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3.2 Die Brennkammer
Der Motor unseres Autos wird nicht nur vom Kühlwasser auf akzeptablen Temperaturen gehalten. Auch die angesaugte Luft und der Kraftstoff wirken kühlend, bevor diese im Zylinder verbrennen. Die heißen Abgase heizen besonders das Auslassventil auf. Beim Starten und Abstellen des Motors machen Ventilteller einen Temperaturzyklus mit. Sind die Temperaturen zu hoch, können Wärmedehnungen zur Rissbildung führen. Zu den Heißteilen eines Motors gehört auch der Auspuff. Auch er erfährt Thermozyklen, Rissbildung und Abzehrung der Wand durch Oxidation. Heißgaskorrosion von innen und außen sowie Vibrationen setzen ihm ebenfalls zu. Er muss deshalb hin und wieder ausgetauscht werden.
Anders als im Automotor handelt es sich bei einer Gasturbine um eine kontinuierliche Verbrennung ( "Bild 3.2-1"). Deshalb sind die Bauteiltemperaturen hier noch deutlich höher und erfordern teure, hochwarmfeste Werkstoffe. Auch die heute geforderte Lebensdauer einer Gasturbine ist bei weitem höher als für einen Automotor. Umso mehr müssen wir darauf achten, die Heißteile nicht über das normale Maß hinaus zu „stressen“. Vorschriften und der Stand der Technik ermöglichen uns einen optimalen Betrieb.
In der Brennkammer ( "Bild 3.2.1-1") wird der Kraftstoff mit der vom Verdichter komprimierten Luft vermischt und verbrannt. Eine stabile Verbrennung ist aber nur in bestimmten Grenzen des Kraftstoff-Luft-Gemisches möglich ( "Bild 3.2.1-3"). Gasturbinen können sehr unterschiedliche Kraftstoffe verbrennen. Die Verwendung von Erdgas hat gegenüber dem Einsatz anderer fester, flüssiger und gasförmiger Kraftstoffe eine Reihe von Vorteilen. Diese beziehen sich auf Schadstoffe sowie Lebensdauer und Reparaturkosten der Maschine. Typische kraftstoffbeeinflusste Schädigungen sind die rußabhängige Aufheizung der Brennkammerwände, die Koksbildung ( "Bild 3.2.3-1") und eine instabile Verbrennung ( "Bild 3.2.2-5"). Besonders wichtig für die Haltbarkeit der Brennkammer ist die geringe Wärmeabstrahlung einer typischen “farblosen“ Gasflamme. Die Nutzung dieser Vorteile bedarf einiger, für Maschinen mit gasförmigen Kraftstoffen typischer, konstruktiver Maßnahmen. So ist die Anfälligkeit gegenüber Gasschwingungen in der Brennkammer beim LowNOx-Betrieb zu berücksichtigen. Wird für den Start flüssiger Kraftstoff verwendet, ist dafür ein eigenes Kraftstoffsystem erforderlich.
"Bild 3.2-1" (Lit 3.2-2): Kolbenmotor und Gasturbine saugen Luft an. Sie wird komprimiert, Kraftstoff wird zugeführt und das Gemisch gezündet. Die Energie der Heißgase wird dann über einen Expansionsvorgang soweit möglich in mechanische Energie umgewandelt. Dabei wird die Abtriebswelle in Rotation versetzt. In einer Gasturbine erfolgt diese Umsetzung in einem kontinuierlichen Vorgang. Der Kolbenmotor nutzt die Expansion des Gases dagegen in einem intermittierenden Prozess. Das Bild zeigt vergleichbare Phasen der Energieumsetzung und der daran beteiligten Bauteile. Als Beispiel wurde eine Einwellen-Gasturbine gewählt. Der Motor ist mit einer Direkteinspritzung ausgestattet wie sie heute in modernen Benzinmotoren angewandt wird.