Turbinenkonzept: Kompaktes Design für dezentrale Gasturbinen

Der Kern des neuen Antriebskonzepts ist eine rotierende Brennkammer. Der Drall bleibt dabei zwischen Verdichter und Turbine erhalten. So kann auf das Verdichterleitrad vor der Brennkammer verzichtet werden. Das bringt Effizienzgewinne, denn bei einem Radialverdichter entstehen zwei Drittel der Verluste am Leitrad. Auch das Turbinenleitrad nach der Brennkammer ist im neuen Design überflüssig. Das erste Turbinenleitrad ist herkömmlich den höchsten Temperaturen ausgesetzt, so dass es stark gekühlt werden muss. Nun kann diese Kühlluft eingespart werden. Außerdem werden durch den Wegfall der Leiträder Gewicht und Kosten gesenkt.

 

Die Verbrennung findet in der drallbehafteten Strömung in der rotierenden Brennkammer statt. Durch die starke Zentrifugalkraft und dichtegetriebenen Mischungseffekten wird die Flammengeschwindigkeit gesteigert. Dadurch kann nach Erkenntnissen aus den theoretischen Vorstudien, die Brennkammerlänge deutlich reduziert werden. Mit der Verkürzung der Brennkammer werden Gewicht, Kosten und Reibungsverluste reduziert. Außerdem können schädliche Nox-Emissionen reduziert werden.

 

Bei Kleingasturbinen der herkömmlichen Fertigung treten vergleichsweise große Radialspalten zwischen den Schaufeln und dem stehenden Gehäuse auf. Dies senkt ihre Wirkungsgrade. Durch das rotierende Gehäuse werden Radialspalten verhindert, wodurch der Wirkungsgrad um circa fünf Prozent gesteigert wird. Diesen Wert berechneten die Wissenschaftler mit Computersimulationen in Abhängigkeit vom Verdichter-Druckverhältnis und der -Geometrie.

 

Hohe Turbineneintrittstemperatur bei rotierendem Gehäuse

Da die Schaufeln vom rotierenden Gehäuse getragen werden, können Keramikwerkstoffe eingesetzt werden. Dies ermöglicht es, die Turbineneintrittstemperatur eine der entschiedenen Parameter für den Wirkungsgrad, zu erhöhen. Bis zu 1.230°C werden durch das neue Material möglich. Sitzen die Schaufeln am Rotor können aus Stabilitätsgründen nur Hochtemperaturstähle verwendet werden. Wegen der geringen Größe der Schaufeln in Kleingasturbinen ist auch der Einsatz eines Luftkühlsystems in und auf der Schaufel für die Fertigung zu aufwendig.

 

Durch den Einbau eines Diagonalverdichters mit einer dicken Hinterkante wird ein Druckverhältnis von 4,1 ermöglicht. Um möglichst hohe Druckverhältnisse zu erzielen, wäre ein Radialverdichter wünschenswert. Da sich die Brennkammer aber in axialer Richtung erstreckt, wobei der Radius konstant bleibt, ist es notwendig die Strömung aus radialer Richtung in axiale Richtung umzulenken. Somit kann mit einem Diagonalverdichter zwar ein geringeres Druckverhältnis als mit einem Radialverdichter erzielt werden, jedoch tritt die Strömung in axialer Richtung in die Brennkammer ein und das Druckverhältnis ist größer als bei einem Axialverdichter.

 

Lassen sich alle Ideen zur Verringerung der Wirkungsgradverluste bei Kleingasturbinen umsetzen, schätzen die Forschungspartner, dass ein thermischer Wirkungsgrad von über 40 Prozent erreicht werden kann. Bisher haben handelsübliche Kleingasturbinen einen Wirkungsgrad unter 30 Prozent.