Eckpfeiler der Kompression: Rotationsschieberkompressoren

Von Norm Shade17. Juli 2023

Schiebezellenkompressoren, auch Drehschieberkompressoren genannt, gehören nach den Kolbenkompressoren zu den ältesten Kompressortypen. Die erste bekannte Beschreibung einer Flügelzellenpumpe stammt aus einem Buch des italienischen Ingenieurs Agostino Ramelli aus dem Jahr 1588.

Die Drehschieberpumpe wurde am 16. Juni 1874 von Charles C. Barnes, einem Ingenieur aus Sackville, New Brunswick, Kanada, patentiert, dem allgemein die Erfindung des modernen Designs zugeschrieben wird. Drehschieberkompressoren und -pumpen werden seit dem frühen 20. Jahrhundert hergestellt, und eine Reihe von Unternehmen haben sie zu Tausenden hergestellt.

Der Drehschieberkompressor nutzt die Zentrifugalbewegung, um Luft oder andere Gase zu komprimieren. Der zylindrische Rotor ist exzentrisch in einem stationären Gehäuse angeordnet, so dass er an der Auslassöffnung der zylindrischen Gehäusebohrung am nächsten und an der Einlassöffnung am weitesten davon entfernt ist.

Das Gehäuse verfügt über einen großen Einlass und eine vergleichsweise kleinere Auslass- oder Auslassöffnung. Der Exzenterrotor verfügt über mehrere radiale Schlitze, von denen jeder mit einer Schaufel oder einem Flügel ausgestattet ist, der federbelastet ist. Die Flügel bestehen aus Stahl oder synthetischen Fasermaterialien. Die Federn und die Zentrifugalkraft drücken die äußeren Enden der Flügel gegen die Gehäusebohrung, um sicherzustellen, dass zwischen benachbarten Flügeln nur minimale Gaslecks auftreten.

Je nach Anwendung können die Maschinen geschmiert oder ungeschmiert sein. Wenn der Kompressor ölgeschmiert ist, befindet sich zwischen den Flügeln und dem Gehäuse eine dünne Ölschicht, die außerdem dazu beiträgt, während des Betriebs Gasaustritt an den Flügelspitzen vorbei abzudichten.

Der Raum zwischen benachbarten Flügeln bildet eine Tasche. Während sich der exzentrische Rotor in der zylindrischen Gehäusebohrung dreht, wird jeder Flügel in seinen radialen Schlitz im Rotor verschoben. Dadurch verringert sich das Volumen der Tasche zwischen benachbarten Leitschaufeln zunehmend, während diese sich vom Einlass zum Auslass drehen.

Durch die Volumenverringerung erhöht sich der Druck des eingeschlossenen Gases. Die Flügelstärke und die Leckagerate hinter den Flügelspitzen begrenzen den Differenzdruck über einen Flügel. Daher erfordern Kompressoren mit höherem Druckverhältnis mehr Flügel. Ein typischer einstufiger Drehschieberkompressor hat ein Druckverhältnis von 5:1, bei einigen Hochdruckmodellen sogar von 7:1 oder 8:1. Je größer die Anzahl der Flügel, desto geringer ist der Druckunterschied zwischen benachbarten Räumen um den Rotor.

Anwendungen mit hohem Druckverhältnis können bis zu 20 oder 30 Flügel erfordern. Die meisten Rotationskompressoren sind auf Drücke von 150 psig (10,3 bar) oder weniger begrenzt. Obwohl sie leicht und vielseitig sind, ist ihr Wirkungsgrad im Vergleich zu Kolbenkompressoren gering. Die Drehschiebertechnologie wird für die Luft- und Gaskompression, Vakuumanwendungen, das Pumpen von Flüssigkeiten und den Transport von Schüttgütern eingesetzt.

Blackmer war eines der ersten Unternehmen, das Schiebeflügelmaschinen entwickelte. Vor der Wende zum 20. Jahrhundert verstand man unter einer Rotationspumpe im Allgemeinen eine „Zahnradpumpe“, die hauptsächlich aus zwei ineinandergreifenden Zahnrädern bestand, die Flüssigkeit zwischen den Zahnradzähnen und dem Pumpengehäuse einschlossen und so kleine Dichtungshohlräume bildeten, die die Flüssigkeit bei der Rotation transportierten , wodurch die Flüssigkeit auf der anderen Seite herausgedrückt wird.

Doch 1899 entwickelte RM Blackmer eine Flügelzellenpumpenkonstruktion, die eine wichtige Abkehr vom Zahnradpumpenprinzip darstellte. Im Gegensatz zur Fördermenge einer Zahnradpumpe, die mit zunehmender Abnutzung der Verzahnung stetig abnimmt, ist der Verlust einer Flügelzellenpumpe praktisch vernachlässigbar. Wenn sich die Flügel an den Spitzen abnutzen, bewegen sie sich einfach weiter aus den Rotorschlitzen heraus, um sich selbst anzupassen und die ursprüngliche Geschwindigkeit beizubehalten. Blackmer hätte keinen besseren Zeitpunkt für die Erfindung dieses genialen Pumpentyps wählen können.

Das Aufkommen des Automobils löste im Land einen neuen Durst nach Benzin und Öl aus. Die Erdölindustrie wuchs mit Riesenschritten und das junge Unternehmen war bereit, mit ihr zu expandieren. Die Flügelzellenpumpe von Blackmer war der Ursprung einer Familie von Hunderten verschiedener Pumpenmodelle. Das Unternehmen Blackmer wurde in Petoskey, MI, gegründet und zog 1925 an seinen heutigen Standort in Grand Rapids, MI.

1908 entwickelte Karl Wittig in Deutschland ein Patent für einen Schiebeflügelkompressor mit mehreren Flügeln. Innerhalb von fünf Jahren lizenzierte er es als System Wittig. Wittig-Drehschieberkompressoren und Vakuumpumpen wurden in vielen Anwendungen eingesetzt und sind heute Teil von Gardner Denver mit Nischen in den Bereichen Trockenmassengut, Flüssigkeits- und Gastransfer sowie Vakuumdienstleistungen.

Im Jahr 1930 war Allis-Chalmers aus Milwaukee, Wisconsin, eines der ersten Unternehmen, das die Drehschiebertechnologie an Kompressoranwendungen anpasste. Sein Ro-Flo-Drehschieberkompressor wurde ursprünglich als Pflanzenluftkompressor entwickelt, fand aber nach und nach Anwendung bei der Verdichtung von feuchten und sauren Gasen.

Allis-Chalmers-Produkte wechselten in den folgenden Jahren den Besitzer, aber das Ro-Flo-Produkt überlebte und Ro-Flo-Kompressoren wurden 2007 ein unabhängiges Unternehmen. Ro-Flo-Kompressoren entwickelten sich zu einigen der leistungsstärkeren Maschinen der Branche und arbeiteten bis zu 200 psig mit einem Druckverhältnis von bis zu 7:1 in einer einzigen Stufe.

James W. Fuller III gründete 1926 ein Unternehmen in Lehigh Valley, Pennsylvania. Er begann als Gießerei und entwickelte bald spezielle Produkte und Verfahren für die Zement- und andere Industrien. Um Kunden beim Be- und Entladen von Materialien zu unterstützen, erwarb er 1931 die Rechte an einem französischen Mehrflügel-Rotationskompressor-Design.

Er entwickelte die Technologie sowohl für Vakuumpumpen- als auch für Kompressoranwendungen. Im Vergleich zu Kolbenkompressoren war das neue Flügelzellendesign kompakt, hatte vernachlässigbare Vibrationen und war pulsationsfrei. Seit 1990 sind Fuller-Kompressoren ein Produkt von FLSmidth.

Drehschieberkompressoren und -pumpen werden in Hunderten verschiedener Anwendungen eingesetzt. Neben der Bereitstellung von Druckluft werden Drehschieberkompressoren auch zur Förderung von Schüttgütern und zur Förderung von Flüssigkeiten eingesetzt. Sie werden in Öl- und Gasanwendungen, bei der Industriegasproduktion, bei der Dampfrückgewinnung und im Vakuumbereich eingesetzt.

Sie werden auch häufig in Fahrzeugen für die Motoraufladung, Klima- und Servolenkungskompressoren sowie Automatikgetriebepumpen eingesetzt. Sie können für nahezu jedes erdenkliche Gas ausgelegt werden, einschließlich Säure und Sauergas, Wasserstoff und schwere Kohlenwasserstoffe

Da sie Zweiphasenströmungen verarbeiten können, werden sie auch zum Komprimieren von Gasströmen verwendet, die nahe ihrem Taupunkt liegen und Flüssigkeiten enthalten.