⓘ

Rennwagen

Der STP Oil Treatment Special von 1967, ausgestellt im Indianapolis Motor Speedway Hall of Fame Museum, mit der Pratt & Whitney Gasturbine ⓘ

Ein Howmet TX von 1968, der einzige turbinengetriebene Rennwagen, der ein Rennen gewonnen hat ⓘ

Der erste Rennwagen, der mit einer Turbine ausgestattet war, wurde 1955 von einer Gruppe der US Air Force als Hobbyprojekt mit einer von Boeing geliehenen Turbine und einem Rennwagen der Firma Firestone Tire & Rubber gebaut. Der erste Rennwagen, der mit einer Turbine ausgestattet wurde, um tatsächlich Rennen zu fahren, wurde von Rover und dem BRM-Formel-1-Team gemeinsam entwickelt, um den Rover-BRM zu bauen, ein von einer Gasturbine angetriebenes Coupé, das 1963 am 24-Stunden-Rennen von Le Mans teilnahm und von Graham Hill und Richie Ginther gefahren wurde. Es erreichte eine Durchschnittsgeschwindigkeit von 107,8 mph (173,5 km/h) und eine Höchstgeschwindigkeit von 142 mph (229 km/h). Der Amerikaner Ray Heppenstall schloss sich 1968 mit der Howmet Corporation und McKee Engineering zusammen, um einen eigenen Gasturbinen-Sportwagen, den Howmet TX, zu entwickeln, der mehrere amerikanische und europäische Rennen bestritt, darunter zwei Siege, und auch an den 24 Stunden von Le Mans 1968 teilnahm. In den Fahrzeugen kamen Continental-Gasturbinen zum Einsatz, die schließlich sechs FIA-Landgeschwindigkeitsrekorde für turbinengetriebene Fahrzeuge aufstellten. ⓘ

Im offenen Rennsport hätte das revolutionäre STP-Paxton Turbocar von 1967, das von der Renn- und Unternehmerlegende Andy Granatelli eingesetzt und von Parnelli Jones gefahren wurde, beinahe die 500 Meilen von Indianapolis gewonnen. Der von Pratt & Whitney ST6B-62 angetriebene Turbinenwagen lag fast eine Runde vor dem zweitplatzierten Auto, als drei Runden vor dem Ziel ein Getriebelager ausfiel. Im Jahr darauf gewann der Turbinenwagen STP Lotus 56 die Pole Position bei den Indianapolis 500, obwohl neue Regeln den Lufteinlass drastisch einschränkten. 1971 stellte Colin Chapman, der Leiter des Teams Lotus, den Lotus 56B F1 vor, der von einer Pratt & Whitney STN 6/76 Gasturbine angetrieben wurde. Chapman hatte den Ruf, radikale Rennwagen zu bauen, mit denen er Meisterschaften gewinnen konnte, musste das Projekt aber aufgeben, weil es zu viele Probleme mit dem Turboloch gab. ⓘ

Busse

Die Einführung der Capstone-Turbine führte zu mehreren Hybridbus-Konstruktionen, angefangen mit dem HEV-1 von AVS aus Chattanooga, Tennessee, im Jahr 1999, dicht gefolgt von Ebus und ISE Research in Kalifornien sowie der DesignLine Corporation in Neuseeland (und später in den USA). Die Turbinenhybride von AVS waren von Problemen mit der Zuverlässigkeit und der Qualitätskontrolle geplagt, so dass AVS 2003 aufgelöst wurde. Das erfolgreichste Design von Designline wird heute in fünf Städten in sechs Ländern eingesetzt, wobei weltweit über 30 Busse in Betrieb sind und mehrere hundert an Baltimore und New York City geliefert werden sollen. ⓘ

In Brescia, Italien, werden serielle Hybridbusse mit Mikroturbinenantrieb auf Strecken durch die historischen Stadtteile eingesetzt. ⓘ

Motorräder

Das MTT Turbine Superbike erschien im Jahr 2000 (daher die Bezeichnung Y2K Superbike by MTT) und ist das erste Serienmotorrad, das von einem Turbinenmotor angetrieben wird - genauer gesagt von einem Rolls-Royce Allison Modell 250 Turbomotor, der etwa 283 kW (380 PS) leistet. Es wurde mit einer Geschwindigkeit von 365 km/h oder 227 mph getestet (einigen Berichten zufolge ging dem Testteam während des Tests die Straße aus) und hält den Guinness-Weltrekord für das leistungsstärkste Serienmotorrad und das teuerste Serienmotorrad mit einem Preis von 185.000 US-Dollar. ⓘ

Züge

Mehrere Lokomotivklassen wurden von Gasturbinen angetrieben, die jüngste Inkarnation ist der JetTrain von Bombardier. ⓘ

Panzer

Marineinfanteristen des 1st Tank Battalion laden eine Honeywell AGT1500 Multi-Fuel-Turbine in einen M1 Abrams-Panzer in Camp Coyote, Kuwait, Februar 2003 ⓘ

Die Entwicklungsabteilung des Heeres der Dritten Reichswehr, das Heereswaffenamt, untersuchte ab Mitte 1944 eine Reihe von Gasturbinenmotorkonzepten für den Einsatz in Panzern. Das erste Gasturbinentriebwerk, das für den Antrieb von gepanzerten Kampffahrzeugen vorgesehen war, das GT 101 auf Basis des BMW 003, war für den Einbau in den Panther-Panzer gedacht. ⓘ

Der zweite Einsatz einer Gasturbine in einem gepanzerten Kampffahrzeug erfolgte 1954, als ein von C. A. Parsons and Company speziell für Panzer entwickeltes Aggregat, PU2979, in einen britischen Conqueror-Panzer eingebaut und erprobt wurde. Der Stridsvagn 103 wurde in den 1950er Jahren entwickelt und war der erste in Serie hergestellte Kampfpanzer mit einem Turbinentriebwerk, dem Boeing T50. Seitdem werden Gasturbinenmotoren als Hilfstriebwerke in einigen Panzern und als Hauptantriebsaggregate u. a. in den sowjetischen/russischen T-80 und den amerikanischen M1 Abrams-Panzern eingesetzt. Sie sind bei gleicher Dauerleistung leichter und kleiner als Dieselmotoren, aber die bisher installierten Modelle sind weniger kraftstoffsparend als die entsprechenden Dieselmotoren, vor allem im Leerlauf, so dass mehr Kraftstoff benötigt wird, um die gleiche Kampfreichweite zu erzielen. Die Nachfolgemodelle des M1 haben dieses Problem mit Batteriepaketen oder sekundären Generatoren gelöst, die die Systeme des Panzers im Stillstand mit Strom versorgen und so Treibstoff sparen, da die Hauptturbine nicht mehr im Leerlauf betrieben werden muss. Die T-80 können drei große externe Treibstofffässer anbringen, um ihre Reichweite zu erhöhen. Russland hat die Produktion des T-80 zugunsten des dieselbetriebenen T-90 (der auf dem T-72 basiert) eingestellt, während die Ukraine die dieselbetriebenen T-80UD und T-84 entwickelt hat, die fast die Leistung des Gasturbinenpanzers haben. Das Dieseltriebwerk des französischen Leclerc-Panzers ist mit dem hybriden Aufladesystem "Hyperbar" ausgestattet, bei dem der Turbolader des Motors vollständig durch eine kleine Gasturbine ersetzt wird, die gleichzeitig als unterstützter Dieselabgasturbolader arbeitet, wodurch eine drehzahlunabhängige Steuerung des Ladedrucks und ein höherer Spitzenladedruck (als bei herkömmlichen Turboladern) erreicht werden können. Mit diesem System kann ein kleinerer und leichterer Motor als Antriebsaggregat des Tanks verwendet werden, und das Turboloch wird wirksam beseitigt. Diese spezielle Gasturbine/Turbolader kann auch unabhängig vom Hauptmotor als gewöhnliche APU arbeiten. ⓘ

Eine Turbine ist theoretisch zuverlässiger und wartungsfreundlicher als ein Kolbentriebwerk, da sie eine einfachere Konstruktion mit weniger beweglichen Teilen aufweist, aber in der Praxis unterliegen die Turbinenteile aufgrund ihrer höheren Arbeitsgeschwindigkeiten einem höheren Verschleiß. Die Turbinenschaufeln sind sehr empfindlich gegenüber Staub und feinem Sand, so dass im Wüstenbetrieb mehrmals täglich Luftfilter eingebaut und gewechselt werden müssen. Ein unsachgemäß montierter Filter oder ein Geschoss- oder Granatsplitter, der den Filter durchschlägt, kann den Motor beschädigen. Kolbenmotoren (vor allem mit Turbolader) benötigen ebenfalls gut gewartete Filter, sind aber widerstandsfähiger, wenn der Filter versagt. ⓘ

Wie die meisten modernen Dieselmotoren, die in Tanks eingesetzt werden, sind auch Gasturbinen in der Regel Mehrstoffmotoren. ⓘ

Marineanwendungen

Schifffahrt

Die Gasturbine von MGB 2009 ⓘ

Gasturbinen werden in vielen Marineschiffen eingesetzt, wo sie wegen ihres hohen Leistungsgewichts und der daraus resultierenden Beschleunigung und Schnelligkeit der Schiffe geschätzt werden. ⓘ

Das erste mit einer Gasturbine angetriebene Marineschiff war das 1947 umgebaute Motor Gun Boat MGB 2009 (ehemals MGB 509) der Royal Navy. Metropolitan-Vickers stattete ihr F2/3-Düsentriebwerk mit einer Nutzturbine aus. Das Steam Gun Boat Grey Goose wurde 1952 auf Rolls-Royce-Gasturbinen umgerüstet und ab 1953 als solches betrieben. Die 1953 gebauten schnellen Patrouillenboote der Bold-Klasse, Bold Pioneer und Bold Pathfinder, waren die ersten Schiffe, die speziell für den Gasturbinenantrieb entwickelt wurden. ⓘ

Die ersten großen, teilweise mit Gasturbinen angetriebenen Schiffe waren die Fregatten der Royal Navy vom Typ 81 (Tribal-Klasse) mit kombinierten Dampf- und Gasturbinenantrieben. Das erste Schiff, HMS Ashanti, wurde 1961 in Dienst gestellt. ⓘ

Die deutsche Marine stellte 1961 die erste Fregatte der Köln-Klasse mit zwei Gasturbinen von Brown, Boveri & Cie in Dienst, dem ersten kombinierten Diesel- und Gasantriebssystem der Welt. ⓘ

Die sowjetische Marine nahm 1962 den ersten von 25 Zerstörern der Kaschin-Klasse mit 4 Gasturbinen in einem kombinierten Gas- und Gasantriebssystem in Betrieb. Diese Schiffe verwendeten 4 M8E-Gasturbinen, die 54.000-72.000 kW (72.000-96.000 PS) leisteten. Diese Schiffe waren die ersten großen Schiffe der Welt, die ausschließlich von Gasturbinen angetrieben wurden. ⓘ

Projekt 61 großes ASW-Schiff, Zerstörer der Kashin-Klasse ⓘ

Die dänische Marine hatte von 1965 bis 1990 sechs Torpedoboote der Søløven-Klasse (die Exportversion des britischen schnellen Patrouillenboots der Brave-Klasse) im Einsatz, die mit drei Bristol-Proteus- (später RR-Proteus-) Schiffsgasturbinen mit einer Gesamtleistung von 9.510 kW (12.750 PS) und zwei General-Motors-Dieselmotoren mit einer Leistung von 340 kW (460 PS) ausgestattet waren, um den Kraftstoffverbrauch bei niedrigeren Geschwindigkeiten zu senken. Außerdem wurden 10 Torpedo-/Lenkwaffenboote der Willemoes-Klasse (im Einsatz von 1974 bis 2000) gebaut, die mit drei Rolls Royce Marine Proteus-Gasturbinen mit einer Leistung von ebenfalls 9.510 kW (12.750 PS) ausgestattet waren, wie die Boote der Søløven-Klasse, und zwei General Motors-Dieselmotoren mit einer Leistung von 600 kW (800 PS), ebenfalls zur Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs bei langsamen Geschwindigkeiten. ⓘ

Die schwedische Marine baute zwischen 1966 und 1967 6 Torpedoboote der Spica-Klasse, die von 3 Bristol Siddeley Proteus 1282 Turbinen mit je 3.210 kW (4.300 PS) angetrieben wurden. Später kamen 12 modernisierte Schiffe der Norrköping-Klasse hinzu, die immer noch mit denselben Motoren ausgestattet waren. Die achteren Torpedorohre wurden durch Antischiffsraketen ersetzt und sie dienten als Raketenboote, bis das letzte 2005 außer Dienst gestellt wurde. ⓘ

Die finnische Marine stellte 1968 zwei Korvetten der Turunmaa-Klasse, Turunmaa und Karjala, in Dienst. Sie waren mit einer 16.410 kW (22.000 PS) starken Rolls-Royce Olympus TM1-Gasturbine und drei Wärtsilä-Schiffsdieseln für niedrigere Geschwindigkeiten ausgestattet. Sie waren die schnellsten Schiffe der finnischen Marine und erreichten regelmäßig Geschwindigkeiten von 35 Knoten bzw. 37,3 Knoten bei Probefahrten. Die Turunmaas wurden im Jahr 2002 außer Dienst gestellt. Die Karjala ist heute ein Museumsschiff in Turku, und die Turunmaa dient als schwimmende Maschinenwerkstatt und als Ausbildungsschiff für die Polytechnische Hochschule Satakunta. ⓘ

Die nächste Serie größerer Marineschiffe waren die vier kanadischen Hubschrauber-Zerstörer der Iroquois-Klasse, die 1972 in Dienst gestellt wurden. Sie verfügten über 2 ft-4-Hauptantriebsmotoren, 2 ft-12-Fahrmotoren und 3 Solar-Saturn-Generatoren mit 750 kW. ⓘ

Eine LM2500-Gasturbine auf der USS Ford ⓘ

Das erste Schiff mit Gasturbinenantrieb in den USA war der 1961 in Dienst gestellte Kutter Point Thatcher der US-Küstenwache, der von zwei 750-kW-Turbinen (1.000 PS) mit Verstellpropellern angetrieben wurde. Die größeren Hochleistungskutter der Hamilton-Klasse waren die erste Klasse von größeren Kuttern, die mit Gasturbinen ausgestattet waren. Der erste Kutter (USCGC Hamilton) wurde 1967 in Dienst gestellt. Seitdem treiben sie die Fregatten der Oliver Hazard Perry-Klasse, die Zerstörer der Spruance- und Arleigh Burke-Klasse und die Lenkwaffenkreuzer der Ticonderoga-Klasse der US Navy an. Die USS Makin Island, ein modifiziertes amphibisches Angriffsschiff der Wasp-Klasse, wird das erste amphibische Angriffsschiff der Marine sein, das von Gasturbinen angetrieben wird. Die Schiffsgasturbine arbeitet in einer korrosiveren Atmosphäre, da die Luft und der Kraftstoff Meersalz enthalten und billigere Kraftstoffe verwendet werden. ⓘ

Zivile Schifffahrt

Bis in die späten 1940er Jahre fand ein Großteil der Fortschritte bei Schiffsgasturbinen weltweit in Konstruktionsbüros und Werkstätten von Motorenherstellern statt, und die Entwicklungsarbeit wurde von der britischen Royal Navy und anderen Marinen geleitet. Während das Interesse an der Gasturbine für die Schifffahrt, sowohl für die Marine als auch für den Handel, weiter zunahm, begrenzte die mangelnde Verfügbarkeit von Betriebserfahrungen mit frühen Gasturbinenprojekten die Zahl der neuen Projekte für kommerzielle Seeschiffe, die in Angriff genommen wurden. ⓘ

1951 wurde der dieselelektrische Öltanker Auris mit einer Tragfähigkeit von 12 290 Tonnen (DWT) eingesetzt, um Betriebserfahrungen mit einer Gasturbine für den Hauptantrieb unter Betriebsbedingungen auf See zu sammeln, und wurde so zum ersten Hochseehandelsschiff mit Gasturbinenantrieb. Das von Hawthorn Leslie in Hebburn-on-Tyne (Vereinigtes Königreich) nach Plänen und Spezifikationen der Anglo-Saxon Petroleum Company gebaute Schiff, das am 21. Geburtstag der britischen Prinzessin Elizabeth im Jahr 1947 vom Stapel lief, war so konzipiert, dass der Maschinenraum versuchsweise mit Schweröl in einem der schnelllaufenden Motoren betrieben werden konnte und dass später einer der Dieselmotoren durch eine Gasturbine ersetzt werden konnte. Die Auris wurde dreieinhalb Jahre lang mit dem ursprünglich in Auftrag gegebenen dieselelektrischen Antrieb als Tanker betrieben. 1951 wurde jedoch einer der vier 824 kW (1.105 PS) starken Dieselmotoren - die die Namen "Faith", "Hope", "Charity" und "Prudence" trugen - durch die weltweit erste Schiffsgasturbine ersetzt, einen 890 kW (1.200 PS) starken Gasturbinengenerator mit offenem Kreislauf, der von der britischen Thompson-Houston Company in Rugby gebaut wurde. Nach einer erfolgreichen Probefahrt vor der Küste Northumbrias stach die Auris im Oktober 1951 von Hebburn-on-Tyne aus in See und fuhr zunächst nach Port Arthur in den USA und dann nach Curacao in der südlichen Karibik. Nach 44 Tagen auf See kehrte sie nach Avonmouth zurück und beendete damit erfolgreich ihre historische Atlantiküberquerung. Während dieser Zeit auf See verbrannte die Gasturbine Dieselkraftstoff und funktionierte ohne unfreiwilligen Stopp oder mechanische Probleme jeglicher Art. Anschließend besuchte sie Swansea, Hull, Rotterdam, Oslo und Southampton und legte insgesamt 13 211 Seemeilen zurück. Anschließend wurde die Auris durch eine direkt gekoppelte Gasturbine mit einer Leistung von 3.910 kW (5.250 PS) ersetzt und war damit das erste zivile Schiff, das ausschließlich mit einer Gasturbine betrieben wurde. ⓘ

Trotz des Erfolges dieser frühen Versuchsfahrt konnte die Gasturbine den Dieselmotor als Antriebsaggregat für große Handelsschiffe nicht ersetzen. Bei konstanten Reisegeschwindigkeiten war der Dieselmotor im wichtigen Bereich der Treibstoffersparnis einfach unschlagbar. Mehr Erfolg hatte die Gasturbine bei Schiffen der Royal Navy und den anderen Marineflotten der Welt, wo Kriegsschiffe im Einsatz plötzliche und schnelle Geschwindigkeitsänderungen erfordern. ⓘ

Die United States Maritime Commission suchte nach Möglichkeiten, die Liberty-Schiffe aus dem Zweiten Weltkrieg zu modernisieren, und die Wahl fiel unter anderem auf Hochleistungsgasturbinen. Im Jahr 1956 wurde die John Sergeant verlängert und mit einer 4.900 kW (6.600 PS) HD-Gasturbine von General Electric mit Abgasrückführung, Untersetzungsgetriebe und Verstellpropeller ausgestattet. Das Schiff war 9.700 Stunden in Betrieb und verbrauchte 7.000 Stunden lang Restbrennstoff (Bunker C). Die Kraftstoffeffizienz lag mit 0,318 kg/kW (0,523 lb/hp) pro Stunde auf dem Niveau des Dampfantriebs, und die Leistungsabgabe war mit 5.603 kW (7.514 shp) höher als erwartet, da die Umgebungstemperatur auf der Nordseeroute niedriger war als die Auslegungstemperatur der Gasturbine. Damit erreichte das Schiff eine Geschwindigkeit von 18 Knoten gegenüber 11 Knoten mit dem ursprünglichen Kraftwerk und lag weit über den angestrebten 15 Knoten. Die erste Transatlantiküberquerung absolvierte das Schiff mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 16,8 Knoten, und das trotz des rauen Wetters auf dem Weg. Geeigneter Bunker-C-Treibstoff war nur in begrenzten Häfen verfügbar, da die Qualität des Treibstoffs kritisch war. Außerdem musste das Heizöl an Bord aufbereitet werden, um Verunreinigungen zu reduzieren - ein arbeitsintensiver Prozess, der sich damals nicht automatisieren ließ. Schließlich beendete der Verstellpropeller, der eine neue und unerprobte Konstruktion war, den Versuch, da bei drei aufeinander folgenden jährlichen Inspektionen Spannungsrisse festgestellt wurden. Dies warf jedoch kein schlechtes Licht auf das Gasturbinenkonzept für Schiffsantriebe, und der Versuch war insgesamt ein Erfolg. Der Erfolg dieses Versuchs ebnete GE den Weg für die weitere Entwicklung von HD-Gasturbinen für den Schiffsbetrieb mit schweren Kraftstoffen. Die John Sergeant wurde 1972 in Portsmouth PA abgewrackt. ⓘ

Boeing Jetfoil 929-100-007 Urzela von TurboJET ⓘ

Boeing brachte im April 1974 sein erstes Tragflächenboot mit Wasserstrahlantrieb, die Boeing 929, auf den Markt, das Passagiere beförderte. Diese Schiffe wurden von zwei Allison 501-KF Gasturbinen angetrieben. ⓘ

Zwischen 1971 und 1981 betrieb Seatrain Lines einen Container-Liniendienst zwischen Häfen an der Ostküste der Vereinigten Staaten und Häfen in Nordwesteuropa über den Nordatlantik mit vier Containerschiffen von 26.000 Tonnen DWT. Diese Schiffe wurden von zwei Pratt & Whitney-Gasturbinen der Baureihe FT 4 angetrieben. Die vier Schiffe der Klasse erhielten die Namen Euroliner, Eurofreighter, Asialiner und Asiafreighter. Nach den dramatischen Preiserhöhungen der Organisation erdölexportierender Länder (OPEC) Mitte der 1970er Jahre wurde der Betrieb durch die steigenden Treibstoffkosten eingeschränkt. Es wurden einige Änderungen an den Motorensystemen dieser Schiffe vorgenommen, um die Verbrennung einer niedrigeren Kraftstoffsorte (d. h. Marinediesel) zu ermöglichen. Durch die Verwendung eines anderen, noch nicht getesteten Kraftstoffs in einer Schiffsgasturbine konnten die Kraftstoffkosten gesenkt werden, aber die Wartungskosten stiegen mit dem Kraftstoffwechsel. Nach 1981 wurden die Schiffe verkauft und mit den damals wirtschaftlicheren Dieselmotoren nachgerüstet, aber der größere Motor verringerte den Laderaum. ⓘ

Die erste Passagierfähre mit einer Gasturbine war die 1977 gebaute GTS Finnjet, die von zwei Pratt & Whitney FT 4C-1 DLF-Turbinen angetrieben wurde, die 55.000 kW (74.000 PS) leisteten und das Schiff auf eine Geschwindigkeit von 31 Knoten brachten. Die Finnjet verdeutlichte jedoch auch die Unzulänglichkeiten des Gasturbinenantriebs in der Berufsschifffahrt, da die hohen Treibstoffpreise ihren Betrieb unrentabel machten. Nach vier Jahren wurde das Schiff mit zusätzlichen Dieselmotoren ausgestattet, um die Betriebskosten in der Nebensaison zu senken. Die Finnjet war auch das erste Schiff mit einem kombinierten diesel-elektrischen und Gasantrieb. Ein weiteres Beispiel für den kommerziellen Einsatz von Gasturbinen in einem Passagierschiff sind die Schnellfähren der HSS-Klasse von Stena Line. Die Schiffe der HSS 1500-Klasse Stena Explorer, Stena Voyager und Stena Discovery nutzen kombinierte Gas- und Gasanlagen mit zwei GE LM2500 plus GE LM1600 mit einer Gesamtleistung von 68.000 kW (91.000 shp). Das etwas kleinere Schiff der HSS 900-Klasse, Stena Carisma, verwendet zwei ABB-STAL GT35-Turbinen mit einer Bruttoleistung von 34.000 kW (46.000 shp). Die Stena Discovery wurde 2007 aus dem Verkehr gezogen, ein weiteres Opfer der zu hohen Treibstoffkosten. ⓘ

Im Juli 2000 wurde die Millennium das erste Kreuzfahrtschiff, das sowohl von Gas- als auch von Dampfturbinen angetrieben wurde. Das Schiff verfügte über zwei Gasturbinengeneratoren des Typs LM2500 von General Electric, deren Abwärme zum Betrieb eines Dampfturbinengenerators in einer COGES-Konfiguration (kombinierte Gas- und Dampfturbine) genutzt wurde. Der Antrieb erfolgte über zwei elektrisch angetriebene Rolls-Royce Mermaid-Azimuth-Pods. Das Linienschiff RMS Queen Mary 2 verwendet eine kombinierte Diesel- und Gaskonfiguration. ⓘ

Der C5000 Mystic-Katamaran Miss GEICO aus dem Jahr 2010 nutzt zwei Lycoming T-55-Turbinen für sein Antriebssystem. ⓘ

Fortschritte in der Technologie

Die Gasturbinentechnologie hat sich seit ihren Anfängen stetig weiterentwickelt und wird auch weiterhin weiterentwickelt. In der Entwicklung werden sowohl kleinere Gasturbinen als auch leistungsstärkere und effizientere Motoren hergestellt. Zu diesen Fortschritten tragen die computergestützte Konstruktion (insbesondere computergestützte Strömungsmechanik und Finite-Elemente-Analyse) und die Entwicklung fortschrittlicher Werkstoffe bei: Grundwerkstoffe mit überlegener Hochtemperaturfestigkeit (z. B. einkristalline Superlegierungen, die eine Streckgrenzenanomalie aufweisen) oder Wärmedämmschichten, die das Strukturmaterial vor immer höheren Temperaturen schützen. Diese Fortschritte ermöglichen höhere Verdichtungsverhältnisse und Turbineneintrittstemperaturen, eine effizientere Verbrennung und eine bessere Kühlung der Motorteile. ⓘ

Die numerische Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics, CFD) hat durch ein besseres Verständnis der komplexen viskosen Strömungs- und Wärmeübertragungsphänomene zu erheblichen Verbesserungen der Leistung und Effizienz von Gasturbinentriebwerkskomponenten beigetragen. Aus diesem Grund ist CFD eines der wichtigsten Berechnungswerkzeuge, die bei der Konstruktion und Entwicklung von Gasturbinentriebwerken eingesetzt werden. ⓘ

Die Wirkungsgrade früherer Gasturbinen konnten durch Zwischenkühlung, Regeneration (oder Rekuperation) und Wiederaufheizung praktisch verdoppelt werden. Diese Verbesserungen gehen natürlich auf Kosten höherer Anschaffungs- und Betriebskosten und sind nur dann zu rechtfertigen, wenn der Rückgang der Brennstoffkosten den Anstieg der anderen Kosten ausgleicht. Die relativ niedrigen Brennstoffpreise, das allgemeine Bestreben der Industrie, die Installationskosten zu minimieren, und der enorme Anstieg des Wirkungsgrads auf etwa 40 Prozent im einfachen Zyklus ließen wenig Interesse an diesen Änderungen aufkommen. ⓘ

Auf der Emissionsseite besteht die Herausforderung darin, die Turbineneintrittstemperaturen zu erhöhen und gleichzeitig die Flammenspitzentemperatur zu senken, um niedrigere NOx-Emissionen zu erreichen und die neuesten Emissionsvorschriften zu erfüllen. Im Mai 2011 erreichte Mitsubishi Heavy Industries eine Turbineneintrittstemperatur von 1.600 °C bei einer 320-Megawatt-Gasturbine und 460 MW in Gasturbinen-Kombikraftwerksanwendungen, bei denen der thermische Bruttowirkungsgrad 60 % übersteigt. ⓘ

Nachgiebige Folienlager wurden in den 1990er Jahren kommerziell für Gasturbinen eingeführt. Diese halten mehr als hunderttausend Start-/Stopp-Zyklen stand und machen ein Ölsystem überflüssig. Die Anwendung von Mikroelektronik und Leistungsschalttechnik hat die Entwicklung einer kommerziell tragfähigen Stromerzeugung durch Mikrogasturbinen für die Verteilung und den Antrieb von Fahrzeugen ermöglicht. ⓘ

Vor- und Nachteile

Nachstehend sind die Vor- und Nachteile von Gasturbinenmotoren aufgeführt: Zu den Vorteilen gehören:

• Sehr hohes Leistungsgewicht im Vergleich zu Hubkolbenmotoren.
• Kleiner als die meisten Hubkolbenmotoren mit gleicher Leistung.
• Die gleichmäßige Drehung der Hauptwelle erzeugt weit weniger Vibrationen als ein Hubkolbenmotor.
• Weniger bewegliche Teile als bei Hubkolbenmotoren führen zu geringeren Wartungskosten und höherer Zuverlässigkeit/Verfügbarkeit über die gesamte Lebensdauer.
• Größere Zuverlässigkeit, insbesondere bei Anwendungen, die eine anhaltend hohe Leistung erfordern.
• Die Abwärme wird fast vollständig über das Abgas abgeführt. Dies führt zu einem Hochtemperatur-Abgasstrom, der sich sehr gut zum Kochen von Wasser in einem kombinierten Zyklus oder für die Kraft-Wärme-Kopplung eignet.
• Niedrigere Spitzenverbrennungsdrücke als bei Kolbenmotoren im Allgemeinen.
• Hohe Wellendrehzahlen in kleineren "freien Turbineneinheiten", obwohl größere Gasturbinen, die zur Stromerzeugung eingesetzt werden, mit Synchrondrehzahlen arbeiten.
• Niedrige Schmierölkosten und geringer Schmierölverbrauch.
• Kann mit einer Vielzahl von Brennstoffen betrieben werden.
• Sehr geringe toxische CO- und HC-Emissionen durch Luftüberschuss, vollständige Verbrennung und kein "Abschrecken" der Flamme an kalten Oberflächen. ⓘ

Nachteile sind:

• Die Kosten des Kernmotors können aufgrund der Verwendung exotischer Materialien hoch sein.
• Geringerer Wirkungsgrad als Hubkolbenmotoren bei Leerlaufdrehzahl.
• Längere Anlaufzeit als bei Hubkolbenmotoren.
• Reagiert im Vergleich zu Hubkolbenmotoren weniger schnell auf Änderungen des Leistungsbedarfs.
• Das charakteristische Heulen kann schwer zu unterdrücken sein. ⓘ

Wichtige Hersteller

• Siemens
• Ansaldo
• Mitsubishi Heavy
• Rolls Royce
• General Electric
• Silmasch
• ODK
• Pratt & Whitney
• P&W Kanada
• Alstom
• Zorya-Maschproekt
• MTU Aero Engines
• MAN Turbo
• IHI Gesellschaft
• Kawasaki Schwer
• HAL
• BHEL
• MAPNA
• Techwin
• Doosan Schwer
• Shanghai Electric
• Harbin Elektrisch
• AECC ⓘ

Prüfung

Britische, deutsche und andere nationale und internationale Prüfvorschriften werden zur Standardisierung der Verfahren und Definitionen für die Prüfung von Gasturbinen verwendet. Die Auswahl der zu verwendenden Prüfvorschrift ist eine Vereinbarung zwischen dem Käufer und dem Hersteller und hat eine gewisse Bedeutung für die Konstruktion der Turbine und der zugehörigen Systeme. In den Vereinigten Staaten hat ASME mehrere Leistungsprüfvorschriften für Gasturbinen erstellt. Dazu gehört ASME PTC 22-2014. Diese ASME-Leistungsprüfungsvorschriften haben internationale Anerkennung und Akzeptanz für die Prüfung von Gasturbinen erlangt. Das wichtigste Unterscheidungsmerkmal der ASME-Leistungsprüfungsnormen, einschließlich der PTC 22, besteht darin, dass die Messunsicherheit der Prüfung die Qualität der Prüfung angibt und nicht als kommerzielle Toleranz verwendet werden darf. ⓘ

Aufbau

Turboproptriebwerk: A Propeller, B Getriebe, C Verdichter, D Brennkammer, E Turbine, F Düse. Die Gasturbine besteht aus den Teilen C bis F. ⓘ

Die Gasturbine besteht prinzipiell (in Strömungsrichtung gesehen) aus einem Lufteintrittsgehäuse, einem meist mehrstufigen GT-Verdichter, einem Brennkammer-System, einer Turbine, sowie einem Abgasgehäuse mit Diffusor. Verdichter und Turbine sind grundsätzlich auf einer Welle angeordnet; über die Welle treibt die Turbine den Verdichter an. ⓘ

Soll die Gasturbine Wellenleistung liefern (Rotationsenergie an einer Abtriebswelle), dann sind zwei Bauformen gebräuchlich:

1. Die Abtriebswelle kann (meist über ein Getriebe) an die Turbinen-Verdichter-Welle angeschlossen sein, direkt mechanisch gekoppelt.
2. Der Heißgas-Abgasstrahl wird über eine weitere Turbine geführt, die auf einer zweiten Welle sitzt, die dann die Abtriebswelle ist. Es besteht nur eine fluiddynamische Kopplung. ⓘ

Stationäre Wellenleistungs-Gasturbinen ⓘ

Die Übertragung der Wellenleistung an einen Synchrongenerator erfolgt bei kleineren Leistungen mit einem Lastgetriebe (max. 70 MW), da die GT-Drehzahlen viel höher sind als die Synchrondrehzahl. Bei großen Leistungen ist die GT-Drehzahl meist entsprechend der Synchrondrehzahl ausgelegt, so dass direkt gekuppelt werden kann. ⓘ

GT kleinerer Leistungen werden zusammen mit den notwendigen Hilfssystemen (Schmier- und Hydrauliköl, Anfahreinrichtung etc.) auf einem gemeinsamen Grundrahmen gebaut und mit einer Einhausung (zur Verhinderung der Schall- und Wärmeabstrahlung) versehen (Package-Bauweise für Hallen- oder Freiluftaufstellung). ⓘ

Einlauf

Der Lufteinlauf dient der strömungsdynamischen Anpassung zwischen der Einsatzumgebung und dem Verdichter. Bei stationärem Einsatz oder geringen Geschwindigkeiten dient der Einlauf nur der sauberen Luftführung ohne Verwirbelung oder Strömungsablösungen. Im Lufteinlass befindet sich der Einlasskonus und bei Turbofantriebwerken der Fan („Bläser“). ⓘ

Insbesondere bei hohen Lufteintritts-Geschwindigkeiten hat der Einlauf die Funktion eines Diffusors, der die dort einströmende Luftmasse abbremst (in Bezug auf die Gasturbine) und vorverdichtet. Dies ist besonders bei Flugzeugen bei Überschallgeschwindigkeit notwendig, da die Strömung vor Eintritt in die Verdichterstufen auf (relative) Unterschallgeschwindigkeit abgebremst werden muss. ⓘ

Verdichter/Kompressor

CAD-Darstellung eines Turbofantriebwerks im Bereich des Verdichters. Leitschaufeln nicht dargestellt ⓘ

17-stufiger Axialverdichter eines General Electric J79. Die Leitschaufeln sind nicht zu sehen, aber deren Verstellmechanismus (nur erste 8 Stufen) ⓘ

Nach dem Lufteinlauf folgt der Turbokompressor, der aus Axial- oder Radialverdichtern bestehen kann. Axialkompressoren bestehen in der Regel aus mehreren Laufrädern mit Kompressorschaufeln in axialer Anordnung, wobei diese üblicherweise in Niederdruck- und Hochdruckverdichterstufen untergliedert sind. Durch den Verdichter erhält die strömende Luftmasse mittels zugeführter kinetischer Energie in den diffusorförmigen (d. h. sich erweiternden) Zwischenräumen der Kompressorschaufeln Druckenergie. Nach dem Gesetz von Bernoulli erhöht sich in einem an Querschnittsfläche zunehmenden Kanal der statische Druck, während die Strömungsgeschwindigkeit sinkt. Die dort befindlichen Leitschaufeln oder Statorschaufeln lenken den schraubenförmigen Luftstrom nach jedem Laufrad wieder in die axiale Richtung. Die verlorene kinetische Energie wird in der nächsten Rotorstufe wieder zugeführt. Eine komplette Verdichterstufe eines Axialverdichters besteht also aus einer Rotorstufe, in der sowohl Druck und Temperatur als auch die Geschwindigkeit steigen, und einer Statorstufe, in der der Druck zu Ungunsten der Geschwindigkeit steigt. Die Rotorstufen sind hintereinander auf einer gemeinsamen Trommel („Welle“; heute: meist zwei oder drei Trommeln mit unterschiedlicher Drehzahl) angeordnet, die Statorstufen (Leitschaufeln) sind in die Innenseite des Verdichtergehäuses eingebaut. Oft sind die Leitschaufeln verstellbar, um den Winkel an die Anströmrichtung anzupassen. ⓘ

Alte Axialverdichterkonstruktionen erreichten oft selbst mit vielen aufeinanderfolgenden Verdichterstufen (im Beispiel General Electric J79 17 Stufen) lediglich eine mäßige Verdichtung (Verhältnis des Drucks am Ende des Verdichters zum Umgebungsdruck; im Beispiel 12,5:1, entspricht 1,16 pro Stufe), während moderne Gasturbinen mit weniger Stufen wesentlich höhere Verdichtungen erzielen (beispielsweise 43,9:1 mit 13 Stufen im Engine Alliance GP7200, entspricht 1,34 pro Stufe). Genauere Berechnungsmethoden ermöglichen verbesserte Profile der Kompressorschaufeln, die selbst an Stellen im Strömungskanal, an denen die Luftströmung relativ zur Schaufel Überschallgeschwindigkeit erreicht (resultierend aus Umfangsgeschwindigkeit der Schaufeln und Anströmgeschwindigkeit), sehr gute Strömungseigenschaften bieten. Die reine Durchströmgeschwindigkeit darf jedoch die örtliche Schallgeschwindigkeit nicht überschreiten, da sich sonst die Wirkung der diffusorförmigen Kanäle umkehren würde. Hierbei gilt es zu bedenken, dass die örtliche Schallgeschwindigkeit wegen der steigenden Temperatur im Kompressor (siehe oben, bis 600 °C) ebenfalls steigt. ⓘ

Brennkammer

Es gibt Brennkammersysteme für gasförmige oder für flüssige Brennstoffe. In der Stromerzeugung werden öfters sogenannte Doppel-Brennstoffmaschinen eingesetzt, deren Brennkammersysteme primär für „Brenngas“ und im Falle eines Ausfalls als Reserve „Brennöl“ (durch die Bevorratung zeitlich limitierter Betrieb) verfeuert wird.

CAD-Darstellung: Brennkammer eines Turbofantriebwerks

Die Kompression der Luft verursacht einen Temperaturanstieg von etwa 400 °C. Ein Teil der so erhitzten Luft strömt als sogenannte Primärluft anschließend in die Brennkammer, wo sie mit Kraftstoff (bei Flugzeugen heute meist Kerosin) vermischt und entzündet wird – beim Start der Gasturbine durch Zündkerzen, später erfolgt die Verbrennung selbsttätig kontinuierlich. Durch die exotherme Reaktion des Sauerstoff-Kohlenwasserstoff-Gemisches steigt die Temperatur auf bis zu 2200 °C an mit der entsprechenden Expansion des Gases. Ohne Kühlung könnten auch die hochwertigen Materialien (oftmals Superlegierungen auf Nickel-Chrom-Molybdän-Basis) den Temperaturen nicht standhalten, denn die Brennkammer arbeitet im überkritischen Bereich. Daher wird der direkte Kontakt zwischen Flamme und Brennkammerwand weitgehend unterbunden. Dies geschieht durch die sogenannte „Sekundärluft“, die nicht direkt in den Verbrennungsbereich gelangt, sondern um die Brennkammer herumgeleitet wird und erst dann durch Bohrungen an den Blechstößen der schuppenartig aufgebauten Brennkammer in sie gelangt. Sie legt sich als (Kühl-/Trenn-)Film zwischen die Verbrennungsgase und die Brennkammerwand. Durch diese Film- oder Schleierkühlung wird die Wandtemperatur der Brennkammer um etwa 200 °C abgesenkt, was deren kritische thermische Belastung erheblich senkt. Rund 70 bis 80 Prozent der Luftmasse aus dem Verdichter werden als Sekundärluft genutzt, lediglich der Rest gelangt als Primärluft direkt in die Brennkammer. Um ein Abreißen der Flamme in der Brennkammer und damit den Ausfall des Triebwerks zu verhindern (sog. „stall“) ist eine besondere Luftführung in der Brennkammer erforderlich. So befinden sich die Einspritzventile für den Kraftstoff in einer vor der durchströmenden Luft geschützten Zone; weiterhin wird in deren unmittelbarer Umgebung die Luftdurchflussgeschwindigkeit reduziert (ca. 25–30 m/s). Hinter der Brennkammer vermischen sich die Luftströme wieder, um einen möglichst hohen Ausbrand und damit einen hohen Wirkungsgrad und niedrige Schadstoffemissionen zu erreichen. Neben der thermischen ist die mechanische Festigkeit der Brennkammern wichtig, da sie auch einen Teil der Reaktionskräfte (= Schub) aufzunehmen haben. ⓘ

Rohrbrennkammer

Rohrbrennkammern eines GE J79 ⓘ

Diese Art der Brennkammer ist besonders für Triebwerke mit Radialverdichter geeignet. Rohrbrennkammern waren insbesondere am Anfang der Entwicklung Bestandteil britischer (Flugzeug-)Triebwerke (Rolls-Royce Welland). In Richtung der Brennkammern teilen einzelne Diffusoren des Radialverdichters den Luftstrom auf. Jede Brennkammer besitzt ein eigenes Primär- und Sekundärluftsystem. Die Brennkammern sind über die Zündstege miteinander verbunden. Im Allgemeinen werden etwa acht bis zwölf dieser Rohrbrennkammern radial am Triebwerk angeordnet. Sehr kleine Turbinen, etwa für APUs, besitzen nur eine einzelne Rohrbrennkammer. Den Vorteilen – einfache Entwicklung, einfache Brennstoffverteilung und gute Wartungsmöglichkeiten – steht der Nachteil des hohen Konstruktionsgewichts einer solchen Anordnung gegenüber. Auch sind die Strömungsverhältnisse gegenüber anderen Brennkammerbauarten nachteilig. Rohrbrennkammern werden heute noch bei Wellenturbinen eingesetzt, z. B. für Turbopropantriebe. ⓘ

Rohr-Ringbrennkammern

Diese Brennkammerbauart kombiniert die Rohr- und die Ringbrennkammer und eignet sich besonders für sehr große und leistungsstarke Gasturbinen, weil sie sich mechanisch sehr stabil ausbilden lässt. Wesentlicher Unterschied zur Einzelbrennkammer ist der gemeinsame Brennkammeraustritt. Die Bauart kommt bei Strahlturbinen kaum vor. ⓘ

Ringbrennkammern

Die Ringbrennkammer ist das gasdynamische Optimum für Strahlturbinentriebwerke. Sie ist recht leicht und kurz, da die Luftströmung vom Verdichter zur Turbine nicht umgelenkt werden muss. Die Brennkammer hat einige Kraftstoffeinspritzventile, die den Kraftstoff an einen ringförmigen Brennraum abgeben. Allerdings ist die Wartung recht schwierig. Auch ist die Entwicklung sehr aufwendig, da die Gasströmungen innerhalb einer solchen Brennkammer dreidimensional berechnet werden müssen. Die Ringbrennkammer ist heute (2008) der gebräuchlichste Typ bei Luftfahrtstrahltriebwerken. Auch bei bestimmten Kraftwerksgasturbinen wird eine Ringbrennkammer verwendet. ⓘ

Schubdüse

Hinter der Turbine kann bei Triebwerken eine konvergente Düse (oft verstellbar) angebracht sein, durch die das Gas mit hoher Geschwindigkeit ausströmt. Es ist keine Schubdüse, wie oft angenommen wird. Sie ist im Strahlverlauf ein Widerstand – anstatt einer Vortriebskraft überträgt sie eine Rückhaltekraft auf das Flugzeug; ihre Aufgabe ist vor allem die Druckregulierung in den vorausgehenden Triebwerkskomponenten. Das am Turbinenausgang vorhandene Druckgefälle (Turbinenausgangsdruck – Umgebungsdruck) soll beim Ausströmen des Gases möglichst vollständig in Geschwindigkeit umgesetzt werden. Hierbei ist es das Ziel, einen möglichst hohen Impuls zu erreichen, wobei der Druck des ausströmenden Gases am Schubdüsenende möglichst den Umgebungsdruck erreicht haben soll, damit der Gasstrahl nicht „aufplatzt“. Die Energie für diese Expansion stammt aus dem heißen Verbrennungsgas. ⓘ

Triebwerke mit Nachbrenner expandieren nicht vollständig, sondern führen dem sauerstoffhaltigen Gasstrom nach dem Triebwerk nochmals verbrennenden Kraftstoff und damit Wärmeenergie zu, was zu einer weiteren Beschleunigung des Gasstromes führt. Somit kann einer schnellen Schubanforderung entsprochen werden, wie sie etwa bei Luftkampfmanövern erforderlich ist. Triebwerke mit Nachbrenner müssen eine in ihrer Geometrie veränderliche Düse („Nozzle“) haben. Diese muss besonders während der Umschaltung von Normalbetrieb auf Nachbrennerbetrieb schnell und exakt gesteuert werden, da es sonst zu einer sogenannten thermischen Verstopfung kommen kann, die einen Flammabriss (engl. flameout) zur Folge hat. ⓘ

Nebenkomponenten

Eine Gasturbine hat meist weitere Nebenkomponenten:

• Der „Einlauf“ einer stationären Gasturbine kann ein ganzes Ansaug-Filterhaus sein. ⓘ

• Ein Ölkreislauf für Lager-Schmieröl-Versorgung;
• Eine Anfahreinrichtung zum Start der Gasturbine;
• Ein Hydrauliksystem zur Steuerung für Ventil- und Schaufelverstellungen;
• Gaswarn- und Brandschutzanlage;
• Abgasanlage/-filter;
• Sensoren für Überwachung, Regelung und Schutz;
• elektrische Regelung und Stellmotoren.
• Nabenspirale
  Der sich drehende Einlasskonus ist bei den Naben von Flugzeugturbinen und auch sonst meist mit einer kurzen Spirallinie bemalt, damit Personen in der Nähe sicher erkennen können, ob sich das Triebwerk (noch) dreht, um die damit einhergehenden Gefahren – Eingesaugtwerden bzw. Kollision, Abgasstrahl, Anrollen des Flugzeugs – abschätzen zu können. Bei schneller Rotation ist die Linie nicht sichtbar, bei langsamer Rotation scheint sich die Spirale in die Mitte zusammenzuziehen. Eine abweisende Wirkung auf fliegende Vögel wird bezweifelt. Manche Fluglinien verwenden einen exzentrischen Punkt oder einen Strich als Rotationsindikator. ⓘ

Bauweisen

Gasturbinen gibt es als ein-, zwei- und dreiwellige Maschinen. Bei der einwelligen Bauweise sitzen alle Verdichterstufen und alle Turbinenstufen auf derselben Welle (mechanische Kopplung). Damit läuft die gesamte Maschine mit einer Drehzahl. Der Abtrieb kann am verdichter- oder am turbinenseitigen Wellenende liegen. Bei Gasturbinen, die vorwiegend Wellenleistung abgeben sollen, liegt der Abtrieb (für den Elektrogenerator) zumeist am verdichterseitigen Wellenende, da so ein besserer Diffusor installiert werden kann, das Abgas den Generator nicht umströmen muss und bei GuD-Prozessen (Gas- und Dampfturbine in Kombination) die Wärmeverluste auf dem Weg zum Dampfkessel nicht zu groß sind. ⓘ

Bei der zweiwelligen Anordnung besteht häufig eine Trennung in einen Maschinenteil, der primär dazu dient, ein schnellströmendes Hochdruck-Heißgas zu erzeugen – die eigentliche Gasturbine. Sie wird dann meist „(Heiß-)Gasgenerator“ genannt. Der zweite Maschinenteil besteht aus einer Turbine, die vom Heißgas angetrieben wird und ihm möglichst viel Energie entnimmt. Diese „Nutzturbine“ wandelt die Energie in Wellenleistung, die sie beispielsweise an eine Maschine oder einen Elektrogenerator abgibt. Aufgrund der eigenen Welle hat die Nutzturbine eine vom Gasgenerator unabhängige Drehzahl. Der Abtrieb liegt in der Regel auf der Turbinenseite. Anstatt eines Elektrogenerators werden mit der Nutzturbine auch Pumpen oder Verdichter angetrieben, etwa an Gas- oder Ölpipelines; in der Luftfahrt treibt die Freilaufturbine beim Turboprop-Triebwerken den Propeller, beim Mantelstromtriebwerk den Fan an. ⓘ

Die sogenannten Aeroderivative sind eine Bauart für stationäre Gasturbinen, bei denen eine modifizierte Flugzeuggasturbine als Gasgenerator eingesetzt wird. ⓘ

Funktionsweise

Joule-Prozess ⓘ

Der thermodynamische Vergleichsprozess ist der Joule-Prozess, welcher idealisiert aus zwei Isentropen und zwei Isobaren besteht; er wird auch Gleichdruckprozess genannt. ⓘ

Über die Beschaufelung einer oder mehrerer Verdichterstufen wird Luft komprimiert, in der Brennkammer mit einem gasförmigen oder flüssigen Treibstoff vermischt, dann gezündet und kontinuierlich verbrannt. So entsteht ein Heißgas (Mischung aus Verbrennungsgas und Luft), das sich in der nachfolgenden Turbine und Schubdüse entspannt und dabei Leistung abgibt – für den Antrieb einer oder mehrerer Verdichterstufen (und ggf. Propeller, Fan und/oder Nutzleistungs-Abtrieb) wird vor allem thermische, kinetische und Druckenergie in Rotationsenergie umwandelt – die Turbine entzieht dem Heißgas Leistung, die über eine Welle nach vorne geleitet wird, und dort den Verdichter antreibt. Nur rund 20 bis 30 % der gesamten auf etwa 20 bar und 400 °C verdichteten Luftmasse werden als „Primärluft“ der Brennkammer zugeführt, die restliche Luft als „Sekundärluft“ zur Kühlung der Brennkammerwände verwendet. Etwa 40 Prozent der chemischen Energie des Treibstoffs werden in (kinetische Rotations-)Nutzenergie umgewandelt (Wirkungsgrad); der Rest geht als Wärmeenergie an die Umgebung verloren. ⓘ

Der Verdichter (auch Kompressor genannt) saugt aus der Umgebung Luft an, verdichtet sie (1 → 2) und führt sie schließlich der Brennkammer zu. Dort wird sie zusammen mit eingespritztem Brennstoff unter nahezu konstantem Druck verbrannt (2 → 3). Bei der Verbrennung entstehen Verbrennungsgase mit einer Temperatur von bis zu 1500 °C. Diese heißen Verbrennungsgase strömen mit hoher Geschwindigkeit in die Turbine. In der Turbine wird das Fluid entspannt und die im Fluid enthaltene Enthalpie in mechanische Energie umgewandelt (3 → 4). Ein Teil der mechanischen Energie (bis zu zwei Drittel) wird zum Antrieb des Verdichters genutzt, der verbleibende Teil steht als nutzbare mechanische Energie w_T zur Verfügung. Der Wirkungsgrad einer Gasturbine ist umso höher, je höher die Turbineneintrittstemperatur der Brenngase und das Druckverhältnis der Turbine ist. Die maximal zulässige Materialtemperatur der gekühlten Turbinenschaufeln begrenzt die Turbineneintrittstemperatur. ⓘ

Gasturbinen zeichnen sich im Gegensatz zu Kolbenmaschinen durch einen prinzipiell unwuchtfreien Lauf aus. Sie liefern kontinuierliches Drehmoment und besitzen ausschließlich sich drehende Teile ohne Gleitreibung. Der Drehmomentverlauf über die Drehzahl ist flacher als bei Kolbenmaschinen. Als Schuberzeuger zeichnen sie sich gegenüber Staustrahltriebwerken dadurch aus, das sie auch bei Stillstand des Fluggerätes Schub erzeugen können. ⓘ

Arten (nach Nutzenergie)

Beispiele für die verschiedenen Ausführungen einer Gasturbine: (1) Turbojet, (2) Turboprop, (3) Wellenleistungstriebwerk (hier mit elektrischem Generator), (4) Mantelstromtriebwerk (Turbofan), hohes Bypassverhältnis, (5) Mantelstromtriebwerk (mit Nachbrenner), niedriges Bypassverhältnis
Hierbei kennzeichnen blau = Verdichter; rot = Turbine; grau = Schubdüse ⓘ

Nach der gewünschten Nutzenergie unterscheidet man zwei Arten von Gasturbinen: ⓘ

Wellenturbine

Bei einer Wellenturbine (auch Wellenleistungstriebwerk oder Turbomotor genannt) ist nicht der Schub, sondern die von einer Abtriebswelle abgegebene Leistung maßgeblich. Meistens wird die Abtriebswelle durch eine Niederdruckturbine angetrieben, die hinter Brennkammer und Hochdruckturbine angeordnet ist. Zwischen Niederdruckturbine und Abtriebswelle kann ein Reduziergetriebe eingebaut sein; es gibt jedoch auch Bauformen, bei denen die Abtriebswelle direkt von der Gasturbinen(hochdruck)welle angetrieben wird. Der kompakteren Bauweise wegen werden Wellenturbinen überwiegend mit mehrflutigen Radialverdichtern oder einer Kombination von Axial- und Radialverdichtern ausgerüstet. Die Einsatzmöglichkeiten von Wellenleistungstriebwerken sind sehr vielseitig (verbreitete Beispiele siehe unten). Bei Flugtriebwerken erzeugt der abgegebene Gasstrahl manchmal etwas zusätzlichen Schub. ⓘ

Brennstoff

Als Brennstoff kommen verschiedene Gas-, Flüssiggas- und Flüssigtreibstoffe in Frage: neben Erd- und Synthesegas auch Kerosin, Heizöl, Faulgas (z. B. Deponiegas, Biogas), Dieselkraftstoff, Gasöl und seltener auch Schweröl. Wasserstoff-betriebene GTn (Schwerbauweise) befinden sich ebenfalls bereits im Einsatz. ⓘ

Gasturbinenbaureihen, die auch mit Rohöl betrieben werden können (z. B. für Pipeline-Druckerhöhungspumpen), werden immer weniger eingesetzt und zum Beispiel durch Dieselmotoren verdrängt, die hier wesentlich bessere Wirkungsgrade erreichen. ⓘ

Außerdem gibt es immer wieder Versuche, Kohlenstaub direkt oder nach vorheriger Vergasung einzusetzen. In Bergbauregionen werden Gasturbinen mit Grubengas (Methan) betrieben. ⓘ

Es gibt auch Versuchsturbinen, die mit Festbrennstoff angetrieben werden. Dazu wird der Brennraum mit Brennstoff gefüllt und gezündet. Die Turbine läuft dann so lange, bis sämtlicher Brennstoff verbraucht ist und neu nachgefüllt werden muss. Zu einer kommerziellen Verwendung ist es dabei noch nicht gekommen. ⓘ

Haupt-Einsatzgebiete

Mobile Triebwerke (Leichtbauweise) in der Luftfahrt

Durch ihr niedriges Leistungsgewicht (Masse/Leistungs-Verhältnis) im Vergleich zu anderen Verbrennungsmotoren eignen sich Gasturbinen sehr gut für Anwendungen im Luftfahrtbereich, da das Gesamtgewicht des Fluggeräts verringert und die Flugleistung gesteigert beziehungsweise Treibstoff eingespart wird. ⓘ

Beim Antrieb von Hubschraubern und Turboprop-Flugzeugen wird die Wellenleistung der Gasturbine (Wellenturbine) genutzt und über ein Getriebe an Rotor oder Propeller abgegeben. ⓘ

Für den Rückstoßantrieb von Flugzeugen (Jets) werden Strahltriebwerke (Turbojets bzw. meist Turbofans) eingesetzt. Es fehlt dabei die Abtriebswelle, welche die Leistung an externe Komponenten überträgt. Hinter Verdichter, Brennkammer und Turbine folgt nur noch eine Düse, durch die der heiße Abgasstrahl mit hoher Geschwindigkeit austritt. Der Turbinenteil eines Strahltriebwerks erzeugt dabei nur so viel mechanische Energie, wie für den Antrieb des Verdichters, des Fans und der Nebenaggregate benötigt wird. Der Vorschub entsteht bei zivilen Triebwerken durch den großen Massendurchsatz im Nebenstrom und durch die mit hoher Geschwindigkeit aus der Turbine austretenden heißen Gase des Hauptstroms. Bei militärischen Triebwerken wird der Schub hauptsächlich durch den Hauptstrom hervorgerufen. ⓘ

Hilfsantriebe in (Verkehrs-)Flugzeugen für Elektrik, Hydraulik usw. (sog. APU = Auxiliary Power Unit) sind Wellenleistungstriebwerke. ⓘ

Die gewichtssparende Ausführung ist meist wesentliches Auslegungskriterium. Weiterhin spielt der Wirkungsgrad, also die Ausnutzung des Brennstoffs, eine Rolle, sowie geringe Schallemissionen und gute Wartbarkeit. ⓘ

Stationäre Gasturbinen in der Stromerzeugung und als mechanischer Antrieb

Stromerzeugung (Schwer- und Leichtbauweise) ⓘ

Stationär werden Gasturbinen in Gasturbinenkraftwerken (offener Kreislauf) oder Gas-und-Dampf-Kombikraftwerken eingesetzt, wo sie als Turbosatz mit einem Turbogenerator als Arbeitsmaschine gekoppelt elektrische Energie erzeugen. Für diese Anwendung wurden die leistungsfähigsten Gasturbinen mit bis zu 571 MW entwickelt. ⓘ

Mechanischer Antrieb (Schwerbauweise) ⓘ

Zum Einsatz kommen Gasturbinen auch in Pump- und Verdichterstationen bei Öl- und Erdgaspipelines. ⓘ

Im Gegensatz zur Anwendung in der Stromerzeugung werden die GT durch die Anforderung des Turbo-Verdichters mit einem großen Drehzahl-Regelungsbereich (ca. 50 bis 105 %) betrieben. Realisiert wird dies durch eine weitere Expansionsturbine, die sich auf einer zweiten Welle (Niederdruckwelle) befindet. Sie ist nur thermodynamisch mit der Hauptwelle (Hochdruckwelle) verbunden. ⓘ

Spezielle Einsatzgebiete

In der Militärtechnik (außerhalb der Luftfahrt)

Gasturbinen dienen als Antriebsaggregate verschiedener Militärkraftfahrzeuge, unter anderem des US-amerikanischen Kampfpanzers M1 Abrams und im russischen Kampfpanzer T-80 (GTD-Reihe, wobei der Bezeichnung die Leistung in PS folgt, z. B. GTD-1250), die gleichermaßen allerdings für ihren extrem hohen Kraftstoffverbrauch berüchtigt sind: Bei kompakter Bauweise können Gasturbinen zwar eine hohe Leistungsdichte bieten, erreichen jedoch beim spezifischen Kraftstoffverbrauch besonders in Teillast nicht die Effizienz von Kolbenmotoren. ⓘ

Bewährt haben sich kleine Gasturbinen hingegen als leistungsstarke Stromerzeuger (Auxiliary power unit), die auch ohne Starten des mit dem großen Fahrmotor verbundenen Generators im Stand die Kampftechnik versorgen und zusätzlich Druckluft liefern können (Zapfluft). Beispiel sind bei Einheiten der Flugabwehr die Startrampen und die Raketenleitstation des russischen SA-4-Ganef-Systems (Startrampen je 20 kW, Leitstation 35 kW). Vorteilhaft ist hier die hohe Leistungsdichte und das rasche Hochfahren bei jeder Außentemperatur. Der hohe spezifische Treibstoffverbrauch der meist nur wenige Kilowatt starken Turbinen wird dafür in Kauf genommen. ⓘ

Außer für Hubschrauber werden Gasturbinen noch als Antrieb für Militärschiffe wie Schnellboote oder Luftkissenboote, aber auch bei Zerstörern eingesetzt. ⓘ

Schifffahrt

Neben einigen Militärschiffen sind teilweise auch Fracht- und Passagierschiffe mit Gasturbinen ausgestattet. ⓘ