Laufschaufelverstellbare Axialventilatoren.

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1 Laufschaufelverstellbare Axialventilatoren. Betriebssicher, flexibel und effektiv bei der Brandlüftung von Straßentunnel Größte Effizienz und höchste Sicherheit Gerade in der Brandentlüftung von Straßentunnel werden an die Ventilatoren hohe Anforderungen gestellt. Wesentliche Kriterien sind dabei eine größtmögliche Effizienz und eine hohe Betriebssicherheit, denn schließlich kommen bei einem Brand die meisten Menschen durch die giftigen Rauchgase ums Leben. In einem geschlossenen System wie einem Tunnel ist es daher sehr wichtig, den gefährlichen Rauch so schnell wie möglich abzuziehen. Gerade besonders stark frequentierte Tunnel müssen über hochmoderne Sicherheits - konzepte verfügen. Ein Beispiel: Der Elbtunnel in Hamburg, der täglich von mehr als Fahrzeugen durchquert wird. Nach Vorgabe der Hansestadt Hamburg müssen die darin verbauten Entrauchungsventilatoren nicht nur der europäischen Produktnorm gemäß der Temperatur-Zeit-Klassifizierung F400 (120) standhalten, sondern zusätzlich weitere 90 Minuten bei 400 C mit ausgeschaltetem Kühlluftgebläse einwandfrei arbeiten. Aktiver Brandschutz mit den neuen Abluftventilatoren im Rahmen des Nachrüstprogramms Elbtunnel Röhre 1-3 Die Autoren dieses Fachartikels sind Dipl.-Ing. Udo Jung und Dipl.-Ing. Andreas Kuhn.

2 Das Grundprinzip der Tunnelentlüftung. Zur Entlüftung der Tunnel bzw. zur Entrauchung im Brandfall werden normalerweise große Axialventilatoren verwendet, die an den Tunnelportalen bzw. in Mittelstationen untergebracht sind. Da die Fahrzeugemissionen im fließenden Verkehr normalerweise keine Zwangslüftung mehr erfordern, werden die Ventilatoren lediglich im Stau- bzw. Brandfall benötigt. In modernen Tunnelanlagen werden die Abgase und im Brandfall die Brandgase über in die Zwischendecke eingelassene Jalousieklappen abgesaugt. Im Ereignisfall entscheidet ein Operator oder eine automatisierte Brandorterkennungsanlage, über Messstellen, in Abhänigkeit von Brandort, Tunnelluftgeschwindigkeit und Verkehrssituation, wo die Brand - gase abgesaugt werden sollen in der Regel werden die dem Brandherd am nächsten gelegenen Klappen geöffnet. Alle anderen Klappen werden verschlossen, um möglichst wenig Leck- bzw. Fremdluft mit anzusaugen und so die Absaugleistung zu optimieren. Regelungsmöglichkeiten Um die Anlagen energetisch zu optimieren und trotzdem im Ereignisfall die maximale Absaugleistung zur Verfügung zu haben, gibt es zwei Regelungsmöglichkeiten: Drehzahlregelung mittels Frequenzumrichter Laufschaufelregelung mittels hydraulischer Laufschaufelverstellung. Hintergrund Ventilatoren in komplexen Tunnelanlagen haben in der Regel nicht nur Betriebspunkte auf einer Widerstandslinie, sondern müssen in der Lage sein, sich an unterschiedlichste Randbedingungen anzupassen. Dies kann zu einer Vielzahl an möglichen, weit auseinander liegenden Widerstandslinien führen, auf denen alle geforderten Betriebspunkte betriebssicher gefahren werden müssen. Speziell wenn man mehrere Ventilatoren im Parallelbetrieb verwenden möchte, alle angeschlossen an ein und dasselbe Kanalsystem (saug- und/oder druckseitig), ergeben sich Anforderungen an die Maschinen, bei denen man die speziellen aerodynamischen Charakteristika von Axialventilatoren verstehen und beachten muss. Gerade im Ereignisfall, wenn lebensbedrohliche Rauchgase aus der Tunnelröhre möglichst effektiv abgesaugt werden müssen, müssen die Ventilatoren auf höchste Betriebssicherheit ausgelegt werden. Je nach Brandort im Tunnel kann es zu recht unterschiedlichen Widerstandslinien und Betriebsszenarien kommen, die alle von den Ventilatoren mit dem höchstmöglichen Grad an Sicherheit und möglichst ohne Betriebseinschränkungen beherrscht werden müssen. Rauch ist die große Gefahr im Tunnel. Im Brandfall sorgen die Tunnelventilatoren von TLT-Turbo für rauchfreie Fluchtwege. Aufgrund der enormen Fortschritte der letzten Jahre auf dem Gebiet der Frequenzumrichter, speziell durch den Einsatz von modernen, aber teuren Filtern, ist die Drehzahlregelung heute eine häufig eingesetzte Form der Tunnelventilator Regelung. Allerdings hat sie auch Nachteile, denn sie bedingt, dass die zu fahrenden Betriebspunkte möglichst auf einer eng beieinander liegenden Widerstandslinienschar liegen. Liegen die Betriebspunkte auf weit auseinander liegenden Widerstandslinien oder sollen die Ventilatoren im Parallelbetrieb gefahren wer den, stößt die Drehzahlregelung schnell an (aerodynamische) Grenzen. In diesem speziellen Anwendungsfall muss auf eine andere Art der Regelung zurückgegriffen werden die hydraulische Laufschaufelverstellung. Der Tunnel-Abluftventilator mit verstellbaren Rotorblättern wurde bei der MPA erfolgreich auf seine Brandbeständigkeit getestet.

3 Abb 1. Abb 2. Abb 1. Drehzahlgeregeltes Kennfeld Jeder Axialventilator hat Betriebsbereiche in denen die Strömung stabil verläuft und Bereiche, in denen sie instabil wird. In den instabilen Bereichen spricht man vom sogenannten Strömungsabriss oder pumpen. Ein langfristiger Betrieb in diesen Pumpbereichen ist zu vermeiden, da die dort induzierten, wesentlich erhöhten Belastungen zu Schäden an den Ventilatoren führen können. Schaut man sich die Kennfelder von drehzahlund laufschaufelgeregelten Ventilatoren an, so werden sehr schnell die grundlegend unterschiedlichen Charakteristika klar. Beim Anlaufen eines Ventilators ist diese Kennfeldcharakteristik zu beachten. Speziell wenn ein Ventilator zu einem bereits auf maximalem Betriebspunkt laufenden zweiten Ventilator parallel zugeschaltet werden muss. Der so vorhandene Gegendruck im System bedingt, dass ein drehzahlgeregelter Ventilator durch den instabilen Bereich anlaufen muss. Je nach System kann diese Anlaufzeit bis zu 60 Sekunden andauern; in dieser Zeit ist der Ventilator sehr starken Belastungen ausgesetzt, was sich auf die Lebensdauer auswirkt. Das Risiko, dass er den stabilen Betriebsbereich überhaupt nicht erreicht, d.h. nicht mehr aus dem Pumpen herauskommt, ist ebenfalls gegeben und für die Anlagensicherheit fatal. Ein laufschaufelgeregelter Ventilator hat dieses Problem nicht. Ein Beispiel aus der Tunnel- Praxis: Ein Ventilator läuft zur Immissionschutzlüftung auf hoher Menge. Es kommt zum Ereignisfall. Jetzt muss der laufende Ventilator schnellstmöglich auf Brandstellung gefahren werden, während zeitgleich eventuell ein zweiter Ventilator zugeschaltet werden muss. Abb 2. Laufschaufelgeregeltes Kennfeld Bei drehzahlgeregelten Ventilatoren ist dies nur möglich, in dem man die Drehzahl des ersten Ventilators stark absenkt, um dann beide Ventilatoren parallel wieder hochzufahren. Bei laufschaufelgeregelten Ventilatoren ist dies nicht notwendig. Der erste Ventilator kann direkt auf maximale Menge gehen, während der zweite Ventilator mit geschlossenen Schaufeln angefahren wird und anschließend die Schaufeln geöffnet werden. Ein signifikanter und vielleicht lebensrettender Zeitgewinn! Bei der Planung einer komplexen Tunnelventilationsanlage müssen diese Randbedingungen unbedingt berücksichtigt werden. Ob drehzahlgeregelte Ventilatoren ausreichend sind, oder die wesentlich flexibleren und damit für jeden denkbaren Betriebsfall geeigneten laufschaufelgeregelten Ventilatoren eingesetzt werden, muss daher von Fall zu Fall genau untersucht werden. Laufschaufelregelung mittels hydraulischer Laufschaufelverstellung Abbildung: Typisches Kennfeld mit zwei weit auseinander liegenden Betriebspunkten. Betriebspunkt 1: Immissionsschutzlüftung, Betriebspunkt 2: Brandfall fern.

4 Regelung durch Laufschaufelverstellung. Eine hydraulische Laufschaufelverstellung besteht aus folgenden Hauptkomponenten: Zylinder, Kolben; Kolbenstange und einer Drehdurchführung mit integrierter Anschlussplatte. Die Verstellung der Laufschaufeln erfolgt, indem der Hydraulikkolben in einem Hydraulikzylinder vor- bzw. zurückgedrückt wird. Um einen leckagefreien Fluss des Hydrauliköls zwischen der stehenden Anschlussplatte (Anbindung der Hydraulikschläuche) und der mitrotierenden Kolbenstange zu gewährleisten wird eine Drehdurchführung eingesetzt. Der Aufbau dieser Drehdurchführung zeichnet sich besonders dadurch aus, dass die Laufschaufeln bei einem Druckölabfall (z.b. Stromausfall des Hydraulikaggregates oder Bersten eines Hydraulikschlauches) im Hydrauliksystem in der zuletzt angefahrenen Laufschaufelstellung verharren. Des Weiteren sind an der Drehdurchführung zur Erfassung der Flügelstellung drei Positionssensoren angebaut (einmal aktiv, zweimal Reserve). Bei Ausfall des aktiven Sensors kann auf einen Reservesensor zurückgegriffen werden. Durch das Verharren der Flügelverstellung auch bei Verlust des Öldruckes, wird eine hohe Betriebssicherheit erzielt, speziell im Brandfall. Was spricht für die hydraulische Laufschaufelverstellung? Gegen die hydraulische Laufschaufelverstellung werden häufig verschiedene Argumente angebracht: die Betriebssicherheit im Brandfall (Stichwort Öl bei hoher Temperatur) die Störungsanfälligkeit, bzw. der hohe Wartungsaufwand bedingt durch die Vielzahl der sich bewegenden Teile. Tatsächlich sind beide Aussagen jedoch nicht stichhaltig, wie unter anderem das eingangs erwähnte Beispiel des Elbtunnels eindrucksvoll belegt. Speziell für den Elbtunnel hat die TLT-Turbo GmbH im Jahr 2009 als erster Ventilatorenhersteller einen Ventilator mit hydraulischer Laufschaufelregelung im Rahmen eines Brandversuches der Abteilung Brandschutz der Materialprüfanstalt für das Bauwesen in Braunschweig zertifizieren lassen. Für den Test wurde ein spezieller, 15 m hoher Prüfofen entwickelt und gebaut. Der Versuch nach EN 12101/3, F400, hat die Forderungen der Europanorm EN bei weitem übertroffen. Sicheres Absaugen der Rauchgase, geprüft nach EN Ventilator aus Sicht der Brandkammer

5 Aktiver Brandschutz durch die neuen Abluftventilatoren. Der Ventilator mit 800 kw Nennleistung wurde bei 400 C zwei Stunden mit Fremdkühlung, anschließend 90 Minuten ohne Fremdkühlung und zu guter Letzt auch noch sechs Stunden in der Abkühlphase betrieben, ohne Schaden zu nehmen. Die hydraulische Verstelleinrichtung war auch nach dieser extremen Beanspruchung immer noch intakt und der Versuch beweist, dass bei korrekter Auslegung und entsprechender konstruktiver Gestaltung keine Brandgefahr vom Hydrauliköl ausgeht. Im Gegenteil: Hohe Betriebssicherheit und Flexibilität der hydraulischen Laufschaufelverstellung prädestinieren diese Technik geradezu für die sicherheitsrelevante Brandentlüftung in Straßentunneln. Dies übrigens bei durchaus vergleichbaren Investitionskosten, da bei Ventilatoren mit hydraulischer Verstelleinrichtung die hohen Nebenkosten für Frequenzumrichter, Filtertechnik, isolierte Lager und geschirmte Kabel sowie aufwändige FU-taugliche Mess-, Regel- und Steuereinrichtungen entfallen. Aufgrund der Ergebnisse erhielt TLT-Turbo GmbH mit diesem Ventilatortyp u.a. auch den Zuschlag für die Zentralabsaugung des Gotthard-Basis-Tunnels, der momentan gebaut wird und mit 57 Kilometern der längste Verkehrstunnel der Welt sein wird. Auch die Störanfälligkeit bzw. der Wartungsaufwand stellen normalerweise keine ernsthaften Probleme dar. Belegen lässt sich dies mit interessanten Fakten aus dem Bereich thermischer Kraftwerksventilatoren: Dort werden laufschaufelgeregelte Ventilatoren eingesetzt, um dem Kessel Frischluft zuzuführen, bzw. um die Abluft abzusaugen. Speziell diese sogenannten Saugzüge, die Antriebsleistungen bis zu 13,5 MW bei einem Laufraddurchmesser von mehr als fünf Metern haben können, sind im Betrieb sehr großen Belastungen ausgesetzt. Unter ständigem Regeln (ca. alle zwei Sekunden) laufen diese Ventilatoren unter ungünstigen Betriebsbedingungen (z.b. aggressive, schwefelhaltige Medien in Rauchgasentschwefelungsanlagen) bei Dauerbetriebstemperaturen von über 100 C über 24 Stunden am Tag und das an 365 Tagen im Jahr. Ein regulärer Wartungseinsatz mit Austausch von Verschleißteilen erfolgt erst nach acht Jahren, d.h. nach ca Betriebsstunden. Tunnelventilatoren werden voraussichtlich eine solche Anzahl an Betriebsstunden niemals erreichen, so dass das Argument einer hohen Störanfälligkeit und hohem Wartungsaufwand nicht den tatsächlichen Rahmenbedingungen entspricht. 15 m-prüfstand bei der MPA Materialprüfanstalt für das Bauwesen in Braunschweig.

6 TLT-Turbo GmbH Standort Zweibrücken Kraftwerks-, Gruben- und Tunnelventilatoren Service Gleiwitzstraße Zweibrücken Telefon: Ihre Ansprechpartner: Standort Bad Hersfeld Industrie ventilatoren, Service Wippershainer Straße Bad Hersfeld Telefon : Standort Frankenthal Service Kraftwerksventilatoren Hessheimer Straße Frankenthal Telefon : Vertriebsleiter Tunnel- und Metrosysteme Jürgen Steltmann Tel Fax j.steltmann@tlt-turbo.com Standort Oberhausen Service Industrieventilatoren Havensteinstraße Oberhausen Telefon : Vertrieb Tunnel- und Metrosysteme Jürgen Großmann Tel Fax j.grossmann@tlt-turbo.com Subject to error and modifications. Published and copyright by TLT-Turbo 2014