Turbokompressoren

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Was ist ein Turbokompressor?

Der Turbokompressor, ist ein Kompressor, der indem er kinetische Energie überträgt, Luft oder Gas zusammenpresst. Turbokompressoren ähneln im Aufbau und in den Bauteilen der Kreiselpumpe. Der Unterschied liegt aber darin, dass der Kompressor das Gas im Kessel des Verdichters komprimiert. Das bedeutet, dass der Volumenstrom beim Austritt geringer ist als der Massenstrom beim Eintritt in den Turbokompressor. Dieser Vorgang gehört zum Bereich der Drucklufttechnik.

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3D-Animation: Funktionsweise eines Turboladers

Aufbau & Funktionsweise

Zur Veranschaulichung: Die Arbeitsweise eines Turbo Kompressors ähnelt die eines Ventilators und besteht auch den folgenden Bestandteilen:

  1. Gehäuse mit Leiteinrichtung
  2. Welle
  3. Laufrad mit Laufschaufeln (Beschaufelung, also die Gesamtheit der Schaufeln, kann ein- oder mehrstufig sein)

Der rotierende Läufer innerhalb des Turboverdichters überträgt nach den Gesetzen der Strömungsmechanik mithilfe von Wellen und Schaufeln Energie auf das fließende Medium. Das führt zu einem Druckanstieg durch die Fliehkraft; die Geschwindigkeitsenergie wird zu Druckenergie. Diese Art von ölfreiem Verdichter arbeitet kontinuierlich und benötigt große Drehzahlen um einen ausreichenden Druck zu erlangen.

Das Betriebsverhalten vom Turbo Verdichter lässt sich aus Kennfeldern ablesen. Kennfelder setzen das Druckverhältnis in Relation zum durchgesetzten Volumen- und Massenstrom. Pumpgrenze, Stopfgrenze und die maximale Drehzahl bedingen den nutzbaren Kennfeldbereich.

Die Publikation "Kolben- und Turbo-Kompressoren" von P. Ostertag aus dem Jahr 1923, herausgegeben vom Springer Verlag, bietet einen umfassenden Einblick in die Thematik. Ostertag unterteilt sein Werk unter anderem in Kapitel namens "Zustandsgrößen der Gase", "Wärme und Arbeit", "Zustandsänderungen" und "Strömende Bewegung der Gase".

Unterschied Radial- und Axialverdichter

Turbokompressoren werden unterschieden in Radialverdichter und Axialverdichter.

Im Radialverdichter strömt die Luft oder das Gas zwar axial in das Laufrad, wird im Anschluss aber radial, also nach außen, abgelenkt. Neben einstufigen Radialverdichtern, gibt es auch die Mehrstufigen, bei denen nach jeder Stufe eine Strömungsumlenkung notwendig ist. Wegen den großen Fliehkräften, kommt es beim Radialverdichter zu einer starken Erwärmung, was eine effiziente Kühlung erfordert. Zum Vergleich: Radialverdichter brauchen drei mal mehr Kühlflüssigkeit als Kolbenkompressoren bei der gleichen Fördermenge.

Das Gas, welches komprimiert werden soll, strömt beim Axialverdichter parallel zur Welle durch den Verdichter. Sie benötigen nur wenig Platz, da keine langen Umlenkwege nötig sind. Deswegen befinden sie sich oftmals einfach in Rohrleitungen. Außerdem sind sie leichter und günstiger als Radialverdichter und haben einen besseren Wirkungsgrad. Sie kommen vor allem bei einer hohen Fördermenge zum Einsatz.

Axialkompressoren fördern höhere Volumenströme während Radialkompressoren höhere Drücke erzeugen. Wegen der Vorteile auf beiden Seiten, werden sogar häufig kombinierte Bauarten namens Diagonalkompressoren benutzt. Dabei saugen Axialstufengruppen große Volumenströme an, die schließlich in Radialstufen auf hohe Drücke komprimiert werden.

Anwendungsgebiete

Radialverdichter werden gerne für Turbo Lader in Autos benutzt. Abgasturbolader bestehen aus einem Radialverdichter und einer Turbine, die durch eine gemeinsam Welle verbunden sind. Die Abgase des Motor treiben die Turbine an, welche wiederum die Energie für den Verdichter liefert. Dabei besteht der Verdichter aus dem Verdichterrad, dem Diffusor und dem Spiralgehäuse. Durch die Drehzahl des Verdichterrades wird die Luft oder das Gas axial eingesaugt und innerhalb des Rades auf eine hohe Geschwindigkeit gebracht. Darauf hin verlässt das Medium das in radialer Richtung, deswegen der Name, das Verdichterrad. So gelangt es in den Diffusor, wo sich die Geschwindigkeit quasi verlustfrei verringert. Das hat eine Druck- und Temperaturerhöhung zur Folge. Im Spiralgehäuse sammelt sich schließlich das Medium. Die Geschwindigkeitsreduktion findet bis zum Verdichteraustritt weiterhin statt.

Jedoch beschränkt sich das Anwendungsgebiet eines Turbokompressors nicht nur auf den Turbolader. Im Folgenden weitere Anwendungsbereiche:

  1. Strahltriebwerke
  2. Gasturbinen
  3. Druckerhöhung in Gas-Pipelines
  4. Anlagen zur Luft- und Gasverflüssigung
  5. Vakuumgebläse in Papierindustrie

Vorurteile Turbokompressoren

Trotz den vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten, befinden sich Turbo Kompressoren in der Druckerzeugung noch weit hinter den umsatzstarken Verdrängerkompressoren. Berechtigt?

  1. Hohe Anschaffungskosten: Mehr als 3/4 der Druckluftkosten insgesamt, ist auf den Energieverbrauch zurückzuführen. Die Anschaffungskosten sind vergleichsweise gering. Um den Energieverbrauch möglichst niedrig zu halten, muss vor der Anschaffung stattdessen auch folgende Punkte geachtet werden: Fördermenge, Zuverlässigkeit, Regelbereich, Energieeffizienz, geforderte Luftreinheit und Verschleiß. Wenn der Bedarf an Druckluft über 27 m³/min liegt, ist der Turbokompressor den Verdränger-Kompressoren in allen Punkten überlegen!
  2. Eignung nur als Grundlastmaschine: Durch ihren unvergleichbar hohen Wirkungsgrad, eignen sich Turbokompressoren natürlich sehr gut als Grundlastmaschine. Aber das heißt noch lange nicht, dass sie nicht auch in Sachen Regelung mithalten können. Durch ihre sehr guten Regeleigenschaften und den großen Regelbereich sind sie gerade gut zum Regeln geeignet.
  3. Betriebseinschränkung durch anhaltendes Pumpen: Das stimmt, jedoch gibt es Pumpschutzsteuerungen um das zu verhindern. Diese Art von Pumpen kommt vor, wenn die Fördermenge und der Enddruck stark schwankt, es zu hohen Vibrationen, Druckstößen und schnellem Temperaturanstieg innerhalb des Kompressors kommt. Diese schwankenden Parameter rutschen in den instabilen Bereich des Kennfeldes und gefährden den Betrieb.
  4. Fördermenge ist stark temperatur- und druckabhängig: Sowohl Turbo- als auch Verdrängerkompressoren sind vom Ansaugdruck und der Ansaugtemperatur abhängig. Je höher die Temperatur, desto mehr reduziert sich die Fördermenge.

Hersteller & Dienstleister

Almig

Almig ist ein Systemanbieter für Drucklufttechnologie. Ihr Lieferprogramm umfasst Schraubenkompressoren, Kolbenkompressoren, Scrollkompressoren sowie Turbokompressoren der Baureihe DYNAMIC, beispielsweise für die Wärmenutzung und Druckluftverteilung.

Boge

Boge entwickelte die High Speed Turbo-Technologie, bei der auf eine luftgelagerte Antriebswelle gesetzt wird um einen besonders verschleißarmen Betrieb zu garantieren. Weitere Informationen und Kontaktdaten über die HST-Baureihe stellt die Website bereit.

kmo turbo

kmb turbo entwickelt und vertreibt Regelungs-, Steuerungs- und Überwachungssysteme für Turbokompressoren und Turbinen. Diese werden in allen Bereichen der Großindustrie, sowohl für Neuanlagen, als auch für die Modernisierung von Altanlagen gebraucht.

Celeroton

Das Unternehmen aus der Schweiz (Korrespontenzsprachen: Deutsch und Englisch) produziert und vertreibt Turbo Kompressoren und ultra-hochdrehende elektrische Anriebssysteme, die Drehzahlen bis zu 1 Million Umdrehungen pro Minute erreichen. So beliefern sie die Großindustrie in der Elektrotechnik, Mechatronik und Regelungstechnik.

Continental Industrie

Continental ist Hersteller von mehrstufigen Zentrifugalgebläse und Exhautoren zur Verdichtung und Förderung von Gas und Luft.

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