DE102014215089A1

DE102014215089A1 - Strömungsführendes Bauteil

Info

Publication number: DE102014215089A1
Application number: DE102014215089.2A
Authority: DE
Inventors: Alexander c/o KSB Aktiengesellschaft Böhm; Franz Gerhard c/o KSB Aktiengesellschaft Bosbach; Christoph c/o KSB Aktiengesellschaft Emde; Holger c/o KSB Aktiengesellschaft Rauner; Ewald c/o KSB Aktiengesellschaft Hölzel; Patrick c/o KSB Aktiengesellschaft Thome; Björn c/o KSB Aktiengesellschaft Will
Original assignee: KSB AG
Current assignee: KSB SE and Co KGaA
Priority date: 2014-07-31
Filing date: 2014-07-31
Publication date: 2016-02-04
Also published as: KR20170039647A; TR201819488T4; JP6612844B2; US20170218969A1; US10393133B2; ES2702211T3; KR101879734B1; EP3175119B1; CN106662114A; DK3175119T3; RU2689060C2; RU2017106527A3; IL250009B; WO2016016223A1; EP3175119A1; PT3175119T; CN106662114B; BR112017000490A2; BR112017000490B1; RU2017106527A

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein strömungsführendes Bauteil, wobei bei dem Bauteil Übergänge zwischen einzelnen Bereichen durch Kerben behaftet sind, wobei das Lastkollektiv der Kerbe rechnerisch ermittelbar ist, wobei die Kerben, die von außen nur schwer und/oder gar nicht direkt zugänglich sind, entsprechend ihrer mechanischen Beanspruchung geometrisch ausgeformt sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die geometrische Ausgestaltung eines strömungsführenden Bauteils unter besonderer Berücksichtigung der mechanischen Belastung, wobei bei dem Bauteil Übergänge zwischen einzelnen Bereichen durch Kerben behaftet sind, wobei das Lastkollektiv der Kerben rechnerisch ermittelbar ist, sowie die Herstellung eines solchen Bauteils.
Strömungsführende Bauteile sind in verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Je nach Einsatzbedingungen, also Arbeitsdruck, Fördermedium, Medientemperatur oder ähnlichem, ist das Bauteil aus speziellen Materialien gefertigt. Der statische Aufbau des Gehäuses ist ebenfalls stark vom Einsatzgebiet abhängig.
Besonders beanspruchte Bereiche und vor allem an den Übergängen zwischen verschiedenen Bereichen können besondere mechanische Spannungen aufgebaut werden, die zu verkürzten Standzeiten führen. Durch eine vorteilhafte Ausgestaltung der Kerbe lassen sich Spannungen stark reduzieren, dies erfordert jedoch eine Bearbeitung des Übergangsbereiches mit Werkzeugen.
Die EP 1 785 590 A1 zeigt die Ausgestaltung und Herstellung eines Laufrades einer Pumpe oder Turbine, wobei besonders Augenmerk auf der Gestaltung der Kerben liegt. Das Laufrad wird in mehreren Lagen verschweißt, wobei Spannungen direkt unterbunden werden. Die Vorgehensweise erfordert bei der Herstellung einen Zugang mit entsprechenden Werkzeugen zu den Kerben.
Sowohl Gusstechnik als auch Fügetechnik gelangen schnell an Grenzen für strömungs führende Bauteile, da teilweise die Kerben außen nur schwer und/oder gar nicht direkt zugänglich sind. Dies führt zu erheblichen Einschränkungen bei der Ausgestaltung der Geometrie des Bauteils.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, für die mechanische Belastung an den Übergangsstellen eines strömungsführenden Bauteils speziell im Bereich der Kerben, eine geometrische Ausgestaltung zu finden und anzuwenden, die einfach und kostengünstig herstellbar ist.
Die Lösung sieht vor, das Lastkollektiv der Kerbe rechnerisch zu ermitteln, die Kerben entsprechend ihrer mechanischen Beanspruchung geometrisch auszugeformen sind, insbesondere dort, wo sie von außen nur schwer und/oder gar nicht direkt zugänglich sind.
Von Vorteil ist dabei, dass das strömungsführende Teil, das beispielsweise ein Laufrad für eine Kreiselpumpe sein kann, frei von klassischen Vorgaben konstruiert werden kann. Beschränkungen durch Gießereitechnik und/oder Fügeverfahren müssen bei der Konstruktion des Bauteils nicht berücksichtigt werden, da lediglich die mechanischen und hydraulischen Eigenschaften von Bedeutung sind. Eine derartige Befreiung von traditionellen Konstruktionsprinzipien ermöglicht eine völlig neue Ausgestaltung des Laufrades.
In einer weiteren Ausgestaltung ist bei dem strömungsführenden Bauteil die Kerbe so ausgeführt ist, dass ein Übergang bei dem Bauteil von einem ersten Bereich A zu einem zweien Bereich B einen Winkel α einschließt, wobei die Winkelhalbierende des Winkels α ermittelt ist, wobei entlang dieser Winkelhalbierenden ein Punkt P bestimmt ist, wobei jeweils ein Lot von einem der Schenkel (A, B), die den Winkel α bilden, durch den Punkt P gefällt ist, wobei durch den Punkt P an das jeweilige Lot eine Gerade mit einem Winkel von 45° angelegt ist, wobei durch den Schnitt dieser Geraden mit den jeweiligen Schenkeln (A, B) jeweils eine Strecke (S, S') festgelegt ist, deren jeweilige Mitten die Punkte Q, Q' festlegen, wobei an die Punkte Q, Q' jeweils Geraden mit einem Winkel von 22,5° an die Strecken S, S' angelegt werden, die die Schenkel (A, B) in den Punkten R, R' schneiden, wobei die einhüllende E, E' dieser Konstruktion die geometrische Ausgestaltung der Kerbe vorgibt.
Diese einfache Konstruktionsmethode ermöglicht sehr einfach eine Geometrie zu ermitteln, die richtungsabhängig die mechanische Belastung im Bauteil differenziert berücksichtigt. Angreifende Kräfte werden unter Einwirkung des geförderten Mediums und der vorgesehenen Arbeitsbedingungen analysiert, wobei minimale und maximal Werte ermittelt werden. Entsprechend dieser Werte wird der Bedarf des Laufrades an mechanischer Stabilität ermittelt. Die Berechnungsmethode gibt die geometrische Ausgestaltung und somit auch den Materialeinsatz und die Werkstückbearbeitung vor.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das strömungsführende Bauteil mit einem generativen Verfahren hergestellt, wobei insbesondere Metallpulver durch ein Strahlschmelzverfahren wie beispielsweise Laser- oder Elektronenstrahlschmelzen zu einem Bauteil verbunden werden. Dies hat den Vorteil, dass das Laufrad sehr einfach und trotzdem sehr stabil herstellbar ist. Die genannten Verfahren ermöglichen die Herstellung von fluiddichten Bauteilen mit hoher Detaillierungsmöglichkeit. Den Bauteilen kann bei diesen noch Verfahren noch zusätzlich eine spezielle Oberflächenstruktur aufgeprägt werden, beispielsweise eine Haifischhaut, die die mechanischen und hydraulischen Eigenschaften zusätzlich verbessert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist bei dem strömungsführenden Bauteil mindestens eine Kerbe im Innern des Bauteils angeordnet ist, insbesondere in einem Hohlraum und oder einer Hinterschneidung. Dies hat den Vorteil, dass Stellen bei der geometrischen Ausgestaltung des Bauteils vorteilhaft geformt sein können, die der mechanischen Nachbearbeitung nicht zugänglich sind. Diese detaillierte Ausgestaltung ermöglicht die Herstellung von mechanisch belastbareren Bauteilen bei geringerem Materialeinsatz.
In einer weiteren Ausgestaltung ist das strömungsführende Bauteil ein Pumpenbauteil, insbesondere einer Kreiselpumpe. Von Vorteil ist die geometrische Ausgestaltung insbesondere bei Laufrädern und/oder Leiträdern von Kreiselpumpen. Diese Teile sind besonders stark mechanisch belastet. Die Übergänge zwischen einer Leit-/Laufradschaufel und einer Deckscheibe sind teilweise sehr schwer zugänglich. Bei einem Kreiselpumpenlaufrad lassen sich neben der reinen geometrischen Grobstruktur selbstverständlich auch die Oberflächen der einzelnen Laufradschaufeln frei gestalten, so dass die Grenzschicht zwischen dem Laufrad und dem Fluid beeinflusst werden kann. Unter anderem auch bei Inducern bietet es sich an Bauteile hohl auszuführen, wobei erhebliche Materialeinsparungen möglich werden. Das Bauteil muss seine mechanische Stabilität dann durch die entsprechende Ausgestaltung der Verstrebungen innerhalb der Hohlräume, sowie der Übergänge zwischen mechanisch stabilisierenden Bereichen nach obiger Konstruktionsregel erhalten.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Bauteil aus einem Eisenbasiswerkstoff hergestellt. Dies ermöglicht eine einfache und kostengünstige Herstellung auf bereits großserienreifen Werkzeugen. Vorteilhafter Weise ist der Eisenbasiswerkstoff ein austenitischer oder martensitischer oder ferritischer oder Duplex-Werkstoff. Dies ermöglicht die Herstellung von korrosionsfesten Bauteilen. Die Herstellung der für die genannten Hochenergiestrahlverfahren benötigten Pulver ist ebenfalls kostengünstig und einfach. Dies wird noch deutlicher, wenn der Eisenbasiswerkstoff vorteilhaft ein Grau- oder Sphäroguss-Werkstoff ist.
Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. Die Zeichnung 1 zeigt die erfindungsgemäße Methode zur Konstruktion der Kerbe zwischen zwei Bereichen eines Strömungsführenden Bauteils. Zeichnung 2 erläutert die Anwendung der erfindungsgemäßen Methode zur Konstruktion an einem Kreiselpumpenlaufrad, sowie die Vorteile einer generischen Fertigung.
Die 1 zeigt eine beliebige Stelle an der die Kontur eines Bauteils von einem ersten Bereich 1 unstetig in einen zweiten Bereich 2 übergeht, wobei die beiden Bereiche einen Winkel 3 einschließen. An dieser Unstetigkeitsstelle entwickeln sich erhebliche Spannungen, die durch einen geeignet konstruierten geometrischen Verlauf stark deutlich beeinflusst werden können. Im Falle einer Sollbruchselle möchte man die Spannungen nutzen, um das Bauteil bei einer Schwellbelastung gezielt an der Unstetigkeitsstelle brechen zu lassen. Meist ist jedoch das Gegenteil erwünscht und die Unstetigkeitsstelle soll gegen die anliegenden Kräfte ausreichend belastbar sein. Traditionell wird hier eine sogenannte Ingenieurskerbe vorgesehen, die den Scharfen Winkel durch eine Rundung mit ausgewähltem Radius ausgestaltet.
Anhand verschiedener Beobachtungen in der Natur hat sich eine Methode zur Gestaltung der Kerbe entwickelt, die einfach zu konstruieren ist und dennoch die Kraftverhältnisse an der Unstetigkeitsstelle so aufnimmt, dass die Belastungen des Bauteils bei minimalem Konstruktions- und Fertigungsaufwand sehr stark reduziert werden können. Hierzu wird durch den Winkel 3 eine Winkelhalbierende 4 konstruiert. Ein Punkt 5 wird auf dieser Winkelhalbierenden 4 ausgewählt. Durch diesen Punkt 5 werden senkrecht zu den Bereichen 1 und 2 die Geraden 6 und 7 gelegt. Zu diesen Geraden 6 und 7 werden im Punkt 5 unter dem Winkel 8 zu 45° Geraden angelegt, die die Bereiche 1 und 2 schneiden, wobei im Bereich 2 der Schnittpunkt 11 festgelegt wird. Die Strecke zwischen dem Punkt 5 und dem Punkt 11 wird halbiert, wodurch man den Punkt 9 erhält, an den unter dem Winkel 10 zu 22,5° eine Gerade angelegt wird, die den Bereich 2 in Punkt 13 schneidet. Die Strecke zwischen dem Punkt 9 und dem Punkt 13 wird wieder halbiert, wodurch man den Punkt 12 erhält, an den unter dem Winkel 14 zu 12,2° eine Gerade angelegt wird, die den Bereich 2 im Punkt 15 schneidet. Die Einhüllende dieser Konstruktion ergibt eine Kontur, die verschiedene Unstetigkeitsstellen aufweist. Dies wäre für eine zerspanende Bearbeitung eher nachteilig. in einem generativen Herstellverfahren, wo das Werkstück durch aneinandersetzen einzelner Volumenelemente oder Materialschichten erstellt wird, wo also in diskreten Einheiten gearbeitet wird, kann eine derartige Konstruktion ideal in ein Werkstück umgesetzt werden.
Die vorgestellte Konstruktion geht von einer nicht symmetrischen Belastung eines Bauteils aus. Würde das Bauteil symmetrisch belastet, beispielsweise durch einen wechselweisen Links-/Rechtslauf, dann ließe sich die Konstruktion symmetrisch in Richtung des ersten Bereichs 1 auf analoge Weise ergänzen.
Die 2 zeigt eine beispielhafte Anwendung für die erfindungsgemäße Konstruktions- und Herstellungsmethode. In der 2a ist ein Laufrad 16 dargestellt, wie es beispielsweise in einer Kreiselpumpe zum Einsatz kommt. Das Laufrad 16 weist einen Nabenbereich 17 und eine Deckscheibe 20 auf. Weitere Details sind der 2b zu entnehmen. Hier sind die Laufrandschaufeln 18 und eine weitere Deckscheibe zu sehen. Ein derartiges Laufrad mit den beiden Deckscheiben 20 und 19 wird als geschlossenes Laufrad bezeichnet. Die Laufradschaufeln 18 weisen sowohl im Bereich der Laufradnabe 17 als auch im Bereich der Deckscheiben 19 und 20 jeweils Übergänge 21 und 22 auf, die den in 1 beschriebenen entsprechen. Im Bereich der Deckscheibe 19 lässt sich der Übergang 21 so beschreiben, dass die Fläche der Deckscheibe 19 den ersten Bereich 1 und das Laufrad 16 den zweiten Bereich 2 darstellt. Die an der Unstetigkeitsstelle zwischen den beiden Bereichen 1 und 2 auftretenden Kräfte lassen sich aus den Parametern des Laufrades, der Flüssigkeit der Pumpe und der Anwendung ermitteln. Anhand dieser Kräfte wird der Punkt 5 in der zu konstruierenden Kerbe festgelegt. Mit diesem Punkt wird die Kerbe konstruiert. Wird das Laufrad 16 beispielsweise in einem 3d Druckverfahren hergestellt, so können die Konturen der Übergänge 21 und 22 an jeder Steile des Laufrades mit der Genauigkeit der Auflösung des Druckverfahrens hergestellt werden, ohne dass irgendeine Nachbearbeitung notwendig sein wird. Diese besonders vorteilhafte Kontur, die mit herkömmlichen spanenden Verfahren nicht mit entsprechender Formtreue herstellbar wäre, kann selbst an Stellen Konstruiert werden, die mit Werkzeugen zur Nachbearbeitung gar nicht erreichbar wären, was aus der 2 zunächst nicht direkt ableitbar ist.
Das Vorgestellte Konstruktions- und Herstellungsprinzip verknüpft den Effekt eines generischen 3d Druck-Herstellverfahrens, das prinzipbedingt mit diskreten Elementen arbeitet, in dem einzelne Voxel oder Schichten an ein Werkstück gefügt werden mit einer Methode der Optimierung einer nichtstetigen Oberflächengeometrie. Im Ergebnis kann auf eine weitere Nachbearbeitung des Werkstücks, bei der die einzelnen Schichten der Herstellung zu einem kontinuierlichen Körper „geglättet” werden müssen verzichtet werden.
Die Anwendung bei dem gezeigten geschlossen Laufrad zeigen bereits die Vorteile bei der Herstellung und das Potenzial zur Materialeinsparung bei sorgfältiger Konstruktion. Besonders vorteilhaft kann die erfindungsgemäße Methode angewendet werd in einem Innenraum, der nach der Herstellung des Rohteils gar nicht mehr von außen zugänglich ist.
Bezugszeichenliste

1: Erster Bereich
2: Zweiter Bereich
3: Winkel
4: Winkelhalbierende
5: Punkt
6: Rechter Winkel
7: Rechter Winkel
8: Winkel zu 45°
9: Punkt
10: Winkel zu 22,5°
11: Schnittpunkt
12: Punkt
13: Punkt
14: Winkel zu 12,25°
15: Punkt
16: Laufrad
17: Laufradnabe
18: Laufradschaufeln
19: Deckscheibe
20: Deckscheibe
21: Übergang
22: Übergang

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 1785590 A1 [0004]

Claims

Strömungsführendes Bauteil, wobei bei dem Bauteil Übergänge zwischen einzelnen Bereichen durch Kerben behaftet sind, wobei das Lastkollektiv der Kerbe rechnerisch ermittelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerben, die Von außen nur schwer und/oder gar nicht direkt zugänglich sind, entsprechend ihrer mechanischen Beanspruchung geometrisch ausgeformt sind.
Strömungsführendes Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerbe so ausgeführt ist, das ein Übergang bei dem Bauteil von einem ersten Bereich 1 zu einem zweiten Bereich 2 einen Winkel 3 einschließt, wobei die Winkelhalbierende des Winkels 3 ermittelt ist, wobei entlang dieser Winkelhalbierenden ein Punkt 5 bestimmt ist, wobei jeweils ein Lot von einem der Bereiche (1, 2), die den Winkel 3 bilden, durch den Punkt 5 gefällt ist, wobei durch den Punkt 5 an das Lot eine Gerade mit einem Winkel 8 von 45° angelegt ist, wobei durch den Schnitt dieser Geraden mit dem Bereich (2) eine Strecke festgelegt ist, deren Mitte der Punkt 9 festlegt, wobei an den Punkt 9 eine Gerade mit einem Winkel 10 von 22,5° an die Strecke angelegt wird, die den Bereich (2) im Punkt 11 schneidet, wobei die einhüllende dieser Konstruktion die geometrische Ausgestaltung der Kerbe vorgibt.
Strömungsführendes Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil mit einem generativen Verfahren hergestellt ist, bei dem insbesondere Metallpulver durch ein Strahlschmelzverfahren wie beispielsweise Laser- oder Elektronenstrahlschmelzen zu einem Bauteil verbunden werden.
Strömungsführendes Bauteil nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Kerbe im Innern des Bauteils angeordnet ist, insbesondere in einem Hohlraum und oder einer Hinterschneidung.
Strömungsführendes Bauteil nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein Pumpenbauteil, insbesondere einer Kreiselpumpe ist.
Strömungsführendes Bauteil nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein Kreiselpumpenlaufrad ist.
Strömungsführendes Bauteil nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein Inducer ist.
Strömungsführendes Bauteil nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil aus einem Eisenbasiswerkstoff hergestellt ist.
Strömungsführendes Bauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Eisenbasiswerkstoff ein austenitischer oder martensitischer oder ferritischer oder Duplex-Werkstoff ist.
Strömungsführendes Bauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Eisenbasiswerkstoff ein Grau- oder Sphäroguss-Werkstoff ist.