Reaktionsgrad

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Der Reaktionsgrad ist eine Dimensionslose Kennzahl, die den Überdruck bei Turbinen und Verdichtern bzw. Turbinen- und Verdichterstufen angibt. Der kinematische Reaktionsgrad bezeichnet das Verhältnis der Enthalpie, die in den Laufschaufeln einer Turbinenstufe (in Strömungsenergie und mechanische Arbeit) umgesetzt wird, zum gesamten (isentropen) Enthalpiegefälle einer Turbinenstufe.

Üblicherweise wird bei Überdruckturbinen ein Reaktionsgrad von 0,5 realisiert. Bei Gleichdruckturbinen, z. B. Dampfturbinen mit Gleichdruckstufen (Gleichdruckbeschaufelung) ist der Reaktionsgrad 0, das gesamte Enthalpiegefälle einer Stufe wird in den Leitschaufel in Strömungsenergie umgesetzt, der statische Druck in den Laufschaufeln der Stufe bleibt konstant. Jedoch werden in der Praxis meist keine reinen Gleichdruckturbinen verwendet. Man spricht meist bis zu einem Reaktionsgrad von 0,2 von Gleichdruckturbinen. Weiterhin ist zu beachten, dass bei größeren Turbinen eine Verwindung der Schaufeln vorliegt, wodurch der Reaktionsgrad nach außen hin zu nimmt. Der Reaktionsgrad kann nicht über 1 steigen, da die Enthalpie der Laufschaufeln nicht die Gesamtenthalpie der Stufe übersteigen kann.

Vor- und Nachteile

Vorteil Gleichdruckstufe (neben anderen):

• minimale Stufenanzahl, geringere Investitionskosten
• Abdichtung zwischen Laufschaufel und Gehäuse nicht so wichtig (keine Druckdifferenz vor und nach der Laufschaufel)
• Teilbeaufschlagung ist möglich
• Bei gleicher Drehzahl gibt eine Gleichdruckstufe doppelt so viel Leistung ab wie eine Überdruckstufe mit einem Reaktionsgrad von 0,5, vorausgesetzt Massenstrom und Turbinendurchmesser sind identisch.
• Eine Turbine mit Gleichdruckbeschaufelung hat im Vergleich zu anderen Turbinen das größte Losreißmoment und ist deswegen in der Technik insbesondere dort interessant, wo bei kleinen Drehzahlen hohe Anfahrmomente erforderlich sind. So kommen Gleichdruckstufen bevorzugt in Air-Startern von Strahltriebwerken zum Einsatz.

Nachteil Gleichdruckstufe (neben anderen):

• mäßiger Wirkungsgrad, mäßiges Betriebsverhalten
• Strömungsgeschwindigkeit zwischen den Laufschaufeln höher als bei Überdruckbeschaufelung → mehr Druckverlust in der Laufschaufel selbst.

Vorteil Überdruckstufe (neben anderen):

• besserer Wirkungsgrad, besseres Betriebsverhalten
• Profile der Leit- und Laufschaufeln sind identisch (bei Reaktionsgrad = 0,5)

Nachteil Überdruckstufe

• höhere Stufenzahl als bei Gleichdruckturbine notwendig → höhere Investitionskosten
• Teilbeaufschlagung nur mit C2 - Rad bzw. Curtis - Stufe

Jedoch heben sich in der Praxis die Vor- und Nachteile der beiden Bauarten in etwa auf, wodurch beide Bauarten Verwendung finden. Die verwendete Bauart wird vielmehr durch die Tradition des Pumpenherstellers festgelegt.

Literatur

• Adolf J. Schwab: Elektroenergiesysteme. Erzeugung, Transport, Übertragung und Verteilung elektrischer Energie. Springer, Berlin 2006, ISBN 978-3-540-29664-5, S. 102–107. (Online)