Vor- und Nachteile von Aluminium-Axial-Schaufeln

 

Die erste Generation von Aluminium-Axial-Schaufeln wurde vollständig aus Aluminium gegossen. Beim Gießen kann eine gute aerodynamische Form erzielt werden, doch Aluminium weist als Werkstoff auch Schwachpunkte auf. So sind die zulässigen Zug und Druckkräfte wesentlich geringer als bei Stahl. Die Festigkeit von Aluminium nimmt mit höheren Temperaturen schnell ab und das Material beginnt zu fließen. Während des Gießvorgangs können Einschlüsse und Haarrisse auftreten. Einige Materialfehler können durch Röntgen entdeckt werden, andere bleiben vielleicht unerkannt.

Auch das Schmieden von Aluminium bringt kaum Vorteile, da der Schmelzpunkt von Aluminium deutlich niedriger ist und das Material bei entsprechend geringeren Temperaturen weich wird.

Für die nächste Generation von Axial-Schaufeln wurden elementare Erkenntnisse aus der Natur berücksichtigt. Einfache Lebensformen wie Quallen und Würmer und die erste Generation von Axial-Schaufeln haben kein stabilisierendes Skelett. Allein die äußere Hülle nimmt die einwirkenden Kräfte auf. Höher entwickelte Formen von Säugetieren un d die zwei Generation von Axial-Schaufeln haben ein Gerippe. das das umgebende Hüllmaterial trägt und die gesamte Konstruktion wesentlich steifer werden lassen.

Aluminium sorgt für die aerodynamische Form. Der innenliegende Stahlkern sorgt für die notwendige Festigkeit, gerade bei hohen Temperaturen, zum Beispiel bei der Rauchabsaugung im Brandfall. Denn eine Temperatur von zum Beispiel 400°C verändert die Eigenschaften von Stahl nicht wesentlich, während Aluminium dann kaum noch Festigkeit aufweist.

Im Lauf der Zeit wurden Stahlkerne unterschiednlicher Form entwickelt, immer optimiert für die jeweilige Anforderung. Die Kerne sollten eine feste Verbindung mit dem Aluminium eingehen und es insbesondere bei hohen Temperaturen stabilsieren. Sie ähneln in der Form Weihnachtsbäumen, X-mas-Tree heißen daher auch die Stahlkerne der Witt & Sohn AG.

 

Ausführungen von Aluminium-Axial-Schaufeln

Es gibt grundsätzliche Typen von Aluminium-Axial-Schaufeln:

  • Typ A : Schaufeln und Nabe aus einem Stück
  • Typ B : Schaufeln und Narbe separat gegossen und miteinander verbunden

Für Typ B-Laufräder gibt es mehrere Methoden, die Schaufeln zu befestigen:

  • Typ B1: Schaufelbolzen zwischen zwei Nabenteilen geklemmt

  • Typ B2: Schaufeln mit separatem Stahlbolzen an Nabe befestigt
  • Typ B3: Schaufeln mit eingegossenem Stahlbolzen an Nabe befestigt (Christmas Tree®)

Gießprozess und mögliche Probleme

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Je komplexer ein Gießvorgang ist, umso größer ist die Wahrscheinlichkeit von Fehlern (z.B. bei Laufrädern aus einem Stück). Je dünner ein Gussteil wird, um so größer wird das Risiko von Fehlern (z.B. sehr schlanke lange Schaufeln). in beiden Fällen sind intensive, aufwendige Prüfungen, z.B. durch Röntgen Pflicht, um späteren Schaufeln- oder Laufradbruch durch unerkannte Materialfehler zu vermeiden.

Festigkeit von Aluminium (besonders bei hohen Temperaturen)

In jüngster Zeit haben sich die Anforderungen an Axial-Ventilatoren deutlich erhöht.

  • Höhere Spitzengeschwindigkeit (höhere Zentrifugalkräfte)
  • Höherer Druck/Schub (höhere Axialkräfte)
  • Stall-Gefahr durch Betrieb im ungünstigen Kennlinienbereich (weniger Anlagen-Reserven, höhere dynamische Kräfte &minus > Ermüdungsbruch)
  • Höhere Temperaturbeständigkeit (Notfallsituation - über 400°C/2h)

Wenn man Aluminium mit einfachem Stahl vergleicht, dann ist Aluminium deutlich korrosionsfester als Stahl, während Stahl eine dreifach höhere Festigkeit aufweist. (≈ 70 MPa bei 20°C anstelle von ≈ 235 MPa bei Stahl). Weiterhin nimmt die Festigkeit mit zunehmenden Temperaturen schnell ab: Über 300°C weist Aluminium keine nennenswerte Festigkeit mehr auf, während der Stahlkern so gut wie nicht an Festigkeit verliert.

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Zusammenfassende Übersicht über die verschiedenen Ausführungen

Type Description adjustable pitch possible tip speed possible temperature extensive quality control required production costs
A Fully cast Al impeller no high low no low
B1 Pure AL blades clamped to hub yes low low yes low
B2 Pure Al blades fixed with steel bolt(s) yes low low yes low
B3 Al blades with cast in skeleton yes high high no high

 

Abschließende Bewertung: Laufräder von Typ B (Aluminium- Schaufeln mit eingegossenem Stahlkern können am stärksten belastet werden, gleichzeitig sind sie aber auch am teuersten.