DE102018214650A1

DE102018214650A1 - Strömungsführende Vorrichtung

Info

Publication number: DE102018214650A1
Application number: DE102018214650.0A
Authority: DE
Inventors: Patrick THOME; Björn Will
Original assignee: KSB SE and Co KGaA
Current assignee: KSB SE and Co KGaA
Priority date: 2018-08-29
Filing date: 2018-08-29
Publication date: 2020-03-05
Also published as: WO2020043564A1; EP3844396A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine strömungsführende Vorrichtung, insbesondere eine Armatur oder eine Kreiselpumpe. Die Vorrichtung weist ein Bauteil auf, das aus einem nichtmetallischen Werkstoff besteht bzw. mit einem nichtmetallischen Werkstoff beschichtet ist. Erfindungsgemäß wird dazu ein Werkstoff verwendet, der eine Matrix aufweist, in der Bestandteile eines Mineralisationsprozesses angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine strömungsführende Vorrichtung, insbesondere eine Armatur oder eine Kreiselpumpe, die ein Bauteil aufweist, das aus einem nichtmetallischen Werkstoff besteht und/oder mit einem nichtmetallischen Werkstoff beschichtet ist.
Es ist bekannt, bei Pumpen oder Armaturen, die von aggressiven Flüssigkeiten wie beispielsweise Chemikalien durchströmt werden oder hochabrasive Medien fördern, die einen gewissen Feststoffanteil aufweisen, die strömungsführende Teile aus korrosionsbeständigen nichtmetallischen Werkstoffen herzustellen oder diese Teile mit einem Überzug aus Gummi, Kunststoff oder Email zu versehen.
Herkömmliche Werkstoffe, die dabei eingesetzt werden, sind begrenzt in Bezug auf ihre Festigkeit bzw. ihre Korrosionsbeständigkeit. Auch weisen herkömmliche Werkstoffe nur eine begrenzte Verschleißhinderung beim Kontakt mit dem strömenden Medium auf.
Bei Pumpen und Armaturen ist die Sicherstellung eines reibungsfreien Betriebs von großer Bedeutung, weil ein Ausfall mit hohen Kosten verbunden ist. Daher muss gewährleistet sein, dass alle Bauteile der strömungsführenden Vorrichtung, die mit dem Medium in Kontakt kommen, eine hohe Lebensdauer aufweisen und eine reibungslose Funktionsfähigkeit gewährleisten. Weiterhin ist sicherzustellen, dass die Vorrichtung möglichst kompakt gefertigt werden kann und keine allzu dicken Wandstärken erforderlich sind, um die erforderliche Festigkeit des Bauteils zu gewährleisten.
Um Korrosionseffekte bei metallischen Werkstoffen mit Flüssigkeitsbenetzung zu reduzieren, werden häufig spezielle Oberflächenbehandlungen vorgenommen. Auch der Einsatz von sogenannten „Opferanoden“ ist zum Korrosionsschutz vorgesehen. Auch kommen spezielle Stähle zum Einsatz wie beispielsweise sogenannte Duplex-Stähle. Diese weisen ein zweiphasiges Gemisch auf, das aus einem Ferrit mit Inseln aus Austenit besteht. Duplexstähle zeichnen sich durch ihre Kombination von Eigenschaften aus, die eine Mischung aus den Eigenschaften rostfreier Chromstähle und rostfreier Chromnickelstähle darstellen. Sie haben höhere Festigkeiten als die rostfreien ChromNickelstähle, weisen aber eine höhere Duktilität als rostfreie Chromstähle auf. Duplexstähle sind verhältnismäßig kostspielig und weisen ein hohes Gewicht auf.
Durch den Kontakt mit dem strömenden Medium kann es zu einem Abtrag an Material in der strömungsführenden Vorrichtung kommen. Dieser Abtrag wird auch als Abrasion bezeichnet. Abrasionserscheinungen können die Funktionsfähigkeit der Vorrichtung stark beeinträchtigen. insbesondere wenn sich zusätzliche Partikel in der Strömung befinden, beispielsweise Feststoffpartikel wie Sand, kann dies zu einem starken Abtrag an Material kommen. Verschleißfeste Werkstoffe sind dann zwingend notwendig, um die Abrasion zu minimieren.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine strömungsführende Vorrichtung anzugeben, deren Bauteile eine hohe Festigkeit und eine hohe Lebensdauer aufweisen und somit eine reibungsfreie Funktionalität der Vorrichtung gewährleisten. Die Vorrichtung soll sich durch eine kompakte Bauweise und durch ein möglichst geringes Gewicht auszeichnen. Weiterhin soll die Vorrichtung vielseitig einsetzbar sein, auch zur Förderung von unterschiedlichen Medien. Zudem soll sich die Vorrichtung durch eine möglichst preiswerte Herstellungsweise auszeichnen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung und eine Verwendung gemäß der Nebenansprüche gelöst. Bevorzugte Varianten sind den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.
Erfindungsgemäß weist die strömungsführende Vorrichtung ein Bauteil auf, das aus einem ganz spezifischen Werkstoff besteht, bzw. beschichtet ist, der auf eine ganz charakteristische Weise aufgebaut ist. Dieser Werkstoff besitzt eine Matrix, in der Bestandteile eines Mineralisationsprozesses angeordnet sind. Bei diesem Werkstoff handelt es sich um ein Verbundmaterial, das einen hierarchischen Aufbau aufweist, wobei in der Matrix mineralische Bestandteile eingebunden sind.
Solche Materialien sind prinzipiell bekannt und kommen auch in der Natur vor, beispielsweise in Form von Perlmutt. Die Materialien können auch künstlich hergestellt werden. Erfindungsgemäß werden Materialien zur Gestaltung von speziellen Bauteilen in strömungsführenden Vorrichtungen eingesetzt.
Bisher war es nicht möglich, diese Materialien in strömungsführenden Vorrichtungen einzusetzen bzw. man hat eine solche Verwendung niemals in Betracht gezogen, da man davon ausging, dass diese den Anforderungen und Betriebsbedingungen nicht gewachsen waren. Zudem konnten diese Bauteile bisher nie aus diesem spezifischen Werkstoff produziert werden bzw. mit diesem beschichtet werden.
Die erfindungsgemäße Verwendung eines Werkstoff, der eine Matrix aufweist, in der Bestandteile eines Mineralisationsprozesses angeordnet sind zur Fertigung von Bauteile einer strömungsführenden Vorrichtung bringt besondere Vorteile mit sich.
Die Erfindung schafft nun eine Vorrichtung, die enorme Vorteile gegenüber herkömmlichen strömungsführenden Vorrichtungen bietet. Der erfindungsgemäße Einsatz von Bauteilen in strömungsführenden Vorrichtungen, die aus einem Werkstoff bestehen, der eine Matrix aufweist, in dem Bestandteile eines Mineralisationsprozesses angeordnet sind, schafft Pumpen bzw. Armaturen, die eine hohe Lebensdauer aufweisen und enorm beständig sind gegenüber Korrosion und Abrasion sind. Abrasion ist eine Form des Verschleißes und wird durch den mechanischen Angriff der festen Bestandteile in dem Fördermedium auf die Werkstoffoberfläche verursacht.
Der erfindungsgemäße Einsatz dieses Werkstoffes in Pumpen und Armaturen führt zu einer Verbesserung der Festigkeit und des Verschleißverhaltens, bei gleichzeitiger Verbesserung des Korrosionsverhaltens. Im Vergleich zu hochfesten Werkstoffen, wie beispielsweise Keramiken, die oftmals sehr spröde sind, weist der erfindungsgemäße Einsatz dieses spezifischen Werkstoffs eine hohe Duktilität auf. Somit lässt sich dieser Werkstoff gut unter Belastung plastisch verformen, bevor er versagt.
Bisher wurden in Pumpen und Armaturen Bauteile lediglich aus Werkstoffen eingesetzt, die, wenn sie sehr hart und äußerst verschleißbeständig waren, auf der anderen Seite keine ausreichende Korrosionsbeständigkeit hatten. Umgekehrt wurden bisher Bauteile in Pumpen und Armaturen eingesetzt, die aus Werkstoffen bestanden, die zwar eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufweisen, aber auf der anderen Seite nicht ausreichend verschleißbeständig waren bzw. nicht hart genug waren und demzufolge nicht den Anforderungen an die benötigte Festigkeit gewachsen waren. Im Gegensatz dazu bietet der Einsatz dieser neuen Bauteile aus dem spezifischen Werkstoff eine Kombination aus hoher Verschleißbeständigkeit, hoher Korrosionsbeständigkeit und gleichzeitig ausreichender Festigkeit.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht in einer Gewichtsreduktion durch den erfindungsgemäßen Einsatz des spezifischen Materials.
Vorzugsweise besteht der eingesetzte Werkstoff zu mindestens 75 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 85 Gew.-% und insbesondere mindestens 95 Gew.-% aus einer Kalziumverbindung. Dabei erweist es sich als besonders vorteilhaft, wenn Kalziumcarbonat eingesetzt wird, insbesondere in der Modifikation Aragonit. Der restliche Anteil des Werkstoffs kann dann beispielsweise aus einer organischen Substanz bestehen, die die Matrix bildet bzw. die zusätzlich zur Matrix in dem Material vorhanden ist.
Bei einer besonders vorteilhaften Erfindung besteht somit ein Großteil des Werkstoffs aus Aragonit, der vorzugsweise in Form von pseudohexagonalen Plättchen mit 5 bis 15 µm Durchmesser und einer Höhe von ca. 0,5 µm vorhanden ist. Als besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn diese Aragonitplättchen horizontal zu einzelnen Schichten zusammengefügt sind. Vertikal und somit quer zu einer Schalenebene sind die Plättchen vorzugsweise ziegelsteinartig alternierend angeordnet. Zwischen den einzelnen Plättchen erstreckt sich dann sowohl in der Schalenebene als auch senkrecht dazu die Matrix. Vorzugsweise handelt es sich dabei um eine organische Matrix, die insbesondere pöros ausgebildet ist.
Bei einer Variante der Erfindung kommt ein Werkstoff zum Einsatz, der eine wasserunlösliche Matrix besitzt. Beispielsweise kann Chitin zum Einsatz kommen. Bei einer Variante der Erfindung ist dieses Chitin beidseitig mit verschiedenen Proteinen belegt. Bei einer Variante kommt ein Seiden-Fibroin zum Einsatz. Dabei handelt es sich um das Protein β-Keratin, das zu einer Strukturverbesserung beiträgt, wobei insbesondere die Duktilität gesteigert wird.
Bei einer alternativen Variante der Erfindung kommt eine wasserlösliche Matrix zum Einsatz. Beispielsweise kann die wasserlösliche Matrix aus Proteinen bestehen.
Bei einer Variante der Erfindung kommt in der Pumpe bzw. Armatur ein Inlet zum Einsatz, das aus dem spezifischen Werkstoff besteht bzw. mit dem spezifischen Werkstoff beschichtet ist. Bei dem Inlet kann es sich beispielsweise um eine Hülse handeln. Diese Hülse kann rohrförmig bzw. in Form eines Hohlzylinders ausgeführt sein, die beispielsweise eine Welle umgibt und eine Wellenschutzhülse bildet. Es ist auch denkbar, dass ein Vollzylinder als Bauteil in der Pumpe bzw. der Armatur zum Einsatz kommt, der aus diesem spezifischen Werkstoff gefertigt ist. Der Vollzylinder kann beispielsweise eine Welle bilden.
Bei einer besonders günstigen Ausführung der Erfindung ist ein Spaltring aus dem spezifischen Werkstoff gefertigt bzw. mit diesem beschichtet. Spaltringe sind Bauteile, die bei Spaltringdichtungen zum Einsatz kommen. Spaltringdichtungen dienen beispielsweise in Kreiselpumpen zur Abdichtung von Räumen unterschiedlicher Drücken, wobei in einer Trennwand zwischen den Räumen ein rotierendes Element angeordnet ist. Die Spaltringdichtung umfasst ein nicht rotierendes Element und ein rotierendes Element. Bei dem nicht rotierenden Element kommt dabei vorzugsweise ein Spaltring zum Einsatz, der am Gehäuse angeordnet ist. Der Spalt, der zwischen dem rotierenden Element und dem nicht rotierenden Element gebildet wird, wirkt als Drossel zwischen den Räumen, die unterschiedliche Drücke aufweisen und verhindert einen zu hohen Strom vom Raum mit dem höheren Druck in den Raum mit dem niedrigeren Druck.
Der Strom führt zu einem Leistungsverlust, der auch als Spaltverlust bezeichnet wird. Durch den Einsatz eines Spaltringes, der aus dem spezifischen Material besteht bzw. mit diesem beschichtet ist, wird ein Bauteil geschaffen, das eine hohe Festigkeit, eine hohe Korrosionsbeständigkeit und gleichzeitig eine hohe Verschleißbeständigkeit aufweist. Dadurch werden Spaltringdichtungen kreiert, die eine besonders lange Lebensdauer aufweisen und nur einen geringen Spaltverlust haben. Dies spielt insbesondere eine Rolle, weil der Spaltring als feststehendes Bauteil mit einem bewegten Bauteil zusammenwirkt, zwischen denen der Spalt gebildet wird. Somit bringt der Einsatz des neuen Materials erhebliche Vorteile mit sich.
Bei einer anderen Variante der Erfindung ist eine Passfeder aus dem spezifischen Material gefertigt bzw. mit diesem beschichtet. Bei einer Passfeder handelt es sich um ein Element, durch das vorzugsweise eine Welle-Nabe-Verbindung realisiert wird. Eine solche Verbindung ist formschlüssig und dient der Übertragung von Drehmomenten. Der Einsatz eines Bauteils aus dem spezifischen Werkstoff bietet für solche Passfedern besondere Vorteile. Insbesondere die Duktilität des Werkstoffes kann ein Versagen der Passfeder im Gegensatz zu herkömmlichen Varianten verhindern. Gleichzeitig weist die erfindungsgemäße Passfeder eine hohe Festigkeit auf. Diese Kombination bietet enorme Vorteile.
Das ist insbesondere der Fall, wenn die Welle ihre Richtung wechselt bzw. bei An- und Abfahrprozessen. Durch die Duktilität werden die Belastungen abgefangen. Gleichzeitig gewährleistet die hohe Festigkeit eine reibungslose Übertragung des Drehmomentes.
Das Bauteil aus dem spezifischen Werkstoff kann mit einem weiteren Bauteil verbunden werden oder als Verbindungselement dienen. Dabei erweist es sich als besonders vorteilhaft, wenn das Element mittels Kleben und/oder Formschluss mit einem weiteren Bauteil, vorzugsweise einem metallischen Bauteil, verbunden ist.
Bei einer Variante der Erfindung wird als Bauteil ein Laufrad eingesetzt, welches entweder vollständig aus dem spezifischen Werkstoff gefertigt ist oder mit diesem beschichtet ist. Es ist auch denkbar, dass lediglich die Schaufeln aus dem Werkstoff gefertigt oder beschichtet sind und die Nabe beispielsweise aus einem metallischen Werkstoff besteht. Alternativ kann auch die Nabe aus dem Werkstoff gefertigt sein bzw. mit diesem beschichtet sein und/oder die Schaufeln sind aus einem anderen Werkstoff, beispielsweise einem metallischen Werkstoff, gefertigt. Dadurch wird ein äußerst verschleißfestes Laufrad geschaffen, das auch für abrasive Medien einsetzbar ist. Weiterhin ist das erfindungsgemäße Laufrad gleichzeitig korrosionsbeständig gegen Chemikalien wie beispielsweise Säuren oder Laugen. Somit kann mit dem erfindungsgemäßen Laufrad ein Medium gefördert werden, das Feststoffbestandteile enthält, beispielsweise Sandpartikel, und gleichzeitig auch Chemikalien, wie beispielsweise Säuren oder Laugen.
Ergänzend oder alternativ kann auch ein Lager, beispielsweise einer Kreiselpumpe, mit Bauteilen ausgestattet sein, die aus dem spezifischen Material bestehen oder mit diesem beschichtet sind. Dabei kann es sich sowohl um das Axiallager als auch um Radiallager handeln. Als Bauteile können Käfige der Lager oder auch rotierende Bestandteile wie Kugeln oder Zylinder der Lager aus dem Material gefertigt sein bzw. mit dem Material beschichtet sein.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen und aus den Zeichnungen selbst.
Dabei zeigt

1 eine Schnittdarstellung einer Kreiselpumpe,
2 eine Schnittdarstellung einer Armatur.

1 zeigt eine Schnittdarstellung durch eine Kreiselpumpe. Durch den Saugmund 1, der von einem Gehäuse 2 gebildet wird, tritt das Medium in die Kreiselpumpe ein und wird vom rotierenden Laufrad 3 erfasst. Das Laufrad 3 ist im Ausführungsbeispiel als Radialrad ausgeführt. Das Laufrad 3 ist rotationsfest mit einer um eine Drehachse A drehende Welle 4 verbunden.
Die Kreiselpumpe, weist Dichtungen 5 auf. Die Dichtungen 5 sind zwischen den rotierenden Bauteilen und dem Gehäuse 2 angeordnet. Die Dichtungen 5 umfassen vorzugsweise ringförmige Elemente.
Die Welle 4 wird mit Lagern 6 abgestützt. Dabei kann es sich um Axiallager und/oder Radiallager handeln.
Bei einer Ausführung der Erfindung ist bei mindestens einer Dichtung 5 ein Spaltring aus dem spezifischen Werkstoff gefertigt bzw. mit diesem beschichtet. Dabei umfasst die Dichtung 5 ein nicht rotierendes Element und ein rotierendes Element. Bei dem nicht rotierenden Element kommt dabei vorzugsweise ein Spaltring zum Einsatz, der am Gehäuse angeordnet ist. Der Spalt, der zwischen dem rotierenden Element und dem nicht rotierenden Element gebildet wird, wirkt als Drossel zwischen den Räumen, die unterschiedliche Drücke aufweisen und verhindert einen zu hohen Strom vom Raum mit dem höheren Druck in den Raum mit dem niedrigeren Druck.
Durch den Einsatz eines Spaltringes, der aus dem spezifischen Material besteht bzw. mit diesem beschichtet ist, wird ein Bauteil geschaffen, das eine hohe Festigkeit, eine hohe Korrosionsbeständigkeit und gleichzeitig eine hohe Verschleißbeständigkeit aufweist. Dadurch werden Dichtungen 5 kreiert, die eine besonders lange Lebensdauer aufweisen und nur einen geringen Spaltverlust haben. Dies spielt insbesondere eine Rolle, weil der Spaltring als feststehendes Bauteil mit einem bewegten Bauteil zusammenwirkt, zwischen denen der Spalt gebildet wird. Somit bringt der Einsatz des neuen Materials erhebliche Vorteile mit sich. Dies ist nicht auf Spaltringe beschränkt sondern kann beliebige Bauteile der Pumpe betreffen.
2 zeigt eine Armatur in Form eines Ventils. Die Armatur weist zwei Anschlussflansche 7 auf. In der Armatur wird ein Ventilsitz 8 ausgebildet. Senkrecht zu diesem Ventilsitz 8 ist ein Absperrkörper 9 beweglich angeordnet, der über eine Betätigungsanordnung 10 in vertikaler Richtung bewegt werden kann. Bei der Armatur kann der komplette Innenraum mit dem spezifischen Werkstoff ausgekleidet sein, der eine Matrix aufweist, in der Bestandteile eines Mineralisationsprozesses angeordnet sind. Dadurch wird der komplette Innenraum des Ventils vor korrosiven und gleichzeitig vor abrasiven Medien geschützt. Somit wird eine sehr langlebige Armatur geschaffen.
Bei einer Variante der Erfindung ist der Sitz des Ventils aus dem speziellen Material gefertigt bzw. mit diesem beschichtet. Ergänzend oder alternativ kann auch der Absperrkörper 9 aus dem Material komplett gefertigt sein oder mit diesem beschichtet sein.

Claims

Strömungsführende Vorrichtung, insbesondere eine Armatur oder eine Kreiselpumpe, die ein Bauteil aufweist, das aus einem nichtmetallischen Werkstoff besteht und/oder mit einem nichtmetallischen Werkstoff beschichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff eine Matrix aufweist, in der Bestandteile eines Mineralisationsprozesses angeordnet sind.
Strömungsführende Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff aus zumindest 75 Massenprozent, vorzugsweise aus zumindest 85 Massenprozent, insbesondere aus zumindest 95 Massenprozent aus einer Kalziumverbindung besteht, vorzugsweise aus Kalziumcarbonat in der Modifikation Aragonit.
Strömungsführende Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix als poröse organische Struktur ausgebildet ist.
Strömungsführende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix wasserunlöslich ist.
Strömungsführende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix wasserlöslich ist.
Strömungsführende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix Proteine aufweist, vorzugsweise vollständig aus Proteinen besteht.
Strömungsführende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix aus Chitin besteht.
Strömungsführende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil als Inlet ausgeführt ist.
Strömungsführende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil als Spaltring ausgeführt ist.
Strömungsführende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil als Passfeder ausgeführt ist.
Strömungsführende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil als Verbindungselement ausgeführt ist und mit einem metallischen Bauteil mittels Klebens und/oder Formschluss verbunden ist.
Strömungsführende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil als Laufrad (3) ausgeführt ist.
Strömungsführende Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil als Lager (6) ausgeführt ist, insbesondere als Axiallager und/oder Radiallager einer Kreiselpumpe.
Verwendung eines Bauteils, das aus einem nichtmetallischen Werkstoff besteht und/oder mit einem nichtmetallischen Werkstoff beschichtet ist in einer strömungsführenden Vorrichtung, insbesondere in einer Armatur oder einer Kreiselpumpe, wobei der Werkstoff eine Matrix aufweist, in der Bestandteile eines Mineralisationsprozesses angeordnet sind.