WikiDer > Radialverdichter

EIN Radialverdichter ist ein Kompressortyp, bei dem ein Gas in Richtungen senkrecht zur Längsrichtung der Welle (radial) komprimiert wird. Von der Achse aus gesehen ist die Strömungsrichtung des Gases nach außen und innen, die Gasrichtung wird zweimal pro Stufe geändert. Der Kompressor wird auch Radialkompressor genannt.

Vorwort

Der Radialverdichter und der Axialverdichter gehören zu den dynamische Kompressoren, dh sie leiten ihre Funktion aus der Umwandlung von Drehzahl in Druck ab.Ein Kreiselverdichter erzeugt ohne Druckschwankungen kontinuierlich einen komprimierten Gasstrom. Um ein High zu erreichen Druckverhältnis mehrere Verdichterstufen erforderlich. Bei gegebenem Druckverhältnis ist die Stufenzahl kleiner als bei a Axialkompressor, was den Radialverdichter etwas einfacher im Aufbau macht.

Radialverdichter werden eingesetzt in Turbolader ("Turbos"), in kleinen Gasturbinen, wie der Hilfsturbine in einem Flugzeug ("Auxiliary Power Unit" oder APU) und in Turbowelle Flugzeugmotoren. Auch in petrochemischen Betrieben, in der Gasförderung und im Gastransport, kurz überall dort, wo Gas komprimiert und/oder transportiert werden muss.

Konstruktion

Je nach Herstellungsweise des Verdichtergehäuses lassen sich zwei Typen von Radialverdichtern unterscheiden. Besteht das Haus aus einer oberen und einer unteren Hälfte, spricht man von einem „Split-Line-Kompressor“. Das Innere des Hauses (Diffusoren und Deflektoren) ist ebenfalls horizontal unterteilt. Die untere Hälfte jedes Teils wird in Nuten im unteren Gehäuse eingelegt, die obere Hälfte wird in Nuten im oberen Gehäuse eingelegt, wo die Teile fest mit dem Gehäuse verbunden sind. Nach dem Einlegen des Rotors in das Untergehäuse wird das Obergehäuse komplett mit dem halben Innenraum auf das Untergehäuse aufgesetzt. Die beiden Teile werden mit einer Schraubenreihe im Teileflansch aneinander befestigt. Diese Konstruktion erfordert gute Abdichtungen zwischen dem oberen Gehäuse und dem unteren Gehäuse, oft mittels Gummispanngliedern.

Ist das Verdichtergehäuse nicht horizontal geteilt, wird der Innenraum zunächst wie bei einem Split-Line-Verdichter außerhalb des Verdichters aufgebaut. Auch hier ist der Innenraum horizontal geteilt. Der gesamte Innenraum inklusive Rotor wird axial in das Laufgehäuse eingeschoben und an den Enden mit einer oder zwei Kappen verschlossen. Das Verdichtergehäuse ist dann ein geschlossener Behälter und ein solcher Verdichter wird als Fassverdichter bezeichnet. Diese Ausführung ist aufgrund ihrer mechanischen Festigkeit für höchste Arbeitsdrücke geeignet. Das Haus ist von hoher Qualität Schmiedestahl, mit einer Wandstärke von bis zu 400 mm. Die Deckel können einfach mit einem Gummi-O-Ring abgedichtet werden. Einige Konstruktionen verwenden keine Schrauben zur Befestigung der Abdeckungen, sondern eine Konstruktion mit einem Stahlring in einer Nut, um die Kräfte auf die Abdeckungen aufzunehmen.

Vergleich von Kompressoren

Die drei weit verbreiteten Kompressoren, die Kolbenkompressor, Radialverdichter und Axialverdichter haben jeweils einen eigenen Arbeitsbereich. Im Allgemeinen beim Komprimieren eines Gases:

${displaystyle Pcdot V^{n}=mathrm {konstante}}$

Für einen Zustandswechsel von 1 auf 2 wird dies zu:

${displaystyle P_{1}cdot V_{1}^{n}=P_{2}cdot V_{2}^{n}}$

Die Werte von nein Bereich von 0 bis ∞ (unendlich).

Vor dem nein = 0 (p · V⁰ = c) es gibt keine Kompression, der Druck bleibt gleich, es ist a isobarer Prozess. Dies ist für einen Kompressor nicht praktikabel.

Vor dem nein = 1 (p · V = c) Ist da ein isothermer Prozess, ist dies möglich, wenn während des Verdichtungsprozesses eine intensive Kühlung angewendet wird.

Für 1 < nein < k und für nein > k (p · V^nein = c) Ist da ein polytroper Prozess, bei dem es sich um einen Kompressionsprozess mit Wärmeaustausch mit der Umgebung handelt.

Vor dem nein = k (p · V^k = c) Ist da ein adiabatischer Prozess, bei dem es sich um einen Kompressionsprozess ohne Wärmeaustausch mit der Umgebung handelt.

Vor dem nein = ∞ gibt es einen Kompressionsvorgang eines inkompressiblen Mediums, a isochorer Prozess. Dies ist für einen Kompressor nicht praktikabel.

Hubkolbenverdichter arbeiten im Bereich zwischen nein = 1 und nein = k. Durch Kühlung des/der Zylinder(s) wird dem Kompressionsprozess Wärme entzogen. Bei intensiver Kühlung kann sogar ein isothermer Prozess erreicht werden.

Radialverdichter und Axialverdichter arbeiten im Bereich zwischen nein = k und nein = . Durch die hohen Gasgeschwindigkeiten im Verdichter wird dem Verdichtungsprozess zusätzliche Wärme zugeführt.

Der Diffusionsprozess

Die Umwandlung von Geschwindigkeit in Druck erfolgt in einem Diffusor, einem divergierenden (= aufgeweiteten) Kanal. Das Prinzip des Diffusors basiert auf dem Bernoulli-Gesetz, das besagt:

${displaystyle P_{1} { frac {1}{2}}ho _{1}c_{1}^{2}=P_{2} { frac {1}{2}}ho _{2}c_{2 }^{2}}$

Darin ist:

p = Absolutdruck [N/m²]

ρ = Dichte Medium [kg/m³]

c = absolute Geschwindigkeit [m/s]

Vereinfacht gesagt bedeutet dieses Gesetz, dass die Summe aus statischem Druck und Geschwindigkeitsenergie auf beiden Seiten des Diffusors gleich ist.In einem Diffusor nimmt die absolute Geschwindigkeit des Mediums aufgrund der Querschnittsvergrößerung in Strömungsrichtung ab. Es geht also kinetische Energie verloren. Angenommen, die Dichte ist konstant, dann muss nach dem Bernoulli-Gesetz der Druck (potentielle Energie) zunehmen, also p₂ > p₁.

Ein Diffusor kann mit einer umgekehrten Düse verglichen werden, aber bei näherer Betrachtung zeigt das Verfahren wichtige Unterschiede zu dem der Düse. Der Hauptunterschied besteht darin, dass das strömende Medium dazu neigt, sich sozusagen von den Diffusorwänden zu "lösen", wodurch Wirbel erzeugt werden, die die Effizienz des Prozesses verringern. Es ist zu beachten, dass die Druckdifferenz p₂ − p₁ bei einem Diffusor tendiert er dazu, der Strömung entgegenzuwirken, während diese Druckdifferenz bei einer Düse die Strömung tatsächlich fördert.

Die Verdichterstufe

Der Radialverdichter besteht aus einem rotierenden Teil, dem Rotor, und einem stationären Teil, wobei das Verdichtergehäuse das Innere enthält (den stationären Teil oder Stator). Der Rotor besteht aus einer Welle mit einem oder mehreren Fans, ebenfalls Laufrad oder Rad genannt. Auf dem Laufrad befinden sich radiale Schaufeln mit einem scharfen Profil. Wenn ein mehrstufiger Radialverdichter fünf Stufen hat, dann gibt es fünf Laufräder mit Schaufeln und fünf Statorteile. Die Statorteile bilden nach jedem Laufrad einen Diffusor. Vereinfacht gesagt dient das Laufrad der Gasgeschwindigkeit und der Diffusor im Gehäuse wandelt die Geschwindigkeit teilweise in Druck um. In Wirklichkeit kann ein Teil des Druckaufbaus auch im Laufrad erfolgen.

Die kinetische Energie des Gases wird in Druckenergie umgewandelt. Auch die Lufttemperatur steigt bei diesem Verdichtungsvorgang (es erfolgt keine Kühlung). Zum Beispiel wird der Druck des Gases beim Durchströmen des Kompressors in jeder Stufe um a erhöht Druckverhältnis von 1,5 bis 3 pro Treppe. Ein vierstufiger Verdichter mit einem Druckverhältnis pro Stufe von 1,5 liefert ein Gesamtdruckverhältnis von {{{1}}}.

Einige Radialverdichter haben vor der ersten Stufe einen Kranz aus verstellbaren oder nicht verstellbaren Einlassleitschaufeln, die das Gas in axialer Richtung leiten, damit es im richtigen Anströmwinkel zum ersten Laufrad strömt. Je nach Laufradform kann der Druck gleich bleiben oder leicht ansteigen. Der meiste Druckaufbau findet jedoch im Diffusor statt.

Interne Dichtungen

Das vom Verdichter verdichtete Gas darf das Laufrad nicht umströmen. Geschieht dies, wird ein Teil der Kompressionsarbeit in Verlustwärme umgewandelt. Es gibt also zwei Dichtungen ("seals"): um das Auge des Laufrades ("eye seal") und um die Welle an der Rückseite des Laufrades ("shaft seal"). Bei Druckaufbau im Laufrad soll die Augendichtung einen Rückfluss von der Laufradspitze zum Laufradauge verhindern. Bei fehlendem Druckaufbau im Laufrad kann auf diese Dichtung verzichtet werden. Die Wellendichtung verhindert einen Rückfluss vom Einlass der nächsten Stufe zur Laufradspitze. Über dieser Dichtung herrscht immer eine Druckdifferenz und sie ist daher immer vorhanden.

Die Antriebswelle des Kompressors muss auch gegen Gasaustritt nach außen abgedichtet sein. Dazu werden alle Arten von "Dichtungen" verwendet. Es gibt "nasse" Dichtungen, die mit einem Ölfilm arbeiten, und "trockene" Dichtungen mit rotierenden Dichtungen mit engem Spiel. Die Wellenabdichtung ist besonders wichtig beim Verdichten giftiger Gase.

Mehrstufiger Kompressor

Bei einem mehrstufigen Verdichter muss das Gas nach Verlassen des Diffusors zum Auge des Laufrades der nächsten Stufe geleitet werden. Dazu haben ein und das Verdichtergehäuse eine Rückkanal und ein Rückkanal gebaut. Im Umkehrkanal ändert das Gas die Richtung um 180° und im Rückkanal strömt das Gas zur nächsten Stufe. Es ist darauf zu achten, dass der Umkehrkanal und der Rücklaufkanal deutlich breiter als der Diffusor sind, um Druckverluste durch Düsenaktion verhindern.

Das Laufrad ist zusammen mit den anderen Laufrädern in einem mehrstufigen Verdichter auf einer Welle montiert. An der Öse befindet sich ein Dichtring, der den Gasrückfluss von der Laufradspitze zum Auge verhindert, und an der Rückseite des Laufrads befindet sich eine Dichtung, die den Gasrückfluss aus der nächsten Stufe verhindert. Diese Siegel heißen auf Englisch „Augensiegel" und "Wellendichtung”.

Der Kompressorausgang

Nach der letzten Stufe strömt das Gas in die Druckleitung. Zunächst muss das Gas jedoch über den gesamten Umfang des Verdichters gesammelt werden, um dann zum Druckrohr strömen zu können. Das Gas wird in einem „Schneckenhaus“ (englisch: Kollektor), ein Gehäuse mit einer Form, die das Gas aus dem letzten Diffusor an jeder Stelle sammelt und zum Auslassrohr leitet. Der Kollektor ist manchmal außen am Haus sichtbar, manchmal befindet er sich im Inneren des Hauses.

Form des Laufrades

Das Laufrad besteht aus a Nabe, auch die Rückwand des Laufrades, an der Radialschaufeln angeschweißt sind. Bei einigen Versionen werden Nabe und Schaufeln aus einem einzigen Stahlblock gefertigt. Die Klingen können mit einem Deckel abgedeckt werden, dann spricht man von a geschlossenes Laufrad. Wenn kein Deckel vorhanden ist, wird er als Lüfter bezeichnet Öffnen. Das Laufrad kann mit Rückwand und Deckel parallel oder mit einer gewissen Konizität gebaut werden. Dies beeinflusst den Druckaufbau im Laufrad. Die Abbildung zeigt drei Fächerformen:

1. Nabe und Abdeckung mit parallelen Wänden. Dadurch entsteht im Laufrad ein erheblicher Druckaufbau, da der Kanal zwischen den Schaufeln stark divergierend ist.
2. Mit schrägem Deckel. Hier ist der Druckaufbau im Laufrad geringer, da der Kanal zwischen den Schaufeln weniger divergierend ist.
3. Mit sehr schrägem Deckel. Ist die Querschnittsfläche des Kanals zwischen den Schaufeln am Auge gleich der der Spitze, kommt es im Laufrad zu keinem Druckaufbau, da der Kanal zwischen den Schaufeln nicht divergiert. Dies kann bei der Auslegung des Verdichters gewählt werden, da dann die Abdichtung des Auges des Laufrades keine Rolle mehr spielt (gleicher Druck über diese Dichtung).

Betrieb des Laufrades

Das Gas strömt axial in das Laufrad ein. Die Lücken zwischen den Schaufeln am Einlass des Gases werden die Auge erwähnt. Das Gas wird von den Leitschaufeln mitgerissen und mit Geschwindigkeit in eine radiale Bewegung umgelenkt W₁, und bekommt eine Drehbewegung. Da keine Kräfte auf das Gas einwirken, um es auf einer Kreisbahn zu halten (kein Zentripetalkraft) tendiert das Gas dazu, gerade zu fließen. Die Abbildung zeigt, dass das Gas vom Auge des Laufrades entlang der Schaufeln nach außen strömt (der Trinkgeld) strömt aus dem Laufrad. Im Volksmund wird oft gesagt, dass das Gas "weggeworfen" wird, aber das ist nicht richtig. Es ist genau das Fehlen der Zentripetalkraft wodurch das Gas ausströmt. Das Gas verlässt das Laufrad an der Spitze mit einer Geschwindigkeit W₂. Aufgrund der Form des Kanals zwischen den Flügeln (mehr oder weniger divergierend) nimmt die Geschwindigkeit vom Auge zur Spitze mit zunehmendem Druck ab. Der Grad des Druckaufbaus im Laufrad ist konstruktiv wählbar, an der Laufradspitze hat das Gas die Relativgeschwindigkeit zu den Schaufeln W₂, und die Umfangsgeschwindigkeit der Radspitze SIE. Zusammengesetzt ergibt dies die Austrittsgeschwindigkeit C₂, mit dem das Gas zum Diffusor strömt.

Diffusorbetrieb

Wenn das Gas das Laufrad mit hoher Geschwindigkeit verlässt, strömt es in den Diffusor. Dies ist ein Kanal mit parallelen Wänden, normalerweise ohne Flügel. Obwohl dies im Längsschnitt nicht zu erkennen ist, hat der Kanal eine divergierende Form und ist somit ein Diffusor. Dies ist besser zu erkennen, wenn man vom Diffusor einen Sektor ("Tortenscheibe") nimmt, dann ist deutlich zu erkennen, dass die Querschnittsfläche in Strömungsrichtung zunimmt. Ein solcher Diffusor wird als „Parallelwanddiffusor“ bezeichnet.

Form der Klingen

Die einfachste Version ist ein Radialschaufelrad. Es ist jedoch auch möglich, die Messer nach hinten zu neigen. Die Neigung der Schaufeln beeinflusst den Druckaufbau, den der Kompressor bereitstellen kann. In der unten gezeigten Verdichterkennlinie liegen die Betriebspunkte für jede Drehzahl auf Linien, die im Diagramm eine bestimmte Steigung aufweisen. Wenn der Verdichter radiale Schaufeln hat, verlaufen diese Leitungen fast flach, und bei geneigten Schaufeln sind die Leitungen geneigt. Je größer die Blattsteigung (Englisch: nach hinten lehnen), desto weniger Druck kann der Kompressor aufbauen und desto stärker wird die Leistungskurve steiler. Trotzdem werden oft Schaufeln mit einer gewissen Neigung gewählt, weil dadurch die Regelbarkeit des Verdichters im Prozess verbessert wird. Ein Kompressor mit einer flachen Kurve ist in einem Prozess mit konstantem Druck, wie beispielsweise einem Kühlprozess, schwierig zu steuern.

Reihenfolge der Verdichterstufen

Die Verdichterstufen (Laufräder plus Leiträder) können in verschiedenen Konfigurationen in das Verdichtergehäuse eingebaut werden. Die Abbildung zeigt eine Reihe von Optionen:

• Geradeaus. Alle Treppen sind in die gleiche Richtung platziert. Nachteil: Auf den Verdichterrotor wird eine erhebliche Axialkraft ausgeübt, die Axiallager sollten enthalten sein.
• Mit doppeltem Sauganschluss und symmetrisch gegenläufig angeordneten Stufen. Auf den Rotor wirkt keine oder nur eine geringe Axialkraft.
• Mit seitlichen Eingängen. Diese Konfiguration wird in Prozessen verwendet, die auf unterschiedlichen Druckniveaus arbeiten, wie beispielsweise Kühl- und Gefrierprozesse. Ein Seiteneingang wird als "Sideload" bezeichnet, ein Seitenausgang wird als "Side Bleed" bezeichnet.
• Mit Ladeluftkühlung auf halbem Weg durch den Kompressor. Die Zwischenkühlung macht den Verdichtungsprozess effizienter, sie ist näher am isothermen Prozess.
• Anordnung "Rücken an Rücken". Dabei werden Laufradgruppen Rücken an Rücken so platziert, dass die Axialkraft auf den Rotor minimal ist. Ein "Crossover"-Rohr führt das Gas vom ersten zum zweiten Abschnitt.

Kompressoreigenschaften

Die am häufigsten verwendete Verdichterkennlinie ist die Druckverhältniskurve in Abhängigkeit vom Eingangsvolumenstrom. Die Abbildung zeigt sechs Kurven, die für sechs verschiedene Geschwindigkeiten gelten nein₁ bis zu nein₆. Aus diesen Kurven ist ersichtlich, dass die Kennlinie mit zunehmender Geschwindigkeit höher wird. Vergleicht man den Betrieb bei unterschiedlichen Drehzahlen für einen bestimmten Verdichter, so zeigt sich, dass im Allgemeinen die sogenannten „Lüftergesetze“ befolgt werden. Diese sind:

1. Der Eingangsvolumenstrom ist proportional zur Drehzahl: Q_v ~ nein
2. Das Druckverhältnis ist proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit: Rp_{bis um} ~ nein²
3. Die Leistungsaufnahme ist proportional zur Drehzahl in der dritten Potenz: pc ~ nein³

Diese Gesetze können verwendet werden, wenn man ab einem bestimmten Betriebspunkt grob vorhersagen möchte, was der Kompressor bei einer um 10 % höheren oder niedrigeren Drehzahl als an diesem Betriebspunkt tun wird. Diese Gesetze sind zu global für größere Änderungen.

Verbotene Arbeitsbereiche

Stall und Surge

Alle Verdichterkennlinien enden an der gestrichelten Linie in der Kennlinie. Dies ist das Stabilitätsgrenze und der Kompressor kann im Bereich links von dieser gestrichelten Linie nicht betrieben werden. Wird der Abfluss des Gases durch eine Stagnation in der Druckleitung behindert, erhöht sich das Druckverhältnis und der Volumenstrom sinkt bis zum Erreichen der Stabilitätsgrenze. An diesem Punkt stoppt der Durchfluss und auch der Druckaufbau im Kompressor stoppt (schließlich gibt es keine Drehzahl mehr). Dies wird als "Stall" bezeichnet, die Stagnation der Strömung. Das Gas strömt sofort kräftig in den Kompressor zurück, verringert den Förderdruck und bringt den Kompressor in seinen normalen Betriebsbereich zurück. Der Gasfluss wird in die richtige Richtung wiederhergestellt, wonach der Rückfluss wiederholt wird. Das hier beschriebene Phänomen der hin- und hergehenden Luft wird als "Pumpen", "Pulsieren" oder "Pumpen" des Kompressors bezeichnet. Damit können so große Kräfte einhergehen, dass das Innere des Kompressors zerstört wird (Schaufeln können abbrechen, Axiallager werden überlastet, starke Maschinenvibrationen etc.). Insbesondere bei Kompressoren mit langer Druckleitung, die Druckbehälter mit einem bestimmten Volumen enthalten, kann der Schwall so viel Energie enthalten, dass das Innere des Kompressors zerstört wird. Deshalb installiert man immer a Rückschlagventil in der Druckleitung, so nah wie möglich am Kompressor.

Ersticken

Es gibt einen anderen Bereich in der Kompressorkennlinie, in dem der Kompressor nicht arbeiten darf, nämlich den Ort, an dem der maximale Durchfluss bei dem minimalen Druckverhältnis auftritt. Die Luft wird dann nicht komprimiert, wodurch der Volumenstrom in den höheren Stufen, wo die Durchgänge eng sind, zu groß wird. Es treten dann hohe Gasgeschwindigkeiten auf (in der Nähe des Schallgeschwindigkeit) dass der Kompressor aufgrund von Stoßwellen im Gasstrom diesen großen Gasstrom nicht mehr bewältigen kann. Der Durchgang wird behindert, was normalerweise als "Choke" oder "Stonewall" ("Verstopfen" des Kompressors) bezeichnet wird.

Kompressorsteuerungssystem

Um die beiden verbotenen Bereiche (Surge und Choke) zu vermeiden, muss das System, an das der Kompressor sein Gas liefert (das Prozess) sind so ausgelegt, dass der Kompressor immer in seinem stabilen Bereich arbeitet. Insbesondere bei niedriger Drehzahl (Starten und Stoppen des Kompressors) besteht die Gefahr des Pumpens. Ein automatisches Kontrollsystem, das Überspannungsschutz, gewährleistet den minimal erforderlichen Gasdurchfluss bei jeder Geschwindigkeit. Folgende Verfahren sind im Einsatz, die alle sicherstellen, dass in den Verdichterstufen eine ausreichende Gasgeschwindigkeit aufrechterhalten wird:

1. Abblasen eines Teils des Gases an der Kompressorpresse über Abblaseventile. Dies ist nur möglich, wenn das Gas ungiftig und billig ist (Beispiel: Luft).
2. Rezirkulieren des Gases, solange der Kompressor nicht auf Drehzahl ist und keinen ausreichenden Enddruck liefern kann. Üblicherweise muss in die Rezirkulationsleitung ein Kühler eingebaut werden, um dem Gas die Kompressionswärme zu entziehen.
3. Einspritzen von Flüssiggas in den Kompressor Suig (Englisch: Abschrecken), die das Gas kühlt und ihm eine größere Dichte verleiht. Durch das kältere (schwerere) Gas kann der Kompressor mehr Druck aufbauen.
4. Eine Kombination der drei genannten Methoden

Dieses „Anti-Surge“-Regelungssystem ist ein notwendiger Bestandteil der Kompressorinstallation.

Ein genauerer Blick auf den Komprimierungsprozess

Das Komprimieren des Gases im Kompressor ist schnell. Man kann sagen, dass jedes vom Verdichter angesaugte Kilogramm Gas in wenigen Zehntelsekunden auf den Verdichterenddruck verdichtet wird. Durch diese hohe Kompressionsrate kann das Gas praktisch keine Wärme an die Umgebung abgeben. Eine solche Kompression, bei der dem Medium keine Wärme aus der Umgebung zugeführt oder abgeführt wird, wird als adiabatische Kompression bezeichnet. In einem Druckvolumen (p-V) und in einer Temperaturentropie (T-so)-Diagramm kann diese Komprimierung durch die Linie von 1 nach 2, einem Adiabat, dargestellt werden. Ist die Komprimierung verlustfrei, nennt man den Vorgang isentrop (konstante Entropie). In der Praxis arbeitet ein Kompressor nicht verlustfrei: Beim Verdichten steigt natürlich der Druck des Gases, aber auch die Temperatur. In dem p-V Diagramm dies kann durch das Zeichnen von Linien für konstante Temperatur, Isothermen dargestellt werden. In der Abbildung erfolgt dies für die Verdichteransaugtemperatur T₁, und für die Verdichteraustrittstemperatur T₂.

Das Komprimieren jedes kg Gases erfordert Arbeit, die vom Antriebsmotor bereitgestellt wird. Der theoretisch erforderliche Arbeitsaufwand in kJ/kg ergibt sich aus der Formel:

${displaystyle W_{c}=Cp_{c}cdot left(T_{2}-T_{1}ight)}$ [kJ/kg]

Darin ist:

cp_c = spezifisches Wärmegas (für die mittlere Temperatur zwischen T₁ und T₂) [kJ/kgK]

T₂ = Verdichteraustrittstemperatur nach verlustfreier adiabatischer Verdichtung [K oder °C]

T₁ = Verdichteransaugtemperatur [K oder °C]

In Wirklichkeit muss dem Kompressor sogar noch mehr Arbeit pro kg Gas zugeführt werden, da der Kompressor gewisse Verluste hat. Dies drückt sich im Verdichterwirkungsgrad aus c, was normalerweise bei etwa 0,75 oder 75 % liegt. Die eigentliche Verdichtung erfolgt entlang einer Linie, die im p-V Diagramm und im T-soRecht des verlustfreien Adiabats, die gestrichelte Linie in der Abbildung. Bei gleichem Druckverhältnis die Presstemperatur nach der eigentlichen Verdichtung T_2' höher als die verlustfreie adiabatische Kompression.

Die tatsächliche Kompressorarbeit pro kg Gas beträgt:

${displaystyle W_{c'}=Cp_{c}cdot left(T_{2'}-T_{1}ight)}$ [kJ/kg]

Darin ist:

cp_c = spezifisches Wärmegas (für die mittlere Temperatur zwischen T₁ und T_2') [kJ/kgK]

T_2' = gemessene Verdichteraustrittstemperatur nach tatsächlicher Verdichtung [K oder °C]

T₁ = Verdichteransaugtemperatur [K oder °C] [kJ/kg]

Die Kompressoreffizienz

Der Wirkungsgrad des Kompressors lässt sich nicht ohne weiteres auf einem Messgerät ablesen. Sie berechnet sich als Verhältnis zwischen dem Temperaturanstieg bei verlustfreier adiabatischer Kompression (T₂ − T₁) und der tatsächliche Temperaturanstieg (T_2' − T₁). Daraus ergibt sich auch das Verhältnis zwischen der theoretisch erforderlichen Verdichterarbeit W_c und die tatsächlich erforderliche Kompressorarbeit W_c'.

${displaystyle eta _{c}={frac {T_{2}-T_{1}}{T_{2'}-T_{1}}}cdot 100 [/$. Daraus folgt:

${displaystyle eta _{c}={frac {W_{c}}{W_{c'}}}cdot 100 [/$

Für die Berechnung des Wirkungsgrades haben wir die theoretische Verdichteraustrittstemperatur T₂ erforderlich. Sie muss nach den für die Kompression geltenden Gasgesetzen berechnet werden. Für eine adiabatische Kompression:

${displaystyle Pcdot V^{k}=mathrm {konstante}}$, anders geschrieben: ${displaystyle P_{1}cdot V_{1}^{k} = P_{2}cdot V_{2}^{k}}$ (Gesetz für Gift)

und:

${displaystyle {frac {Pcdot V}{T}}=mathrm {konstante} }$, anders geschrieben:${displaystyle {frac {P_{1}cdot V_{1}}{T_{1}}} = {frac {P_{2}cdot V_{2}}{T_{2}}}}$ (Allgemeines Gasrecht)

Darin ist:

k oder κ (kappa) = adiabatischer Exponent, [dimensionslos]. Dies hängt von der Art des zu verdichtenden Gases und vom durchschnittlichen Druck beim Verdichtungsprozess ab. Das kWert finden Sie in den Handbüchern für Industriegase.

p₁ = Absoluter Saugdruck des Kompressors [N/m²]

p₂ = Absoluter Enddruck des Verdichters [N/m²]

V₁ = angesaugtes Gasvolumen [m³/s]

V₂ = Druckvolumen des Gases nach der Kompression [m³/s]

T₁ = Verdichter-Ansaugtemperatur [K] (hier muss wegen des Verhältnisses in der Formel die absolute Temperatur verwendet werden.

T₂ = Verdichteraustrittstemperatur nach verlustfreier adiabatischer Verdichtung [K]

Eine Kombination der beiden genannten Gesetze ergibt die Formel, aus der sich T2 berechnen lässt:

${displaystyle {frac {T_{2}}{T_{1}}}=left({frac {P_{2}}{P_{1}}}ight)^{frac {k-1}{k}}}$, anders geschrieben: ${displaystyle T_{2}=T_{1}cdot left({frac {P_{2}}{P_{1}}}ight)^{frac {k-1}{k}} [K]}$

Zusammengefasst: In der Praxis lässt sich der Verdichterwirkungsgrad wie folgt ermitteln:

1. Besonders kWert für die durchschnittliche Kompressionstemperatur;
2. Berechnung T₂ (die theoretische endgültige Kompressionstemperatur);
3. Berechnen Sie die Rendite c.

Verweise:

Charles E. Otis, M. Ed., Flugzeuggasturbinenkraftwerke (1989). IAP Inc Schulungshandbuch. ISBN 0-89100-255-3 .

N.V. Nederlandse Gasunie, Physikalische Eigenschaften von Erdgasen (1988).

Siehe auch

• Turbojet
• Turboprop
• Turbofan
• Turbowelle
• Gasturbine
• Axialkompressor
• Brennkammer (Gasturbine)
• Turbine (Gasturbine)

• Radialverdichter
• 

  Flugzeugmotor, Abschnitt mit sichtbarem Radialverdichter

• 

  Offenes Laufrad, poliert für maximale Effizienz

• 

  Querschnitt einer Gasturbine mit teils axialem, teils Radialverdichter

• 

  Einfacher Radialverdichter mit sichtbarer Cochlea

• 

  Trommelverdichter (Innenspirale) (Thomassen-Elliott)

• 

  Splitline-Radialkompressoren im Bau (Thomassen-Elliott)