Drehkolbenverdichter Kreisel- oder Turboverdichter ... - H. Klinkner

Name:
BBS Technik Idar-Oberstein
Drehkolben- und Turbo- Verdichter II S. 241
Datum:
Drehkolbenverdichter
Sie arbeiten wie die Hubkolbenverdichter nach dem Verdränger prinzip, benötigen jedoch weniger Platz ,
haben ein geringeres Gewicht , sie entbehren oszillierender Massenkräfte, fördern pulsationsfrei und
benötigen keine Ventile. Sie werden bei mittleren Fördervolumina (ca. 0,15 bis 7 Norm- m 3 /s ; Schraubenverdichter
mehr) eingesetzt und liefern ein Stufendruckverhältnis von etwa 4,5. Hohe Wirkungsgrade
werden nur bei hoher Präzision bei konstant bleibender Abnahmemenge erreicht.
Bauarten:
Zellenverdichter: z.T. stufenlos verstellbar
Schraubenverdichter: mit 1,2 oder 3 angetriebenen Wellen, temperaturempfindliches
Laufspiel, teuer, öl freie Bauarten eignen sich für heiße Luft, fördert
auch verschmutzte Medien
Roots-Gebläse: arbeiten wie Zahnradpumpen und liefern nur geringe Drücke (1,5 bar).
Besonders bei hohe Drehzahlen arbeiten sie sehr verlustreich und laut.
schmutzempfindlich
G-Lader: guter Wirkungsgrad, hohe Präzision erforderlich, begrenzte Lebensdauer
Flüssigkeitsringpumpen: dichten gut ab, transportieren jedoch Flüssigkeit in die Druckleitung
Alle Kolbenverdichter sind auch zur Erzeugung von Vakuum einsetzbar.
Eine robuste, einfache Maschine für kleineres Vakuum (und Drücke) ist der Seitenkanal
verdichter, der aus einem ringförmigen, geteilten Gehäuse besteht, in dem ein
beschaufeltes Laufrad abriebfrei dreht. (leise, wartungsarm, oft 2-stufig)
Kreisel- oder Turboverdichter
Sie ähneln den Kreisel pumpen, denn sie arbeiten nach dem Strömungs prinzip: Die mechanische
Energie wird über Welle und Schaufeln auf das Gas übertragen und bewirkt einen Druckanstieg durch
Fliehkraftwirkung und Geschwindigkeitsenergie, die in Leiteinrichtungen in Druck“energie“ umgewandelt
wird. Turboverdichter benötigen große Drehzahlen (Umfangsgeschwindigkeiten bis 400 m/s), um
einen ausreichenden Druck zu erreichen. Sie werden bei großen Fördermengen eingesetzt.
Je nach erreichbarem Druck unterscheidet man zwischen ...
• Ventilatoren oder Lüfter: große Luftmengen, nur Strömungswiderstände überwinden
• Gebläse: mittlere Enddrücke, 1- bis 3-stufig
• Kompressoren: vielstufig, hohe Enddrücke
Radialverdichter erreichen pro Stufe ein Druckverhältnis von ≈ 3. Die Schaufeln
sind aus Festigkeitsgründen meist aus dem Vollen heraus gefräst. Wegen den
großen Fliehkräften verzichtet man auf eine Deckscheibe. Durch Leckverluste
zurück in den Saugraum wird die adiabate Erwärmung noch verstärkt. Eine
starke Kühlung ist erforderlich. ( 3 mal mehr als bei Kolbenmaschinen, z.B. um 1000 m 3
Luft auf 6 bar zu verdichten, sind 10 000 l Kühlwasser nötig.)
Regelung:
• Drehzahl regelung: nur bedingt, da sich das Betriebsverhalten (Druck , V, η,...) stark ändert
• Drosselregelung: in Saug- oder Druckleitung, unwirtschaftlich
• Aussetzregelung:
• Abblasverfahren: bevor (hoffentlich sehr selten) die Pumpgrenze erreicht wird.
Axialverdichter fördern parallel zur Welle. Da keine langen
Umlenkwege nötig sind, haben sie nur einen geringen Platz bedarf
(oft in Rohrleitungen eingebaut), sind leichter und billiger als
Radialverdichter und haben einen besseren Wirkungsgrad (≈0,9).
Sie werden für hohe Fördermengen (> 10 m 3 /s) eingesetzt.
Funktionsprinzip:
Das Fördermedium wird in der Laufschaufelreihe in Umfangsrichtung abgelenkt.
Die Leitschaufeln lenken die Geschwindigkeit wieder zurück, so dass in der
nächsten Stufe wieder gleiche Geschwindigkeiten herrschen. In den Leit- und in
den Laufschaufeln wird die Relativgeschwindigkeit jew. reduziert, was einen
Druck anstieg (i ≈ 1,25) zur Folge hat.

Name:
BBS Technik Idar-Oberstein
Drehkolben- und Turbo- Verdichter II
Datum:
1. Tragen Sie in das rechtsstehende
Diagramm grob den Einsatzbereich
der wichtigsten Verdichterbauarten
ein!
Kolbenverdichter
Radialverdichter
Rotations
verdichter
Axialverdichter
+
Kolbenverdichter
Ventilatoren
2.
:
steile
Kennlinie
Interpretieren Sie mit Hilfe des linken Diagramms das unterschiedliche
Betriebsverhalten der Turboverdichter.
Axialverdichter haben einen sehr schmalen Betriebsbereich.
Reduziert sich die Fördermenge unterhalb 90%, so arbeitet
der Axialverdichter schon im instabilen Bereich
(Strömungsabriss) mit schlechtem Wirkungsgrad.
Ausnahme: Axialverdichter mit Leitschaufelverstellung.
Aktivieren Sie Ihre brachliegenden mathematischen Reserven:
3. Für eine Gasturbine ist ein Turboverdichter auszulegen, der die (Außen-)Luft auf 7,5 bar komprimieren
soll. Berechnen Sie (möglichst nicht durch Ausprobieren, sondern mit Hilfe der Algebra) die Mindeststufenzahl ...
a) für eine Axialturbine, deren erreichbares Stufendruckverhältnis 1,25 beträgt und
b) für eine Axialturbine, deren erreichbares Stufendruckverhältnis 2,5 beträgt.
c) Für welche Variante würden Sie sich entscheiden? (begründet argumentieren)
pE
= i ⋅i ⋅i ⋅i
⋅ .... = i
p1
n pE
i =
p1
n pE
ln( i ) = ln( )
p1
⎛ pE
⎞
n ⋅ ln( i ) = ln⎜ p ⎟
⎝ 1 ⎠
n
⎛ pE
⎞
ln⎜
p ⎟
1
n =
⎝ ⎠
ln( i )
a )
b)
n
n
Axial −V
Axial −V
⎛ 8,5 bar ⎞
ln⎜
1bar
⎟
=
⎝ ⎠
= 9,59 ≈ 10
ln(1,25)
ln 8,5
= = 2,3 ≈ 3
ln 2,5
c) ... für einen Axialverdichter, weil er einen wesentlich höheren Wirkungsgrad besitzt, sofern er
immer exakt am Betriebspunkt arbeitet, oder weil die Temperaturen nicht zu hoch werden dürfen.
Falls jedoch die Verluste keine große Rolle spielen und der Förderbedarf stark schwankt und die
Energiekosten im Vergleich zu den Kapitalkosten unwichtig sind, dann ist ein Radialverdichter
einsetzbar.

Name:
BBS Technik Idar-Oberstein
Drehkolben- und Turbo- Verdichter II
Datum:
4. Tragen Sie in das rechtsstehende
Diagramm den
Druckverlauf in einem
Radialverdichter ein.
Die inneren Verluste bewirken eine zusätzliche
Temperatursteigerung
5. Sie sollen ölfreie Luft auf 5 bar verdichten.
Welche verschiedene Möglichkeiten schlagen Sie (beim „Brainstorming“) vor?
• trockenlaufende Kolbenverdichter (mit Graphit- oder PTFE-Dichtringen) oder mit
Labyrinthkolben
• Membranverdichter (aber max. Temp. beachten!)
• trockenlaufende Schraubenverdichter
• evtl. mehrstufiger Radialverdichter mit Zwischenkühlung
...weil noch Platz ist, hier ein Axialverdichter (innerhalb eines Strahltriebwerkes)
oder
... ein kombinierter Axial-Radial-Kompressor (z.B. für ein Druckluftspeicherkraftwerk)