Erste Versuche zur Konstruktion von Dampfturbinen gab es schon im 19. Jahrhundert. Mit der Entwicklung der Dynamomaschinen (Generatoren) wurde es auch notwendig, zweckmäßige Antriebe dafür zu finden. An der Entwicklung leistungsfähiger Dampfturbinen waren viele Techniker beteiligt, z.B. der Schwede GUSTAV DE LAVAL (1845-1913), der Franzose AUGUSTE RATEAU (1863-1930) und der US-Amerikaner GLENN CURTIS (1878-1930).Bei der Dampfturbine von LAVAL, eine der ersten Dampfturbinen, strömte der Dampf durch vier Düsen auf ein Laufrad mit vielen Schaufeln (Bild 2). Dadurch wurde das Rad in Umdrehungen versetzt. Über eine Welle konnte ein kleiner Generator angetrieben werden. LAVAL konstruierte die erste Dampfturbine im Jahr 1883.
Aufbau und Wirkungsweise moderner
Dampfturbinen
Moderne Dampfturbinen (Bild 1) sind Großgeräte. Sie bestehen
aus mehreren Laufrädern unterschiedlicher Größe mit einer
Vielzahl von Schaufeln. Dazwischen liegen Leiträder und Leitbleche,
die den Dampf in die erforderliche Richtung leiten (Bild 3). Laufräder
und Leiträder sitzen auf einer
gemeinsamen Welle, die mit der Welle eines Generators verbunden ist.
Angetrieben werden Dampfturbinen mit Wasserdampf hoher Temperatur und damit großer thermischer Energie, der zugleich auch unter hohem Druck steht. Gearbeitet wird in der Technik mit Dampftemperaturen von 400 °C bis 600 °C und Drücken von ca. 180 bar bei Dampfeintritt in die Turbine. Der Dampf wird durch Düsen mit hoher Geschwindigkeit zunächst auf die kleinen Laufräder gelenkt. Dort gibt er einen Teil seiner Energie ab, die in kinetische Energie der Rotation umgewandelt wird. Durch Leiträder und Leitbleche wird er danach jeweils zum nächstgrößeren Laufrad gelenkt. Damit kann man nun die Energie des jetzt langsamer strömenden Dampfes nutzen und in kinetische Energie umwandeln. Bei Dampfaustritt beträgt die Temperatur des Dampfes noch 30 °C bis 50 °C und der Dampfdruck hat sich ebenfalls wesentlich verringert.
Bild 1 zeigt eine häufig verwendete Bauform: Der Dampf strömt
in der Mitte der Turbine ein und wird z. T. in die eine und z. T. in die
andere Richtung gelenkt. Deshalb befinden sich in der Mitte die kleinsten
Laufräder, während nach außen hin die Laufräder größer
werden.
Insgesamt erfolgen bei einer Dampfturbine folgende Energieumwandlungen
und Energieübertragungen: Thermische und kinetische Energie des
Wasserdampfes werden in kinetische Energie der Rotation der Welle umgewandelt.
Diese kinetische Energie wird auf einen Generator übertragen und
dort in elektrische Energie umgewandelt.
Die durchschnittliche Drehzahl beträgt
bei modernen Dampfturbinen etwa 3 000 Umdrehungen in der Minute, ihre
Leistung ca. 500 MW und ihr Wirkungsgrad
etwa 45 %.