Quelltext der Seite Turbokompressor

[[Datei:Axial compressor.gif|mini|Axialer Verdichter]]
[[Datei:P&ID Turbo Compressor Symbol.svg|mini|Verfahrenstechnisches Symbol eines Turbokompressors in einem [[Rohrleitungs- und Instrumentenfließschema|R&I-Fließschema]]]]
[[Datei:Axialkompressor.jpg|mini|300px|Axialkompressor eines [[Strahltriebwerk]]es '''[[Wright J65|Wright&nbsp;J65]]''']]
[[Datei:Radialkompressor.jpg|mini|300px|Radialkompressor eines [[Strahltriebwerk]]es '''[[Klimow WK-1]]''' ]]
[[Datei:ASU Turbo-train.jpg|mini|300px|Turbokompressorstrang einer [[Luftzerlegung]]sanlage ]]

Der '''Turbokompressor''' (auch ''Turboverdichter'') ist ein rotierender [[Verdichter]] und gehört zu den [[Strömungsmaschine]]n. Er arbeitet in der physikalischen Umkehrung einer [[Turbine]] (in der ein Gas entspannt wird) und wird als Arbeitsmaschine verwendet, um ein Gas zu fördern, seinen Druck zu erhöhen (für thermische [[Kreisprozess]]e oder chemische Reaktionen) oder sein spezifisches Volumen zu reduzieren, zum Beispiel um es zu speichern. Turbokompressoren sind integrale Baugruppen in Gasturbinen, Flugzeugtriebwerken und Turboladern.

Seit neuestem werden im Rahmen der [[Energiewende]] in Europa zudem Groß[[wärmepumpen]] errichtet, die eine thermische Leistung von mittlerweile über 30&nbsp;MW erzeugen. Die verwendeten Turbokompressoren erhöhen durch Verdichten des [[Kältemittel|Prozessgases]] Druck und Temperatur, so dass auf der Wärmesenken-Seite der Wärmepumpe eine entsprechend hohe Energiemenge aus dem Prozess gewonnen werden kann.<ref>[https://www.man-es.com/process-industry/campaigns/heat-up-carbon-down Heat up Carbon down] Großwärmepumpen der MAN Energy Solutions</ref><ref>[https://www.man-es.com/discover/esbjerg-heat-pump Esbjerg Heat Pump] Großwärmepumpenfernheizwerk Esbjerg</ref>

== Aufbau ==
Alle Turbokompressoren haben
* ein Druckgehäuse mit entsprechenden [[Leitwerk#Turbinen|Leiteinrichtungen]]
* eine Welle mit mindestens einem Laufschaufelrad oder einer direkt auf der Welle aufgezogenen Laufschaufelreihe.

Turbokompressoren unterteilen sich in die Hauptbauarten ''Radial''- und ''Axialkompressor''.

Beim Axialkompressor strömt das zu komprimierende Gas in paralleler Richtung zur Welle durch den Verdichter. Beim [[Zentrifugalkompressor|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 fördern Axialkompressoren höhere Volumenströme bei kleinem Druckverhältnis während Radialverdichter höhere Drücke erzeugen.
Kombinierte Bauarten saugen mit ihrer Axialstufengruppe große Volumenströme an, die in den anschließenden Radialstufen auf hohe Drücke komprimiert werden. Die Diagonalkompressoren sind eine Kombination von beiden Prinzipien.

Bei den häufig gebauten einwelligen Maschinen, die unter Um auch über ein separates Getriebe angetrieben werden, werden die einzelnen Verdichterstufen hintereinander auf der Welle angeordnet. Die Anordnung erfolgt oft so, dass es eine Hauptströmungsrichtung gibt (vom Saug- zum Druckstutzen), teilweise wird auch zur Kompensation des Axialschubes der Welle eine „back to back“-Anordnung von einzelnen Verdichterstufen oder Stufengruppen gewählt, so dass sich mehr als ein Saug- oder Druckstutzen ergibt.

Eine weitere Bauart sind die Getriebekompressoren, bei denen die einzelnen Radialverdichterstufen direkt um ein Getriebegehäuse herum gruppiert sind. Im Getriebe sitzt ein zentrales Groß(zahn)rad, das mehrere parallele Ritzelwellen antreibt. Sie tragen jeweils ein oder zwei Laufräder. Das Großrad ist entweder direkt mit der Antriebsmaschine gekuppelt (Motorantrieb) oder wird seinerseits durch ein meist unten liegendes Antriebsritzel (Turbinenantrieb) angetrieben.

Dabei kann jede Stufengruppe mit ihrer abhängig vom Durchmesser optimalen Drehzahl laufen. Getriebekompressoren erreichen so sehr hohe Druckverhältnisse <math>\Pi = \frac{p_{2,abs}}{p_{1,abs}} = \frac\text{Enddruck}\text{Saugdruck}</math> bis etwa 70.

== Anwendung ==

Turbokompressoren kommen zum Einsatz, wenn große Gasvolumenströme verdichtet werden sollen zum Beispiel
* in [[Verdichterstation]]en (Druckerhöhung in Gas-Pipelines)
* als [[Hochofen]]- und Stahlwerksgebläse
* in Anlagen zur Verflüssigung von Luft und Gasen
* als Kompressor für Luft oder nitrose Gase in Salpetersäure-Anlagen
* in petrochemischen Anlagen und Raffinerien
* als Vakuumgebläse in der Papierindustrie
* in großen Kälteanlagen und Wärmepumpen

== Betrieb ==
Am Schnittpunkt der Druckverlustkennlinie der nachgeschalteten Anlagenteile mit dem jeweiligen Kompressor-Kennlinienfeld 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 Wahl der Antriebsmaschine wird durch die Anwendung beeinflusst. Steht (wie in Chemieanlagen, [[Stahlwerk]]en oder [[Eisenhütte]]n) ausreichend und sicherer Dampf zur Verfügung, wird bevorzugt eine [[Dampfturbine]] eingesetzt.

Für Gas-Pipeline- und [[Offshorebauwerk|Offshoreanwendungen]] bieten sich [[Gasturbine]]n an. Bei kleineren und mittleren Leistungsanforderungen bis ca. 12&nbsp;MW werden auch Elektromotoren mit Frequenzumrichtern als Antrieb eingesetzt. Diese Variante wird insbesondere im Betrieb ohne Beaufsichtigung angewandt, wobei die Maschinen von einer Zentralen Leitwarte gefahren werden, die hunderte Kilometer von der Anlage entfernt liegen kann.

=== Leistungsregelung ===
Die Leistung großer Turbokompressoren liegt zwischen 1&nbsp;MW und etwa 60&nbsp;MW.

Zur Anpassung der notwendigen Verdichterleistung (Druckverhältnis und Volumenstrom) wird die Drehzahl der Antriebsmaschine oder der Volumenstrom durch die Maschine geregelt, bei Axialkompressoren typischerweise durch verstellbare Leitschaufeln für alle oder zumindest mehrere Stufen oder bei Radialkompressoren durch verstellbare Vorleitschaufeln.

Prinzipiell werden Turbokompressoren geregelt, um sie an den Prozess anzupassen, den sie versorgen. Dabei ergeben sich die Regelungsarten '''Volumenstrom'''regelung oder '''Saug'''- oder '''Enddruck'''regelung.
Die Volumenstromregelung findet häufig Anwendung, da hier zum Beispiel ein definierter Gasstrom (und mithin über die Dichte auch ein entsprechender Massenstrom) gewährleistet werden kann. Dies ist insbesondere bei verfahrenstechnischen Prozessen, die definierte Mengen eines Reaktionsproduktes erzeugen sollen, wichtig, aber auch beim Gastransport und der Gasspeicherung. Im Betrieb stellt sich dann ein Zustand ein, dass der Prozesswiderstand oder der vorliegende Druck auf einem größeren Reservoir (Ferngasleitung, Gasspeicher, Heißwindleitung) den zu erreichenden Austrittsdruck bestimmen und die Maschine bis auf einen Arbeitspunkt hochlaufen muss, an dem der vorgegebene Volumenstrom erreicht wird. Als Regelgröße dient oft der Volumenstrom unter [[Standardbedingungen|Normbedingungen]], der dann aus den aktuellen Prozesswerten errechnet werden muss.

Bei der Druckregelung kann entweder ein Saugdruck '''oder''' ein Austrittsdruck als Sollwert angefahren werden. Für beide Sollwerte würde sich jeweils ein Volumenstrom ergeben.
Gelegentlich finden im Leitsystem der Anlage auch kombinierte Reglungen Anwendung, bei denen primär ein bestimmter Volumenstrom gefahren wird, als sekundärer Sollwert zudem noch ein Enddruck festgelegt ist, so dass bei veränderlicher Abnahme des Gases durch den Prozess ein bestimmter Enddruck gehalten wird. Diese Regelungsart erfordert aber im Regler eine interne und stoßfreie Umschaltung, die dann den tatsächlich momentan zu fahrenden Sollwert anfährt, indem zum Beispiel bei Erreichen des Solldrucks und gleichzeitigem Unterschreiten des Sollvolumenstromes die Enddruckregelung aktiv wird und die Volumenstromregelung erst wieder zugeschaltet wird, wenn bei dem jetzt anstehenden Enddruck der Sollvolumenstrom auch erreicht wird.
Insgesamt ist die Auswahl geeigneter Sollwerte essentiell für einen stabilen Prozessbetrieb, da sich in dem „Dreieck“ aus Saugdruck, Enddruck und Volumenstrom diese Werte gegenseitig beeinflussen.

Wenn mehrere Kompressoren auf dieselbe Leitung arbeiten, könnten sich Zustände einstellen, dass eine Maschine ihre Leistung reduziert, während eine andere gleichzeitig Last aufnimmt. Dementsprechend sind Maßnahmen zur Lastverteilung zu ergreifen, die über Kommunikation der einzelnen Regler miteinander die Arbeitspunkte der Maschinen so ausbalancieren, dass die einzelnen Einheiten im Gleichgewicht zueinander arbeiten.

Den beschriebenen Prozessreglern können noch '''Limiter''' vorgeschaltet sein, die Parameter wie Temperaturen, Drücke, Volumenströme, Ströme und Momente im Antrieb innerhalb bestimmter Grenzen halten sollen und die Lastaufnahme anhalten oder auch reduzieren, wenn diese Grenzwerte überschritten werden. Dazu werden die Limiter, die letztlich auch als Regler arbeiten, deren Ausgang dem aktuell anstehenden Reglerausgang nachgeführt wird, sofort in Eingriff gebracht, wenn einer seinen Sollwert erreicht oder überfährt. Die Limiter haben mithin Priorität gegenüber der Prozessreglung.

Eine Regelung durch das Regelventil der Pumpverhütung ist möglich, wird aber nur angewandt, wenn der vom Prozess geforderte Volumenstrom beim dabei zu erreichenden Austrittsdruck unter dem spezifizierten physischen Limit der Maschine liegt (das heißt der Kompressor ist eigentlich „zu groß“ für den Prozess). Insgesamt ist die Bypass-Regelung zu vermeiden, da sie den Wirkungsgrad verringert. Die Regelung erfolgt nach dem Kennfeld des Turbokompressors.

Die Regelung über Saugdrosselklappen gilt wegen zu großer Energieverluste ebenfalls als veraltet.

=== {{Anker|Pumpen}} Verdichterpumpen und Pumpverhütung ===
[[Datei:Verdichterkennfeld.png|mini|300px|Kennfeld eines Radialverdichters]]
Eine der typischen Eigenschaften jedes Turbokompressors ist die Neigung, in ungünstigen Betriebszuständen zu „pumpen“ (engl. surge). Das Phänomen tritt auf, wenn der –&nbsp;vom Druck abhängige&nbsp;– Mindestmassenstrom unterschritten wird. Bei zu kleinem Massenstrom wird der Anströmwinkel so groß, dass die [[Strömungsabriss|Strömung an den Schaufeln des Laufrades abreißt]]. Dadurch wird weniger Impuls auf das Medium übertragen, sodass der Massenstrom weiter abnimmt und die Strömung auch an anderen Schaufeln oder Verdichterstufen abreißt. Die Druckdifferenz zwischen Austritt und Eintritt kann nicht aufrechterhalten werden, es kommt zu einer Rückströmung durch den Kompressor. Dabei sinkt das Druckverhältnis (Saugdruck nimmt zu) und der Kompressor fördert wieder, bis der Pumppunkt (unterschreiten des Mindestförderstromes) erneut erreicht wird. Dieser Vorgang läuft zyklisch mit einer Frequenz von ca. 0,3–5&nbsp;[[Hertz (Einheit)|Hz]] ab und ist mit einem typischen Geräusch verbunden. 

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 oder brummenden Geräusch verbunden und führt zu einem leichten Leistungsabfall des Verdichters. Dabei werden die Kompressorschaufeln bereits 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.

Praktisch alle Turbokompressoren haben daher eine '''Pumpgrenzregelung (Anti Surge Control)''', die verhindern soll, dass ein bestimmter Mindestförderstrom unterschritten wird. Dieser Mindestvolumenstrom ist als der jeweilige druckabhängige Sollwert der Pumpgrenzregelung zu verstehen und bildet seinerseits die Regellinie der Pumpverhütung, die im Kennfeld etwa 10 % rechts der Pumpgrenze verläuft. Beim Überfahren dieser Regellinie wird durch Öffnen eines Abblaseventils (vor allem bei Luftkompressoren) oder Umblaseventils (andere Gase) der Volumenstrom wieder erhöht, so dass der Arbeitspunkt mindestens auf der Regellinie gehalten wird.

Falls ein längerer Umblasebetrieb zu erwarten ist, wird ein Umblasekühler benötigt, da sonst das angesaugte Gas zunehmend wärmer würde, was aufgrund der dabei abnehmenden Dichte wiederum das Pumpen des Verdichters begünstigt.

Insbesondere Axialkompressoren reagieren sehr empfindlich auf Pumpstöße und müssen daher besonders vor diesem Betriebszustand geschützt werden. Sie besitzen oft weitere, unabhängige Einrichtungen zum [[Pumpschutz]], die die Maschine vor der Zerstörung schützen, falls die Pumpgrenzregelung versagt (Ausfall von Mess- oder Regeleinrichtungen, veränderte Gaszusammensetzung).

Das Ab- und Umblasen verschlechtern den Gesamtwirkungsgrad des Verdichters dramatisch, da ein Teilstrom des Gases nutzlos zurück zum Saugstutzen oder in die Atmosphäre gefördert wird. Dabei wird dann die zuvor durch Volumenänderungsarbeit auf das Gas übertragene Energie durch [[Dissipation|Drosselung und nachfolgende Entspannung]] im Pumpgrenzregelventil näherungsweise adiabatisch umgewandelt, wobei sich der [[Anergie]]anteil an der Gesamtenergie erhöht und die [[Exergie]] dementsprechend abnimmt. Deshalb wird dieses Verfahren nicht zur [[#Leistungsregelung|Leistungsregelung]] eingesetzt, sondern dient vorwiegend dem Schutz der Maschine. Falls eine Maschine bei normalen Prozessbedingungen nur mit teilgeöffnetem Pumpverhütungsventil betrieben werden kann, ist die Maschine nicht optimal an den Prozess angepasst (stabiler Mindestförderstrom zu hoch) oder muss überholt werden (Verschmutzung / Abnutzung der Schaufeln und Diffusoren, erhöhte innere Leckagen).

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

=== Zwischenkühlung ===
[[Datei:Verdichter.PNG|mini|300px|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 [[isentrop]]en 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, bei denen ohnehin Rohrleitungen die einzelnen Stufen verbinden. Außerdem sind kompakte Bauformen üblich, bei denen die Kühler jeweils paarweise zwischen den Stufen in das Kompressorgehäuse integriert sind.<ref>[https://www.man-es.com/process-industry/products/compressors/isothermal Isothermal Compressors] MAN Energy Solutions AG</ref>

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Kreiselpumpe]]
[[Kategorie:Kältetechnik]]
[[Kategorie:Verdichter]]