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Die Turbine

Aufgabe
- Gasgeschwindigkeit in kinetische Energie umzuwandeln
- dabei nehmen Temperatur, Druck und Geschwindigkeit ab

Arten:

- Radialturbine
- Axialturbine

Anforderungen allg:

- hoher Wirkungsgrad


1. optimale Profile

2. gute Kühlung

3. hohe Betriebstemperatur

4. beste Materialien


- hohe mechanische Belastung
- kleine Abmessungen
- geringe Masse
- zuverlässige Arbeit


1. beste Materialien

2. hochtechnologie

3. ausgereifte Konstruktionen


- hohe Betriebsdrehzahlen
- hohe Gasgeschwindigkeit

Aufbau

- Stator -> Rotor
- Stator beschleunigt die Gase durch Querschnittsverengung
- Rotorstufe lenkt die Gase um und erzeugt dabei ein Drehmoment

Radialturbine


Gas strömt vom ringförmigen Leitkranz von außen nach innen radial in den Impeller ein, dort übt ein Drehmoment in Umfangsrichtung aus und verlässt die Turbine in axialer Richtung

Vor und Nachteile:

* robust
* billig, leicht zu fertigen

** Leistung zu klein (70 - 100KW)
** Wirkungsgrad zu klein
** Verluste zu groß
** große Spaltverluste

Axialturbine


- Gas strömt ausschließlich in axialer Richtung
- je nach Bauart sind sie ein oder Mehrstufig

Vor und Nachteile:

* geringe Spaltverluste
* hohen Wirkungsgrad
* geringe Strömungsverluste
* hohe Leistung

** komlizierter Aufbau
** viele Einzelteile

Der Stator

- hat die Aufgabe den Wärmeinhalt des Gases (Druck und Temperaturniveau] in kinetische Energie umzuwandeln, dieses wird erreicht in der Verengung des Schaufelkanals (Düsenform)
- optimale Anströmung des Rotors (Rotorbeschaufelung)
- Größe des Leitkranzquerschnitt ist von großer Bedeutung
a) Leitkranz zu klein
- Luftmassendurchsatz zu niedrig / Verdichteraustrittsdruck steigt anArbeitspunkt Verdichter verschiebt sich (Pumpen)
- vorallen beim beschleunigen
b)Leitkranz zu groß
- Triebwerk beschleunigt schneller
- Gefahr instabiler Arbeit ist geringer
- hoher spez. Kraftstoffverbrauch

Art der Energieumsetzung

1. Gleichdruck (Aktionsturbine)
2. Überdruck (Reaktionsturbine)

Die klassischen Gleichdruck oder Überdruckturbinen gibt es nicht. (nur Mischformen)
Man hat am Schaufelfuß ein symetrisches Profil und an den Schaufelspitzen ein aerodynamisches Profil. Diese Turbinen werden im allg. als Reaktionsturbine bezeichnet.

zu 1.
- symetrisches Profil
- der ein und Austrittsquerschnitt des Auslaufkanals vom Rotor ist gleich groß
- Stator verjüngt sich ganz leicht
- Die Umsetzung der Wärme in kinetischer Energie (Beschleunigung des Gases) erfolgt alleine im Leitkranz

zu 2.
- unsemetrisch oder aerodynamisches Profil
- zu und Auslauf im Rotor als Düse geformt
- Stator verjüngt sich ganz leicht
- Umwandlung der Wärme in kinetischer Energie im Leit und Laufkranz

Belastung der Turbine

-hohe Drehzahl => hohe Fliehkräfte => Kriechen des Schaufelwerkstoffes
- thermische Spannungen durch Lastwechsel
- Biegespannung durch das Drehmoment
- Heißgaskorosion und Erosion

deswegen werden die Turbinenteile beschichtet und gekühlt.

Herstellung von Turbinenteilen

Scheiben
- im Pulvermetallurgischen Verfahren hergestellt oder auch gegossen, wellenstümpfe werden aufgeschmiedet, wobei diese aus anderen Legierungen bestehen können

Schaufeln
- im Feingußverfahren ( Modellherstellung, Montage zu Trauben, mehrmals tauchen und besanden, brennen der Form, ausschmelzen, gießen, Abtrennen und putzen evtl nachbearbeiten => Oberflächenbearbeitung)
- gerichtete Kristallstruktur
- ein oder monokristalline Struktur

Beschichtung der Turbinenschaufel

1. Diffusionscoating
- ca 0..1mm dicke Schicht mit Al und Cr angereichert (besondere Wärmebehandlung)
2. Overlaycoating
- Plasmaspray oder Elektronenstrahl aufdampfen
- Kobalt, Chrom, Titan-Aluminium, Ytrium
- plasmagespritze Coatings auf Zirkonium oder Ytriumbasis gegen Heißgaskorrosion

Materialien für Turbinenteile

Schaufeln
- Inconel 100 (1075K)
- MAR-M-247LC (1125K)
- SER99EK (1125K)

Scheiben
- Inconel 718 (875K)
- Waspaloy (925K)
- Rene 95 (Pulvermetall) (975K)
- Astroloy LCPM (875K)