Kleinerer Spalt erhöht Wirkungsgrad von Gasturbinen

Ingenieure von Siemens haben mit einem einfachen Trick den Wirkungsgrad von Gasturbinen in Kraftwerken erhöht. Die Experten entwickelten ein hydraulisches System, das die Spalte zwischen Rotorschaufeln und Gehäuse der Turbine, die so genannte Radialspalte, verringert. Dadurch können die heißen Gasströme, die die Turbine antreiben, besser ausgenutzt werden. Sekundärströme, die ungenutzt an den Rotorschaufeln vorbei fließen, verringern sich, was den Wirkungsgrad nach oben treibt.

Die hydraulische Spaltoptimierung verbessert den Wirkungsgrad einer Gasturbine um etwa 0,2 Prozentpunkte. Bei einer 100 Megawatt-Turbine spart das etwa 60.000 Euro jährlich an Brennstoffkosten. Bestehende Turbinen können jederzeit nachgerüstet werden. Das System wurde weltweit erstmals im Kraftwerk Mainz-Wiesbaden installiert.

Gasturbinen werden in Kraftwerken zur Stromerzeugung eingesetzt. Dabei saugt ein Kompressor aus der Umgebung Luft an, verdichtet sie und führt sie schließlich einer Brennkammer zu. Die Luft wird hier zusammen mit dem Brennstoff, meistens Erdgas, unter Druck verbrannt. Hierbei entstehen Verbrennungsgase mit einer Temperatur von bis zu 1500 Grad Celsius. Diese Brenngase strömen mit hoher Geschwindigkeit in die Turbine und treiben sie an. In der Turbine expandiert das Brenngas, wodurch Druckenergie in mechanische Energie umgewandelt wird. Je größer nun der Radialspalt ist, desto geringer ist die Energieausbeute der Turbine.

Insbesondere beim heißen Anfahren der Turbine ist ein definierter Abstand zwischen Rotorschaufeln und Gehäuse notwendig, um das unterschiedliche Ausdehnungsverhalten in der Startphase zu beherrschen. Sobald alle Komponenten auf stationärer Betriebstemperatur sind, lässt sich dieser Spalt verringern, indem das hydraulische System den gesamten Läufer in Richtung Kompressor um etwa drei Millimeter verschiebt. Da Siemens-Turbinen ein konisch geformtes Gehäuse haben, verringert sich durch die axiale Läuferverschiebung der Spalt zwischen Schaufelspitzen und Gehäuse um etwa einen Millimeter. Sollten unerwartete Störungen in der Betriebsphase auftreten, fährt die Welle automatisch in ihre Ausgangsposition zurück. Die Rotorschaufeln können so das Gehäuse nicht berühren.