Die Turbogebläse von AERZEN. Über viele Jahrzehnte haben wir diese Aggregate technologisch auf die Spitze getrieben. Und dabei eine Expertise entwickelt, die weltweit Maßstäbe setzt. Sie spiegelt sich in hoher Energieeffizienz, in geringen Life-Cycle-Costs, in speziell entwickelten Kernkomponenten. Kurz, sie lebt in allen Details der Strömungsmaschinen von AERZEN.
Aufbau und Wirkprinzip eines Turbogebläses von AERZEN sind einfach und effektiv zugleich. Weil die Luftversorgung moderner Kläranlagen klar auf maximale Verfügbarkeit, hohe Energieeffizienz und lange Wartungszyklen ausgelegt ist, nutzt AERZEN für die anspruchsvolle Lagerung innerhalb der Turbogebläse weder Öl noch andere Schmiermittel – sondern ganz einfach Luft.
Broschüre
Casestudy Kläranlage Emsbüren
Casestudy Kläranlage Wallau
Turbogebläse oder auch Turboverdichter werden häufig in der Abwasseraufbereitung eingesetzt. Zuverlässigkeit, Energieeffizienz und reduzierte Wartungskosten sind in diesem Bereich außerordentlich wichtig. Besonders in Kläranlagen müssen Turbomaschinen ihren Dienst ohne größere Unterbrechungen durch Wartung und Reparaturen verrichten – sie fördern Luft in die sogenannten Belebungsbecken. Die Luft dient dazu, die Mikroorganismen im Becken mit Sauerstoff zu versorgen. Je effizienter dies gelingt, desto besser. Die Aufgaben sind dabei gewaltig: Um in ein Belebungsbecken den notwendigen Sauerstoff einzutragen, müssen die Strömungsmaschinen in einer schwierigen Umgebung über lange Zeiträume hinweg reibungslos funktionieren. Reibungslos ist hierbei sogar im Wortsinne zu verstehen, denn bei den hohen Drehzahlen, die im Inneren eines Turbogebläses erzeugt werden, sind herkömmliche Kugellager oder andere mechanische Lagerungslösungen, die immer auch eine gewisse Reibung verursachen, nicht praktikabel. Deshalb sind bei Turbomaschinen in Abwasseranwendungen Lagerungen gefragt, die ohne mechanische Reibung funktionieren und einen kontaktlosen Betrieb des Turbolaufrades während des Verdichtungsprozesses gewährleisten.
Es gibt prinzipiell zwei Lösungsansätze für die Umsetzung einer reibungs- und berührungsfreien Lagerung von Turboverdichtern: Magnetlagerung und Luftlagerung. Durch die berührungsfreie Lagerung erübrigt sich zudem auch die Wartung durch Schmierstoffe, wie z.B. Öl. Daher werden moderne, drehzahlgeregelte Turbos auch „ölfreie“ Hochfrequenz-Turboverdichter genannt. Lange Zeit galt die Magnetlagerung als praktikabelste Lösung. Bei dieser Art von Lagerung wird durch die Erzeugung entsprechender Magnetfelder im Inneren des Gebläses der Kontakt zwischen den schnell drehenden Wellen mit anderen Bauteilen völlig vermieden. Diese Lösung ist hochkomplex und die Umsetzung technisch sehr aufwändig, denn um eine im Wortsinne reibungslose Funktion zu gewährleisten, muss das System ständig die genaue Position der Welle abfragen. Nur dann kann die aufwändige Elektronik die Magnetfelder so präzise justieren, wie es für den störungsfreien Dauerbetrieb notwendig ist.Der Einsatz empfindlicher Sensoren sowie die insgesamt sehr komplexe Regelelektronik hat auch Nachteile. Zum einen sind gerade in Kläranlagen die Umgebungsbedingungen oft nicht ideal für empfindliche Bauteile. Zum anderen erfordert der komplexe Regelungsmechanismus regelmäßige Wartungsarbeiten. Hinzu kommt eine hohe Empfindlichkeit bei betriebs- und prozessbedingten Druckschwankungen und Spitzen, sowie technologiebedingte Eigenschaften wie das Verdichterpumpen. Denn bei beidem entstehen dynamische Kräfte, die auf den Rotor der Maschine wirken. Magnetlagerungen haben hierbei aufgrund Ihres komplexen Regelkreises enge Grenzen und werden bei solchen Situationen zum Eigenschutz schnell abgeschaltet. Hierdurch kommt es auf vielen Anlagen zum häufigen Ausfall der Turbomaschinen. Einer der wohl bedeutendsten Nachteile sind die sehr eingeschränkten Servicemöglichkeiten, denn im Falle einer Reparatur, oder eines erforderlichen Austauschs der Lagerung, kann dies nicht am Installationsort, sondern nur beim Hersteller erfolgen. Das bedeutet, neben dem erheblichen logistischen Aufwand, eine kritische und lange Ausfallzeit der Maschine von ca. 3 Monaten. Bezüglich der Energiebilanz ist die Magnetlagerung auch nicht optimal, denn für die Erzeugung des Magnetfeldes wird Strom dauerhaft benötigt, der die Betriebskosten des Turboverdichters nach oben treibt. Zudem muss als Notbehelf für den Fall einer Unterbrechung der Stromversorgung eine Pufferbatterie bereitgehalten werden. Diese sogenannte USV (unterbrechungsfreie Stromversorgung) gewährleistet, dass der hochfrequent drehende Rotor bei Ausfall der Stromversorgung nicht sofort mit dem mechanischen Notlager in Kontakt kommt. Die Belastung für dieses Notlager wäre bei voller Drehzahl so hoch, dass Beschädigungen die wahrscheinliche Folge wären. Erst nach Absinken der Drehzahl auf ein unkritisches Niveau kann die USV ebenfalls abgeschaltet werden. Da die verbauten Akkus immer voll geladen und leistungsstabil bleiben müssen, erfordert eine USV zudem einen eigenen Wartungsaufwand. Die Batteriespeicher müssen regelmäßig anhand eines speziellen Wartungsplanes geprüft und beschädigte oder bereits schwache Batteriezellen ersetzt werden. Insgesamt ist die Lösung durch Magnetlager also kostenintensiv, technisch kompliziert und energetisch ineffizient. Deshalb setzt AERZEN auf ein anderes System.
Die Luftlagerung wird in den Turbogebläsen der Baureihen AT und TB als Standardlösung eingesetzt. Dabei hat das Prinzip der kontaktfreien Luftlagerung immense Vorteile gegenüber mechanischen und magnetischen Lösungen. Funktionsprinzip und Betriebsverhalten innerhalb des Turbos beruhen auf sehr einfachen physikalischen Grundlagen. Die mit dem Laufrad verbundene Motorwelle muss absolut zuverlässig gelagert werden, eine Aufgabe, die mit Standardwälzlagern der Industrie aufgrund der hohen Drehzahlen nicht erfüllt werden kann.Die von AERZEN entwickelte Luftlagerung für Turbogebläse bietet im Vergleich dazu entscheidende Vorteile, denn sie ist einfach und energieeffizient. Dabei wird verdichtete Luft sowohl in beiden Radiallagern der Antriebswelle als auch im Axiallager als Luftkissen eingesetzt. Diese Luft kommt nicht etwa aus einem externen Druckerzeuger, sondern wird wie bei herkömmlichen Kompressoren vom Turbogebläse selbst erzeugt. Sobald das Gebläse eingeschaltet wird, erzeugt die Welle eine exzenterförmige Kreisbewegung. Dies erhöht den Druck im minimalen Zwischenraum zur Lagerwand, welcher die Welle wiederum in die entgegengesetzte Richtung drückt. Die hohen Drehzahlen sorgen somit für eine automatische Zentrierung der Welle im Lager und steigern den Betriebsdruck im Luftspalt auf über 30 bar. Die erzeugten hohen Drücke bewirken also letztlich einen freischwebenden Betrieb der im Lager zentrierten Welle. Diese Art der Lagerung ist eine Weiterentwicklung aus der Raumfahrt.Im Unterschied zur Magnetlagerung ist kein zusätzlicher Energieaufwand zur Erzeugung des Luftkissens notwendig, da dieses sich automatisch durch den normalen Betrieb bildet. Außerdem sinken die Betriebskosten da die Lagerung komplett wartungsfrei ist. Auch die Störunempfindlichkeit, bedingt durch den einfachen und robusten Aufbau des Systems ist eine markante Eigenschaft der Technologie. Selbst schwierige Betriebsbedingungen, wie Last und Druckschwankungen werden durch einfach durch physikalischen Eigenschaften kompensiert. Sollte dennoch einmal eine Reparatur nötig sein, kann man binnen weniger Stunden und vor allem direkt am Installationsort alle relevanten Komponenten tauschen. Kontakt zwischen den Reibpartnern im Lager gibt es lediglich beim An- bzw. Abfahren des Turboverdichters, bis das Luftkissen aufgebaut ist. Um einem vorzeitigen Verschleiß vorzubeugen, setzt AERZEN hierbei auf eine innovative Luftfolienlagerung. Dabei werden Lager und Welle mit einer 2-Komponenten-Beschichtung aus Graphit und Teflon versehen. Diese weist eine hohe Temperatur- und Reibfestigkeit auf. Durch diese doppelte „Antihaftbeschichtung“ werden mechanische Belastungen und Verschleiß beim Anfahren der Maschine erheblich reduziert.
Die AERZEN Turbogenerationen setzen mit der Luftlagerung neue Maßstäbe in Sachen Wartungsfreundlichkeit, Wartungsintervallen und Energieeffizienz. Die modernen Turboverdichter sind äußerst belastbar und können problemlos im 24-Stunden-Betrieb in Kläranlagen und anderen Bereichen der Abwassertechnik eingesetzt werden. Anders als Strömungsmaschinen anderer Hersteller eignen sich die Gebläse der Baureihen TB und AT aufgrund ihres Regelbereichs und der Möglichkeit des Leerlaufbetriebs auch für SBR-Anlagen (sequencing batch reactor). Der Leerlaufbetrieb gilt dabei als wesentlich energiesparender als ein ständiges An- und Ausschaltens des gesamten Systems. Selbstverständlich lassen sich alle relevanten Parameter des Turbogebläses in Echtzeit abfragen. Ein echtes Highlight ist die reale Luftmengenmessung, die bei den meisten anderen Herstellern indirekt über den Stromverbrauch abgeleitet wird. Bei den AERZEN-Systemen wird das sogenannte Venturi-Prinzip verwendet, das die angesaugte Luftmasse durch Differentialdruckmessung real abbildet. Mit dieser Technik kann man zu jeder Zeit einsehen, welche Luftmengen gerade gefördert werden. Anhand der ermittelten Werte lässt sich das Betriebsverhalten von Kläranlagen deutlich optimieren. Die effiziente Leistungsentfaltung macht sich langfristig vor allem beim Energieverbrauch positiv bemerkbar. Der Kaufpreis des Verdichters hat sich durch die eingesparten Energiekosten relativ schnell amortisiert und spielt somit kaum eine langfristige Rolle. In Kläranlagen entfällt mehr als die Hälfte des Energiebedarfs auf die Versorgung des Belebungsbeckens mit Sauerstoff. Deshalb kann es sinnvoll sein, auf ein modernes System, beispielsweise eine Kombination aus Turbogebläse, Drehkolbengebläse und Drehkolbenverdichter, einen sogenannten „Gebläseverbund“, umzusteigen. Niedrige Lebenszykluskosten und ein flexibler Betrieb machen die AERZEN-Systeme besonders attraktiv. Umfang und Größe des Systems bestimmen die Rahmenbedingungen der jeweiligen Anlage. Dafür bietet AERZEN kundenspezifische Produkte und Lösungen – gerade bei der Nachrüstung älterer Anlagen ist dies ein wichtiger Faktor. Ganz gleich, für welches Produkt von AERZEN Sie sich entscheiden: Sämtliche Komponenten sind in höchster Qualität gefertigt und auf Langlebigkeit sowie auf effizienten Einsatz hin optimiert.
