Turbokompressoren - Turboverdichter, Turbogebläse, Turbolader

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Was ist ein Turbokompressor? Definition:

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 der Strömungsmaschine gehört zum Bereich der Drucklufttechnik. Der Turbokompressor kommt unter anderem in Gasturbinen, Strahltriebwerken und auf Bohrinseln zum Einsatz.

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3D-Animation: Funktionsweise eines Turboladers

Turboverdichter Funktionsweise & Aufbau

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

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

Der rotierende Läufer innerhalb des Turboverdichters überträgt nach den Gesetzen der Strömungsmechanik mithilfe von Wellen und Schaufeln Energie auf das fließende Medium. Er ist also eine Strömungsmaschine und kein Verdrängerverdichter wie der Kolbenkompressor oder Schraubenkompressor. Er beschleunigt zunächst die Luft, um dann im Diffusor durch die Fliehkraft einen Druckanstieg einzuleiten; 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".

Ölfreie Turbokompressoren

Bei vielen Anwendungen ist verunreinigte Druckluft unabdingbar. Schon geringe Ölmengen können Produkte in Bereichen wie die Lebensmittelindustrie und Pharmazie unbrauchbar machen. Für diese Fälle spielen ölfreie Turbokompressoren eine große Rolle. Trockenlaufende Turbokompressoren schließt jede silikon- und ölbezogenen Risien aus. Dies kann beispielsweise durch einen asynchronen Elektromotor, der das konventionelle Getriebe im Kompressor ablöst, möglich gemacht werden.

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 genutzt. Dabei saugen Axialstufengruppen große Volumenströme an, die schließlich in Radialstufen auf hohe Drücke komprimiert werden.

Getriebe Turboverdichter

Bezüglich des Getriebes werden zwei Arten der Turbokompressoren unterschieden: Die häufig genutzten einwelligen Turboverdichter werden über ein separates Getriebe angetrieben. Die Verdichterwelle werden dabei hintereinander angeordnet. Die Anordnung der Verdichterwelle ergibt sich durch die Hauptströmungsrichtung: vom Saug- zum Druckstutzen. Die zweite Bauart sind die Getriebekompressoren, bei denen die Radialverdichterstufen um ein Getriebegehäuse herum platziert sind. Dieses Getriebe besteht aus einem Großzahnrad, dass mehrere parallele Ritzelwellen mit jeweils ein oder zwei Laufräder, antreibt. Wichtig dabei ist, dass das Großrad entweder mit der Antriebsmaschine verbunden ist oder durch einen Turbinenantrieb bewegt wird.

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

Unterschied Kolbenkompressor & Turbokompressor

Je nach Anwendung wird sich eher dem Kolbenkompressor oder dem Turbokompressor bedient. Beim Handwerker, der nur gelegentlich Gebrauch eines Kompressors macht, wird eher auf den Kolbenkompressor zurückgreifen. Gleichzeitig setzt die Prozessindustrie auf den Turboverdichter, da er ohne Probleme durchgängig auf Hochtouren laufen kann. Kolbenkompressoren eignen sich nicht für Niederdruckanwendungen im Bereich von einem bis vier bar, dafür jedoch für höhere Verdichtungen.

Turboverdichter Antriebsmaschine

Die Leistung eines großen Turbokompressors liegt zwischen einem und 60 Megawatt. Je nach Anwendung kommt eine andere Antriebsmaschine zum Tragen. Wenn ausreichend Dampf zur Verfügung steht, wie beispielsweise in Stahlwerken und Chemieanlagen, werden Dampfturbinen verwendet. Bei Offshorebauwerken, zu denen Bohrinseln und Windkraftanlagen auf offener See gehören, funktionieren Gasturbinen am besten. Außerdem ist der Elektromotor ein beliebter Antrieb, bei dem sich individuell Drehzahlen einstellen lassen.

Vorurteile Turbokompressoren

Trotz den vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten, befindet sich diese Art von Drucklufttechnik 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 Turboverdichter den Verdränger-Kompressoren in allen Punkten überlegen! Außerdem gibt es ein großes Energieeinsparpotenzial, da die angegebene Energie in die Wärmenutzung fließen kann - entweder in Form von Warmluft zur Raumheizung oder für Warmwasser.
  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

Aerzen

Die Turbogebläse von AERZEN sind laut Hersteller vor allem energieeffizient, besitzen geringe Life-Cycle-Kosten und speziell entwickelte Kernkomponenten.

Almig

Almig ist ein Systemanbieter und Händler für Drucklufttechnologie. Ihr Lieferprogramm umfasst Schraubenkompressoren, Kolbenkompressoren, Scrollkompressoren sowie Turbokompressoren der Bau Reihe DYNAMIC, beispielsweise für die Wärmenutzung und Druckluftverteilung. Nähere Informationen über Almig finden sich auf dem induux-Firmenprofil.

Boge

Boge entwickelte die High Speed Turbo-Technologie (Abkürzung: HST-Baureihe), bei der auf eine luftgelagerte Antriebswelle gesetzt wird um einen besonders verschleißarmen Betrieb zu garantieren. Die Qualität der Boge Kompressoren wurde zertifiziert und zählen zu den verlässlichsten aus Deutschland. Weitere Firmendetails und Kontaktdaten stellen die Website bereit.

kmo turbo

kmb turbo entwickelt und vertreibt Regelungs-, Steuerungs- und Überwachungssysteme für Turboverdichter 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. Firmendetails auf der Website!

Continental Industrie

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

Siemens

Siemens bietet Verdichter aller Art an, darunter auch einstufige Verdichter und damit Turboverdichter. Bekannt ist dabei u.a. der Radialverdichter STC-SOF.

Turbokompressor/Turboverdichter Wikipedia

Nähere Informationen über Funktion und Betrieb von Turbokompressoren befinden sich auf der entsprechenden Wikipedia Seite.


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