Turbokompressor

Axialer Verdichter

Der Turbokompressor (auch Turboverdichter) gehört zu den thermischen Turbomaschinen. Er arbeitet in der Umkehrung des Prinzips der Turbine, ähnelt in Bauteilen und Aufbau auch der Kreiselpumpe und fördert das jeweilige Medium ebenfalls durch Übertragung kinetischer Energie in Form eines Drallimpulses. Im Unterschied zur Pumpe wird das Gas im Verdichter komprimiert, das heißt bei gleichem Massenstrom ist der Volumenstrom am Austritt geringer. Die aufzuwendende Volumenänderungsarbeit muss von einer Pumpe nicht aufgebracht werden, weshalb bei gleichem Druckaufbau die Pumparbeit wesentlich geringer ist als die Verdichter-bzw. Kompressorarbeit. Aus diesem Grund arbeiten Dampfkraftwerke effizienter als vergleichbare Kraftwerke, die mit Luft/Gas betrieben werden.

Aufbau

Axialkompressor eines Wright J65 Strahltriebwerkes

Radialkompressor eines Klimow WK-1 Strahltriebwerkes

Turbokompressorstrang einer Luftzerlegungsanlage

Alle Turbokompressoren besitzen

• ein Gehäuse mit entsprechenden Leiteinrichtungen
• eine Welle mit mindestens einem
• Laufrad mit Laufschaufeln bzw. einer direkt auf der Welle aufgezogenen Laufschaufelreihe.

Turbokompressoren unterteilen sich in die Hauptbauarten Radial- und Axialkompressoren. Die Diagonalkompressoren sind eine Kombination von beiden Prinzipien. Beim Axialkompressor strömt das zu komprimierende Gas in paralleler Richtung zur Welle durch den Verdichter. Beim Radialverdichter strömt das Gas axial in das Laufrad der Verdichterstufe und wird dann nach außen (radial) abgelenkt. Bei mehrstufigen Radialverdichtern ist damit hinter jeder Stufe eine Strömungsumlenkung notwendig. Allgemein bringen Axialkompressoren höhere Volumenströme während Radialverdichter höhere Drücke erzeugen. Kombinierte Bauarten saugen mit ihren Axialstufen große Volumenströme an, die in den anschließenden Radialstufen auf hohe Drücke komprimiert werden. Während meist einwellige Maschinen zum Einsatz kommen, sind beim Getriebekompressor die einzelnen Verdichterstufen um ein Getriebegehäuse herum gruppiert, wobei mehrere parallele Wellen, die jeweils ein oder zwei Laufräder tragen, von einem großen Antriebszahnrad angetrieben werden.

Anwendung

Turbokompressoren kommen zum Einsatz, wenn große Gasvolumenströme verdichtet werden sollen z. B.

• in Gasturbinen und Strahltriebwerken
• als Hochofen- und Stahlwerksgebläse
• in Anlagen zu Luft- bzw. Gasverflüssigung
• als Luft- oder Nitrose-Gas-Kompressor in Salpetersäure-Anlagen
• in Petrochemischen Anlagen und Raffinerien
• zur Druckerhöhung in Gas-Pipelines
• als Vakuumgebläse in der Papierindustrie

Betrieb

Am Schnittpunkt der Druckverlustkennlinie der nachgeschalteten Anlagenteile mit der jeweiligen Kompressorkennlinie stellt sich ein Arbeitspunkt ein. Hier sind die besonderen Eigenschaften des zu fördernden Mediums Gas zu beachten: Beim Beaufschlagen mit Druck verringert sich das Volumen, gleichzeitig steigt die Temperatur.

Antriebsmaschine

Die Leistung großer Turbokompressoren liegt oberhalb einem Megawatt bis etwa 50 MW. Die Wahl der Antriebsmaschine wird durch die Anwendung wesentlich beeinflusst. Steht – wie in Chemieanlagen, Stahlwerken oder Eisenhütten – ausreichend und sicher Dampf zur Verfügung, wird bevorzugt eine Dampfturbine eingesetzt. Für Pipeline- und Offshoreanwendungen bieten sich Gasturbinen an. Häufig ist außerdem der Antrieb durch einen Elektromotor, der ggf. über einen Frequenzumrichter auch mit variabler Drehzahl betrieben werden kann. Zur Ausnutzung von „überflüssigem“ Druck am Ende chemischer Prozesse kommen Heißgasexpander zum Einsatz, die als Sonderform der Turbine betrachtet werden können.

Leistungsregelung

Zur Anpassung der Verdichterleistung können entweder die Drehzahl der Antriebsmaschine oder der Volumenstrom des Kompressors geregelt werden. Eine Drehzahlregelung wird bei Elektromotoren üblicherweise über einen Frequenzumrichter realisiert. In bestimmten Grenzen kann auch beim Turbinenantrieb die Drehzahl variiert werden.
Zur Volumenstromreglung kommen Saugdrosselklappen (veraltet) oder üblicherweise verstellbare Leitschaufeln zum Einsatz.
Kombinierte Reglungen sind möglich, werden aber nach Möglichkeit vermieden.

„Pumpen“

Kennfeld eines Radialverdichters

Eine der typischen Eigenschaften jedes Turbokompressors ist die Neigung, in ungünstigen Betriebszuständen zu „pumpen“ (engl. surge) – ein Phänomen, das auftritt, wenn bei einem bestimmten Druck ein Mindestmassenstrom unterschritten wird. Zur vorherigen Kompressorstufe mit geringerem Druck würde das Medium einen Druckausgleich herstellen – dem wirkt normalerweise die Energie des Massenstroms entgegen. Ist dieser zu gering, kommt es zu einer Rückströmung durch den Kompressor, in deren Folge sich der Eintrittsdruck wieder erhöht und der Austrittsdruck abnimmt. Damit hat sich der Arbeitspunkt nach rechts verschoben und der Kompressor fördert wieder, bis der Pumppunkt erneut erreicht wird. Dieser Vorgang läuft zyklisch mit einer Frequenz von ca. 0,5–2 Hz ab und ist mit einem typischen Geräusch verbunden. Dieses Pumpen tritt je nach Stärke der Fehlanpassung des Verdichters in verschiedenen Intensitäten auf. Bei einer leichten Fehlanpassung kommt es zu einem "rotating stall", wobei lediglich einzelne Schaufeln des Kompressors einen Strömungsabriss erfahren. Dabei rotiert der Strömungsabriss entgegen der Verdichterdrehrichtung. Dies ist mit einem knurrenden bzw. brummenden Geräusch verbunden und führt zu einem leichten Leistungsabfall der Verdichters. Dabei werden die Kompressorschaufeln zu Schwingungen angeregt, was zu Schaufelbrüchen führen kann. Wenn die Fehlanpassung größer wird, kann es zu einem totalen Strömungsabriss kommen, wobei die Leistung total zusammenbricht und ein lauter Knall entsteht. Wenn der Kompressor zu einem moderneren Flugzeugtriebwerk gehört, ist damit in der Regel eine Zerstörung des Triebwerkes verbunden.

Insbesondere Axialkompressoren reagieren sehr empfindlich auf Pumpstöße und müssen daher vor diesem Betriebszustand geschützt werden. Dazu besitzen Turbokompressoren Einrichtungen zum Pumpschutz, die durch Öffnen eines Ausblaseventils (Luftkompressoren) oder Umblaseventils (andere Gase) den Druck senken und damit den Volumenstrom wieder erhöhen. Falls ein längerer Umblasebetrieb zu erwarten ist, wird ein Umblasekühler benötigt. Das Abblasen verschlechtert den Wirkungsgrad dramatisch, deshalb wird diese Verfahren nur selten alleine eingesetzt. Alternativ werden verstellbare Leitschaufeln in den ersten Verdichterstufen eingesetzt. Durch die Schaufelverstellung kann der Anstellwinkel der Schaufeln variiert werden, wodurch der Kompressor in einem größeren Bereich verlustarm arbeiten kann. Sehr häufig wird das kontrollierte Abblasen mit verstellbaren Leitschaufeln kombiniert, um eine effiziente Regelung über einen weiten Betriebsbereich zu erhalten.

Abblaseventile und Leitschaufeln werden im statischen Betrieb allein über Einlasstemperatur und Verdichterdrehzahl gesteuert, während Leistungsänderungen auch die Rate der Leistungsänderung zur Steuerung benötigt.

In Linz (Österreich) wurden um 1980 Bodenschwingungen mit etwa 1 Hz gemessen und die Ursache in Kompressoren der industriellen Ammoniak-Drucksynthese gefunden und dort Abhilfe geschaffen.

Zwischenkühlung

Zustandsverläufe in einem Verdichter

Die Verdichtung im Kompressor verläuft im Realfall polytrop und führt entsprechend dem Druckverhältnis zur Temperaturerhöhung; die Kühlung des Kompressors ist günstig weil die aufzuwendende Verdichterarbeit kleiner wird. Die Kühlung kann auch möglicherweise über den isentropen Verlauf hinaus erfolgen und theoretisch den Volumenstrom so stark abkühlen, dass die Verdichtung nahezu isotherm verläuft. Dazu sind jedoch viele Zwischenkühlvorgänge erforderlich.

Technisch wird dies häufig durch externe Zwischenkühler realisiert, insbesondere bei Getriebeverdichtern, die ohnehin Verbindungsrohrleitungen zwischen den einzelnen Stufen besitzen. Außerdem sind kompakte Bauformen üblich, bei denen die Kühler jeweils paarweise zwischen den Stufen in das Kompressorgehäuse integriert sind.^[1]

Einzelnachweise

1. ↑ IsothermKompressor MAN TURBO AG