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Warum sind Radialturbinen effizienter als Axialturbinen?
Mit der Entwicklung der Ingenieurtechnik sind zwei Turbinentypen allmählich ins Blickfeld der Öffentlichkeit gerückt: Radialturbinen und Axialturbinen. Obwohl sich ihre Funktionsprinzipien grundsätzlich unterscheiden, weisen Radialturbinen aufgrund ihrer einzigartigen Konstruktion einen höheren Wirkungsgrad auf, insbesondere im mittleren bis niedrigen Leistungsbereich. In diesem Artikel werden die Funktionsweise von Radialturbinen und ihre Vorteile erläutert sowie ihre Eigenschaften mit denen von Axialturbinen verglichen.
Grundprinzip der Radialturbine
Das wichtigste Merkmal einer Radialturbine besteht darin, dass die Flüssigkeit radial strömt, das heißt, dass die Flüssigkeit vertikal im 90-Grad-Winkel zur Achse strömt. Dies unterscheidet sich grundlegend von der Konstruktion von Axialturbinen. Während der Rotor einer Axialturbine der Einwirkung der Flüssigkeitsströmung ausgesetzt ist, nutzt eine Radialturbine den Impuls der Flüssigkeit zum Antrieb der Turbine, ähnlich wie ein Wasserrad die Kraft der Wasserströmung nutzt.Durch diese Konstruktion werden die mechanischen und thermischen Belastungen der Radialturbine reduziert und ihre Struktur ist einfach und robust, sodass sie in einem ähnlichen Leistungsbereich einen höheren Wirkungsgrad aufweist.
Vorteile von Radialturbinen
Der größte Vorteil von Radialturbinen gegenüber Axialturbinen besteht darin, dass sie ein höheres Druckverhältnis nutzen können – sie erreichen in jeder Stufe ein Druckverhältnis von etwa vier – und über eine geringere Durchflussrate verfügen. Dadurch wird die Radialturbine noch besser an individuelle Betriebsbedingungen, insbesondere im niedrigen spezifischen Drehzahl- und Leistungsbereich, anpassbar. Bei Hochleistungsanwendungen (z. B. über 5 MW) haben Radialturbinen jedoch aufgrund ihrer im Vergleich zu Axialturbinen schwereren und teureren Rotoren ihre Wettbewerbsfähigkeit verloren.
Herausforderungen von Radialturbinen
Radialturbinen bieten zwar viele Vorteile, doch bei Hochtemperaturanwendungen wird die Kühlung der Rotorblätter zu einer Herausforderung. Im Vergleich zu Axialturbinen erfordern Radialkonstruktionen mehr Innovationen hinsichtlich der Kühlleistung, um sich an raue Arbeitsumgebungen anzupassen. Allerdings kann durch die Verwendung von Düsenschaufeln mit variablem Winkel die Betriebseffizienz der Radialturbinenstufe verbessert und eine gute Leistung auch bei einem Betrieb außerhalb der Konstruktionsvorgaben aufrechterhalten werden.
Komponenten einer Radialturbine
Für den Betrieb einer Radialturbine sind mehrere Schlüsselkomponenten erforderlich, darunter die festen und beweglichen Rotorblätter sowie deren Konstruktion und Konfiguration. Diese aufeinander abgestimmten Komponenten sorgen dafür, dass die effektive kinetische Energie des Fluids im Rotor in mechanische Energie umgewandelt wird. Das relative Verhältnis zwischen der Einlassgeschwindigkeit einer Radialturbine und der Umfangsgeschwindigkeit des Rotors wirkt sich auch auf deren Gesamteffizienz und Leistung aus.
Stabilität und geringer Verschleiß haben bei der Konstruktion jeder Turbine ebenfalls höchste Priorität. Durch eine verschleißgerechte Konstruktion der Turbine können deren Lebensdauer deutlich verlängert und die Wartungskosten gesenkt werden.
Zukünftige Entwicklungstrends
Mit dem technologischen Fortschritt werden auch das Design und die Materialwissenschaft von Radialturbinen weiterentwickelt, was ihre Wettbewerbsfähigkeit in künftigen höheren Leistungsbereichen voraussichtlich steigern wird. So hat beispielsweise die von Nikola Tesla zu Beginn des 20. Jahrhunderts entwickelte schaufellose Radialturbine aufgrund ihrer Konstruktion, die Grenzschichteffekte ausnutzt, erneute Aufmerksamkeit erregt, insbesondere bei Anwendungen, bei denen korrosive oder stark abrasive Flüssigkeiten gehandhabt werden müssen.
Viele Forscher erforschen immer noch, wie sich die Herausforderungen für Radialturbinen bewältigen und ihre Effizienz und Haltbarkeit verbessern lassen. Solche Bemühungen werden wahrscheinlich zu wettbewerbsfähigeren Turbinenlösungen führen, die nicht länger bloß theoretischer Natur sind.
Welche Auswirkungen werden Auswahl und Einsatz von Radial- und Axialturbinen auf die zukünftige Energietechnologie in einer Energiebranche haben, die ständig auf der Suche nach Innovation und Wandel ist?
