Dynamische Kompressoren: Turbokompressoren und Axialkompressoren

Ein Turbokompressor zeichnet sich durch den radialen Luftstrom am Auslass aus. Die Luft wird in die Mitte eines rotierenden Laufrads mit Radialflügeln angesaugt und durch die Zentrifugalkräfte zum Außenrand des Laufrads geleitet. Die radiale Bewegung der Luft führt gleichzeitig zu einem Druckanstieg und der Erzeugung von kinetischer Energie. Bevor die Luft zur Mitte des Laufrads der nächsten Kompressorstufe geleitet wird, strömt sie durch einen Diffusor und einen Strömungsring, wo die kinetische Energie in Druck umgewandelt wird.

Jede Kompressorstufe übernimmt einen Teil des Gesamtdruckanstiegs der Kompressoreinheit. Bei industriellen Maschinen beträgt das maximale Druckverhältnis einer Turbokompressorstufe oft nicht mehr als 3. Höhere Druckverhältnisse verringern die Effizienz der Stufe. Einstufige Niederdruckanwendungen werden beispielsweise in Kläranlagen eingesetzt. Mehrstufige Anwendungen ermöglichen eine Zwischenkühlung, um den Energiebedarf zu verringern. Mehrere Stufen können in Reihe auf einer einzelnen, sich langsam drehenden Welle angeordnet werden. Dieses Konzept wird oft in der Öl- und Gas- oder Prozessindustrie eingesetzt.

Das Druckverhältnis pro Stufe ist zwar niedrig, aber mit einer großen Anzahl von Stufen und/oder mehreren in Reihe geschalteten Kompressoren kann der gewünschte Auslassdruck erzielt werden. Für Luftverdichtungsanwendungen wird ein Hochgeschwindigkeitsgetriebe in die Kompressorstufen integriert, um die Laufräder auf Hochgeschwindigkeitswellen zu drehen. Das Laufrad kann entweder ein offenes oder geschlossenes Design haben.

Das offene Design wird am häufigsten für Hochgeschwindigkeits-Druckluftanwendungen verwendet. Das Laufrad ist in der Regel aus einer speziellen Edelstahllegierung oder Aluminium gefertigt. Die Drehzahl der Laufradwelle ist im Vergleich zu den anderen Kompressortypen sehr hoch. Geschwindigkeiten von 15.000 bis 100.000 U/min sind üblich. Das bedeutet, dass die Drehung der Hochgeschwindigkeits-Kompressorwelle oder des Ritzels mit einfachen Lagern mit einem Ölfilm anstatt auf Rollenlagern erfolgt. Alternativ können Luftschichtlager oder aktive Magnetlager für eine vollkommen ölfrei verdichtende Maschine verwendet werden. Zwei Laufräder sind an beiden Enden einer Welle montiert, um die Axialbelastungen, die durch die Druckdifferenzen verursacht werden, auszugleichen. Normalerweise werden 2 oder 3 Stufen mit Zwischenkühlern für Standarddruckluftanwendungen verwendet.

Bei modernen Konfigurationen von Turbokompressoren werden ultraschnelle Elektromotoren eingesetzt, um die Laufräder direkt anzutreiben. Diese Technologie ermöglicht kompakte Kompressoren ohne Getriebe und zugehöriges Ölschmiersystem, wodurch eine vollkommen ölfrei verdichtende Kompressorkonstruktion möglich ist. Alle Turbokompressoren müssen in geeigneter Weise abgedichtet werden, um Lecks an der Welle zu verringern, wo diese durch das Kompressorgehäuse verläuft. Viele Arten von Dichtungen werden verwendet, und die am weitesten entwickelten sind bei Hochgeschwindigkeitskompressoren für hohe Drücke zu finden. Die gängigsten Typen sind Labyrinthdichtungen, Ringdichtungen oder Dichtungen mit Spaltregelung (normalerweise Graphitdichtungen) sowie mechanische Dichtungen.

Ein Axialkompressor hat einen axialen Luftstrom, wobei die Luft oder das Gas entlang der Kompressorwelle durch Reihen von rotierenden und stationären Flügeln strömt. Auf diese Weise wird die Geschwindigkeit der Luft allmählich erhöht, während gleichzeitig durch die stationären Flügel die kinetische Energie in Druck umgewandelt wird. In der Regel ist eine Ausgleichstrommel in den Kompressor eingebaut, um den Axialschub auszugleichen. Axialkompressoren sind in der Regel kleiner und leichter als die entsprechenden Turbokompressoren und arbeiten in der Regel bei höheren Drehzahlen. Sie werden für konstante und hohe Volumenströme bei einem relativ moderaten Druck eingesetzt, z. B. für Ventilationssysteme. Aufgrund ihrer hohen Rotationsgeschwindigkeit werden sie idealerweise mit Gasturbinen für die Stromerzeugung und den Flugzeugantrieb gekoppelt.