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Funktion und Anwendungsgebiete von Turbogebläsen

Bild: © PIRO4D, pixabay.de

Das vor langer Zeit verwendete Gebläsestufenkonzept, das auf dem Prinzip eines Radialverdichters basiert, war im Wesentlichen identisch mit den heutigen modernen Turbogebläsen. Im Laufe der Zeit haben sich die Gebläsegröße und Antriebstechnik stark verändert. Angesichts dieser Entwicklungen sind die neuen drehzahlgeregelten Turbokompressoren mit Luftlagerung für Turbogebläse deutlich effizienter, kompakter und nahezu wartungsfrei.

Die neue Generation der Turbogebläse wurde speziell für die Anforderungen kommunaler und industrieller biologischer Kläranlagen entwickelt. Die Turbokompressoren, die mit schnell laufenden, permanentmagnetischen Motoren betrieben werden, lassen sich leicht auf schwankende Prozessluftbedürfnisse zwischen 40 und 100 % einstellen, ohne dass hierzu mechanische Verstellungen erforderlich sind.

Technologie

Turbo Gebläse sind Radialverdichter. Radialverdichter gelten als Turbomaschinen und unterscheiden sich hier grundlegend von Verdrängereinheiten wie Schraubenkompressoren und Drehkolbengebläsen. In Turbomaschinen ist die Verdichtung pulsationsfrei, da sie konstant ist. Im Allgemeinen wird Umgebungsluft in axialer Richtung in das Laufrad gesaugt und in einem Winkel von 90° über das Laufrad und die Gehäusekonstruktion umgeleitet. Dies spiegelt sich in der Bezeichnung “Radialverdichter” wider, da die Luft in radialer Richtung austritt. Das Laufrad dreht sich mit hoher Geschwindigkeit und lädt die angesaugte Luft über ihre Drehzahl mit kinetischer Energie auf. Die Drehung des Laufrades bewegt die Luft kontinuierlich nach außen.

Die mit hoher Geschwindigkeit aus dem Laufrad austretende Luft wird durch den nachgeschalteten Diffusor abgebremst und dann im Spiralgehäuse um das Laufrad herum gesammelt. Das Verlangsamen der Luft wandelt die hohen kinetischen Energieniveaus in potenzielle Energie um und erzeugt so Druck. Beim Abbremsen der beschleunigten Luft im Diffusor kommt es zu Staus und die nachfolgenden Luftmoleküle prallen mit großer Geschwindigkeit mit denen zusammen, die sich verlangsamt haben. Dadurch wird die Luft komprimiert und ein statischer Druck im System erzeugt. Nach dem Auffangen der Luft im Spiralgehäuse wird die Luft im nachgeschalteten Kegeldiffusor wieder abgebremst, um sicherzustellen, dass der Rest der noch verbleibenden kinetischen Energie ohne größere Verluste in potentielle Druckenergie umgewandelt wird.

Bernoulli’sche Gesetz für Turbo Gebläse

Das Funktionsprinzip wird hauptsächlich durch das Bernoulli’sche Gesetz erklärt. Die Gesamtenergie eines Systems ist weiterhin konstant, wenn der Massenstrom über ein System konstant ist. Wenn also die Strömungsgeschwindigkeit der Luft im System steigt, nimmt gleichzeitig der statische Druck des Luftstroms ab. Diese Dynamik gilt auch umgekehrt, indem die Gesamtenergie des Systems weiterhin gleich bleibt. Dieses Prinzip gilt vor allem für die Diffusoren der Turbinengebläsestufe. Die Energie wird nur in Form von kinetischer Energie über das Laufrad in das System des Radialverdichters eingebracht.

Dieses Prinzip wird deutlich, wenn man die Grundformel eines Laufrades betrachtet. Dabei gilt das auf die Welle wirkende Drehmoment als gleich dem Massenstrom multipliziert mit dem Verhältnis der Drehzahl des Einlasslaufrades zum Auslassrad, also der Luftmenge/Masse und der vom System quantifizierten isentroper Förderhöhe oder dem Druckanstieg. Diese grundlegenden Parameter definieren die optimale Grundgeometrie von Laufrad und Gehäuse.

Aus diesem Grund spielt das Laufrad bei diesem Prozess die wichtigste Rolle. Seine Geometrie kann verschiedene Formen annehmen und für das Strömungsverhalten in der gesamten Gebläsestufe entscheidend sein. Da es sich bei dem Turbogebläse um eine Turbomaschine mit extrem hohen Strömungsgeschwindigkeiten innerhalb der Stufe handelt, wird eine turbulenzfreie und damit verlustfreie Strömung zu einem wichtigen Parameter zur Erzielung hoher insentroper Wirkungsgrade. Die spezifische Arbeit einer Radialverdichterstufe wird durch den verstärkten Förderluftmassenstrom und den Beitrag der zugeführten Energie, d.h. den zusätzlichen Effekt, der für die Erhöhung der Drehzahl verantwortlich ist, bestimmt.

Reduzierte Lebenszykluskosten

Im Vergleich zu Standardmotoren sind diese Hochgeschwindigkeitsmotoren deutlich effizienter. Der luftgekühlte, kompakte Motor ist drehzahlgeregelt und wird durch ein völlig ölfreies, kontakt- und vibrationsfreies Luftfolienlager angetrieben. Diese Technologie ermöglicht außergewöhnliche Effizienz, reduzierter Verschleiß und minimaler Wartungsaufwand, was wiederum zu reduzierten Kosten über den gesamten Lebenszyklus führt.

 

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