Turbo Kompressoren

Thermische Turbo Kompressoren sind Strömungsmaschinen, die ein kompressibles Gas mit Hilfe von dynamischen Prinzipien verdichten.

Dabei tritt das Gas kontinuierlich in den rotierenden Impeller ein. Mechanische Wellenleistung wird mithilfe der Beschaufelung auf das Fluid übertragen und es findet eine merkliche Druck- und Temperatur-Erhöhung statt. Die noch verbleibende kinetische Strömungsenergie wird anschliessend in einem Diffusor weitestgehend in Druck umgewandelt. Anschliessend wird das komprimierte Gas entweder in einer Volute gesammelt oder mittels eines Rückführ-Kanals der nächsten Kompressor-Stufe zugeführt. Abbildung 1 stellt die Komponenten eines einstufigen, radialen Turbo Kompressors anschaulich dar. Abbildung 2 zeigt eine Nahaufnahme eines Impellers inklusive seiner Beschaufelung.

Komponenten eines einstufigen Radialkompressors
Abbildung 1: Komponenten eines einstufigen Radialkompressors
Nahaufnahme eines Impellers mit Beschaufelung
Abbildung 2: Nahaufnahme eines Impellers mit Beschaufelung

Grundlegend lassen sich verschiedene Typen von Turbo Kompressoren in Abhängigkeit von Ihrer Bauform unterscheiden:

  • Radiale Turbo Kompressoren: Die Strömung tritt axial in die Turbomaschine ein und verlässt den Impeller in radialer Richtung. Eine 2D- oder auch eine 3D-Beschaufelung des Impellers sind möglich.
  • Mixed-Flow Turbo Kompressoren: Die Strömung tritt axial in die Turbomaschine ein und verlässt den Impeller in nicht rein radialer und nicht rein axialer Richtung auf höherem Radius.
  • Axiale Turbo Kompressoren: Die Strömung tritt axial in die Strömungsmaschine ein und verlässt den Impeller ebenfalls wieder axial auf ungefähr gleichem Radius.

Nachfolgende Abbildungen skizzieren die beschriebenen Verdichter-Formen:

Radial-Kompressor
Abbildung 3: Radial-Kompressor
Mixed-Flow-Kompressor
Abbildung 4: Mixed-Flow-Kompressor
Axial-Kompressor
Abbildung 5: Axial-Kompressor

Die Leistung eines Turbo Kompressors wird im sogenannten Kompressor-Kennfeld und im Leistungs-Kennfeld dargestellt, siehe nachfolgende Abbildungen. Hierbei wird das Druckverhältnis (Austritts- p2 zu Eintrittsdruck p1) über dem Massenstrom bei konstanter Drehzahl n aufgetragen. Punkte mit demselben Wirkungsgrad η auf verschiedenen Kennlinien werden zu Muschelkurven verbunden. Das Kennfeld wird allgemein nach rechts durch die maximale Drehzahl des Kompressors und nach links durch die Pumpgrenze limitiert. Als Pumpen bezeichnet man dabei eine aerodynamisch unvermeidbare Instabilität. Ein Betrieb des Turbo Kompressors links von der Pumpgrenze ist nicht zulässig. Die Darstellung der Leistung der Celeroton Produkte erfolgt in dieser Form und ist im Detail dem jeweiligen Produktdatenblatt zu entnehmen.

Kompressor-Kennfeld
Abbildung 6: Kompressor-Kennfeld mit Wirkungsgrad-Muschelkurven
Leistungs-Kennfeld
Abbildung 7: Leistungs-Kennfeld

Vor- und Nachteile

Die Vor- und Nachteile eines Turbo Kompressors lassen sich wie folgt zusammenfassen:

Vorteile von Turbo Kompressoren

  • Hohe Leistungsdichte und damit kleine Hauptmasse und geringes Gewicht

  • Hohe Zuverlässigkeit, da nur eine Komponente rotiert und die Technologie bewährt ist

  • Hoher Wirkungsgrad der Energiewandlung

  • Tiefer Geräuschpegel


Nachteile von Turbo Kompressoren

  • Dynamisches Arbeitsprinzip schränkt Betriebsbereich ein (siehe Kennfeld)

  • Hohe Leistungsdichte führt zu einem anspruchsvollen thermischen Systemmanagement

  • Es können nur limitierte Druckverhältnisse pro Stufe umgesetzt werden. Höhere Druckverhältnisse können über eine Serienschaltung von Kompressoren realisiert werden



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