F-Klasse, H-Klasse, J-Klasse – Grundlagen der Klassifizierung von Gasturbinen

Grundkenntnisse über Gasturbinen

Gasturbinen bestehen im Wesentlichen aus drei Hauptkomponenten: dem Kompressor, dem Brennkammer, sowie die Turbine. Der Gasturbinenzyklus wird im Allgemeinen als Einfachzyklus bezeichnet. Die meisten Gasturbinen arbeiten nach dem Einfachzyklusprinzip, während nur Hochleistungsgasturbinen nach dem Kombizyklusprinzip arbeiten. Aufgrund unterschiedlicher historischer Hintergründe haben sich Gasturbinen auf unterschiedlichen technischen Wegen entwickelt. Leichte, aus der Luftfahrt abgeleitete Industrie- und Schiffsgasturbinen (allgemein als “aus der Luftfahrt abgeleitete Maschinen” bekannt) entstehen durch die Modifizierung von Flugzeugtriebwerken; industrielle Hochleistungs-Gasturbinen (allgemein bekannt als “Industriemaschinen”) werden nach dem traditionellen Dampfturbinenkonzept entwickelt, das hauptsächlich für mechanische Antriebe und große Kraftwerke verwendet wird.

Eine Gasturbine lässt sich von links nach rechts in drei Teile unterteilen: Kompressor (blau), Brennkammer (rot) und Turbine (gelb).

Klassifizierung von Gasturbinen

Weltweit beschäftigen sich Dutzende von Unternehmen mit der Forschung, Konstruktion und Fertigung von Gasturbinen. Die vier Unternehmen, die die Technologie für Hochleistungsgasturbinen vollständig beherrschen, sind General Electric aus den Vereinigten Staaten, Siemens aus Deutschland, Mitsubishi Heavy Industries aus Japan (das in der Anfangszeit die Westinghouse-Technologie aus den Vereinigten Staaten einführte) und Ansaldo aus Italien. Laut Chen Xuewen, dem stellvertretenden Vorsitzenden der Shanghai Electric Gas Turbine Co., Ltd., gab es noch nie einen internationalen Standard für die Modellklasse von Gasturbinen, und dieser wird heute immer unklarer. Der Autor kann daher nur Meinungen verschiedener Seiten einholen und diese wie folgt zusammenfassen:

1. Je nach Verbrennungstemperatur wird die Gasturbine in folgende Stufen unterteilt (jede Stufe entspricht 100 Grad):

• GE, USA (Angaben von Harbin Electric): 1100 °C für die Klasse E, 1200 °C für die Klasse F, 1400 °C für die Klasse H.
• Japan Mitsubishi (vorgestellt von Dongfang Electric): 1400 °C entspricht der Klasse F, 1500 °C der Klasse G, die Klasse H ist ein Testprodukt in der Zwischenphase, 1600/1700 °C entspricht der Klasse J.
• Deutschland, Siemens (Einführung durch Shanghai Electric): Die alten Typenbezeichnungen V64.3A, V84.3A und V94.3A gehören zur Klasse 6F. Im Jahr 1997 verkaufte Westinghouse seinen Geschäftsbereich für nicht-nukleare Generatoren an Siemens. Die neuen Typenbezeichnungen wurden in ähnliche Bezeichnungen wie SGT6-5000F und SGT-8000H geändert. Klasse F entspricht 1200 °C und Klasse H 1500 °C.

2. Klassifizierung der Referenzleistung für Hochleistungs-Gasturbinen:

Hochleistungs-Gasturbinen zur Stromerzeugung werden in der Regel nach ihrer Leistung klassifiziert, wenn die Verbrennungstemperatur in der Brennkammer zwischen 1100 Grad Celsius und 1500 Grad Celsius liegt. So beträgt beispielsweise die Leistung von Gasturbinen der Klasse B höchstens 100 MW, die Leistung von Gasturbinen der Klasse E liegt zwischen 100 MW und 200 MW, die Leistung von Gasturbinen der Klasse F zwischen 200 MW und 300 MW, und höhere Klassen wie Klasse G und Klasse H liegen im Bereich von 300 MW bis 400 MW. Laut Herrn Chen Xuewen hinkt diese Klassifizierungsmethode den tatsächlichen Produkten etwas hinterher, da sich die Leistung von Gasturbinen verschiedener Hersteller rasch weiterentwickelt hat.

Entwicklung internationaler Gasturbinen

Siemens: Die repräsentative Supergas-Turbine SGT5-8000H wiegt 390 Tonnen (entspricht einem vollbetankten Airbus A380), ist 13,1 Meter lang, 4,9 Meter breit, 4,9 Meter hoch und hat eine Kombinationsleistung von 595 MW. Die von einer SGT5-8000H erzeugte Leistung reicht aus, um eine große Industriestadt mit Strom zu versorgen. Ihre Turbinenschaufeln müssen einer hohen Temperatur von über 1.500 °C standhalten, was die Turbineneintrittstemperatur des GE90-Turbofan-Flugzeugtriebwerks und des F404-Strahltriebwerks übersteigt. Da die Spitzengeschwindigkeit der Turbinenschaufel 1.700 Kilometer pro Stunde übersteigt, wirkt durch die enorme Zentrifugalkraft an einem Ende jeder Schaufel eine Kraft, die dem 10.000-fachen der Erdbeschleunigung entspricht. Die Schaufel darf keinerlei Fehler aufweisen, und die Toleranz beträgt nur einige zehn Mikrometer; andernfalls wird sie aussortiert. Daher heißt es, dass eine Klinge entspricht einem BMW.

Mitsubishi Corporation: Das neueste Modell ist die Super-Gasturbine M701J mit einer Kombikraftwerksleistung von 650 MW. Sie ist mit einem 15-stufigen Axialkompressor mit einem Druckverhältnis von 23:1 ausgestattet. Der Brenner und die 4-stufige Axialturbine sind luftgekühlt, und in den ersten drei Stufen kommen modernste Hochtemperatur-Schutzbeschichtungen, keramische Wärmesperrschichten und eine leistungsstarke Luftfilmkühlung sowie weitere Hightech-Technologien zum Einsatz. Trotz der weltweit höchsten Gasturbinen-Einlasstemperatur von 1.600 °C kann sie die langfristige Lebensdauer der Hochtemperaturkomponenten gewährleisten. Die neuesten Innovationen der J-Serie zielen darauf ab, die CO₂-Emissionen weiter zu senken. Im März 2020 erhielt MHPS einen Auftrag über zwei M501JAC-Antriebsstränge von der Intermountain Power Authority in Utah, USA. Die beiden Gasturbinen basieren auf einem luftgekühlten Trockenverbrennungssystem mit niedrigem NOx-Ausstoß und können bis zu 30% erneuerbaren Wasserstoff als Brennstoff nutzen. Im Vergleich zu Kohlekraftwerken gleicher Größe reduziert ein 30%-Wasserstoffsystem die CO₂-Emissionen um mehr als 75%, während ein 100%-Wasserstoffsystem die CO₂-Emissionen vollständig eliminiert. Zwischen 2025 und 2045 wird das Kraftwerk schrittweise eine zu 100% aus erneuerbarem Wasserstoff stammende Stromerzeugung erreichen.

General Electric: Die Hochleistungs-Gasturbinen der 9HA-Serie sind die effizientesten Kombikraftwerks-Gasturbinen der Welt; die neueste Hochleistungs-Gasturbine 9HA.02 erreicht nicht nur einen Kombikraftwerks-Wirkungsgrad von mehr als 64%, sondern auch eine Leistung von bis zu 826 MW. Diese beiden Schlüsselkennzahlen übertreffen die der beiden wichtigsten Wettbewerber bei weitem, und bei der Herstellung der Schlüsselkomponenten kommt modernste 3D-Drucktechnologie zum Einsatz.

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