DE102012214405A1

DE102012214405A1 - Umwälzvorrichtung zum Umwälzen einer umgebenden Atmosphäre sowie Verfahren zur Herstellung einer derartigen Umwälzvorrichtung

Info

Publication number: DE102012214405A1
Application number: DE102012214405.6A
Authority: DE
Inventors: Jeremias Schönfeld; Gotthard Nauditt; Martin Henrich; Roland Weiss
Original assignee: Schunk Kohlenstofftechnik GmbH
Current assignee: Schunk Kohlenstofftechnik GmbH
Priority date: 2012-08-13
Filing date: 2012-08-13
Publication date: 2014-02-13
Anticipated expiration: 2032-08-14
Also published as: KR20150043287A; US20150204199A1; EP2882965A2; CA2877810A1; DE102012214405B4; CN104583603A; WO2014026994A3; WO2014026994A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Umwälzvorrichtung (20) zum Umwälzen einer umgebenden Atmosphäre sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Umwälzvorrichtung, wobei die Umwälzvorrichtung eine Mehrzahl von Komponenten aufweist, die zumindest eine Welle (21) zur Verbindung der Umwälzvorrichtung mit einer Antriebseinrichtung, einen mit der Welle verbundenen Schaufelblattträger (22) und eine Mehrzahl auf dem Schaufelblattträger angeordneter Schaufelblätter (23) zur Beaufschlagung der Atmosphäre mit einem Strömungsimpuls umfassen, wobei sowohl die Verbindung zwischen der Welle und dem Schaufelblattträger als auch die Verbindung zwischen dem Schaufelblattträger und den Schaufelblättern zur Übertragung eines Antriebsdrehmoments von der Welle auf die Schaufelblätter drehstarr ausgebildet ist, und sowohl der Schaufelblattträger als auch die Schaufelblätter als CFC-Komponenten ausgebildet sind, wobei zumindest eine der beiden Verbindungen so ausgebildet ist, dass zwei miteinander zu verbindende CFC-Komponenten mittels einer ausschließlich Verbindungselemente aus CFC oder Graphit aufweisenden Verbindungseinrichtung kraftschlüssig miteinander verbunden sind und die Verbindungseinrichtung ein Federelement aus einem CFC-Werkstoff aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Umwälzvorrichtung zum Umwälzen einer umgebenden Atmosphäre, wobei die Umwälzvorrichtung eine Mehrzahl von Komponenten aufweist, die zumindest eine Welle zur Verbindung der Umwälzvorrichtung mit einer Antriebseinrichtung, einen mit der Welle verbundenen Schaufelblattträger und eine Mehrzahl auf dem Schaufelblattträger angeordneter Schaufelblätter zur Beaufschlagung der Atmosphäre mit einem Strömungsimpuls umfassen, wobei sowohl die Verbindung zwischen der Welle und dem Schaufelblattträger als auch die Verbindung zwischen dem Schaufelblattträger und den Schaufelblättern zur Übertragung eines Antriebsdrehmoments von der Welle auf die Schaufelblätter drehstarr ausgebildet ist, und sowohl der Schaufelblattträger als auch die Schaufelblätter als CFC-Komponenten ausgebildet sind, wobei zumindest eine der beiden Verbindungen so ausgebildet ist, dass zwei miteinander zu verbindende CFC-Komponenten mittels einer ausschließlich Verbindungselemente aus CFC oder Graphit aufweisenden Verbindungseinrichtung kraftschlüssig miteinander verbunden sind, und die Verbindungseinrichtung ein Federelement aus einem CFC-Werkstoff aufweist.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch unabhängig von ihrer Realisierung an einer Umwälzvorrichtung eine Verbindung zwischen zwei miteinander zu verbindende CFC-Komponenten mittels einer ausschließlich Verbindungselemente aus CFC oder Graphit aufweisenden Verbindungseinrichtung, die kraftschlüssig miteinander verbunden sind, wobei die Verbindungseinrichtung ein Federelement aus einem CFC-Werkstoff aufweist. Der Erfindungsgegenstand kann grundsätzlich immer dann realisiert werden, wenn es um die Realisierung einer dauerhaft kraftschlüssigen Verbindung zwischen CFC-Komponenten geht.
Alternativ betrifft die vorliegende Erfindung eine Umwälzvorrichtung zum Umwälzen einer umgebenden Atmosphäre, wobei die Umwälzvorrichtung eine Mehrzahl von Komponenten aufweist, die zumindest eine Welle zur Verbindung der Umwälzvorrichtung mit einer Antriebseinrichtung, einen mit der Welle verbundenen Schaufelblattträger und eine Mehrzahl auf dem Schaufelblattträger angeordneter Schaufelblätter zur Beaufschlagung der Atmosphäre mit einem Strömungsimpuls umfassen, wobei sowohl die Verbindung zwischen der Welle und dem Schaufelblattträger als auch die Verbindung zwischen dem Schaufelblattträger und den Schaufelblättern zur Übertragung eines Antriebsdrehmoments von der Welle auf die Schaufelblätter drehstarr ausgebildet ist, und sowohl der Schaufelblattträger als auch die Schaufelblätter als CFC-Komponenten ausgebildet sind, wobei zumindest eine der beiden Verbindungen so ausgebildet ist, dass zwei miteinander zu verbindende CFC-Komponenten mittels einer kraft- oder formschlüssigen Verbindung miteinander verbunden sind, welche mittels einer diskreten stoffschlüssigen Verbindung in einer zwischen den Komponenten ausgebildeten Verbindungszone gesichert ist.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch unabhängig von ihrer Realisierung an einer Umwälzvorrichtung eine Verbindung zwischen zwei miteinander zu verbindenden CFC-Komponenten, bei der die Komponenten mittels einer kraft- oder formschlüssigen Verbindung miteinander verbunden sind, welche mittels einer diskreten stoffschlüssigen Verbindung in einer zwischen den Komponenten ausgebildeten Verbindungszone gesichert ist. Der Erfindungsgegenstand kann grundsätzlich immer dann realisiert werden, wenn es um die Realisierung einer dauerhaft kraftschlüssigen Verbindung zwischen CFC-Komponenten geht.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die stoffschlüssige Verbindung ein Silizium enthaltenden Verbindungsmaterial aufweist.
Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Umwälzvorrichtung, bei dem zur Herstellung einer Verbindung zwischen zwei miteinander zu verbindenden CFC-Komponenten zunächst eine kraft- oder formschlüssige Verbindung zwischen den Komponenten hergestellt wird, und anschließend im Bereich einer Verbindungszone zwischen den Komponenten der kraft- oder formschlüssigen Verbindung eine diskrete stoffschlüssige Verbindung mit einem vorzugsweise Silizium enthaltenden Verbindungsmaterial hergestellt wird.
Umwälzvorrichtungen der eingangs genannten Art werden beispielsweise zur Umverteilung bzw. gleichmäßigen Durchmischung einer Ofenatmosphäre in Industrieöfen eingesetzt. Derartige Öfen dienen beispielsweise zur Durchführung thermischer Prozesse, in denen Kohlenstoffmaterialien einer Pyrolyse unterzogen werden oder bei denen eine Carbonisierung oder Graphitierung von Kohlenstoffbauteilen stattfindet.
Unabhängig davon, welche Prozesse im Einzelnen in einem Industrieofen stattfinden, sind die dabei eingesetzten Umwälzvorrichtungen erheblichen thermischen Beanspruchungen ausgesetzt, da in der Ofenatmosphäre teilweise Temperaturen von 2000°C oder mehr erreicht werden. Aufgrund dieser hohen thermischen Beanspruchungen ist man mittlerweile dazu übergegangen, für die Umwälzvorrichtungen Materialien zu verwenden, die sich durch einen besonders geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten auszeichnen, sodass sich dadurch thermisch induzierte Spannungen in den verwendeten Materialien begrenzen lassen. Aufgrund seiner Hochtemperaturfestigkeit und seines geringen Gewichts hat sich als Konstruktionsmaterial für Umwälzvorrichtungen kohlenfaserverstärkter Kohlenstoff (CFC) als besonders geeignetes Material herausgestellt. Problematisch ist jedoch, dass kohlenfaserverstärkter Kohlenstoff aufgrund seiner Faserorientierung eine ausgeprägte Anisotropie aufweist, mit der Folge, dass CFC in Faserrichtung einen deutlich geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als senkrecht zur Faserrichtung. Dies führt dazu, dass etwa bei Verbindungen zwischen CFC-Komponenten, die über eine Schraubverbindung erfolgen, die Verbindungselemente aus CFC oder Graphit aufweisen, wie beispielsweise einen aus CFC hergestellten Gewindebolzen, der mittels Graphit-Muttern mit den CFC-Komponenten verspannt ist, bei sich einander kreuzenden Ausrichtungen der Fasern der CFC-Komponenten und des Verbindungsbolzens zum Auftreten erheblicher mechanischer Spannungen im Bereich der Schraubenverbindung kommen kann. Da CFC insbesondere im Zwischenfaserbereich extrem porös ausgebildet ist, können diese Spannungen zu Setzerscheinungen im Bereich der Schraubverbindung führen, mit der Folge, dass die ursprünglich kraftschlüssig wirkende Schraubverbindung zwischen den CFC-Komponenten sich im Verlauf der Temperaturbelastung löst und es zu einem Bauteilversagen kommen kann.
Eine Möglichkeit, ein derartiges Bauteilversagen zu verhindern, besteht darin, in Abhängigkeit von der auftretenden Temperaturbelastung Wartungsintervalle zu definieren, um gegebenenfalls noch rechtzeitig vor dem Bauteilversagen einen Austausch der Schraubverbindungen vornehmen zu können. Da mit der Durchführung der Wartung bzw. Inspektion der Umwälzvorrichtungen und insbesondere mit gegebenenfalls vorzunehmenden Reparaturen ein erheblicher Aufwand verbunden ist, liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, Umwälzvorrichtungen so weiterzuentwickeln sowie ein Verfahren zur Herstellung von Umwälzvorrichtungen vorzuschlagen, dass eine dauerhaft kraftschlüssige Verbindung zwischen den CFC-Komponenten der Umwälzvorrichtungen möglich wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe weist die erfindungsgemäße Umwälzvorrichtung die Merkmale des Anspruchs 1 auf.
Die erfindungsgemäße Umwälzvorrichtung ist in einer ersten Variante so ausgebildet, dass zumindest zwei miteinander zu verbindende CFC-Komponenten mittels einer ausschließlich Verbindungselemente aus CFC oder Graphit aufweisenden Verbindungseinrichtung kraftschlüssig miteinander verbunden sind, wobei die Verbindungseinrichtung ein Federelement aus einem CFC-Werkstoff aufweist.
Mit Einsatz des CFC-Federelements ist es erstmalig möglich, Setzerscheinungen an einer kraftschlüssigen Verbindung zwischen zwei CFC-Komponenten durch die Wirkung eines Federelementes zu kompensieren, ohne dass hierzu die Verwendung eines von dem Werkstoff der CFC-Komponenten abweichenden Werkstoffs notwendig wäre.
Obwohl es natürlich grundsätzlich bekannt ist, ein Federelement zur Kompensation von Setzerscheinungen an Schraubenverbindungen einzusetzen, können diese bekannten, aus Metall bestehenden Federelemente nicht bei der erfindungsgemäßen Umwälzvorrichtung eingesetzt werden, da diese in besonderem Maße zum Einsatz in einer Hochtemperaturumgebung dient. Bei den hier in Rede stehenden Temperaturen, die nicht selten 2000°C und mehr erreichen, ist beispielsweise die Kriechgrenze von Metallen bei weitem überschritten, sodass die gewünschte, kompensierende Federwirkung in dem vorgenannten Temperaturbereich nicht mehr zur Verfügung steht. Durch die Verwendung eines Federelements aus einem CFC-Werkstoff wird erstmalig der Einsatz von Setzerscheinungen kompensierenden Federelementen an Schraubverbindungen möglich, die auch unter Hochtemperaturbedingungen dauerhaft eine kraftschlüssige Verbindung zwischen den miteinander mittels der Schraubverbindung verbundenen Komponenten sicherstellen müssen.
In der überwiegenden Zahl der Fälle ist es vorteilhaft, die Verbindungseinrichtung zwischen den CFC-Komponenten als Schraubverbindungseinrichtung auszubilden, die einen Gewindebolzen aus einem CFC-Werkstoff und zumindest eine Mutter aus einem Graphit-Werkstoff aufweist, wobei das Federelement zwischen der Mutter und einer CFC-Komponente derart angeordnet ist, dass zwischen der Mutter und der CFC-Komponente eine Druckkraft wirkt.
Ganz grundsätzlich ist der Einsatz der Federelemente aus einem CFC-Werkstoff natürlich nicht auf die Kombination mit einer als Schraubverbindungseinrichtung ausgeführten Verbindungseinrichtung beschränkt. Vielmehr lassen sich Federelemente aus einem CFC-Werkstoff auch zur Kompensation von Setzerscheinungen an anderen kraftschlüssigen Verbindungseinrichtungen verwenden, wie beispielsweise eine Klemm- oder Keilverbindung, die in gleicher Weise zur kraftschlüssigen Wirkung eine mechanisch vorgespannte Verbindung ermöglichen wie eine Schraubverbindung.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Gewindebolzen mit einem Bolzenkopf versehen ist, und der Gewindebolzen zwei miteinander kraftschlüssig zu verbindende CFC-Komponenten durchdringt, die zwischen dem Bolzenkopf des Gewindebolzens und der Mutter angeordnet sind, sodass das CFC-Federelement grundsätzlich in gleicher Weise einsetzbar ist wie ein konventionelles Stahl-Federelement, dessen Verwendung aus den vorstehend erörterten Gründen bei der erfindungsgemäßen Umwälzvorrichtung ausscheidet.
Ein insgesamt einfacher Aufbau der Verbindungseinrichtung mit einer möglichst geringen Anzahl unterschiedlicher Bauteile wird möglich, wenn der Bolzenkopf durch eine Mutter aus einem Graphit-Werkstoff gebildet ist.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Umwälzvorrichtung kann die Anzahl der Bauteile noch weiter reduziert werden, dadurch, dass der Gewindebolzen an einer ersten der kraftschlüssig miteinander verbundenen CFC-Komponenten ausgebildet ist und die weitere CFC-Komponente durchdringt, die zwischen der ersten CFC-Komponente und der Mutter angeordnet ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Federelement als Balkenfederelement ausgebildet und mit zwei Stützfüßen zur Abstützung an einer CFC-Komponente und einen die Stützfüße miteinander verbindenden Federbalken zur Abstützung am Bolzenkopf oder der Mutter der Verbindungseinrichtung versehen.
Alternativ ist es auch möglich, in einer weiteren Ausführungsform das Federelement als Ringfederelement auszubilden mit einem Federring, der auf zwei gegenüberliegenden Axialflächen Stützfüße aufweist, die derart radial verteilt auf den Axialflächen angeordnet sind, dass jeweils ein auf einer Axialfläche ausgebildeter Stützfuß zwischen zwei auf der gegenüberliegenden Axialfläche ausgebildeten Stützfüßen ausgebildet ist.
Unabhängig davon, welches Material für die Welle gewählt wird, das insbesondere bei Umwälzvorrichtungen, die zum Betrieb in einem Ofen vorgesehen sind, der bei vergleichsweise geringen Temperaturen gefahren wird, aus hochtemperaturfestem Stahl gebildet sein kann, ist es vorteilhaft, wenn die Welle so gestaltet ist, dass sie einen an einem axialen Anschlussende ausgebildeten Tellerflansch aufweist mit einem sich radial erstreckenden Flanschring, an dem ein als Scheibe ausgebildeter Schaufelblattträger ausgebildet ist, wobei die Verbindungseinrichtung zwischen der Welle und dem Schaufelblattträger als Schraubverbindungseinrichtung ausgebildet ist.
In besonders vorteilhafter Weise ist die Umwälzvorrichtung auch für einen Hochtemperatureinsatz geeignet, wenn sowohl der Schaufelblattträger und die Schaufelblätter als auch die Welle als CFC-Komponenten ausgebildet sind.
Wenn zur Verbindung der in Übereinstimmung mit dem Schaufelblattträger und den Schaufelblättern als CFC-Komponente ausgeführten Welle mit dem Schaufelblattträger der Flanschring der Welle mittels einer Mehrzahl radial verteilt angeordneter Gewindebolzen mit dem Schaufelblattträger verbunden ist, und die Gewindebolzen jeweils mit einem Balkenfederelement versehen sind, lässt sich die Umwälzvorrichtung in ihrer Gesamtheit aus CFC-Komponenten zusammensetzen mit einer hochtemperaturfesten, dauerhaft kraftschlüssigen Verbindung zwischen der Welle und dem Schaufelblattträger.
Insbesondere dann, wenn für die Welle ein abweichender Werkstoff gewählt wird, also beispielsweise Stahl, ist es vorteilhaft, wenn zur Realisierung der Schraubverbindungseinrichtung die Welle an einem axialen Anschlussende mit einem Anschlussstück versehen ist, das einen Gewindebolzen aufweist, und die Verbindungseinrichtung zwischen der Welle und dem Schaufelblattträger als Schraubverbindungseinrichtung ausgebildet ist. Ein derartiger Aufbau der Umwälzvorrichtung ermöglicht es beispielsweise, das Anschlussstück in einem vom Werkstoff der Welle abweichenden Werkstoff auszubilden, also beispielsweise das Anschlussstück als CFC- oder Graphitteil auszugestalten.
Wenn zur Verbindung zwischen der Welle und dem Schaufelblattträger der Gewindebolzen des Anschlussstücks den Schaufelblattträger zur Ausbildung einer Schraubverbindungseinrichtung durchdringt, wobei zwischen dem Anschlussstück und dem Schaufelblattträger ein Ringfederelement angeordnet ist, ist es möglich, für eine dauerhaft kraftschlüssige Verbindung zwischen der Welle und dem Schaufelblattträger mit nur einem zentral angeordneten Ringfederelement zu sorgen.
Besonders vorteilhaft für die Wirksamkeit der Federelemente ist es, wenn zumindest der Federbalken des Balkenfederelements oder der Federring des Ringfederelements eine Faserorientierung mit Fasern aufweist, die sich längs einer die Stützfüße miteinander verbindenden Belastungsachse erstrecken.
Eine weitere Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe weist die Merkmale des Anspruchs 14 auf.
Die erfindungsgemäße Umwälzvorrichtung nach Anspruch 14 sieht vor, dass zwei miteinander zu verbindende CFC-Komponenten mittels einer diskreten stoffschlüssigen Verbindung mit einem vorzugsweise Silizium enthaltenden Verbindungsmaterial in einer zwischen den Komponenten ausgebildeten Verbindungszone miteinander verbunden sind.
Damit besteht die alternative Lösung, erstmals zu einer dauerhaft kraftschlüssigen Verbindung zwischen miteinander verbundenen CFC-Komponenten bei einer Umwälzvorrichtung zu kommen, darin, dass Setzerscheinungen, die eine Unterbrechung des Kraftschlusses zwischen den miteinander verbundenen Bauteilen ermöglichen, dadurch verhindert werden, dass durch eine stoffschlüssige Verbindung eine Trennung der Bauteile verhindert wird.
Zur Erzielung dieser stoffschlüssigen Verbindung zwischen den CFC-Komponenten ist es grundsätzlich unerheblich, auf welche Art und Weise die Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung ermöglicht wird, also wie die als Voraussetzung zur Erzielung der stoffschlüssigen Verbindung erforderliche Relativanordnung der CFC-Komponenten erreicht wird. Dies kann grundsätzlich durch ein kraftschlüssiges, also insbesondere durch ein unter Vorspannung erfolgendes Aneinanderlegen der CFC-Komponenten erfolgen, oder auch nur durch eine durch einen Formschluss der CFC-Komponenten definierte Relativanordnung.
In jedem Fall ist es vorteilhaft, wenn die Verbindungszone zwischen den CFC-Komponenten einen mit zunehmenden Abstand von einer zwischen den Komponenten gebildeten Grenzschicht abnehmenden Siliziumcarbidgehalt aufweist, sodass sichergestellt ist, dass zum einen zwar eine den Zusammenhalt der CFC-Komponenten sichernde stoffschlüssige Verbindung gegeben ist, auf der anderen Seite jedoch die stoffschlüssige Verbindung lokal sehr begrenzt ausgebildet ist, um die ursprünglichen Werkstoffeigenschaften der Komponenten möglichst geringfügig durch die Verbindungszone zu beeinflussen.
Bei einer vorteilhaften Variante ist die Umwälzvorrichtung so ausgebildet, dass die stoffschlüssige Verbindung im Bereich einer kraftschlüssigen Verbindungseinrichtung ausgebildet ist, sodass also die kraftschlüssige Verbindung dazu dient, die zuvor hergestellte kraftschlüssige Verbindung aufrechtzuerhalten bzw. zu fixieren.
Vorzugsweise kann die Verbindungseinrichtung als Schraubverbindungseinrichtung ausgebildet sein und die stoffschlüssige Verbindung ist zwischen einer Mutter oder einem Bolzenkopf eines Gewindebolzens der Schraubverbindungseinrichtung und einer benachbarten CFC-Komponente ausgebildet.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Umwälzvorrichtung ist die stoffschlüssige Verbindung im Bereich einer formschlüssigen Verbindungseinrichtung ausgebildet, sodass also die stoffschlüssige Verbindung zur Aufrechterhaltung bzw. zur Fixierung eines vor Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung zwischen den miteinander zu verbindenden Komponenten hergestellten Formschlusses dient.
Gemäß einer weiteren Lösung weist das erfindungsgemäße Verfahren die Merkmale des Anspruchs 18 auf.
Erfindungsgemäß erfolgt zur Herstellung der Umwälzvorrichtung die Herstellung einer Verbindung zwischen zwei miteinander zu verbindenden CFC-Komponenten zunächst durch Herstellung einer kraft- oder formschlüssigen Verbindung zwischen den Komponenten. Erst anschließend wird im Bereich einer Verbindungszone zwischen den Komponenten eine diskrete stoffschlüssige Verbindung mit einem vorzugsweise Silizium enthaltenden Verbindungsmaterial in einer im Bereich zwischen den Komponenten ausgebildeten Verbindungszone hergestellt.
Unabhängig davon, wie die Durchführung der stoffschlüssigen Verbindung vorbereitet wird, also durch Herstellung einer zunächst kraftschlüssigen Verbindung oder einer zunächst formschlüssigen Verbindung, wird zur Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung ein Silizium enthaltendes Verbindungsmaterial äußerlich auf die Verbindungszone der miteinander zu verbindenden Komponenten aufgetragen, und anschließend erfolgt ein Aufschmelzen des Verbindungsmaterials.
Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn das Verbindungsmaterial als Paste aus Polyvinylalkohol und Siliziumpulver aufgebracht wird, mit einem Anteil von 30 bis 60 Gewichtsprozent Silizium.
Wenn das Aufschmelzen des Siliziums unter Vakuum oder in einer Schutzgasatmosphäre erfolgt, kann in vorteilhafter Weise eine Versprödung bzw. eine Zunahme der Porösität im Bereich der Verbindungszone weitestgehend verhindert werden.
Wenn dem Verbindungsmaterial neben dem Silizium ein Rußanteil hinzugefügt wird, ist es möglich, den relativen Anteil des Siliziums, der mit dem Kohlenstoff zu Siliziumcarbid reagiert, möglichst zu maximieren, sodass der Anteil an freiem Silizium in der Verbindungszone entsprechend minimiert wird. Dies erweist sich insoweit als Vorteil, wenn die Umwälzvorrichtung bei hohen Temperaturen eingesetzt wird, die etwa ab 1400°C ein Aufschmelzen des freien Siliziums in der Verbindungszone und damit ein Ausscheiden dieses Siliziums mit gleichzeitiger Schwächung der Verbindungszone verhindert.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
1: eine Umwälzvorrichtung in einer ersten Ausführungsform in isometrischer Darstellung;
2: die in 1 dargestellte Umwälzvorrichtung in Draufsicht;
3: die in 2 dargestellte Umwälzvorrichtung in Schnittdarstellung gemäß Schnittlinienverlauf III-III in 2;
4: eine weitere Ausführungsform einer Umwälzvorrichtung in isometrischer Darstellung;
5: die in 4 dargestellte Umwälzvorrichtung in Draufsicht;
6: die in 5 dargestellte Umwälzvorrichtung in Schnittdarstellung gemäß Schnittlinienverlauf VI-VI in 5;
7: eine vergrößerte Detaildarstellung einer Schraubverbindungseinrichtung an der 1 dargestellten Umwälzvorrichtung;
8: ein bei der in 7 dargestellten Schraubverbindungseinrichtung eingesetztes Federelement in Seitenansicht;
9: eine weitere Ausführungsform eines Federelements für eine Schraubverbindungseinrichtung in isometrischer Darstellung;
10: eine zu der in 7 dargestellten Schraubverbindungseinrichtung alternative Ausführungsform einer Schraubverbindungseinrichtung mit einem auf den Verbindungsbereich zwischen den Komponenten der Schraubverbindungseinrichtung aufgebrachten Verbindungsmaterial;
11: die in 10 dargestellte Schraubverbindungseinrichtung nach einem lokalen Verschweißen der mit dem Verbindungsmaterial beschichteten Komponenten;
12: eine vergrößerte Detaildarstellung einer Schraubverbindungseinrichtung an der in 6 dargestellten Umwälzvorrichtung.
1 zeigt in einer ersten Ausführungsform eine Umwälzvorrichtung 20 mit einer Welle 21 zur Verbindung der Umwälzvorrichtung 20 mit einer hier nicht näher dargestellten Antriebsvorrichtung und einem mit der Welle 21 drehstarr verbundenen Schaufelblattträger 22, der zur Anordnung einer Mehrzahl über den Umfang des Schaufelblattträgers 22 verteilt angeordneter Schaufelblätter 23 dient. Wie 1 zeigt, sind die Schaufelblätter 23 zwischen dem Schaufelblattträger 22 und einem konischen Abschlussring 24 aufgenommen und hierzu jeweils über Formschlussverbindungen 25 bzw. 26 mit ihren axialen Enden 27, 28 in schlitzförmige Ausnehmungen 29 des Schaufelblattträgers 22 und des Abschlussrings 24 eingesetzt.
Wie insbesondere den 2 und 3 zu entnehmen ist, sind zur Verbindung der Welle 21 mit dem Schaufelblattträger 22 eine Mehrzahl konzentrisch zu einer Mittelachse 30 der Umwälzvorrichtung 20 angeordnete Schraubverbindungseinrichtungen 31 vorgesehen. Zum Anschluss an den Schaufelblattträger 22 weist die Welle 21 einen an einem axialen Anschlussende 32 der Welle 21 ausgebildeten Tellerflansch 33 auf, mit einem sich radial erstreckenden Flanschring 34, der an einer Unterseite 35 des scheibenförmig ausgebildeten Schaufelblattträgers 22 anliegt. Die Schraubverbindungseinrichtungen 31 sind so ausgebildet, dass ein Gewindebolzen 36 Durchgangsöffnungen 37, 38 im Flanschring 34 und im Schaufelblattträger 22 durchdringt und an seinen einander gegenüberliegenden axialen Enden 39, 40 jeweils mit einer Mutter 41 versehen ist. Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der Schraubverbindungseinrichtung 31 ist zwischen dem Flanschring 34 und der am unteren axialen Ende 40 des Gewindebolzens 36 angeordneten Mutter 41 ein Balkenfederelement 42 angeordnet.
Wie der Detaildarstellung in 7 zu entnehmen ist, weist das Balkenfederelement 42 ein sich mit axialen Enden auf Stützfüßen 43 abstützenden Federbalken 44 auf, der mit einer Durchgangsöffnung 45 zum Durchtritt des Gewindebolzens 36 versehen ist. Das Balkenfederelement 42 ist als CFC-Komponente ausgebildet mit einer Faserausrichtung 46, die sich im Bereich des Federbalkens 44 in Richtung einer zwischen den Stützfüßen 43 verlaufenden Belastungsachse 47 erstreckt, sodass bei einer Belastung des Federbalkens 44 infolge einer in der Schraubverbindungseinrichtung 31 wirkenden Vorspannkraft, die daraus im Federbalken 44 resultierende Zugspannung von den Fasern des CFC-Bauteils aufgenommen werden kann.
Wie ferner aus der schematischen Darstellung in 7 deutlich wird, welche auch die Faserausrichtungen 46 im Flanschring 34 der Welle 21 und im Schaufelblattträger 22 sowie im Gewindebolzen 36 andeutet, sind bei der in 7 beispielhaft dargestellten Schraubverbindungseinrichtung 31 mit Ausnahme der Muttern 41, die ausschließlich auf Druck belastet werden, sämtliche Komponenten als CFC-Komponenten ausgeführt. Grundsätzlich ist es natürlich auch möglich, die Muttern 41 als CFC-Komponenten und den Gewindebolzen 36 als Graphit-Komponente oder beide Komponenten jeweils übereinstimmend auszuführen.
Aufgrund der elastischen Nachgiebigkeit des Balkenfederelements kann die Schraubverbindungseinrichtung 31 bzw. der Gewindebolzen 36 der Schraubverbindungseinrichtung mit einer ausreichend großen Vorspannkraft belastet werden, sodass selbst dann, wenn es insbesondere senkrecht zur Faserausrichtung 46 in dem porösen Kohlenstoffmaterial der unter Vorspannkraft miteinander verspannten Komponenten zu Setzerscheinungen kommen sollte, diese durch die Elastizität des Balkenfederelements 42 ausgeglichen werden können, und die über die Schraubverbindungseinrichtung 31 miteinander verspannten Komponenten immer noch mit ausreichender Kraft gegeneinander anliegen, um Relativbewegungen der Komponenten wirksam zu verhindern.
Bei der in 4 dargestellten Umwälzvorrichtung 50 ist eine Welle 51 mittels eines an einem axialen Anschlussende 52 der Welle 51 angeordneten Anschlussstücks 53 mit einem Schaufelblattträger 54 verbunden.
Bei der Umwälzvorrichtung 50 sind Schaufelblätter 55 zwischen dem Schaufelblattträger 54 und einem Abschlussring 56 aufgenommen, der, wie in 6 dargestellt, als ebene Ringscheibe 57 mit einem an einem Innenumfang 58 der Ringscheibe 57 angeformten Ringsteg 59 ausgebildet ist. Zur Verbindung der Schaufelblätter 55 mit dem Schaufelblattträger 54 und dem Abschlussring 56 sind sowohl am unteren axialen Ende 60 als auch am oberen axialen Ende 61 der Schaufelblätter 55 Gewindebolzen 62 angeformt, die Durchgangsöffnungen 63 im Schaufelblattträger 54 und die Durchgangsöffnungen 64 in der Ringscheibe 57 des Abschlussrings 56 durchdringen und die an ihren freien axialen Enden 65 jeweils mit einer Mutter 66, die vorzugsweise aus Graphit gebildet ist, versehen ist. Bei dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel der Umwälzvorrichtung 50 sind im Unterschied zu dem in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der Umwälzvorrichtung 20 Schraubverbindungseinrichtungen 67 vorgesehen, die kein Balkenfederelement 42 aufweisen. Anstelle eines Balkenfederelements 42 weisen die Schraubverbindungseinrichtungen 67 eine ergänzende stoffschlüssige Verbindung 68 auf, die, wie in 12 dargestellt, in einer Verbindungszone 69 zwischen der Mutter 66 und dem Scheibenring 57 des Abschlussrings 56 ausgebildet ist.
Wie insbesondere die 6 zeigt, ist zur Verbindung der Welle 51 das am axialen Anschlussende 52 der Welle 51 angeordnete Anschlussstück 53 mit einem am Anschlussstück 53 ausgebildeten Gewindebolzen 70 durch eine zentrale Durchgangsöffnung 71 hindurchgeführt und an seinem freien axialen Ende 72 mit einer Scheibenmutter 73 versehen, die zusammen mit dem Gewindebolzen 70 eine Schraubverbindungseinrichtung 74 zum Anschluss der Welle 51 an den Schaufelblattträger 54 ermöglicht.
Die Schraubverbindungseinrichtung 74 ist darüber hinaus mit einem Ringfederelement 75 versehen, das in 9 als Einzelteil dargestellt ist und entsprechend der Darstellung in 6 zwischen einer Unterseite 76 des Schaufelblattträgers 54 und dem Anschlussstück 53 angeordnet ist. Das im Fall des vorliegenden Ausführungsbeispiels als Graphitteil ausgebildete Anschlussstück 53 ist über Stiftverbindungen 77 drehstarr mit der rohrförmig ausgebildeten Welle 51 verbunden.
Wie 9 zeigt, weist das Ringfederelement 75 an einem Federring 85 zwei einander gegenüberliegende Axialflächen 78, 79 auf, die jeweils mit umlaufend verteilt angeordneten Stützfüßen 80 versehen sind. Dabei sind die Stützfüße 80 so angeordnet, dass jeweils ein auf einer oberen Axialfläche 78 angeordneter Stützfuß zwischen zwei auf der unteren Axialfläche 79 angeordneten Stützfüßen 80 angeordnet ist. Das Ringfederelement 75 ist als CFC-Bauteil ausgebildet mit einer Faserausrichtung 81, die, wie in 9 angedeutet, in Richtung einer sich zwischen den Stützfüßen 80 des Ringfederelements 75 erstreckenden Belastungsachse 82 verläuft. Wie bereits an dem Ausführungsbeispiel des Balkenfederelements 42 Bezug nehmend auf die 1 bis 3 erläutert, ermöglicht die elastische Nachgiebigkeit des Ringfederelements 75 eine Kompensierung von Setzerscheinungen bei der Schraubverbindungseinrichtung 74.
Bezug nehmend auf die Figurenabfolge der 10 und 11 wird nachfolgend eine Möglichkeit zur Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung 68 erläutert, die ergänzend zu einer Formschlussverbindung 25, 26, wie in 3 dargestellt, oder alternativ auch ergänzend zu einer Schraubverbindungseinrichtung zum Einsatz kommt.
Wie 10 am Beispiel der Schraubverbindungseinrichtung 31 zeigt, erfolgt zunächst die Beschichtung der Schraubverbindungseinrichtung 31 im Bereich der beabsichtigten Verbindungszone 69 (11) durch Auftragen eines Verbindungsmaterials 83, das im vorliegenden Fall als pastöses Material aufgebracht wird und im Wesentlichen aus Polyvinylalkohol mit einem Gewichtsanteil von 50% Siliziumpulver besteht. Anschließend erfolgt eine Aufheizung der Verbindungseinrichtung auf eine Temperatur oberhalb von 1400°C in einer Schutzgasatmosphäre, wobei das Siliziumpulver aufschmilzt und mit dem Kohlenstoff aus der im Fall des vorliegenden Ausführungsbeispiels durch den Schaufelblattträger 22 gebildeten CFC-Komponente zu Siliziumcarbid reagiert.
Wie durch die schematische Darstellung in 11 angedeutet, ist das Ergebnis der Reaktion die Ausbildung der Verbindungszone 69, die mit zunehmenden Abstand von einer zwischen den Komponenten gebildeten Grenzschicht 84 einen abnehmenden Silizium-Carbidgehalt aufweist.
Grundsätzlich ist es auch möglich, anstatt des Siliziums, das bei dem vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel als Carbidbildner dient, andere Carbidbildner zu verwenden, wie beispielsweise Metalle, insbesondere Titan, Tantal oder Chrom zur Erzeugung von Metallcarbiden in der Verbindungszone oder auch andere Halbleiter als Silizium zu verwenden, wie beispielsweise Bor. Insbesondere dann, wenn dem Silizium noch Ruß zugesetzt wird, eignet sich das Silizium in besonderer Art und Weise als Carbidbildner, da das Auftreten von freiem Silizium in der Verbindungszone durch den Zusatz von Ruß weitestgehend eingeschränkt werden kann, um somit eine Verbindungszone zu erhalten, die über einen weiten Temperaturbereich ein thermisch stabiles Materialverhalten ermöglicht.

Claims

Umwälzvorrichtung (20, 30) zum Umwälzen einer umgebenden Atmosphäre, wobei die Umwälzvorrichtung eine Mehrzahl von Komponenten aufweist, die zumindest eine Welle (21, 51) zur Verbindung der Umwälzvorrichtung mit einer Antriebseinrichtung, einen mit der Welle verbundenen Schaufelblattträger (22, 54) und eine Mehrzahl auf dem Schaufelblattträger angeordneter Schaufelblätter (23, 55) zur Beaufschlagung der Atmosphäre mit einem Strömungsimpuls umfassen, wobei sowohl die Verbindung zwischen der Welle und dem Schaufelblattträger als auch die Verbindung zwischen dem Schaufelblattträger und den Schaufelblättern zur Übertragung eines Antriebsdrehmoments von der Welle auf die Schaufelblätter drehstarr ausgebildet ist, und sowohl der Schaufelblattträger als auch die Schaufelblätter als CFC-Komponenten ausgebildet sind, wobei zumindest eine der beiden Verbindungen so ausgebildet ist, dass zwei miteinander zu verbindende CFC-Komponenten mittels einer ausschließlich Verbindungselemente aus CFC oder Graphit aufweisenden Verbindungseinrichtung kraftschlüssig miteinander verbunden sind, und die Verbindungseinrichtung ein Federelement aus einem CFC-Werkstoff aufweist.
Umwälzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungseinrichtung als Schraubverbindungseinrichtung (31, 67, 74) ausgebildet ist, die einen Gewindebolzen (36, 62, 70) aus einem CFC- oder Graphit-Werkstoff und zumindest eine Mutter (41, 66) aus einem CFC- oder Graphit-Werkstoff aufweist, und das Federelement zwischen der Mutter und einer CFC-Komponente derart angeordnet ist, dass zwischen der Mutter und der CFC-Komponente eine Druckkraft wirkt.
Umwälzvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewindebolzen (36, 62, 70) mit einem Bolzenkopf versehen ist, und der Gewindebolzen zwei miteinander kraftschlüssig zu verbindende CFC-Komponenten durchdringt, die zwischen dem Bolzenkopf des Gewindebolzens und der Mutter (41, 66) angeordnet sind.
Umwälzvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Bolzenkopf durch eine Mutter (41, 66) aus einem CFC- oder Graphit-Werkstoff gebildet ist.
Umwälzvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewindebolzen (62) an einer ersten der kraftschlüssig miteinander verbundenden CFC-Komponenten ausgebildet ist und die weitere CFC-Komponente durchdringt, die zwischen der ersten CFC-Komponente und der Mutter (66) angeordnet ist.
Umwälzvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement als Balkenfederelement (42) ausgebildet ist mit zwei Stützfüßen (43) zur Abstützung an einer CFC-Komponente und einem die Stützfüße miteinander verbindenden Federbalken (44) zur Abstützung am Bolzenkopf oder der Mutter (41, 66) der Schraubverbindungseinrichtung (31, 67).
Umwälzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement als Ringfederelement (75) ausgebildet ist mit einem Federring (85), der auf zwei gegenüberliegenden Axialflächen (78, 79) Stützfüße (80) aufweist, die derart radial verteilt auf den Axialflächen angeordnet sind, dass jeweils ein auf einer Axialfläche ausgebildeter Stützfuß zwischen zwei auf der gegenüberliegenden Axialfläche ausgebildeten Stützfüßen angeordnet ist.
Umwälzvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (21) einen an einem axialen Anschlussende (32) der Welle ausgebildeten Tellerflansch (33) aufweist mit einem sich radial erstreckenden Flanschring (34), an dem ein als Scheibe ausgebildeter Schaufelblattträger (22) angeordnet ist, und dass die Verbindungseinrichtung zwischen der Welle und dem Schaufelblattträger als Schraubverbindungseinrichtung (31) ausgebildet ist.
Umwälzvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Schaufelblattträger (22) und die Schaufelblätter (23) als auch die Welle (21) als CFC-Komponenten ausgebildet sind.
Umwälzvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbindung der Welle (21) mit dem Schaufelblattträger (22) der Flanschring (85) der Welle mittels einer Mehrzahl radial verteilt angeordneter Gewindebolzen (36), die jeweils mit einem Balkenfederelement (42) versehen sind, mit dem Schaufelblattträger verbunden ist.
Umwälzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (51) an einem axialen Anschlussende (52) mit einem Anschlussstück (53) versehen ist, das einen Gewindebolzen (70) aufweist, und die Verbindungseinrichtung zwischen der Welle und dem Schaufelblattträger als Schraubverbindungseinrichtung (74) ausgebildet ist.
Umwälzvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbindung zwischen der Welle (51) und dem Schaufelblattträger (54) der Gewindebolzen (70) des Anschlussstücks (53) den Schaufelblattträger zur Ausbildung der Schraubverbindungseinrichtung (74) durchdringt, wobei zwischen dem Anschlussstück und dem Schaufelblattträger ein Ringfederelement (75) angeordnet ist.
Umwälzvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Federbalken (44) des Balkenfederelements (42) oder zumindest der Federring (85) des Ringfederelements (75) eine Faserausrichtung (46, 81) mit Fasern aufweist, die sich längs einer die Stützfüße (43, 80) miteinander verbindenden Belastungsachse (47, 82) erstrecken.
Umwälzvorrichtung (20, 50) zum Umwälzen einer umgebenden Atmosphäre, wobei die Umwälzvorrichtung eine Mehrzahl von Komponenten aufweist, die zumindest eine Welle (21, 51) zur Verbindung der Umwälzvorrichtung mit einer Antriebseinrichtung, einen mit der Welle verbundenen Schaufelblattträger (22, 54) und eine Mehrzahl auf dem Schaufelblattträger angeordneter Schaufelblätter (23, 55) zur Beaufschlagung der Atmosphäre mit einem Strömungsimpuls umfassen, wobei sowohl die Verbindung zwischen der Welle und dem Schaufelblattträger als auch die Verbindung zwischen dem Schaufelblattträger und den Schaufelblättern zur Übertragung eines Antriebsdrehmoments von der Welle auf die Schaufelblätter drehstarr ausgebildet ist, und sowohl der Schaufelblattträger als auch die Schaufelblätter als CFC-Komponenten ausgebildet sind, wobei zumindest eine der beiden Verbindungen so ausgebildet ist, dass zwei miteinander zu verbindende CFC-Komponenten mittels einer kraft- oder formschlüssigen Verbindung (25, 26) miteinander verbunden sind, welche mittels einer diskreten stoffschlüssigen Verbindung (68) in einer zwischen den Komponenten ausgebildeten Verbindungszone (69) gesichert ist.
Umwälzvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssige Verbindung (68) ein Silizium enthaltendes Verbindungsmaterial (83) aufweist.
Umwälzvorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungszone (69) einen mit zunehmenden Abstand von einer zwischen den Komponenten gebildeten Grenzschicht (84) abnehmenden Carbidgehalt aufweist.
Umwälzvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung als Schraubverbindungseinrichtung (31, 67) ausgebildet ist, und die stoffschlüssige Verbindung (68) in einer zwischen einer Mutter (41, 66) oder einem Bolzenkopf eines Gewindebolzens (36, 62) der Schraubverbindungseinrichtung und einer benachbarten CFC-Komponente ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung einer Umwälzvorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung einer Verbindung zwischen zwei miteinander zu verbindenden CFC-Komponenten zunächst eine kraft- oder formschlüssige Verbindung zwischen den Komponenten hergestellt wird, und anschließend im Bereich einer Verbindungszone (69) zwischen Komponenten der kraft- oder formschlüssige Verbindung mittels eines Verbindungsmaterials (83) eine diskrete stoffschlüssige Verbindung (68) hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung (68) das Verbindungsmaterial (83) äußerlich auf die Verbindungszone (69) der Komponenten aufgetragen wird und anschließend das Verbindungsmaterial aufgeschmolzen wird.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmaterial als Paste aus Polyvinylalkohohl und Silizium-Pulver aufgebracht wird, mit einem Anteil von 30 bis 60 Gew.-% Silizium.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufschmelzen des Verbindungsmaterials (83) unter Vakuum oder in einer Schutzgasatmosphäre erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verbindungsmaterial (83) neben dem Silizium ein Rußanteil hinzugefügt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18, 19 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verbindungsmaterial ein Metallanteil hinzugefügt wird.
Verfahren nach einem der Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verbindungsmaterial ein Metallanteil von 20 bis 70 Gew.-% hinzugefügt wird.