Inhaltsverzeichnis
2.1 Grundlagen
Häufig befindet sich die Gasturbine in einem sog. Package mit einer umfangreichen Peripherie ( "Bild 2.1-1"). Die Gasturbine selbst besteht aus drei Hauptkomponenten: Dem Verdichter, der Brennkammer und der Turbine ( "Bild 2.1-2"). Der Verdichter komprimiert die Ansaugluft auf den Verdichterenddruck, der bei modernen Gasturbinen über 40 bar liegen kann. Dabei erhitzt sich die Luft je nach Kompression auf bis zu 600 °C. In der Brennkammer wird der Luft Brennstoff zugesetzt und dieser verbrannt. Dies ist für die Umweltverträglichkeit entscheidend. In der Turbine gibt das Heißgas seine Energie möglichst weitgehend zum Antrieb des Rotors ab. Die Turbine (bei Mehrwellentriebwerken ein Teil der Turbine) treibt den Verdichter, was intern etwa 2/3 der Gesamtleistung erfordert ( "Bild 2.1-3.1"). Diese Energie wird bis auf relativ kleine Wärmeverluste, über den komprimierten Luftstrom wieder innerhalb der Maschine zurückgeführt. Lediglich etwa 1/3 der Turbinengesamtleistung kann zum mechanischen Antrieb eines externen Aggregates verwendet werden. Die nicht genutzte Abgasenergie entspricht ca. 2/3 der eingebrachten Kraftstoffenergie. Die Abgastemperatur liegt nicht unter ca. 500 °C. Teile der Abgasenergie lassen sich noch nutzen. Mit Hilfe von Wärmetauschern lässt sich die Verdichterluft vor der Brennkammer von ausreichend heißem Abgas aufheizen. Wird die Abgasenergie zur Dampferzeugung genutzt, kann in einem sogenannten GuD-Prozess eine nachgeschaltete Dampfturbine betrieben werden ( "Bild 2.1-3.2"). Dampf kann auch wieder in die Brennkammer geblasen werden ( "Bild 2.1-3.4"). Für industrielle Prozesse (z.B. Trocknung) lässt sich noch die Energie von Abgasen mit einem relativ niedrigen Temperaturniveau nutzen (Kraft- Wärme-Kopplung, "Bild 2.1-3.3").
Bei Verdichtern kennt man Axialverdichter ( "Bild 2.1-5") oder Radialverdichter ( "Bild 2.1-4"). Diese Bauformen werden auch kombiniert. Gegenüber Beschädigungen durch Erosion und FOD sind Radialverdichter robust. Die Bauart ist jedoch wegen der hohen mechanischen Radbelastung ( "Bild 3.1.2.1-5a6a7a8") im Durchmesser deutlich begrenzt. Deswegen sind Radialverdichter gewöhnlich auf Maschinen kleiner Leistung beschränkt. Typische Anwendungen sind Kleingasturbinen bis ca. 2 MW.
Ähnliches gilt für die Turbinen. Auch hier gibt es die axiale und die radiale Variante.
Brennkammern können unterschiedliche Formen aufweisen (Bild 2.1- 6.1, "Bild 2.1-6.2" und "Bild 3.2.1-5.1"). Verdichter und Turbine sitzen bei sogenannten Einwellenmaschinen ( "Bild 2.1-7") auf ein und derselben Welle, von der auch die Leistungsabgabe erfolgt. Bei Mehrwellenmaschinen ( "Bild 2.1-7") gibt die Niederdruckturbine (Leistungsturbine, Nutzturbine) die Leistung ab. Wird ein Derivat (von einem Flugtriebwerk abgeleitet) lediglich als Gaserzeuger verwendet, wird eine Leistungsturbine mit eigener Welle nachgeschaltet. Bei Derivaten von “Zweikreisern” wird die Leistung der Niederdruckturbine meist nach hinten abgegeben.
Bauarten und spezifische Einsatzbedingungen
Je nach Betriebsanforderungen kommen zwei Bauarten ( "Bild 2.1-7") gleichberechtigt zum Einsatz. Es handelt sich um die sog. schwere Bauart (engl. heavy frame), welche speziell für den stationären Einsatz entwickelt wurde und die Flugturbinenderivate, die sich von Triebwerken ableiten. Die Technologie dieser Bauarten nähert sich weiter an. Von Derivaten kommt die Anwendung von Wärmedämmschichten ( "Bild 3.2.3-5"), komplexer innerer Kühlkonfigurationen ( "Bild 3.3-3") sowie Einkristallwerkstoffen ( "Bild 3.3-4") an Turbinenschaufeln als typische Beispiele. Die Lebensdauer der Derivate nähert sich der schwerer Bauart. Damit verwischen sich die Anwendungsgrenzen.
Gasturbinen der schweren Bauart sind eher für den stationären Dauerbetrieb vorgesehen. Zu ihnen gehören besonders höhere Leistungsklassen (bis über mehrere 100 MW). Es gibt jedoch durchaus auch kleinere Gasturbinen dieses Typs im Bereich von 10 MW. Ihre Hauptanwendung als Zweiwellenmaschine ist der Generatorantrieb. Um die genau einzuhaltende Betriebsdrehzahl zu erreichen, werden bei Gasturbinen kleinerer Leistung aber mit höheren Drehzahlen, Getriebe zwischengeschaltet ( "Bild 3.7.2-1" und "Bild 3.7.2-2"). Die Einwellenausführung dient vorzugsweise zum Antrieb von Pumpen und Kompressoren. Für diese lassen sich die Drehzahlen besser anpassen. Nicht selten weisen die Maschinen europäischer Hersteller eine oder zwei radial angeordnete große Einzelbrennkammern in Rohrbauweise auf ( "Bild 2.1-6.1" und "Bild 3.2.1-2"). Es gibt je doch auch Hersteller, insbesondere aus dem angelsächsischen Raum, die mehrere axial oder schräg angeordnete Rohrbrennkammern bevorzugen. Die Gehäuse sind sehr massiv, mit relativ dicken Wandstärken und axialer Längsteilung (horizontale Teilfugen). Die großen Scheibenquerschnitte der Verdichter- und Turbinenrotoren bedingen entsprechende Massen. Eine Verbindung des gesamten Rotorverbands durch axiale Spannbolzen ist ein beliebtes Konstruktionsprinzip. Dabei wird häufig ein zentrischer Spannbolzen verwendet ( "Bild 2.1-7"). Es gibt aber auch Ausführungen deren Verdichterrotor als Schweißkonstruktion gestaltet ist. Auch Kombinationen dieser Verbindungen werden eingesetzt.
Vorteile der schweren Maschinen sind ihre Auslegung für besonders lange Betriebszeiten und die Realisierung hoher Leistungen. Ist die Gasturbine bereits als Wellenleistungsmaschine konzipiert und optimiert, gilt das sowohl für die benötigte Abtriebsdrehzahl als auch für den Drehmomentverlauf. Weniger strikte Gewichtslimits als bei Triebwerken, von denen die Derivate stammen, lassen es zu, die Komponenten, insbesondere die Rotoren, für niedrigere Belastungen auszulegen. Damit entsteht ein großes Potenzial für den Langzeitbetrieb. Bei der Werkstoffauswahl ermöglichen niedrigere Belastungen mehr Spielraum für betriebsspezifische Anforderungen. Das lässt sich z.B. für kostengünstige Bauteile oder die Korrosionsbeständigkeit bestimmter Komponenten nutzen. Überholungspläne werden einem stationären Betrieb mit nur wenigen, besonders schädigenden Zyklen, bereits im Konzept angepasst.
Nachteile schwerer Maschinen sind, dass dem Maschinenkonzept in Startgeschwindigkeit und Startzahl deutliche Grenzen gesetzt sind. Die dicken Scheiben- und Gehäusequerschnitte folgen Temperaturänderungen nur träge. Dies schränkt die Möglichkeit schneller Starts ein. Entweder werden die Bauteilbelastungen aufgrund der Wärmespannungen sehr hoch oder es besteht die Gefahr von Spaltüberbrückungen wegen zu langsamer Wärmedehnungen. Das hohe Gewicht kann die Anwendung ebenfalls einschränken. So ist nicht immer ein ausreichend stabiles Fundament realisierbar. Bei schwerer Bauweise handelt es sich wegen der oft recht speziellen Kundenforderungen meist um „Unikate“, auch wenn sie einem bestimmten Typ zugeordnet sind. Damit lassen sich die Vorteile der “großen Zahl“ (Kosten, Erprobung) nicht wie bei Triebwerksderivaten nutzen.
Flugturbinenderivate (leichte Bauart, Triebwerksderivate, engl. aircraft derivative) haben die typischen Konstruktionsmerkmale von (Flug-)Triebwerken ( "Bild 2.1-9"). Sie werden für den industriellen Einsatz modifiziert und decken vorzugsweise den Leistungsbereich von ca. 100 KW bis ca. 100 MW ab. Die günstigen Starteigenschaften prädestinieren dieses Konzept für Lastspitzen bei relativ kurzem Betrieb (Spitzenlast) und als Notaggregat. Durch die Weiterentwicklung werden jedoch heute bereits beachtlich lange Laufzeiten mit Komponentenlebensdauern von mehreren zehntausend Stunden erreicht. Arbeitet das Triebwerk, bei Mehrwellentypen das Kerntriebwerk, als Gaserzeuger, liefert dieser das Antriebsgas für eine getrennte Leistungsturbine/Nutzturbine ( "Bild 2.1-7"). Die Nutzturbine ist dann möglichst so ausgelegt, dass sie direkt die gewünschte Drehzahl abgibt und kein Zwischengetriebe benötigt. Wellenleistungstriebwerke (von Turboprop- oder Hubschraubertriebwerken) mit einer Welle geben die Leistung über die Rotorwelle nach vorne (am Verdichter) ab. Mehrwellenmaschinen, wie moderne Fan-Triebwerke, verwenden die Niederdruckturbine, die sonst den Fan antreibt, als Basis der Nutzturbine ( "Bild 2.1-8"). Wenn die Drehzahl nicht mit der geforderten übereinstimmt, ist ein Getriebe notwendig. Die Abtriebswelle wird bei Derivaten meist (im Gegensatz zum Triebwerk) nach hinten geführt. Derivate unterliegen besonderen Anforderungen. Das Triebwerk von dem es abgeleitet wurde erfordert eine hohe Leistungskonzentration, d.h. niedriges Gewicht und ein kleines Volumen. Kurze Startzeiten und viele Lastwechsel im Vergleich zur schweren Bauart bedingen relativ kurze Überholungszyklen. Das erfordert besondere konstruktive Merkmale, die eine gestalterische Vielfalt zur Folge haben. Die Gehäuse sind dünnwandig und nicht selten mit Anstreifsystemen ( "Bild 3.1.2.4-1") ausgestattet. Die Rotoren sind leicht und in ihrem Dehnungsverhalten den Gehäusen angepasst ( "Bild 3.1.2.4-3"). Es handelt sich meist um zweiwellige Maschinen. Weil die Brennkammerlänge das Triebwerksgewicht erheblich bestimmt, sind die Brennkammern moderner Triebwerke sehr kurz. Das kann die Einhaltung der Forderungen des stationären Betriebs nach besonders niedrigen Emissionen erschweren. Von den Rohrbrennkammern älterer Triebwerke ( "Bild 3.2.1-2") ging man auf die Ringbrennkammern über ( "Bild 3.2.3-1"). Im Gegensatz zu den Maschinen schwerer Bauart werden bei Flugtriebwerken herstellerabhängig ringförmige Radialflansche (vertikale Teilfugen) verwendet. Die relativ kurzen Überholintervalle haben die sogenannte Modulbauweise begünstigt, bei der ganze Baugruppen ausgetauscht werden können ( "Bild 4.2-4".1).
Ein Vorteil der Flugturbinenderivate ist deren spontanes Verhalten bei schnellen und häufigen Starts. Das niedrige Gewicht erweitert zudem das Anwendungsspektrum. Dies ermöglicht die Installation auf gewichtsbegrenzten Plattformen oder in bautechnisch eingeschränkten Gebäuden. Im Rahmen der Triebwerksentwicklung aus der das „Derivat“ abgeleitet wird, ergeben sich Vorteile der “großen Zahl“. Dies sind günstige Komponentenkosten, statistisch abgesicherte technische Reife, Ersatzteilverfügbarkeit und Schwachstellenerkennung. Eine Modulbauweise ( "Bild 4.2-4"), wie sie in der Triebwerkstechnik häufiger genutzt wird, hat das Potenzial günstiger Reparatur- und Überholvorgänge, die auch in einem Reparaturshop durchgeführt werden können.
Die Nachteile der Triebwerksderivate beruhen in erster Linie auf den hohen Bauteilbelastungen. Diese ergeben sich aus triebwerksspezifischen Forderungen nach hoher Leistung bei niedrigem Gewicht. So hat eine lange Lebensdauer der infolge Gewichtsminimierung hoch belasteten Bauteile, insbesondere der Rotoren, bei der Maschinenauslegung nicht die gleiche Priorität wie im Falle der schweren Maschinen. Dies führt dazu, dass Technologien in Derivaten mehr “ausgereizt“ werden. Drehzahlen der Maschine (Triebwerk), von der das Derivat abgeleitet wurde, entsprechen nicht notwendigerweise der Auslegung des anzutreibenden Aggregates. Deshalb ist entweder ein zwischengeschaltetes Getriebe notwendig oder es muss eine neu entwickelte Nutzturbine verwendet werden. Die kurzen Brennkammern der Flugtriebwerke stellen dem Konstrukteur bezüglich Temperaturprofil und -verteilung sowie Abgasreinheit besondere Aufgaben. Nicht selten wird dieser Bereich für den stationären Einsatz deutlich verändert ( "Bild 3.2.2-2" und "Bild 3.2.2-3"). Das beinhaltet die Problematik der Anpassung an die restliche Maschine und macht entsprechende Erprobungen und Nachweise notwendig.
"Bild 2.1-1": Ein Gasturbinenpackage umfasst die Gasturbine mit dem anzutreibenden Aggregat. Meist handelt es sich um Generatoren, Kompressoren oder Pumpen. Dazu kommt die gesamte zum Betrieb notwendige Peripherie (Kapitel 3.7). Solche Packages werden vom Hersteller der Maschine und/oder von sog. “Packagern“ komplett geliefert. Es handelt sich in erster Linie um folgende Baugruppen:
(A) die Gasturbine, (B) Ansaugfilter, (C) Ansaugschalldämpfer, (D) Ansaugraum, (E) Abgassammler, (F) Abgaswärmetauscher, (G) Abgasschalldämpfer, (H) anzutreibendes Aggregat, (K) Abtriebswelle und Kupplung
"Bild 2.1-2": Die Hauptkomponenten einer Gasturbine sind: Der Verdichter zur Komprimierung der Luft, die Brennkammer führt durch Verbrennung die Kraftstoffenergie zu und die Turbine entnimmt die Energie den Heißgasen. Sie treibt den Verdichter an und gibt die mechanische Nutzenergie ab. Der Verdichter besteht bei Triebwerksderivaten häufig aus einem Niederdruck- und einem Hochdruckteil. Sie werden mit getrennten Wellensystemen von der Hochdruckturbine bzw. der Niederdruckturbine angetrieben. Die Drehzahl des Hochdrucksystems ist deutlich höher als die des Niederdrucksystems. Die Aufteilung auf zwei getrennte Wellensysteme, die lediglich aerodynamisch gekoppelt sind, ist bei Derivaten notwendig, weil der Niederdruckteil der entsprechenden Triebwerke üblicherweise auch den relativ langsam drehenden Fan (siehe untere "Bild 2.1-8") auf der gleichen Welle antreibt. Diese niedrige Drehzahl ist für den gesamten Verdichter zu langsam. Bei Derivaten wird von der Niederdruckwelle die Nutzleistung abgenommen (Nutzturbine, Arbeitsturbine). Heavy Frame Maschinen ( "Bild 2.1-7") für die Stromerzeugung haben dagegen häufig nur ein Wellensystem das den Verdichter antreibt und die Nutzenergie abgibt ( "Bild 2.1-6.1" und Bild 2.1- 6.2). Unter Gaserzeuger versteht man die Gasturbine, welche das Antriebsheißgas für eine dahinter geschaltete, nicht mechanisch mit dem Gaserzeugerrotor gekoppelte Arbeitsturbine erzeugt.
"Bild 2.1-3.1": Nur ein kleiner Teil von ca 1/3 der mit dem Brennstoff eingebrachten Energie steht als abnehmbare mechanische Energie für den Antrieb von Generatoren, Pumpen usw. zur Verfügung. Der größte Energieanteil (ca. 2/3) ist im Abgas enthalten. Es ist also naheliegend, diese Energie ebenfalls zu nutzen. Dies kann auf unterschiedliche Art geschehen. Eine Möglichkeit ist ein Wärmetauscher zur Aufheizung von gasförmigen und flüssigen Medien. Die Wärme kann so zu Heizungszwecken ( "Bild 2.1-3.2", "Bild 2.1-3.3" und "Bild 2.1-3.4"), für Trockner oder Prozessenergie bei Produktionsabläufen dienen.
Es ist weiterhin möglich, mit einem Teil der Abgasenergie über einen Wärmetauscher die Luft vor der Brennkammer aufzuheizen und/oder den Kraftstoff vorzuwärmen. So lässt sich Abgaswärme zurückführen. Dies ist zwar aufwändig, die Kraftstoffeinsparung kann sich aber trotzdem lohnen. Dabei sind heute nicht allein die direkten Kraftstoffkosten zu berücksichtigen, sondern auch eventuelle niedrigere Abgasemissionen.
Einen ähnlichen Effekt kann die Einblasung von Wasserdampf in die Brennkammer haben, wenn der Dampf mit Abgaswärme erzeugt wurde ( "Bild 2.1-3.4"). Die vom Gaserzeuger intern umgesetzte Energie für die Kompression der Ansaugluft im Verdichter liegt bei 2/3 der Kraftstoffenergie. Sie geht mit den erwähnten Maßnahmen der Abgasenergienutzung bis auf kleine Verluste (z.B. durch Abstrahlung oder Ableitung von Wärme) dem Kreisprozess nicht verloren.
"Bild 2.1-3.2": Kraft-Wärme-Kopplung: Natürlich wird versucht die hohe restliche Wärmeenergie im Abgas ( "Bild 2.1-3.1") zu nutzen. Dies kann auf sehr vielfältige Weise geschehen.
Im einfachsten Fall wird in einem sog. Abhitzekessel Dampf erzeugt. Dieser kann auf vielfältige Weise zur Energieerzeugung (siehe GuD-Prozess, "Bild 2.1-3.3") und/oder als Prozessdampf genutzt werden. Darüber hinaus lässt sich ein Wärmetauscher für Heißwasser zu Heizungszwecken nachschalten. Der Wirkungsgrad einer solchen Anlage kommt in Bereiche von 80%.
"Bild 2.1-3.3": Beim kombinierten Gas- und Dampfturbinenprozess (GuD) wird ein besonders hoher Anteil der Brennstoffenergie in mechanische Antriebsenergie umgesetzt. Dies bedeutet eine entsprechend hohe Stromkennzahl. Die elektrischen Wirkungsgrade solcher Anlagen liegen bei 40%.
"Bild 2.1-3.4": Neueste Entwicklungen nutzen Vorteile der Einblasung von Dampf in den Luftstrom vor und in der Brennkammer ( "Bild 3.2.2-3"). Der Dampf entsteht in einem Abhitzekessel. Gegebenenfalls wird hier mit einem weiteren Brenner zusätzlich Energie zugeführt. Solche Anlagen lassen sich äußerst flexibel an schwankenden Strom- und Wärmebedarf anpassen. Diese Technologie wird unter Bezeichnungen wie “Cheng Cycle”(nach dem Erfinder) oder STIG-Prozess (Steam Injected Gas Turbine) angeboten. So lässt sich eine Absenkung des NOx-Anteils im Abgas, eine Leistungssteigerung der Maschine bis um 50 % und eine Wirkungsgradsteigerung um über 20 % erzielen. Doch wo Licht ist, dürfen wir auch Schatten vermuten. So gibt es in der Fachliteratur unübersehbare Hinweise auf spezifische Maschinenprobleme mit der Technologie der Dampfeinblasung. Dundas erwähnt (Lit 0-1), dass im Zeitraum von 1985 bis 1990 die kostspieligsten Schäden an Derivaten (siehe Bild 0-1) oft mit Verdichterpumpen (Bild 3.1-6) bei Dampfeinblasung in Zusammenhang standen.
"Bild 2.1-4": Radialverdichter werden meist bei Maschinen im unteren Leistungsbereich bis zu wenigen MW Abtriebsleistung angewandt. Der Luftstrom wird entsprechend der Stufenzahl mehrmals radial umgelenkt. Dies ist auch ein Grund für die etwas schlechteren Wirkungsgrade dieser Bauart im Vergleich zu Axialverdichtern.
Radialverdichter sind sehr robust gegenüber Einflüssen wie FOD und Erosion. Auf eine kurze axiale Länge wird ein hohes Druckverhältnis erzielt. Die radiale Anordnung der Sammler und Leitapparate erfordert einen relativ großen Durchmesser der Maschinen. Das muss aber für die stationäre Anwendung kein Nachteil sein.
Der Einlass von Radialverdichtern ist üblicherweise seitlich angeordnet und deshalb ohne Hilfsmittel weniger gut visuell (Spiegel) kontrollierbar. Damit besteht eine erhöhte potenzielle Gefahr, dass nach Inspektionen, Überholungen und Montagen Gegenstände im Verdichtereintritt unbemerkt zurückbleiben. Diese führen beim Anfahren zu umfangreichen Schäden. So trat z.B. auf einem Prüfstand ein Fall auf, bei dem im Ansaugkanal ein Plastiksäckchen mit Schrauben unbemerkt blieb. Dieses gelangte beim Anfahren der Maschine in den Verdichter und erzeugte dort große Schäden.
"Bild 2.1-5": Axialverdichter kommen besonders bei großen Maschinen mit hohem Luftdurchsatz zum Einsatz. Das Stufendruckverhältnis von Axialverdichtern liegt um 1,2 bis 1,4, bei Radialverdichtern zwischen 2 und 5. Die Multiplikation der Einzelstufendruckverhältnisse ergibt das Gesamtdruckverhältnis des Verdichters. Das Betriebsfeld ( "Bild 3.1.1-1") ist breiter als bei Radialverdichtern. Sie lassen damit eine weitere Variation von Druckverhältnis und Durchsatz zu. Axialverdichter bauen im Vergleich mit Radialmaschinen länger, im Durchmesser dagegen kleiner. Sie erreichen so bei großen Durchsätzen erst später mechanische Belastungsgrenzen der Rotoren.
Es gibt Maschinen im unteren Leistungsbereich (bis herunter zu ca. 400 kW Leistung) die einen Axialverdichter mit einem Radialverdichter als Endstufe kombinieren.
"Bild 2.1-6.1": Bei Maschinen kleiner Leistung (Skizze oben, Lit 1-2) sind Einzel- Tangentialbrennkammern typische Anordnungen. Große Maschinen besonders älterer Bauart haben nicht selten mehrere schräg radial orientierte Rohrbrennkammern ( "Bild 3.2.1-2").
Diese Bauweise bietet auch bei modernen Maschinen mit Low-NOx-Eigenschaften Vorteile. Sie nutzen die größere Länge, um Verbrennungsinstabilitäten ( "Bild 3.2.2-5") zu vermeiden.
Die Temperaturverteilung ( "Bild 3.2.3-2") dürfte bei mehreren Rohrbrennkammern, je nach deren Lage und Zahl im Vergleich mit einer Ringbrennkammer eher ungünstig sein. Das liegt an Unterschieden in Einspritzung, Kühlung und Verbrennung in den einzelnen Flammrohren.
Eine längere Gasführungsstrecke zwischen Brennkammeraustritt und Turbineneintritt kann für einen Temperaturausgleich sorgen. "Bild 2.1-6.1" Dies ist bei Heavy-Frame-Maschinen als Auslegungsbestandteil leichter zu realisieren.
"Bild 2.1-6.2": Das Bild zeigt eine schräg verlaufende Ringbrennkammer. Deren Vorteil gegenüber axialen Rohr- und Ringbrennkammern ist die besonders gute Zugänglichkeit bei Inspektionen und Reparaturen. Es gibt weniger Einschränkungen in der Größe (axiale Länge) und eine geringe Zahl von Einzelteilen. Bei Schäden ist so die Zahl der betroffenen Bauteile niedrig. Der Konstrukteur hat für besondere Vorrichtungen zur Minimierung der Schadstoffemission bei größerer Länge mehr Spielraum.
Von einer Ringbrennkammer ist eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Heißgasstrom vor der Turbine ( "Bild 3.2.3-2") zu erwarten.
"Bild 2.1-7": Triebwerksderivate (oben) und Heavy Frame Maschinen (schwere Bauweise, Skizze unten) unterscheiden sich nicht zuerst im Leistungsniveau sondern in Eigenschaften die auf zwei unterschiedlichen “Konstruktionsphilosophien“ beruhen. Die Derivatmaschine (Skizze oben) hat die typischen Merkmale des Flugtriebwerks. Das gilt zumindest für den Bereich des Gaserzeugers ( "Bild 2.1-2"). Sie hat eine vergleichsweise filigrane Struktur mit dünnen Materialquerschnitten der statischen und rotierenden Komponenten. Darauf beruht eine schnelle Durchwärmung und entsprechend kurze Zeiten bis zur Erreichung einer stabilen Temperaturverteilung. Damit ist eine Voraussetzung für gute Spalthaltung (Bild 3.1.2.4- 3) auch bei instationären Betriebszuständen und gutes Beschleunigungsverhalten gegeben. Das macht Derivate besonders geeignet, wo schnelle und viele Starts gefordert sind. Ihr geringes Gewicht begünstigt transportable Anwendungen und Einbauten mit begrenzter Fundamenttragkraft (z.B. Ölbohrplattformen) und begrenztem Raum (z.B. Nachrüstungen für industrielle Zwecke).
Die Heavy Frame Maschine zeichnet sich durch einen besonders robusten Aufbau und individuelle Anpassung an die Betriebsbedingungen aus. Ihre schwere Bauart ist eher für den Langzeitbetrieb mit wenigen Starts geeignet.
Der Trend geht zur Kombination der Vorteile beider Systeme (Lit. 2-11). So übernehmen Hersteller von Heavy Frame Maschinen verstärkt Technologien aus dem Triebwerkbau. Dazu haben diese Hersteller häufig einen entsprechenden Entwicklungspartner. Umgekehrt nutzen OEMs von Derivaten z.B. im nachgeschalteten Arbeitsturbinenbereich Heavy Frame ähnliche Gestaltungsmerkmale.
Typische konstruktive Unterschiede, die jedoch individuell durchaus unterschiedlich auftreten oder ausgeprägt sein können, sind:
- “A”: Gehäusewandstärken.
- “B”: Scheibenquerschnitte.
- “C”: Wellensystem und Rotorverbindung. Derivate weisen häufig (auch im Gaserzeugerbereich) Mehrwellensysteme auf. In der unteren Skizze ist der Rotor mit einem zentralen Zuganker axial verspannt. Die Einzelkomponenten des Rotors des dargestellten Derivats sind, wie zumindest bei größeren Maschinen üblich, über Flansche verschraubt.
- “D”: Eine Wälzlagerung (Kapitel 3.5.2.1) ist für Derivate typisch. Dagegen weist die Heavy Frame Ausführung Gleitlager (Kapitel 3.5.2.2) auf.
- “E”: Abgabe der Nutzleistung des Derivats erfolgt über eine nachgeschaltete, frei laufende
"Bild 2.1-8": Als Beispiel dient eine Gasturbine der Fa. GE. Die obere Hälfte zeigt die Version der Industriegasturbine. Darunter ist das zugehörige Flugtriebwerk dargestellt. Die gemeinsamen Komponenten sind grau gekennzeichnet.
"Bild 2.1-9": Modulbauweisen (Lit 2-3 und Lit 4.2-1) findet man in erster Linie in Triebwerksderivaten.
Ein Modul ist eine Baugruppe die komplett ausgetauscht werden kann, ohne dass sie oder der Rest der Maschine zerlegt wird. Für eine echte Modulbauweise muss die Maschine bereits beim Entwurf konzipiert werden. Die Nutzbarkeit des Modultauschs setzt besondere Eigenschaften der Baugruppen voraus. Hierzu gehört z.B., dass die Wuchtung der einzelnen Rotorkomponenten des Moduls ausreicht. Nach der Montage sollte ein Wuchten des Gesamtsystems nicht mehr notwendig sein. Die dargestellte Maschine des OEM G.E. dient als schematisches Beispiel. Es handelt sich um eine für ein Derivat relativ große Maschine mit Modulen, die nicht alle bei kleineren Maschinen zu finden sind. Die Modulbauweise erleichtert neben der Reparatur Änderungen und Verbesserungen wie sie zur Leistungs- und/oder Wirkungsgradsteigerung erforderlich sind. Mit dem Modulkonzept lassen sich Montagearbeiten und Stillstandzeiten abkürzen sowie logistische Probleme vermeiden.
“A” ist der Niederdruckverdichter, “B” der Hochdruckverdichter, “C” die Brennkammer mit der Hochdruckturbine, ”D” die Niederdruckturbine zum Antrieb des Niederdruckverdichters. “E” ist die Arbeitsturbine welche die mechanische Nutzleistung abgibt und “F” Anbauaggregate wie Getriebe, Regler, Anlasser und Pumpen.