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2026-02-15T19:48:50Z

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{{QS-Energie}}
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{{Dieser Artikel|behandelt die Maschine. Zu weiteren Bedeutungen siehe [[Turbine (Begriffsklärung)]].}}

[[Datei:Gfa 17 641006 2-0002 Turbinen.jpg|mini|Drei Wasserturbinentypen: [[Kaplan-Turbine|Kaplanschaufel]] (vorne), [[Peltonrad]] (Mitte), [[Francis-Turbine]] (hinten links)]]

Eine '''Turbine''' ist eine rotierende [[Strömungsmaschine]], die das Abfallen der [[Innere Energie|inneren Energie]] eines strömenden [[Fluid]]es (Flüssigkeit oder Gas) in [[Leistung (Physik)|mechanische Rotationsenergie]] umwandelt, die sie über ihre [[Welle (Mechanik)|Welle]] überträgt.

Dem Fluidstrom wird durch die möglichst wirbelfreie ([[Laminare Strömung|laminare]]) Umströmung der [[Beschaufelung|Turbinenschaufeln]] ein Teil seiner inneren Energie (meistens vor allem bestehend aus [[Bewegungsenergie|Bewegungs-]], [[Lageenergie|Lage-]] und [[Druck (Physik)|Druckenergie]]) entzogen, der auf die Laufschaufeln der Turbine übergeht. Über diese wird dann die Turbinenwelle in Drehung versetzt, die nutzbare [[Leistung (Physik)|Leistung]] wird an eine [[Kupplung|angekuppelte]] [[Arbeitsmaschine]], wie beispielsweise an einen [[Generator]], abgegeben.

[[Gasturbine]]n, [[Dampfturbine]]n und [[Wasserturbine|Wasserkraftturbinen]] für Kraftwerke (stationäre Anwendung) sowie Flugzeugtriebwerke (mobile Anwendung) gehören zu den leistungsfähigsten [[Maschine]]n. Dabei werden Gasturbinen-Leistungen bis zu knapp 600 MW <small>mech</small> erreicht.

Die nutzbare Dampfturbinen-[[Leistung (Physik)|Leistung]] erreicht heute in den größten [[Liste der leistungsstärksten Kernreaktoren|Kernkraftwerken]] fast 1,8 [[Watt (Einheit)|Gigawatt]] ([[Kernkraftwerk Olkiluoto|Kernkraftwerk Olkiluoto/Finnland]]), wobei bei großen Leistungen die Dampfturbine aus mehreren Einzel-Dampfturbinen (Hoch-, Mittel- und Niederdruckturbine(n)) besteht.

Wasserkraftturbinen ([[Francis-Turbine]]) können über 700 MW erreichen.

[[Düsentriebwerk|Flugzeugtriebwerk]]e (Düsentriebwerke), die umgangssprachlich auch ''Turbine'' genannt werden, können eine Schubkraft bis zu 510 kN erreichen.

== Begriff ==
Der Begriff ''Turbine'' wurde vom französischen Ingenieur [[Claude Burdin]] (1788–1873) geprägt<ref>[https://www.udo-leuschner.de/basiswissen/SB107-04.htm ENERGIE-WISSEN udo-leuschner.de], abgerufen am 23. August 2021</ref> und leitet sich vom lateinischen turbare ‚drehen’ ab.

== Grundlagen ==
{{Überarbeiten|[[Diskussion:Turbine]]|Dieser Abschnitt trennt nicht gut genug zwischen einem einzelnen Laufschaufelrad und einer Gesamt-Turbine, die weitere Bauteile enthält, die bei der Leistungswandlung mitwirken - beispielsweise die Leitschaufeln oder der Strömungskanalquerschnitt; außerdem sind Turbinen mitunter mehrstufig. Der Abschnitt}}

=== Theorie ===
[[Datei:Dreiecke-Turbine.PNG|mini|hochkant=1.9|Anwendung der Eulerschen Turbinengleichung auf axial durchströmte Maschinen]]
[[Datei:Eulersche Turbinengleichung Persp.png|mini|hochkant=1.9|Perspektivische Darstellung der physikalischen Größen zur Eulerschen Turbinengleichung]]

Die theoretischen Fundamente zur Berechnung eines beliebigen Turbinentyps wurden bereits im [[18. Jahrhundert]] durch [[Leonhard Euler]] gelegt.

=== Eulersche Turbinengleichung ===
Die Grundlage der '''Eulerschen Turbinengleichung''' findet sich in der [[Drehimpuls|Erhaltung des Drehimpulses]] eines Stoffstromes in einem geschlossenen System:

: <math> D = m \cdot v \cdot r </math>

Die Änderung des Impulses innerhalb eines Teilsystemes (hier: die Turbinenschaufeln) erzeugt ein Drehmoment um das Zentrum der Turbine:

: <math> M = \frac{dD}{dt} = \frac{dc}{dt} \cdot r \cdot m </math>

Sinnvollerweise können nur Anteile der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids einen Anteil zum Drehmoment liefern, die senkrecht im Sinne des [[Hebelgesetz]]es zum Turbinendrehpunkt stehen. Solche Anteile werden mit dem Index ''u'' gekennzeichnet.

Eine [[Integralrechnung|Integration]] der Formel liefert folgendes Ergebnis:

: <math>\int_{t_1}^{t_2} M\cdot dt = m \cdot r \cdot \int_{1}^{2} dc_u </math>

Aus dem Zusammenhang zwischen Drehmoment, der Drehzahl <math>n</math> und der [[Leistung (Physik)|Leistung]] <math>P</math> errechnet sich:

: <math> P = M \cdot 2 \cdot\pi \cdot {n} = M \cdot \omega </math>

: <math> P = \frac{m\cdot r \cdot \omega \cdot dc_u}{dt} = \frac{m\cdot u \cdot dc_u}{dt} </math>

mit <math>u</math> als der größtmöglichen [[Umfangsgeschwindigkeit]] in einem betrachteten Querschnitt.

Eine erneute Integration liefert

: <math> P = \dot m \cdot {\int_{1}^{2} u \cdot dc_u} </math> bzw.

: <math> \frac{P}{\dot m} = {\int_{1}^{2} u \cdot dc_u} = \mathbf Y </math>

Die letzte Gleichung wird '''Eulersche Turbinengleichung''' genannt. Ihre Lösung ergibt sich zu:

: <math> Y = u_2 \cdot c_{u2} - u_1 \cdot c_{u1} </math>

<math>Y</math> ist hier die spezifische Schaufelarbeit, <math>u</math> die Umfangsgeschwindigkeit der sich drehenden Schaufelspitze am Eintritt (Index 1) und Austritt (Index 2), desgleichen die nutzbare Fluidgeschwindigkeit <math>c_u</math> am Ein- und Austritt.

In der Wirklichkeit muss für die überschlägige Turbinenauslegung auch noch mit den [[Reibung]]sverlusten des strömenden Fluids gerechnet werden.

== Technik ==
{{Überarbeiten|[[Diskussion:Turbine#Revert vom 6.5.2019|Diskussionsseite im Abschnitt Revert vom 6.5.2019]]|Dieser Abschnitt bezieht sich nur auf Turbinen für gasförmige Fluide und enthält physikalische Fehler;|grund=}}
[[Datei:Dampfturbine Montage01.jpg|200px|mini|Montage einer [[Dampfturbine]]]]

In der Regel sind mehrere Schaufelräder (mit ihren Laufschaufeln) auf einer Welle ([[Nabe]]) angebracht. Zusammen mit den zugehörigen (Leitschaufeln) im Gehäuse entstehen die sogenannten Schaufelstufen. Die Schaufeln sind gekrümmt [[Profil (Strömungslehre)|profiliert]], ähnlich einer Flugzeugtragfläche.

Sind Turbinen in einem durchströmten Gehäuse montiert, dann befindet sich vor jeder Laufradstufe ein Leitrad. Die Leitschaufeln ragen vom Gehäuse in das strömende Medium hinein und erteilen ihm einen [[Drehimpuls]] (Drall). Der im Leitrad erzeugte Drall ([[kinetische Energie]]) wird im darauffolgenden Laufrad möglichst vollständig abgebaut, um die Welle, auf der die Laufradschaufeln über die Nabe montiert sind, anzutreiben. Die Rotation der Welle kann genutzt werden, um zum Beispiel einen Generator anzutreiben. Letztlich wird so die mechanische Strömungsenergie von [[Wasserkraft]], [[Dampf]] oder Luft in elektrische Energie überführt. Leitrad und Laufrad zusammen bezeichnet man als ''Stufe''. Bei Gas- und besonders bei Dampfturbinen sind mehrere solcher Stufen hintereinandergeschaltet, Wasserturbinen sind einstufig ausgeführt. Da das Leitrad stillsteht, können seine Leitschaufeln sowohl am Gehäuseinneren als auch am Gehäuseäußeren befestigt sein, und somit für die Welle des Laufrads ein Lager anbinden.

Frei stehende Turbinen (zum Beispiel bei [[Windkraftanlage]]n) haben in der Regel kein Leitrad und nur eine Stufe. Maßgeblich für die Stufeneinteilung sind die Laufräder – jedes ist Grundlage einer eigenen Stufe.

Turbinen können direkt mit schnell umlaufenden [[Drehstrom-Synchronmaschine|Generatoren]] gekoppelt sein, die die mechanische Rotationsenergie in [[Elektrizität|elektrische]] Energie umwandeln. Diese schnell umlaufenden, [[Polpaarzahl|niederpoligen]] Generatoren werden auch [[Turbogenerator]]en genannt. Eine Zusammenstellung aus Turbine und Turbogenerator heißt [[Turbosatz]].

Wird eine Turbine mithilfe eines [[Verdichter]]s und eines Verbrennungssystems für [[Gas]] oder [[Öle|Öl]] angetrieben, nennt man das Gesamtsystem eine „[[Gasturbine]]“. Gasturbinen werden zum Beispiel in [[Flugzeug]]en, [[Schiff]]en oder in [[GuD-Kraftwerk|Gas-]] und [[Ölkraftwerk]]en verwendet. [[Turbinen-Strahltriebwerk]]e sind Gasturbinen, die Flugzeuge ganz oder teilweise durch den Rückstoß ihrer beschleunigten Abgase antreiben ([[Schub]]). [[Mantelstromtriebwerk]]e erzeugen einen größeren Teil des Schubes durch ein turbinengetriebenes Gebläse („Fan“).

=== Sonderfälle ===
Es gab Windturbinen, die mit nur einem Rotorblatt (und einem Gegengewicht) ausgeführt wurden, die sogenannten [[Einflügler]].

Die [[Ljungströmturbine]] ist eine Bauform einer Dampfturbine, die ohne Leitschaufeln auskommt. Die radial von innen nach außen durchströmte Turbine besteht aus zwei ineinandergreifenden Hälften, die in entgegengesetzter Richtung drehen. Dabei wirken die Laufradschaufeln der einen Hälfte als Leitschaufeln der anderen Hälfte.

Bei der [[Pelton-Turbine|Pelton]]- und der Lavalturbine ist der Leitapparat auf eine oder mehrere Düsen reduziert.

== Typologie ==
Turbinen werden nach verschiedenen Antriebsmedien unterschieden:
# 1. [[Kompressibel|kompressible]] Fluide (thermisch)
#* [[Gasturbine]]
#* [[Dampfturbine]]
#* [[Strahltriebwerk]]
#*[[Mikrogasturbine|Mikro-Gasturbinen]]

# 2. [[Kompressibel|kompressible]] Fluide (nicht thermisch)
#*[[Expander (Strömungsmaschine)|Expansionsturbine]]
# inkompressible Fluide (hydraulische Strömungsmaschine)
#* [[Wasserturbine]]n
#* [[Windkraftanlage]]n

=== Bauartbedingte Unterscheidungen ===
Anströmungsrichtung des Mediums
* [[Rotationsachse|axiale]] Bauart (zum Beispiel [[Kaplan-Turbine]])
* [[Tangente|tangentiale]] Bauart (zum Beispiel [[Tesla-Turbine]], [[Pelton-Turbine]])
* [[Radius|radiale]] Bauart (zum Beispiel [[Ljungströmturbine]], [[Francis-Turbine]])

=== Verhältnis Fluiddruck Eintritt zu Austritt ===
* [[Überdruckturbine|Überdruck- oder Reaktionsturbine]]
* [[Gleichdruckturbine|Gleichdruck- oder Aktionsturbine]]

== Siehe auch ==
* [[Wells-Turbine]]
* [[Tesla-Turbine]]
* [[Turbine (Zahnmedizin)]]
* [[Windkraftanlage|Wind-Turbine]]
* [[spezifische Drehzahl]] von Turbinen

== Literatur ==
* Willi Bohl: Strömungsmaschinen 1, Aufbau und Wirkungsweise, Vogel Fachbuch Verlag Würzburg, 8. Auflage 2002, ISBN 3-8023-1935-4, Kapitel 3.3: Eulersche Strömungsmaschinen-Hauptgleichung, Tab.3.1/S.29 (für Kraftmaschinen und Arbeitsmaschinen: Momentengleichung, theoretische Leistungsabgabe, Turbinenhauptgleichung nach Euler)

== Weblinks ==
{{Wiktionary}}
{{Commonscat|Turbines (turbomachine component)}}
* [http://www.c-turbines.ch/ Gasturbinen-Eigenbau, Turboladerturbine, TS-21 APU]

== Einzelnachweise ==
<references>
</references>

{{Normdaten|TYP=s|GND=4061226-0}}

[[Kategorie:Turbine| ]]
[[Kategorie:Energietechnik]]
[[Kategorie:Strömungsmaschine]]
[[Kategorie:Antriebsglied]]
[[Kategorie:Kraftwerkskomponente]]
[[Kategorie:Technisches Fachgebiet]]

Turbine - Versionsgeschichte

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