Edition 01/2017

Aufbau und Wirkprinzip eines Turbogebläses der aktuellen AERZEN Baureihe sind einfach und effektiv zugleich: Ein direkt auf der Motorausgangswelle sitzendes Schaufelrad dreht sich in einem Spiralgehäuse und erzeugt so den Volumenstrom. Diese strömungstechnisch optimierten Schaufelräder kreisen in einem Drehzahlbereich zwischen 20.000 und 70.000 Umdrehungen pro Minute. Die hohe Drehfrequenz bringt in der Umsetzung drei wesentliche Herausforderungen mit sich: Zum einen sind besondere Hochfrequenzmotoren gefragt, die diese Drehzahlen überhaupt erzeugen können. Zum zweiten sind Frequenzumrichter notwendig, die für diese Drehzahlen ausgelegt sein müssen. Und drittens muss die Motorwelle mit dem verbundenen Schaufelrad wirkungsvoll und zuverlässig gelagert werden. Standardindustriewälzlager sind in diesen Maschinen nicht geeignet, weil die Drehzahlen weit über dem liegen, was Rollen- oder Kugellager aufnehmen können.

Einfache Lagerung mit einfacher Physik ...

Als effektive Lagerung ganz ohne mechanische Reibung setzt AERZEN auf verdichtete Luft in den beiden Radiallagern der Antriebswelle sowie dem Axiallager zur Aufnahme der Axialkräfte. Hierbei wird keinesfalls Luft mit hohem Druck extern in die Lagerschale gepumpt, sondern einfach das Kompressorprinzip genutzt. Die schnell drehende Welle erzeugt beim Anfahren des Turbogebläses im Luftspalt des Lagers durch natürliche Unwucht eine exzenterförmige Kreisbewegung. Weil hierbei die Welle auf dem minimalen Weg zur Lagerwand den Druck in diesem Bereich erhöht, wird dabei Gegenkraft in Form eines Druckanstiegs erzeugt. Diese drückt die Welle wieder in die entgegengesetzte Richtung, vergleichbar mit einem Kompressor oder Wankelmotor. Aufgrund der schnell ansteigenden Drehzahl zentriert sich die Welle im Lager selbst und steigert dabei auch den Druck im Luftspalt auf mehr als 30 Bar. Die herrschenden Kräftepaare sind so groß, dass sie die Welle auch bei stark wechselnden und herausfordernden Betriebsbedingungen dauerhaft freischwebend in der Mitte des Lagers halten.

... versus komplexe Lagerung mit hohen Betriebskosten

Turbogebläse anderer Hersteller arbeiten mit Magnetlagerung, die ebenfalls das Ziel hat, die hohen Drehzahlen frei von mechanischer Lagerung zu bewältigen. Hier ist aber elektrischer Strom notwendig, damit die um die Antriebswelle ringförmig angeordneten Spulen ihre Kräfte während des Betriebs entwickeln können und so die Welle frei von mechanischer Reibung drehen lassen. Gerade wechselnde Betriebsbedingungen stellen das hoch komplexe Regelsystem der Magnetlagerung auf die Probe, so kommt es hierbei häufiger zu technologiebedingten Sicherheitsabschaltungen des gesamten Turbogebläses. Limitierend bei der Magnetlagerung wirkt vor allem die Regelungselektronik, die die Kräfte der Magnetfelder ständig neu justieren muss. Damit dieses System bei einer Anlagenstörung, einem Notaus oder einem Stromausfall eine gewisse Zeit aktiv bleibt, sind magnetgelagerte Turbogebläse immer mit einer unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) zu versehen. Ausgefeilte Ladezyklen sind deshalb genauso notwendig wie der regelmäßige Austausch der Batteriezellen innerhalb eines festen Wartungsplans. Ein ähnlicher Aufwand steckt in der Magnetlagerung selbst, weil sie kontinuierlich elektrische Energie nutzt und die komplexe Regelungstechnik regelmäßige Wartungsintervalle notwendig macht.  

Lange Lebensdauer

Beim Luftlagerungsprinzip sind keine elektrischen, mechanischen oder pneumatischen Regelungen notwendig, auch nicht bei dynamischen Lastwechseln. Die Luftlagerung hat dabei auch noch Reserven, höhere Drehzahlen aufzunehmen, als dieses mit Magnetlagerungen in der Regel möglich ist. Dennoch bemängeln Kritiker, dass die angetriebene Welle beim Hochfahren des Turbogebläses auf dem Lager aufliegt und bis zur Bildung des Luftkissen seine Verschleißreibung entwickelt. AERZEN begegnet diesem theoretisch vorhandenen Nachteil mit einer innovativen Luftfolienlagerung mit einer Zwei-Komponenten-Beschichtung unter anderem aus Polytetrafluorethylen. PTFE zählt zu den Thermoplasten, die aufgrund ihres sehr geringen Reibungskoeffizienten als Antihaftbeschichtung Verwendung finden. „Wir erzeugen mit dem PTFE quasi einen Schmierfilm ohne Fett und Öl“, erklärt Steffen Helmert, Produktmanager für Turbogebläse bei AERZEN. Damit dieser Aufbau die während eines Bruchteils einer Sekunde auftretenden Reibungskräfte beim Anlaufen eines Turbos aufnehmen kann, ist hohe Oberflächengüte gefragt. „Die Qualität hängt direkt vom Fertigungsprozess ab. Aufgrund der langen Erfahrungen mit Turbogebläsen haben wir die Verfahren immer weiter verfeinert.“ In Summe ist es AERZEN gelungen, bei der neuen Turbogeneration eine im Vergleich zur hochkomplexen Magnetlagerung deutlich einfachere und effizientere Lösung zu finden. Doch PTFE als zäher Lagerwerkstoff macht allein noch keine langlebige Lagerung aus. Weil der Kompressoreffekt im Lager die Luft so stark verdichtet, dass die Schicht zwischen Lagerring und Welle praktisch hart wie Stahl ist, hat AERZEN eine speziell auf diesen Einsatz abgestimmte Dämpfungsschicht konzipiert. Hierbei handelt es sich um ein Millimeter starkes Blech, dass wellenförmig gewalzt die Gleitschicht des Lagers stützt und gleichzeitig Schwingungen aufnimmt.  

Fazit

Turbogebläse sind in der Abwassertechnik konsequent auf niedrige Lebenszykluskosten ausgelegt. Folglich kommen Aggregate wie zum Beispiel die Turbogebläse von AERZEN in Prozessen zum Einsatz, in denen Lösungen für die Langstrecke gefragt sind. 24/7: Da  sich die Lebenszyklus kosten zu einem Großteil aus den Energiekosten der Aggregate zusammen setzen, stellt sich im Bezug auf die Energiekosten, der am Markt befindlichen Turbogebläse, nicht die Frage, ob das Schaufelrad per Luft oder Magnetfeld gelagert ist. Vielmehr gilt es die Frage zu beantworten, welches Gerät von welchem Hersteller mit welchen Leistungs- und Verbrauchskennzahlen für den jeweiligen Einsatz am besten passt. Angesichts der Tatsache, dass die Belebung mehr als 50 Prozent des Energieverbrauchs einer Kläranlage ausmacht, lohnt es sich bei der Gebläseauslegung neben den Energiekosten auch den Aufwand für Service und Wartung in die Berechnung einfließen zu lassen. Weil der eigentliche Gerätepreis eines Turbogebläses angesichts des enormen Kostenblocks für Energie innerhalb der Lebensdauer keine Rolle spielt, wird der reine Kaufpreis eines Aggregats in Zukunft kaum noch eine Rolle spielen. Gefragt sind Lösungen, die am besten zu den jeweiligen Rahmenbedingungen einer Kläranlage vor Ort passen. Und deshalb werden es auch die Lebenszykluskosten (LCC) sein, die neben Aspekten wie Standardisierung und Serviceverfügbarkeit mehr und mehr Investitionsentscheidungen bestimmen.