Quelltext der Seite Holzwarth-Gasturbine

[[Datei:Holzwarth gasturbine prototype.jpg|mini|Prototyp von 1908 auf dem Prüfstand der [[Gebr. Körting]], heute im [[Deutsches Museum|Deutschen Museum]] (siehe unten)<ref name="Deutsches Museum"/><ref>Schon 1928 war die Holzwarth-Gasturbine im Deutschen Museum ausgestellt, siehe ''Amtlicher Führer durch die Sammlungen / Deutsches Museum von Meisterwerken der Naturwissenschaft und Technik'', 2. Auflage, München: Knorr & Hirth 1928, Seite 112</ref>]]

Die '''Holzwarth-Gasturbine''' (benannt nach ihrem Entwickler [[Hans Holzwarth]], auch ''Gleichraum-'', ''Explosions-'' oder ''Verpuffungs-Gasturbine'' genannt) ist eine Entwicklungsform der [[Gasturbine]], bei der die Verbrennung zyklisch, wie bei einem [[Ottomotor]], in einer durch [[Ventil]]e abgeschlossenen [[Brennkammer]] erfolgt. Diese ab 1905 entwickelte Bauform war die erste großtechnisch einsetzbare Gasturbine der Welt.<ref name="NDB"/>

Da die abgeschlossene Brennkammer ein festes Volumen aufweist („[[Gleichraumprozess|Gleichraum]]“), erfolgt die Verbrennung [[isochor]]. Durch die Ausnutzung des mit der isochoren Verbrennung verbundenen Druckanstiegs benötigt die Gleichraum-Gasturbine im Gegensatz zur modernen Gleichdruck-Gasturbine keinen der Brennkammer vorgeschalteten [[Verdichter]].

== Aufbau und Funktionsweise ==
<gallery caption="Erster Prototyp, ausgestellt im Deutschen Museum" widths="180" heights="240" class="float-right">
Deutsches Museum - Holzwarth-Gasturbine.JPG|Totale
Deutsches Museum - Holzwarth-Gasturbine (5).JPG|Seitlich aufgeschnitten
</gallery>
Die Holzwarth-Gasturbine ist keine im heutigen Sinne aus Verdichter und [[Gasexpansionsturbine]] bestehende Gasturbine; in vielerlei Hinsicht hat die Holzwarth-Gasturbine mehr mit dem getakteten [[Ottomotor|Otto-Verbrennungsmotor]] gemein als mit einer modernen Gasturbine. Aufbau und Prozess der Holzwarth-Gasturbine sind vom Ottomotor abgeleitet, wobei jedoch zur Abführung der mechanischen Arbeit bei der Expansion des Gases kein [[Kolben (Technik)|Kolben]], sondern eine [[Turbine]] verwendet wird.<ref name="Technik"/>

=== Konstruktiver Aufbau und technische Daten ===
Die von Holzwarth konstruierten Gasturbinen hatten anfangs vertikale [[Welle (Mechanik)|Wellen]], wie sie um 1900 in den USA auch für Dampfturbinen üblich waren. Später folgten, insbesondere für den Einsatz als Schiffs- oder Bahnantrieb, auch Maschinen mit horizontaler Welle.<ref>{{Patent| Land=US| V-Nr=2791884| Code=A| Titel=Multi-stage explosion turbine plant for generating driving gases| A-Datum=1951-12-24| V-Datum=1957-05-14| Anmelder=Schilling Estate Company| Erfinder=Hans Holzwarth, August H. Schilling}}</ref>

Beim vertikalen Aufbau waren ganz unten in einem Ring die wassergekühlten Brennkammern mit vorgelagerten Luft- und Brenngaskammern und den Ein- und Auslassventilen angeordnet. Darüber folgte mittig die eigentliche Turbine mit dem Abgassystem. Der Generator war mittels einer Laterne ganz oben aufgesetzt.<ref name="Davey"/>

{|class=wikitable
|-
! Parameter !! Erster Prototyp<ref name="Deutsches Museum"/> !! Zweiter Prototyp
|-
|Baujahr||1906–08||1908
|-
|Partner||Körting||BBC
|-
|Leistung (theoretisch/tatsächlich) [PS]||?/27||1000/200
|-
|Anzahl Brennkammern||6||10?
|-
|Druck in der Brennkammer||bis 7 bar||?
|-
|Drehzahl [1/min]||3000||?
|}

=== Holzwarth-Kreisprozess ===
Der Holzwarth-[[Kreisprozess]] (heute international auch ''Humphrey-Prozess'' genannt) besteht aus vier Zustandsänderungen (Phasen):<ref name="Davey"/><ref name="Zahoransky"/>
[[Datei:Humphrey cicle pV.svg|mini|Holzwarth-Prozess im [[p-V-Diagramm]]]]
{|class=wikitable
|-
! Phase !! Zustandsänderung !! Technischer Ablauf
|-
|1→2||Isentrope Verdichtung (Gemischzufuhr)||Nach dem Öffnen der Einlassventile strömen Brennstoff und Luft in die Brennkammern (Pilotanlage: sechs Stück). Die Zufuhr erfolgt zunächst fast drucklos durch ein externes Gebläse, später mit leichtem Überdruck durch einen externen Kompressor, angetrieben durch eine Dampfturbine, die von einem Abhitzekessel im heißen Abgas der Gasturbine gespeist wird.
|-
|2→3||Isochore Wärmezufuhr (Verbrennung)||Nach dem Schließen der Einlassventile wird das Gemisch in den Brennkammern mittels einer [[Zündkerze]] (Pilotanlage: [[Zündung (Verbrennungsmotor)#Magnetzündung|Hochspannungs-Magnetzünder]] der Firma [[Robert Bosch (Ingenieur)|Robert Bosch]]) gezündet. In der Brennkammer steigen Temperatur und Druck stark an (Pilotanlage: xxx°C und 4,5 bar).
|-
|3→4||Isentrope Entspannung (Arbeitssabgabe)||Nach dem Öffnen der Auslassventile strömt das heiße, unter Druck stehende Abgas aus der Brennkammer durch eine Düse in die Turbine (Pilotanlage: zweistufige [[Curtis-Turbine]]), wo es unter Abführung von mechanischer Arbeit entspannt wird.
|-
|4→1||Isobare Wärmeabfuhr (Abgasabfuhr)||Nach der vollständigen Expansion strömen die heißen Abgase aus der Turbine in die Atmosphäre, wo sie abkühlen. Zur Spülung und Kühlung wird ein Reinigungstakt ausgeführt, bei dem die Abgase mit Frischluft vollständig aus Brennkammern und Turbine ausgetrieben werden. Hierbei wird gleichzeitig die Luft vorgewärmt, die im folgenden Takt wieder als Verbrennungsluft dient.
|}

Der Holzwarth-Prozess entspricht somit weitgehend dem [[Otto-Prozess]], lediglich bei der Wärmeabfuhr, die thermodynamisch nur geringen Einfluss hat, weicht er ab und entspricht dem [[Joule-Prozess]].

Obwohl die isochore Wärmezufuhr theoretisch höhere Wirkungsgrade ermöglicht als die isobare, erreichte die Pilotanlage aufgrund der relativ geringen Drücke und Temperaturen in der Brennkammer nur einen Wirkungsgrad von etwa 13 %. Holzwarth stand während seiner Versuche in Kontakt zu den Professoren [[Aurel Stodola]] und [[Wilhelm Schüle]], welche die Messwerte theoretisch bestätigten.<ref name="NDB"/>

Der erste Holzwarth-Prototyp von 1908 verzichtete auf die isentrope Verdichtung (quasi drucklose Spülung der Brennkammer), womit es sich hierbei um einen Kreisprozess mit lediglich drei Zustandsänderungen handelt. Dieser Prototyp kann somit als "Dreitaktmotor" bezeichnet werden.

=== Vergleich mit dem Ottomotor ===
Die Gleichraum-Gasturbine stellt eine Zwischenstufe zwischen Verbrennungsmotoren und den heute üblichen Gasturbinen mit kontinuierlicher Verbrennung und vorgeschaltetem Turbokompressor dar. In vielerlei Hinsicht hat die Holzwarth-Gasturbine mehr mit dem Ottomotor gemein als mit modernen Gasturbinen:

{|class=wikitable
|-align=center
! width=20%|Merkmal !! width=20%|[[Ottomotor]] !! width=20%|Holzwarth-Gasturbine<br />(Gleichraum-Gasturbine) !! width=20%|Moderne Gasturbine<br />(Gleichdruck-Gasturbine)
|-align=center
|Brennkammer||colspan=2|abgeschlossen durch getaktet öffnende Ventile||offen
|-align=center
|Zündung||colspan=2|getaktet durch [[Zündkerze]]||kontinuierlich (stationäre Flamme)
|-align=center
|Verbrennung||colspan=2|[[isochor]] (konstantes Volumen, „[[Gleichraumprozess|Gleichraum]]“)||[[Isobare Zustandsänderung|isobar]] (konstanter Druck, „[[Gleichdruckprozess|Gleichdruck]]“)
|-align=center
|Verdichter||colspan=2|nicht vorhanden||[[Turbokompressor]]
|-align=center
|Kraftmaschine||[[Hubkolbenmotor]]||colspan=2|[[Gasexpansionsturbine]]
|-align=center
|}

== Geschichte ==
[[Datei:Holzwarth gasturbine.jpg|mini|Holzwarth-Gasturbine, 1914, in Betrieb bei [[Thyssen & Co.]], Essen]]
Um 1900 arbeiteten verschiedene Ingenieure in Europa unabhängig voneinander an der Entwicklung einer technischen funktionierenden Gasturbine, wie sie [[John Barber (Erfinder)|John Barber]] und andere bereits lange zuvor theoretisch beschrieben hatten. Neben [[Hans Holzwarth]] waren dies insbesondere [[Franz Stolze]] in Deutschland, [[Ægidius Elling]] in Norwegen, Charles Lemâle und René Armengaud in Zusammenarbeit mit [[Auguste Rateau]] in Frankreich. Eines der größten Probleme stellte für alle Erfinder gleichermaßen die Konstruktion des Verdichters dar. Im Gegensatz zur Gasexpansionsturbine, die von bereits relativ ausgereiften Dampfturbinen abgeleitet werden konnte, waren Verdichter mit hoher Kompression und Wirtschaftlichkeit damals noch nicht entwickelt. Der geringe innere Wirkungsgrad der damals zur Verfügung stehenden Turboverdichter führte dazu, dass der Verdichter alle Energie verbrauchte, welche die Turbine lieferte, so dass die Maschine in der Summe keine Arbeit leisten konnte. Holzwarth umging dieses technische Problem, indem er einfach das Gleichraum-Prinzip vom Ottomotor übernahm, so dass er keinen Verdichter benötigte.

Holzwarth entwickelte das theoretische Konzept für seine Gasturbine ab etwa 1905, zunächst als Angestellter der Firma HOR in den USA, später selbständig zurück in Deutschland. Eine erste Versuchsmaschine mit etwa 27&nbsp;PS Nutzleistung konstruierte und baute er in Diensten und auf Rechnung der Firma [[Thyssen & Co.]]; gefertigt und getestet wurde sie bei der [[Körting Hannover|Gebr. Körting AG]] in Hannover. Diese Maschine ist heute im [[Deutsches Museum|Deutschen Museum]] in München ausgestellt.

Nachdem der Prototyp die Funktionsfähigkeit des Prinzips demonstriert hatte, gewann Holzwarth das renommierte Turbinenbauunternehmen [[Brown, Boveri & Cie.]] (BBC) in Mannheim und Baden/Schweiz als Partner für die weitere Entwicklung. Gemeinsam mit BBC baute Holzwarth zwischen 1909 und 1913 weitere Maschinen und entwickelte eine marktreife Turbine, wobei die Leistung bis auf etwa 200&nbsp;PS gesteigert wurde.<ref name="NDB"/><ref name="ASME"/> Theoretisch hätte die Turbine bis zu 1000&nbsp;PS liefern sollen; wegen der großen Abwärmeverluste und des Leistungsbedarfes des Verdichters wurde aber nur ein Bruchteil erreicht. Nach einer Unterbrechung wegen des Ersten Weltkrieges wurde die Entwicklung ab 1918 fortgesetzt. Auftrieb gab der Technik ein Interesse seitens der [[Preußische Staatseisenbahn|Preußischen Staatsbahn]] und der [[Kaiserliche Marine|Kaiserlichen Marine]], die Aufträge für Testmaschinen zum Antrieb von Lokomotiven und Schiffen erteilten. 1920 wurde eine Maschine an die Bahn ausgeliefert. Im Test zeigte sich jedoch, dass die Gasturbine den konkurrierenden Technologien Dampfturbine und Dieselmotor deutlich unterlegen war.<ref name="Cornwell"/>

Mit BBC entwarf Holzwarth ab 1928 eine weiterentwickelte Holzwarth-Gasturbine mit zwei in Serie geschalteten Brennkammern und theoretischen 5000&nbsp;PS / praktisch&nbsp;2000&nbsp;PS Leistung, die ab 1933 im Thyssen-Stahlwerk in [[Hamborn]] zunächst mit Öl und später mit [[Hochofengas]] betrieben wurde.<ref name="NDB"/><ref name="McNeil"/><ref name="Kruschik"/>

Das Ende der kurzen Gleichraum-Gasturbinen-Zeit zeichnete sich ab Ende der 1920er-Jahre ab, als nach einer Verbesserung der Turboverdichter die Gleichdruck-Gasturbine immer mehr die Oberhand gewann und sich schließlich durchsetzte. Nach 1933 schwenkte auch BBC auf das Gleichdruck-Prinzip um, dessen Entwicklung BBC selbst mit [[Adolf Meyer (Ingenieur)|Adolf Meyer]] maßgeblich vorangetrieben hatte.<ref name="ASME"/><ref name="Cornwell"/> Eine letzte Gleichraum-Gasturbine mit 5000&nbsp;PS, die von Holzwarth 1939 fertiggestellt wurde, konnte wegen Mangels an Brenngas nur in Teillast erprobt werden und wurde schließlich im [[Zweiter Weltkrieg|Zweiten Weltkrieg]] durch einen Bombenangriff zerstört.<ref name="NDB"/>

In neuerer Zeit gibt es wieder Forschungsvorhaben, ein [[Pulsstrahltriebwerk#Pulse Detonation Engine|Pulsstrahltriebwerk]] ''(Pulsed Detonation Engine)'' mit diskontinuierlicher Verbrennung mit einer Expansionsturbine zu kombinieren,<ref>{{Literatur |Autor=F. Schauer, R. Bradley, J. Hoke |Titel=Interaction of a Pulsed Detonation Engine with a Turbine |TitelErg=AIAA 2003-0891 |Datum=2003}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=Takashi Sakurai et al. |Titel=Experimental study of Pulse Detonation Turbine Engine toward Power Generator |Online=[https://web.archive.org/web/20060920104816/http://www.galcit.caltech.edu/~jeshep/icders/cd-rom/EXTABS/95_20TH.PDF web.archive.org] |Format=PDF |KBytes=358 |Abruf=2021-10-30}}</ref> was einen Schritt zurück in Richtung Holzwarth-Gasturbine bedeutet.

== Einzelnachweise ==
<references>
<ref name="NDB">
{{NDB|9|581|581|Holzwarth, Hans|Gustav Goldbeck|101347197}}
</ref>
<ref name="Deutsches Museum">
{{Internetquelle |url=https://www.deutsches-museum.de/sammlungen/maschinen/kraftmaschinen/gasturbinen/holzwarth-gasturbine-1908/ |titel=Erste Holzwarth-Versuchs-Gasturbine, 1908 |hrsg=Deutsches Museum |abruf=2011-02-10}}
</ref>
<ref name="Technik">
{{Internetquelle |url=http://www2.pe.tu-clausthal.de/agbalck/vorlesung/energ2001/en-vor07/img_6536.htm |titel=Prinzip der Holzwarth-Gasturbine |titelerg=aus: ''Die Technik'', Verlag Technik, 1948, S. 388 |offline=ja |archiv-bot=2018-04-15 04:46:34 InternetArchiveBot |abruf=2011-02-10}}
</ref>
<ref name="Cornwell">
{{Literatur |Autor=E. L. Cornwell |Titel=The Illustrated History of Ships |Verlag=Octopus Books |Datum=1979 |Online=[http://www.houseofdavid.ca/engine.htm Auszug] auf houseofdavid.ca}}
</ref>
<ref name="ASME">
{{Literatur |Titel=THE WORLD’S FIRST INDUSTRIAL GAS TURBINE SET – GT NEUCHÂTEL |Hrsg=[[ASME]], [[Alstom]] |Verlag=Alstom (Switzerland) Ltd. |Ort=Baden |Datum=2007 |Online=[https://www.asme.org/wwwasmeorg/media/ResourceFiles/AboutASME/Who%20We%20Are/Engineering%20History/Landmarks/135-Neuchatel-Gas-Turbine.pdf Online] |Format=PDF |KBytes=1000 |Abruf=2021-10-30}}
</ref>
<ref name="Zahoransky">
{{Literatur |Autor=Richard A. Zahoransky |Titel=Energietechnik |TitelErg=(Abschnitt 6.1.1 ''Gasturbinen mit isochorer Wärmezufuhr'') |Auflage=2. |Verlag=Vieweg + Teubner |Datum=2004 |ISBN=9783528139254 |Online={{Google Buch|BuchID=abzXfq1C_dkC|Seite=144|Hervorhebung=Holzwarth}}}}
</ref>
<ref name="Davey">
{{Literatur |Autor=Norman Davey |Titel=The Gas Turbine – Development and Engineering |Verlag=Watchmaker Publishing |Datum=2003 |ISBN=9781929148202 |Seiten=2 |Online={{Google Buch|BuchID=iUd-FpmiPnQC|Seite=2|Hervorhebung=Holzwarth}}}}
</ref>
<ref name="McNeil">
{{Literatur |Titel=An Encyclopedia of the History of Technology |TitelErg=Routledge Companion Encyclopedias |Hrsg=Ian McNeil |Verlag=Routledge |Datum=2002 |ISBN=9780203192115 |Online={{Google Buch|BuchID=fj96Dpp3-5gC|Hervorhebung=Holzwarth|Seite=332}}}}
</ref>
<ref name="Kruschik">
{{Literatur |Autor=Julius Kruschik |Titel=Die Gasturbine: Ihre Theorie, Konstruktion u. Anwendg f. stationäre Anlagen, Schiffs-, Lokomotiv-, Kraftfahrzeug- u. Flugzeugantrieb |Verlag=Springer |Ort=Wien |Datum=1952}}
</ref>
</references>

== Literatur ==
* {{Literatur |Autor=Manfred Busch |Titel=Die Holzwarth-Gasturbine |Sammelwerk=Stuttgarter technikgeschichtliche Vorträge 1980/81 |Datum=1981 |Seiten=161ff}}
* {{Literatur |Autor=Hans Holzwarth |Titel=Die Gasturbine: Theorie, Konstruktion und Betriebsergebnisse von zwei ausgeführten Maschinen |Verlag=R. Oldenbourg |Ort=München/Berlin |Datum=1911 |OCLC=39934475 |Online=[http://www.archive.org/details/diegasturbineth00holzgoog Volltext] im [[Internet Archive]]}}
* {{Literatur |Autor=Hans Holzwarth, W. Schule |Titel=Thyssen-Holzwarth oil and gas turbines |Sammelwerk=Journal of the American Society for Naval Engineers |Band=Band 34, Ausgabe 3 (August 1922) |Datum=1922 |Seiten=453–457}}
* {{Literatur |Titel=Die Entwicklung der Holzwarth-Gasturbine |Hrsg=Holzwarth Gasturbinen GmbH, Mülheim-Ruhr |Verlag=Bagel |Datum=1938 |OCLC=248715868}}

== Weblinks ==
{{Commonscat|Holzwarth gas turbines|Holzwarth-Gasturbinen}}

[[Kategorie:Gasturbine]]