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Die Gasturbine

Bevor wir die wenigen Lösungen auf der Eisenbahn ansehen, muss ich erwähnen, dass die Gasturbine in der Luftfahrt einen grossen Erfolg erreichen konnte und dort in tausenden von Flugzeugen eingebaut wurde. Bei der Luftfahrt nennt man sie Triebwerk oder auch Motor. Entscheidend ist, dass ein modernes Triebwerk an einem Verkehrsflugzeug einer Gasturbine entspricht. Dabei gilt jedoch, dass Gasturbinen nicht, wie man vom Namen her meinen könnte, mit Gas betrieben werden.
Bei der Eisenbahn gab es aber immer wieder Exprimente damit, doch durchgesetzt hat sich die Gasturbine bei den Eisenbahnen nicht. In der Schweiz hängt die Geschichte der Gasturbine auch nur an einer Lokomotive. Wenn wir die Gasturbinen bei den Eisenbahnen weltweit suchen vergrössert sich die Auswahl auf einige Maschinen. Die Dieselmotoren konnten sich daher durchsetzen und die Gasturbinen gerieten in Vergessenheit. Sie gehören aber auch zum thermischen Antrieb.
Hier erwähnt wird die Gasturbine auch nur um einen vollständigen Überblick zu schaffen. Niemand würde heute bei der Diesellokomotive eine Gasturbine einbauen.
Früher war das anders, denn die Gasturbine bot sehr viel Leistung und war daher den Motoren weit überlegen. Damit Sie sich ein Bild machen können, erwähne ich hier die Leistung der ersten und einzigen Gasturbine in einer schweizer Lokomotive. Diese Leistung lag bei sagenhaften 9‘000 PS.
Warum die Lokomotive davon nur noch 2‘200 PS nutzen konnte, erfahren Sie in den folgenden Abschnitten. Aber bedenken Sie, diese Gasturbine hatte diese Leistung im Jahre 1941.
Zu einer Zeit, wo man nicht so leistungsfähige Dieselmotoren kannte, wie heute. Ach ja, eines muss ich zu der Lokomotive noch erwähnen, denn sie hörte auf die Bezeichnung Am 4/6 1101 und sie war die erste Lokomotive mit einer Gasturbine. Das natürlich weltweit gesehen.
Doch kommen wir zur Gasturbine. Diese benötigte die gleichen Grundstoffe wie ein Dieselmotor. Das wären Luft und Dieselöl und auch hier nicht viel mehr. Bei der Gasturbine wurde der Treibstoff aber nicht in einem Zylinder verbrannt, sondern er wurde zur Erzeugung von Wärme genutzt und künstlich entflammt. Daher lohnt es sich, wenn wir die Unterschiede zum Dieselmotor schnell ansehen. Nur so lernen wir die Unterschiede kennen.
Unterschiede zum Dieselmotor: Die für die Verbrennung benötigte Luft wird von einem Kompressor angezogen und durch diesen verdichtet. Wir kennen hier also keinen Abgasturbolader und verdichten die Luft mit einem Kompressor. Um es gleich zu erklären, 7‘800 PS der Gasturbine gehen hier wieder verloren, denn der Kompressor versetzt die Luft in sehr hohen Druck. Kompressoren kommen auch bei Dieselmotoren ohne Turbolader zur Anwendung, nur werden dort nicht so hohe Drücke wie hier benötigt.
Die vom Kompressor verdichtete Luft wird nun nicht weiter aufbereitet. Es gibt daher keine Ladeluftkühlung. Das wäre kontraproduktiv, denn man wollte heisse Luft und die konnte nicht heiss genug sein. Der Grund war einfach, denn man wollte den Diesel nicht in einem geschlossenen Zylinder verbrennten. Stattdessen sollten die heissen Abgase der Verbrennung genutzt werden. Daher musste die Luft zusätzlich erwärmt werden.
Die durch den Kompressor verdichtete Luft wird den Luftvorwärmerrohren zugeführt, wo sie mit Hilfe der Abgase aufgeheizt wurde. Das heisst, im Gegensatz zum Dieselmotor, wo die Ladeluft gekühlt wird, erwärmt man hier die Luft in diesen Rohren zusätzlich. Erst danach gelangt die Luft zu der Brennkammer, wo der künstlich gezündete Treibstoff die Luft zusätzlich erwärmt und diese dabei noch einmal beschleunigt wird.
Eine Aufbereitung der Abgase gab es nicht und die Gasturbine benötigte auch keinen Schalldämpfer, doch dazu mehr bei der Funktion. Sie sehen, dass der Weg der Luft komplett umgekehrt abläuft. Zwar verdichtet man die Luft auch hier, danach wird sie aber erhitzt und nicht mehr gekühlt. Da es bei der Gasturbine keine Explosionen gab, war der Schall leiser und wurde eher als heulen wahrgenommen. Das kennen Sie vielleicht vom letzten Besuch beim Flughafen.
Beim Treibstoff kam es zu einer leichten Änderung, denn es wurde nicht Dieselöl, sondern Heizöl verwendet. Nun haben wir aber gelernt, dass das ja der gleiche Stoff sei, warum erwähne ich das bloss. Die Gasturbine wurde von der Verkehrssteuer befreit betrieben und verwendete deshalb Heizöl, das nicht eingefärbt war. Vorteile ergaben sich so, weil die Gasturbine recht durstig war und so grössere Mengen an Treibstoff benötigte.
Funktion der Gasturbine: Wir haben den Weg der Verbrennungsluft schon kennen gelernt. Danach wurde das ebenfalls erwärmte Heizöl in der Brennkammer gezündet und so verbrannt. Genau hier wollen wir nun unseren Weg durch die Gasturbine beginnen. Daher müssen wir uns nun die Brennkammer genauer ansehen, denn hier findet der entscheidende Schritt für die Funktion der Gasturbine statt.
Der Kraftstoff, also das Heizöl, wurde in der Brennkammer künstlich gezündet und verbrannte dabei mit der vom Kompressor zugeführten Luft. Da nun eine stetige Flamme entstand, wurde die immer frisch zuströmende Luft weiter erhitzt und der Sauerstoff verbrannt. Dabei wurden die entstehenden Abgase in der Brennkammer weiter beschleunigt und nun der eigentlichen Gasturbine zugeführt.
Bei der Gasturbine kamen nicht mehr Zylinder und Kolben zur Anwendung, sondern die heissen Abgase wurden durch Räder gedrückt, die mit Lamellen versehen waren. So wurden diese Räder durch die Abgase in Drehung versetzt. Diese Drehung dient heute zum Beispiel einem Flugzeug um die Luft zu beschleunigen und vorwärts zu kommen. Die Lokomotive nutzte dazu die entstehende drehende Bewegung um den Kompressor und einen Generator anzutreiben.
Der Name der Gasturbine kommt daher, dass sie mit den Abgasen aus der Verbrennung des Treibstoffes betrieben wird. Es strömen daher schon Gase durch die Gasturbine, aber nicht die Form von Gasen, die wir unter dem Begriff erwartet hätten. Wir müssten daher die Gasturbine korrekterweise Abgasturbine nennen. Man nutzt hier also die Abgase aus der Verbrennung in der Brennkammer um die Arbeit zu verrichten.
Nach der Gasturbine gelangten die Abgase zu den Luftvorwärmerrohren, wo sie die Luft vom Kompressor vorwärmten. Danach erhitzten die Abgase noch den Kraftstoff. Danach war die Arbeit getan und die Abgase gelangten durch eine Öffnung ohne weitere Nachbereitung in die Umwelt. Viel mehr kann eigentlich nicht zur Funktion der Gasturbine gesagt werden, denn die war simpel einfach, denn Kühler gab es auch nicht.
Leistung der Gasturbine: Die Leistung einer Gasturbine ist sehr hoch. So hatte die Gasturbine, die bei der vorgestellten Lokomotive verwendet wurde, eine Leistung, die bei 9‘000 PS lag. Elektrische Lokomotiven erreichten diese Werte nur mit gigantischen Lokomotiven. Trotzdem konnte die Lokomotive diese gigantische Leistung nicht voll ausnutzen, was eigentlich zu einem schlechten Wirkungsgrad führt. Hier schnitt der Dieselmotor besser ab.
Der grösste Teil der Leistung ging für die Verdichtung der Luft verloren. Der Kompressor musste die Luft sehr hoch verdichten. Daher hatte er eine Leistung, die letztlich nur noch 2‘200 PS für den Antrieb übrig liess. Nur, was waren 1941 diese 2‘200 PS der Lokomotive wert? Dazu müssen wir eine vergleichbare Lokomotive mit einem Dieselmotor aus der damaligen Zeit suchen. Meine Wahl fiel auf die Lokomotive vom Typ Am 4/4, die eine Leistung von 830 PS hatte.
So gesehen brachte die Gasturbine einen grossen Vorteil. Jedoch war der Verbrauch der Gasturbine im Vergleich zu einem vergleichbaren Dieselmotor extrem hoch.
Daher konnte sich die Gasturbine bei den Lokomotiven nie durchsetzen. Bei der Luftfahrt war das jedoch anders, denn durch die hohe Geschwindigkeit wurden die Gasturbinen mit viel Luft versorgt und konnten so die Leistungen sehr gut ausnutzen.
Da beim Starten die Gasturbine zuerst auf Touren kommen muss, dauert es relativ lange, bis sie die volle Leistung entwickelte. Der Grund findet sich im Abbau, denn der langsam drehende Kompressor erzeugt nur einen geringen Druck und die Abgase sind noch kühl und erwärmen die Luft noch nicht so. Das heisst, die Gasturbine muss zuerst vorgewärmt werden und dies erfolgt mit zunehmendem Betrieb. Sie beginnt sich daher immer schneller zu drehen, bis sie die maximale Drehzahl erreicht.
Besonders aufgefallen ist die Gasturbine der vorgestellten Lokomotive jedoch durch ihren Sound. Während bei Motoren eher knatternde oder knurrende Geräusche erwartet werden können, glänzt die Gasturbine durch ein leises pfeifen, das mit zunehmender Drehzahl immer lauter wurde und so zu einem Heulen überging. So heulte die Lokomotive durch die Gegend. Diese Geräusche kennen Sie, denn die Gasturbinen bei der Luftfahrt haben immer noch diese Geräusche.
Damit man die Gasturbine nicht beim Rangieren in den Bahnhöfen starten musste. Der Hilfsdiesel ist ein normaler Dieselmotor, der für diesen Zweck eingebaut wurde. Die Lokomotive konnte daher zwischen der Gasturbine und dem Dieselmotor des Hilfsdiesels wählen. Hilfsdiesel kommen heute sogar bei elektrischen Lokomotiven zum Einsatz. Sie ermöglichen dort Fahrten ohne Fahrleitung. Doch die erste Lokomotive mit einem Hilfsdiesel hatte eine Gasturbine.
Die weiteren Unterschiede beim Starten und regeln der Gasturbine zum Dieselmotor sind im nachfolgenden Kapitel berücksichtigt. Jedoch können Sie mir jetzt schon glauben, eine Gasturbine wurde kaum geregelt und so lässt sich dann nur noch eine Lösung beim effektiven Antrieb vermuten. Aber auch das behandeln wird noch. Doch wie heisst es in Autorennen immer wieder? „Gentlemen starten Sie die Motoren“. Genau das machen wir jetzt auch.
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