DE102014014169A1

DE102014014169A1 - Carbonfaserverstärktes PEEK Verdichterrad

Info

Publication number: DE102014014169A1
Application number: DE102014014169.1A
Authority: DE
Inventors: Walter Brüllmann
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2014-09-24
Filing date: 2014-09-24
Publication date: 2016-03-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verdichterrad sowie einen Verdichter, wobei das Verdichterrad carbonfaserverstärktes PEEK aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verdichterrad für einen Verdichter, insbesondere zur Verwendung in Gasexpansionsturbinen, gemäß Anspruch 1, einen Verdichter gemäß Anspruch 7, sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 8.
Gasexpansionsturbinen, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Derartige Expander werden zur Kälteerzeugung bzw. Verflüssigung von Gasen eingesetzt und weisen in der Regel eine drehbar um eine Achse gelagerte Welle und ein Verdichterrad auf, das mit der Welle verbunden ist. Ein solches Verdichterrad weist zudem üblicherweise Laufschaufeln auf, mit denen das Fluid beim Rotieren des Verdichterrades um die Achse der Welle verdichtet wird.
Ein Verdichter kann mit unterschiedlichen Drehzahlen betrieben werden. Dabei versteht man unter der Drehzahl eines Verdichters die Anzahl der vollständigen Rotationen (360°) der Welle um die Wellenachse pro Zeiteinheit.
Durch die maximal erreichbare Drehzahl des Verdichterrades wird die Leistungsgrenze des Verdichters definiert. Speziell während der Kaltfahr- und Aufwärmphase einer Kühlanalage, die mit insbesondere Turbo-Verdichtern der eingangsgenannten Art arbeitet, sind Höchstdrehzahlen (also maximale Drehzahlen) erwünscht, da die Bedingungen insbesondere während dieser Phasen fern vom erwünschten Betriebspunkt liegen.
Die maximale Drehzahl des Verdichterrades ist insbesondere durch die Beschaffenheit des Verdichterrades bestimmt, da dieses üblicherweise den größten Durchmesser von allen Rotorbauteilen hat, und somit mithin die größten Kräfte am Verdichterrad ansetzen.
Einen Überblick über den Stand der Technik bezüglich solcher Verdichter bietet beispielsweise Heinz Bloch and Claire Soares (2001). „Turboexpanders and Process Applications". Gulf Professional Publishing. ISBN 0-88415-5-509-9.
Die Aufgabe der Erfindung ist daher, eine Vorrichtung bereitzustellen, mit der eine weitere Leistungssteigerung von Kühlanlagen, bzw. Verdichtern im speziellen bewirkt werden kann.
Das erfindungsgemäße Problem wird durch ein Verdichterrad eines Verdichters der eingangs genannten Art gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und werden nachfolgend beschrieben.
Danach ist vorgesehen, dass das Verdichterrad carbonfaserverstärktes PEEK (CF/PEEK) aufweist oder aus diesem Material besteht. Als CF/PEEK bezeichnet man einen Faserverbundwerkstoff, der durch Einbettung von Carbonfasern (auch als Kohlefaser bezeichnet) in einer Matrix aus PEEK entsteht. PEEK steht als Abkürzung für Polyetheretherketon (CAS-Nummer 29658-26-2) und ist ein thermoplastischer Kunststoff, der zur Stoffgruppe der Polyaryletherketone gehört. Die Carbonfasern in der PEEK Matrix weisen typischerweise Durchmesser von etwa 5–9 Mikrometer auf, können aber Längen von mehreren cm bis m haben. Bei Carbonfasern handelt es sich insbesondere um aus kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterialien hergestellte Fasern, die durch Pyrolyse (Oxidation und Carbonisation) in graphitartig angeordneten Kohlenstoff umgewandelt werden. Solchermaßen erzeugte anisotrope Fasern zeigen hohe Festigkeiten und Steifigkeiten bei gleichzeitig geringer Bruchdehnung in axialer Richtung. In der Regel werden eine Vielzahl an Einzelfasern zu einem Garn bzw. der eigentlichen Carbonfaser zusammengefasst. Hieraus können auch textile Flächengebilde hergestellt werden. Bei den Ausgangsmaterialien kann es sich z. B. um Zellulose oder Polyacrylnitrit (PAN) oder sonstige geeignete Ausgangsmaterialien handeln.
CF/PEEK ist besonders vorteilhaft gegenüber Titan, da CF/PEEK ein geringes Eigengewicht bei gleichzeitiger hoher Stabilität aufweist und höhere Krafteinwirkungen, wie sie beispielsweise bei hohen Drehzahlen vorkommen, als Titan oder andere Materialien aus dem Stand der Technik verträgt, ohne sich zu verformen.
Weiterhin sind insbesondere die thermischen Eigenschaften von CF/PEEK vorteilhaft für Laufschaufeln von Verdichterrädern, da CF/PEEK einen negativen thermischen Ausdehnungskoeffizient aufweist, und somit bei steigenden Betriebstemperaturen, wie sie bei hohen Drehzahlen vorkommen, eine zusätzliche Versteifung erfahren, da sich das Material zusammenzieht.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Verdichterrad insbesondere einstückig aus CF/PEEK gefertigt. Diese Ausführungsform zeichnet sich durch eine besonders hohe Belastungsfähigkeit bezüglich hoher Drehzahlen gegenüber den herkömmlich verwendeten Materialien aus.
Insbesondere wird eine solches Verdichterrad aus einem CF/PEEK-Laminat gefräst (z. B. durch Wasserstrahlschneiden). Das Laminat bzw. der Rohling des Faserverbundwerkstoffs weist dabei mehrere Lagen Carbonfasern auf (z. B. Gewebelagen), die in das PEEK eingebettet sind. In den einzelnen Lagen weisen die Carbonfasern vorzugsweise eine vordefinierte Richtung auf (siehe unten). Es ist möglich einen Rohling aus dem Faserverbundwerkstoff herzustellen, der aus einzelnen Platten des Faserverbundwerkstoffes besteht, die miteinander stoffschlüssig verbunden werden (z. B. durch Schmelzen und erneutes Erstarren des PEEK).
Ein erfindungsgemäßes Verdichterrad weist vergleichsweise vorteilhafte Eigenschaften gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verdichterrädern aus beispielsweise Titan oder anderen Metallen auf. Insbesondere wurden bei Umfangsgeschwindigkeiten von 626 m/s plastische Verformungen eines Verdichterrades aus Titan festgestellt, die durch die hohen Drehzahlen hervorgerufen wurden. Dagegen konnte ein aus CF/PEEK gefertigtes Verdichterrad bei ansonsten gleichen Bedingungen bei 699 m/s betrieben werden, ohne dass es zu plastische Verformungen gekommen ist. Noch höhere Drehzahlen scheinen möglich, konnten aber aufgrund anderer Limitierungen, wie beispielsweise der Wellenkonstruktion, noch nicht realisiert werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung verlaufen die Carbonfasern des Faserverbundwerkstoffes (CF/PEEK) quasiisotrop (bezogen auf eine Erstreckungsebene des CF/PEEK). Die Carbonfasern erstrecken sich also entlang jener Erstreckungsebene entlang einer Vielzahl von Erstreckungsrichtungen im CF/PEEK-Laminat, wobei diese Erstreckungsrichtung alle eine vordefinierte Anzahl an Winkel zueinander einschließen, wobei die Winkel so bemessen sind, dass sie einen Kreis mit 360° in gleichgroße Kreissegmente unterteilen.
In einer Ausführungsform der Erfindung verlaufen die Carbonfasern des CF/PEEK in Winkeln von 0°, 45°, 90° und/oder 135°. Die Carbonfasern sind also insbesondere quasiisotrop entlang von vier Erstreckungsrichtungen im Laminat bezüglich der besagten Erstreckungsebene angeordnet und schließen miteinander Winkel von 45°, 90° und/oder 135° ein.
Wird der Rohling des Faserverbundwerkstoffes z. B. aus mehreren übereinanderliegenden Platten des Faserverbundwerkstoffes aufgebaut (siehe oben), so weisen die Fasern in jeder Platte eine bestimmte Erstreckungsrichtung auf, so dass sie mit den Fasern der anderen Platten die besagten Winkel von z. B. 45°, 90° und/oder 135° bilden.
Bevorzugt verläuft jene Erstreckungsebene senkrecht zur Rotationsachse des Verdichterrades, d. h., die Carbonfasern verlaufen ebenfalls bevorzugt senkrecht zur späteren Rotationsachse.
Ein Vorteil eines erfindungsgemäßen Verdichterrades ist die hohe Festigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht. Weiterhin treten weniger starke Wellenschwingungen im Verdichterrad bei hohen Drehzahlen auf, da sich CF/PEEK bzw. der Verdichterradsitz eines auf einer Welle eines Verdichters angeordneten Verdichterrades bei Erwärmung zusammen zieht und so ein größeres Spiel verhindert.
Das erfindungsgemäße Verdichterrad kann bei Temperaturen bis max. 250°C betrieben werden.
Die Verdichterrad- und Laufschaufelgeometrie kann von einem Aluminiumverdichterrad bzw. einer Aluminiumlaufschaufel übernommen werden und somit kann in sehr ökonomischer Weise beispielsweise durch den Ersatz eines einzigen Bauteils eine Verdichters, nämlich dem Verdichterrad, ein massiver Leistungsgewinn beim Betrieb des Verdichters erzielt werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verdichters zum Verdichten eines Fluids gemäß Anspruch 7. Ein solcher Verdichter weist insbesondere eine drehbar gelagerte Welle auf, sowie mindestens ein erfindungsgemäßes Verdichterrad, das mit der Welle verbunden ist.
Ein solcher Verdichter kann im Vergleich zu baugleichen Verdichtern, die ein Verdichterrad aus herkömmlichem Material, wie beispielsweise Aluminium oder Titan, aufweisen, bei deutlich höheren Drehzahlen gefahren werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Verdichterrades mit den Merkmalen des Anspruchs 8.
Danach ist vorgesehen, dass ein Faserverbundwerkstoff bereitgestellt wird, der Carbonfasern aufweist, die in PEEK eingebettet sind, wobei das Verdichterrad einstückig aus dem Faserverbundwerkstoff gefertigt wird, insbesondere aus einem Rohling gefräst wird, der aus dem Faserverbundwerkstoff besteht. Bevorzugt verlaufen die Carbonfasern des Faserverbundwerkstoffs jeweils entlang einer Erstreckungsebene, wobei die Fasern entlang der Erstreckungsebene insbesondere quasiisotrop verlaufen, und zwar insbesondere in Winkeln von 0°, 45°, 90° und/oder 135° (siehe oben).
Weiterhin können natürlich auch sonstige, mechanisch hoch belastete Teile, die gleichzeitig temperaturkritisch sind, aus entsprechend aufgebauten CF/PEEK-Faserplatten bzw. -Rohlingen hergestellt werden und dadurch höher belastet werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:
1 eine Winkelverteilung der Carbonfasern in einem CF/PEEK-Faserverbundwerkstoff bzw. -Laminat eines Verdichterrades; und
2 eine viergliedrige CF/PEEK Struktur eines Verdichterrades.
In 1 ist dargestellt, wie die Carbonfasern 1 eines erfindungsgemäßen Verdichterrades (die Rotationsachse des Verdichterrades verläuft senkrecht zur Blattebene) sich entlang von vier Erstreckungsrichtungen im CF/PEEK Laminat unter gleichbleibenden inkrementellen Winkeln W (45°, 90°, 135°) zueinander erstrecken. Aus einem solchen Faserverbundwerkstoff bzw. Laminat wird dann ein erfindungsgemäßes Verdichterrad gefräst. Der insbesondere viergliedrige, quasiisotrope Rohling kann durch entsprechendes Übereinanderlegen und stoffschlüssiges Verbinden von mehreren Platten des Faservebundwerkstoffes erzeugt werden, wobei die Fasern 1 verschiedener Platten einen der vorgenannten Winkel W miteinander einschließen.
2 zeigt die Struktur bzw. den Carbonfaserverlauf in einem CF/PEEK-Laminat bzw. Rohling in der Draufsicht auf die besagte Erstreckungsebene, das durch vier Erstreckungsrichtungen charakterisiert ist. Insbesondere entlang der Erstreckungsrichtungen der Carbonfasern 1 im Laminat ist eine besonders hohe Belastbarkeit des CF/PEEK hinsichtlich von entlang dieser Erstreckungsrichtungen ansetzenden Kräften gewährleistet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Heinz Bloch and Claire Soares (2001). „Turboexpanders and Process Applications”. Gulf Professional Publishing. ISBN 0-88415-5-509-9 [0006]

Claims

Verdichterrad für einen Verdichter zum Verdichten eines Fluids, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterrad einen Faserverbundwerkstoff aufweist, wobei der Faserverbundwerkstoff Carbonfasern aufweist, die in PEEK eingebettet sind.
Verdichterrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterrad einstückig aus dem Faserverbundwerkstoff gefertigt ist.
Verdichterrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterrad aus einem Rohling gefräst ist, der aus dem Faserverbundwerkstoff besteht.
Verdichterrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Carbonfasern (1) des Faserverbundwerkstoffs jeweils entlang einer Erstreckungsebene verlaufen.
Verdichterrad nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Carbonfasern (1) entlang der Erstreckungsebene quasiisotrop verlaufen.
Verdichterrad nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass Carbonfasern (1) in Winkeln (W) von 45°, 90° und/oder 135° zueinander verlaufen.
Verdichter zum Verdichten eines Fluids mit mindestens einem Verdichterrad gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6.
Verfahren zur Herstellung eines Verdichterrades gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein Faserverbundwerkstoff bereitgestellt wird, der Carbonfasern (1) aufweist, die in PEEK eingebettet sind, und wobei das Verdichterrad einstückig aus dem Faserverbundwerkstoff gefertigt wird, insbesondere aus einem Rohling gefräst wird, der aus dem Faserverbundwerkstoff besteht.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Carbonfasern (1) des Faserverbundwerkstoffs jeweils entlang einer Erstreckungsebene verlaufen.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Carbonfasern (1) entlang der Erstreckungsebene quasiisotrop verlaufen.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass Carbonfasern (1) in Winkeln (W) von 45°, 90° und/oder 135° zueinander verlaufen.