DE102009007648A1

DE102009007648A1 - Verfahren zur Herstellung eines geschlossenen Verdichterlaufrades

Info

Publication number: DE102009007648A1
Application number: DE102009007648A
Authority: DE
Inventors: Martin Dr. Biesenbach; Harald Dr. Bolender
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-02-05
Filing date: 2009-02-05
Publication date: 2010-08-19
Also published as: WO2010089201A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines geschlossenen Laufrades (2) für einen Radialverdichter, bei welchem mittels eines Fügeverfahrens eine Radscheibe (1) und eine Deckscheibe (9) aneinander befestigt werden. Herkömmliche Verfahren sehen die Verwendung eines kostspieligen hochlegierten Grundwerkstoffs für erosionsbeständige Radialverdicherlaufräder vor. Es wird vorgeschlagen, die Radscheibe und die Deckscheibe vor dem thermischen Fügevorgang mit einer Beschichtung (10) an zumindest den hoch erosiv belasteten Stellen zu versehen, so dass ein Grundwerkstoff geringerer Güte ausreichend ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines geschlossenen Laufrades für einen Radialverdichter, welches Laufrad eine nabennähere Radscheibe und einen nabenfernere Deckscheibe aufweist, die mittels eines Fügeverfahrens aneinander befestigt werden. Daneben betrifft di Erfindung auch ein Laufrad für einen Radialverdichter.
Laufräder für Radialverdichter werden häufig in geschlossener Bauweise hergestellt, weil sich dadurch Spaltverluste minimieren lassen, die sich durch Strömungen zwischen den sich in radialer Richtung erstreckenden Laufschaufeln des Laufrades bzw. Impellers und der stehenden nach radial außen begrenzenden Innengehäusewand bei einer offenen Bauweise ergeben würden. Die Herstellung von geschlossenen Radialverdichterlaufrädern ist jedoch etwas aufwendiger, weil diese Teile entweder aus dem Vollen gefräst oder erodiert werden müssen oder aus mehreren Teilen zusammenzufügen sind. Die letztere Option kommt sehr viel häufiger zur Anwendung, weil die hierdurch erzielten Festigkeiten bei entsprechenden Fügeverfahren ausreichend sind und der Fertigungsaufwand verglichen mit der Herstellung durch Elektroerosion sehr viel geringer ist.
Insbesondere bei der Verdichtung von aggressiven Medien oder Medien, welche beispielsweise aufgrund der in den Medien enthaltenen Partikel besonders erosiv wirken, wurden geschlossene Verdichterlaufräder bisher verschleißfester gestaltet, indem die Radscheibe und die Deckscheibe aus einem verschleißfesteren Werkstoff gefertigt wurden. Der Rückgriff auf diese hochwertigen Werkstoffe ist äußerst kostspielig, da es sich in der Regel um hochlegierte Chrom-Nickel-Legierungen oder Nickelbasislegierungen handelt. In einem gewissen Umfang vermindern diese Werkstoffe aufgrund ihrer höheren Härte den Verschleiß. Regelmäßig werden die Radscheibe und die Deckscheibe mittels eines thermischen Fügeverfahrens, insbesondere mittels einer Lötverbindung oder einer Schweißverbindung, aneinander befestigt. Die Radscheibe ist hierbei näher „an der Nabe”, weil diese in der Regel in der Art einer Welle-Nabe-Verbindung an der Welle befestigt wird und die Deckscheibe – wie zuvor beschrieben – an der Radscheibe befestigt wird.
Eine andere Möglichkeit, die Verschleißbeständigkeit der Verdichterlaufräder zu erhöhen, besteht im Beschichten des Verdichterlaufrades mittels eines Aufkohl- oder Nitrierprozesses, durch ein CVD- oder PVD-Verfahren oder durch ein galvanisches oder stromloses Beschichtungsverfahren, mittels dessen auch eine Beschichtung des Laufrades im Inneren durchgeführt werden kann. Eine Methode, ein Laufrad zu beschichten ist bereits aus der europäischen Patentanmeldung EP 1 808 511 A1 bekannt. Aus der deutschen Patentanmeldung DE 44 43 440 A1 ist es außerdem bekannt, eine spezielle Erosions- und Kavitationsschutzschicht auf Schaufeloberflächen aufzutragen.
Bei einer Zusammenschau der herkömmlichen Möglichkeiten, ist es bisher nicht gelungen, geschlossene Radialverdichterlaufräder anders als mittels einer kostspieligen Auswahl des Basiswerkstoffs gegenüber aggressiven, insbesondere gegenüber erosiv wirkenden Prozessmedien hinreichend zu schützen. Die mit den zuvor erwähnten Beschichtungsmethoden erzielen nur Schichtdicken zwischen wenigen Mikrometer bis zu maximal mehreren Zehnteln von Millimetern, was zu einer nur eingeschränkten Verschleißbeständigkeit führt, die in der Praxis fast bedeutungslos ist. Insbesondere im Inneren der geschlossenen Radialverdichterlaufräder ist bereits nach kurzer Betriebsdauer ein inakzeptabler Erosionsverschleiß bei entsprechenden Betriebsbedingungen zu beobachten, wenn nicht der teure hochlegierte Basiswerkstoff benutzt worden ist.
Bisherige Beschichtungsverfahren bzw. Herstellungsverfahren lassen eine Beschichtung nur als zusätzliche Ertüchtigung eines ohnehin schon hochlegierten Basiswerkstoffs zu.
Ausgehend von den Problemen des Standes der Technik hat es sich die Erfindung zur Aufgabe gemacht, ein Verfahren zur Herstellung geschlossener Radialverdichterlaufräder zu schaffen, welches auch den Einsatz weniger hochlegierter Werkstoffe bzw. preisgünstiger Basismaterialien auch bei der Verdichtung aggressiver, insbesondere erosiver Prozessmedien ermöglicht.
Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe wird vorgeschlagen, ein Herstellungsverfahren gemäß dem Anspruch 1 für geschlossene Radialverdichterlaufräder anzuwenden.
Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens liegt auch in einer neuen Reihenfolge von Prozessschritten. Eine Beschichtung zumindest eines Teiles der Radscheibe oder der Deckscheibe oder beider Komponenten, bevor diese beiden Teile aneinander gefügt werden, weist den Vorteil auf, dass die gewünschte Beschichtung einfacherer aufgetragen werden kann und dementsprechend überhaupt erst bestimmte Beschichtungseigenschaften erzielt werden können. Gemäß der Erfindung lassen sich an den beanspruchten Stellen der Radscheibe und/oder der Deckscheibe Schichtdicken von mehreren Zehnteln bis zu mehreren Millimetern verwirklichen, so dass ein effektiver Schutz, insbesondere gegenüber Erosion eines ansonsten nicht erosionsbeständigen Basiswerkstoffs gegeben ist. Dementsprechend kann ein kostengünstiger Basiswerkstoff mit einer erosionsbeständigen Beschichtung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren versehen werden, bevor die Einzelteile zu einem geschlossenen Radialverdichterlaufrad zusammengefügt werden.
Als Fügeverfahren wird bevorzugt ein Lötverfahren oder ein Schweißverfahren eingesetzt. Hier ergeben sich zusätzliche Synergieeffekte aus dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren, weil bei entsprechender Temperatur unter dem thermischen Fügeverfahren der Beschichtungswerkstoff und der Grundwerkstoff einer zusätzlichen vorteilhaften Wärmebehandlung ausgesetzt wird, wodurch sich eine höhere Belastbarkeit dieser Verbindung ergibt.
Alternativ oder zusätzlich kann ein nachfolgender Wärmebehandlungsschritt die Verbindung der Beschichtung zu dem Basiswerkstoff weiter verbessern.
Vorteilhaft wird die Radscheibe und/oder die Deckscheibe an denjenigen Stellen beschichtet, die besonders durch Erosion gefährdet sind. Eine besondere Erosionsgefährdung kann mittels herkömmlicher Strömungssimulation einfach ermittelt werden, indem beispielsweise die Wahrscheinlichkeit des Auftreffens von Partikeln in dem Prozessfluid auf die einzelnen Oberflächen des geschlossenen Radialverdichterlaufrades ermittelt wird.
Zusätzliche Kostenvorteile ergeben sich, wenn nur die Radscheibe an den Stellen beschichtet wird, an denen eine erhöhte Erosionsgefahr vorliegt.
Zur Beschichtung der Radscheibe, der Deckscheibe bzw. des Radialverdichterlaufrads sind thermische Spritzverfahren zweckmäßig, beispielsweise Hochgeschwindigkeitsflammspritzen oder Plasmaspritzen. Daneben ist auch Detonationsbeschichten oder Laserspraying sinnvoll.
Zweckmäßige Beschichtungswerkstoffe sind metallische Legierungen auf Basis von Eisen, Nickel oder Kobalt, die auch als Hartlegierungen bezeichnet werden. Alternativ kann ein Beschichtungswerkstoff als Matrixwerkstoff eingesetzt werden, der mindestens eine Art eines Hartstoffs trägt. Der oder die Hartstoffe können hierbei Wolframkarbid, Wolframkarbid- Schmelzkarbide, Chromkarbid, Siliziumkarbid oder Titankarbid sein.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Zeichnungen zur Verdeutlichung näher beschrieben. Dem Fachmann ergeben sich neben dem speziellen Ausführungsbeispiel andere Möglichkeiten, die Erfindung auszuführen, insbesondere unter beliebiger Kombination der in den Patentansprüchen definierten Möglichkeiten. Es zeigen:
1 eine verschleißbeschichtete Radscheibe mit Schaufeln,
2 ein geschlossenes Verdichterlaufrad nach Fügen der Radscheibe und der Deckscheibe mittels eines Lötprozesses.
1 zeigt eine Radscheibe 1 eines erfindungsgemäßen Radialverdichterlaufrades 2, welche Radscheibe 1 exemplarisch mit zwei nebeneinander angeordneten Schaufeln 3 gezeigt ist. Die Radscheibe 1 besteht im Wesentlichen aus einem Grundkörper 4, der eine ebene bzw. dreidimensional gekrümmte Kontur aufweist und mit einer mittigen Ausnehmung vergleichbar mit einer Bohrung 5 koaxial zu einer Rotationsachse 6 versehen ist, um welche sich die Radscheibe 1 bzw. das Radialverdichterlaufrad 2 im Betrieb dreht. Mit Bezug zu der Rotationsachse 6 erstreckt sich die scheibenförmige Kontur des Grundkörpers 4 der Radscheibe 1 im Wesentlichen radial flächig. Aus dem scheibenartigen bzw. dreidimensional gekrümmten Grundkörper 4 ragen vergleichbar mit hervorstehenden Rippen die Schaufeln 3 axial hervor. Gleichzeitig erstrecken sich die Schaufeln 3 in eine im Wesentlichen radiale Richtung und begrenzen einen Strömungskanal 8 für ein nicht dargestelltes Prozessfluid kanalartig. Beginnend an einer radial innen liegenden Eintrittskante 7 der Schaufeln 3 verjüngt sich der Strömungskanal 8, der durch die Schaufeln 3 begrenzt wird, nach radial außen dadurch, dass die Schaufeln 3 in ihrer axialen Höhe abnehmen. Die Schaufeln 3 weisen eine Druckseite 3a und eine Saugseite 3b auf, wobei die Druckseite 3a die in einer Rotationsrichtung 12 vorne befindliche Oberfläche der Schaufel 3 ist und die die gegenüberliegende Oberfläche, welche den Strömungskanal 8 begrenzt, ist die Saugseite 3b.
In einem ersten Verfahrensschritt wird die Radscheibe 1 mit den Schaufeln 3 gefertigt, hier mechanisch mittels Fingerfräsern. Anschließend wird die Radscheibe 1 teilweise beschichtet, hier werden die Eintrittskanten 7 mittels Hochgeschwindigkeitsflammspritzens mit einer metallischen Legierung auf Nickelbasis als Hartlegierung versehen.
Neben den Eintrittskanten 7 sind die Schaufeln auch auf ihrer gesamten Druckseite mit dieser Beschichtung 10 beschichtet.
Anschleißend wird in einem dritten Schritt eine Deckscheibe 9, wie in 2 dargestellt, auf die Radscheibe 1 in Richtung der Rotationsachse 6 aufgesetzt, so dass der Strömungskanal 8 durch den Grundkörper 4 der Radscheibe 1, die Schaufeln 3 und die Deckscheibe 9 begrenzt wird. In einem dritten Schritt wird die Deckscheibe 9 an der Radscheibe 1 – und zwar an den von der Radscheibe 1 abgewandten Kanten der Schaufeln 3 – mittels eines thermischen Fügeverfahrens – hier mittels Lötens – befestigt. Während das Löten bereits eine bessere Anbindung der Beschichtung 10 an den Eintrittskanten 7 bewirkt, erfolgt in einem vierten Schritt eine zusätzliche Wärmebehandlung für eine noch bessere Verbindung zwischen dem Beschichtung 10 und den Schaufeln 3.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 1808511 A1 [0004]
- DE 4443440 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines geschlossenen Laufrades (2) für einen Radialverdichter, welches Laufrad (2) eine nabennähere Radscheibe (1) und einen nabenfernere Deckscheibe (9) aufweist, die mittels eines Fügeverfahrens aneinander befestigt werden, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: – Fertigung der Radscheibe (1) und der Deckscheibe (9), – Beschichtung von mindestens einem Teil der Radscheibe (1) oder der Deckscheibe (9), – Anwendung eines Fügeverfahrens zur Befestigung der Deckscheibe (9) an der Radscheibe (1).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Fügeverfahren um ein Lötverfahren handelt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Fügeverfahren um ein Schweißverfahren handelt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Radscheibe (1) und die Deckscheibe (9) an den Stellen beschichtet sind, die erosionsgefährdet sind.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nur die Radscheibe (1) an den Stellen beschichtet ist, die erosionsgefährdet sind.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung mittels eines thermischen Spritzverfahrens erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das thermische Spritzverfahren Hochgeschwindigkeitsflammspritzen oder Plasmaspritzen oder Detonationsbeschichten oder Laserspraying ist.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Beschichtungswerkstoff eine metallische Legierung auf Basis von Eisen, Nickel oder Kobalt ist.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Beschichtungswerkstoff ein Matrixwerkstoff mit eingebetteten Hartstoffen ist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei es sich bei den Hartstoffen um Wolframkarbid, um Wolfram-Schmelzkarbid, Chromkarbid, Siliziumkarbid oder Titankarbid handelt.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem vierten Schritt eine Wärmenachbehandlung stattfindet zur Erhöhung der Haftung des Beschichtungswerkstoffs an dem Grundwerkstoff.
Laufrad (2) für einen Radialverdichter, hergestellt nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche.