Turbokompressori puristaa ilman hyvällä hyötysuhteella

turbokompressori puristaa ilman hyvällä hyötysuhteella 800 x 350

Turbokompressorissa puristusvoima perustuu virtaavan kaasun nopeuksien vaihteluun, mikä erottavaa turbot muista kompressoritekniikoista. Jos ilman kulutus ylittää järjestelmätasolla yli 50 kuutiometriä minuutissa, voidaan turbotekniikalla tuottaa paineilmaa tasaisesti ja energiatehokkaasti.

Turbokompressorin tekniikkaa

Turbokompressorit ovat olleet käytössä prosessipaineilman tuotannossa jo 1960-luvulta asti. Turbokompressorissa ilma johdetaan moottorin pyörittämään juoksupyörään, jossa ilman virtaus kasvaa. Ilmavirtauksen liike-energia muutetaan paineilmaksi virtausnopeutta hidastamalla. Turbotekniikka toteutetaan usein monivaiheisena, jolloin voidaan saavuttaa jopa 25 barin paine.

Turbokompressorit ovat virtauskoneita, joiden toiminta on parhaimmillaan kohteissa, joissa on jatkuva yli 20 prosentin säätötarve kapasiteetissa. Turbokompressoreissa puristus perustuu virtausnopeuksien muuttamiseen.

Aksiaalikompressorissa paine nousee pyörivässä siipisolassa, roottorissa, suhteellisen virtausnopeuden eli pyörivän siiven tunteman virtauksen hidastumisesta, ja paikallaan olevassa siipisolassa, staattorissa, todellisen virtausnopeuden hidastumisesta. Keskipakokompressorissa paine nousee myös keskipakovoiman johdosta. Siksi keskipakokompressorin vaiheiden lukumäärä on huomattavasti aksiaalikompressoria pienempi.

Turbotekniikka valtaa alaa paineilman tuotannossa

Paineilmaa tuotetaan valtaosin ruuvikompressoreilla. Ne ovatkin viime vuosikymmeninä syrjäyttäneet mäntäkoneet lähes täysin. Nyt turbotekniikka valtaa alaa myös prosessiteollisuuden paineilman tuotannossa. Esimerkiksi Sarlin suosittelee turbokompressoreja kohteisiin, joissa paineilman kulutus on yli 50 kuutiometriä minuutissa. Kaksi- ja kolmivaiheisena puristustekniikasta saadaan tällöin paras tulos.

Monivaiheisen puristuksen hyöty tulee siitä, että edellisen vaiheen paineistettu ilma jäähdytetään selvästi alhaisemmaksi. Teho on suoraan tuloilman funktio kelvineinä. Jos jäähdytetään 100 celsiusasteinen ilma (373 K) 20 celsiusasteeseen (293 K), tehon kulutus pienenee 20 prosenttia seuraavassa vaiheessa.

Turbokompressoreiden taloudellisuus

Turbokompressorien taloudellisuus perustuu osaltaan myös niiden hyviin säätöominaisuuksiin. Säätöalueen laajuus riippuu lähinnä kompressorin mitoituspaineesta. Jos turbon mitoittaa hiukan tarvittavaa painetta korkeammalle, saadaan säätöaluetta kasvatettua.

Virtaus turbokompressorissa toimii lentokoneen siipeä muistuttavalla periaatteella eli suunnittelupisteessä virtauksen pienentäminen muuttaa siiven kohtauskulmaa ja kasvattaa samalla kompressorin aineennostokykyä. Jos muutos on liian suuri, kompressori sakkaa.

Toisaalta virtauksen kasvattaminen muuttaa kohtauskulmaa toiseen suuntaan. Samalla virtausnopeudet kasvavat, kunnes jossain kohdassa tulee vastaan äänennopeus eli saavutetaan Machin luku 1. Tämä tapahtuu yleensä staattorisiivistössä.

Turbokompressoreiden ominaisuuksien hyödyntäminen

Sarlinin mielipide on, että turbokompressoreiden ominaisuudet hyödynnetään kokonaan vasta sitten, kun niiden hyötysuhteeltaan erinomainen säätöalue osataan hyödyntää järjestelmän kulutuksen mukaan. 

Useamman kompressorin järjestelmissä tämä vaatii keskitetyn ohjauksen, jonka avulla on mahdollista säätää myös useampaa turbokompressoria rinnan. Järjestelmän pitää myös tietää, milloin on mahdollista ja järkevää sammuttaa kompressorikapasiteettia ilman, että kompressoreita rasitetaan mekaanisesti liian paljon.