DE112011100312T5

DE112011100312T5 - Verfahren zur Herstellung des Laufrads eines Kreiselverdichters

Info

Publication number: DE112011100312T5
Application number: DE112011100312T
Authority: DE
Inventors: Juha Karvinen
Original assignee: Runtech Systems Oy
Current assignee: Runtech Systems Oy
Priority date: 2010-01-21
Filing date: 2011-01-13
Publication date: 2012-10-25
Also published as: FI20105048A0; FI20105048A; CH704789B1; US20110173812A1; US9492970B2; WO2011089312A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Verbundmateriallaufrads eines Kreiselverdichters oder -gebläses, wobei das Laufrad direkt auf der Welle eines Elektromotors montiert wird. Das Verbundmateriallaufrad wird unter Verwendung eines RTM-Prozesses hergestellt, wobei das RTM-Formwerkzeug einen Kern und genau zugeschnittene Gewebe hat, die so darin platziert werden und derart eine Struktur bilden, dass die Gewebelagen oder Vorformlinge auf den Kern gezogen werden, wodurch eine maximal optimierte Nutzung von Materialien in der Struktur erreicht wird.

Description

Die Erfindung betrifft gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ein Verfahren zur Herstellung des Laufrads eines Kreisel-, das heißt Radialverdichters oder -gebläses. Des Weiteren betrifft die Erfindung die Verwendung desselben gemäß Anspruch 9.
Im Stand der Technik ist eine große Anzahl von verschiedenen Arten von Verdichtern und Gebläsen bekannt, die bei verschiedenen Anwendungen zum Einsatz kommen. Insbesondere wird bei industriellen Anwendungen das Pumpen von Gasen mit Hilfe von Kreiselverdichtern, die auch als Radialverdichter bekannt sind, und Radialgebläsen erreicht. In der Regel umfasst diese Art von Gebläsekonstruktion ein rotierendes Laufrad, wie zum Beispiel in 1 gezeigt, das zur Beschleunigung des Gasstroms durch Zentrifugalkraft dient, und eine spiralförmige Strömungsleitmantelkonstruktion, die als Gehäuse bezeichnet wird. Sowohl das Laufrad als auch das Gehäuse sind in der Regel aus Stahlblech oder einem anderen Metallblech hergestellt. Des Weiteren besteht die Metallblechkonstruktion herkömmlicherweise aus zweidimensionalen (2D-)Elementen.
Um höhere Drücke oder einen höheren Pumpwirkungsgrad zu erreichen, muss die Strömungsdynamik des Laufrads und des Gehäuses verbessert werden. Dazu müssen sowohl das Laufrad als auch das Gehäuse eine dreidimensionale (3D-)Geometrie aufweisen. Da die Herstellung solch einer Konstruktion aus Blechelementen unpraktisch ist, wird in der Regel Gießen als Herstellungsverfahren eingesetzt. Neben der Wahl der verschiedenen Herstellungsverfahren wird die Gebläsekonstruktion mit einem als Diffusor bekannten Kanal komplettiert, der zwischen dem Laufrad und dem Spiralgehäuse ausgeführt ist, um dynamischen Druck in statischen Druck umzuwandeln. Diese Art von Konstruktion wird allgemein als Verdichter bezeichnet. Die beigefügte 2 zeigt eine Schnittansicht eines auf der Welle eines Elektromotors angebrachten Verdichters.
Der oben beschriebene Lösungsansatz zum Erreichen eines höheren Auslassdrucks erfordert im Allgemeinen, dass das Laufrad schneller angetrieben wird als die maximale Drehzahl, die durch einen Elektromotor bereitgestellt wird. Herkömmlicherweise ist die Erhöhung der Drehzahl des Laufrads mit Hilfe eines Übersetzungsgetriebes oder Keilriemenantriebs implementiert worden. Die Laufradantriebswelle ist so ausgeführt, dass sich die erste kritische Drehzahl der Welle unter der Istdrehzahl befindet. Diese Anordnung gestattet die Verwendung einer relativ dünnen Welle und eines schweren Laufrads. Die Drehzahl solch eines Verdichters ist jedoch insofern nicht einstellbar, als sich der Steuerbereich zu der kritischen Drehzahl erstrecken würde, die die Maschine beschädigen könnte.
Eine neuere Technologie zur Erhöhung der Drehzahl ist die Verwendung eines Frequenzwandlers. Dadurch können das Gebläse oder der Verdichter mit variabler Drehzahl gesteuert werden. Solch eine Lösung gestattet, dass das Laufrad direkt auf der Welle des Elektromotors montiert wird, ohne dass ein Übersetzungsgetriebe erforderlich ist. Die direkte Montage auf der Motorwelle stellt jedoch gewisse technische Zwänge. Die Konstruktion des Laufrads und seiner Antriebswelle muss so ausgeführt sein, dass die erste kritische Drehzahl höher ausgelegt ist als die maximale Antriebsdrehzahl, wodurch eine relativ dicke Welle erforderlich ist. Dennoch gibt es eine Grenze für die Verwendung einer dicken Welle, da auch der Durchmesser von Lagern durch die gleiche Maßnahme zunimmt. Die maximale Betriebsdrehzahl eines Lagers ist umgekehrt proportional zu dem Lagerdurchmesser, was bedeutet, dass ein kleinerer Durchmesser eine höhere Betriebsdrehzahl gestattet. Ein weiterer Faktor, der die kritische Drehzahl beeinflusst, ist die Masse des Laufrads. Je leichter das Laufrad, desto höher die kritische Drehzahl der Wellen-Laufrad-Konstruktion. Durch die obigen Gründe sind zur direkten Montage auf einer Motorwelle bestimmte Laufräder allgemein aus einer Leichtmetalllegierung oder einem Verbundmaterial hergestellt.
Eine typische Materialwahl für Hochleistungsverbundstrukturen ist ein so genanntes Prepreg-Material, dass allgemein mit Epoxidharz vorimprägniertes Kohlefasergewebe umfasst. Dieses Material wird in einem Flächengebildelager gelagert, da das Aushärten des Harzes einer erhöhten Temperatur bedarf. Während der Herstellung wird das imprägnierte Flächengebilde zunächst auf Raumtemperatur erwärmt und in einem Formwerkzeug laminiert. Das Formwerkzeug wird in einem Vakuumsack platziert, und Aushärten erfolgt in einem Autoklav. Dieser Prozess wird zur Herstellung von zum Beispiel bei den anspruchsvollsten Flugzeugstrukturen verwendeten Bauteilen eingesetzt. Aus Prepreg-Materialien hergestellte Bauteile sind aufgrund der großen Anzahl von Arbeitsstunden und der teuren Rohmaterialien ziemlich teuer. Des Weiteren hängt die Festigkeit einer Verbundstruktur von dem Fasergehalt der Struktur ab. In der Regel können aus Prepreg-Materialien hergestellte Bauteile einen Fasergehalt von 60% erreichen, wodurch die Struktur in erster Linie aus Kohlefaser besteht.
Ein weiteres in der Technik verwendetes Verfahren ist das Resin Transfer Molding(RTM)Verfahren. Bei dem RTM-Verfahren wird das als Verstärkung verwendete Fasertuch in trockener Form in das Formwerkzeug platziert. Das Formwerkzeug wird geschlossen und das Harz wird unter Druck in das Formwerkzeug eingespritzt. Dieses Verfahren ist schneller als der Prepreg-Prozess und gestattet problemlos die Herstellung aus billigerer Faser als Kohlefaser. Umgekehrt ist der Fasergehalt in der Regel nur 40%, da die Produktstruktur im Grunde aus dem Harz besteht.
Wie oben beschrieben, ist RTM ein Herstellungsverfahren, das ein geschlossenes Formwerkzeug verwendet. Insbesondere wird das Harz in einen durch Formwerkzeugwände definierten Raum eingespritzt, wodurch das Verfahren auf dem Infundieren von flüssigem Harz in das trockene Verstärkungsgewebe unter Druckbeaufschlagung basiert. Die Anwendungen des RTM-Verfahrens umfassen Strukturelemente mit einer komplizierten Geometrie, die in der Regel unter hoher Belastung arbeiten. Als Verstärkungsmaterialien kann das RTM-Verfahren fast alle(s) trockene(n) Gewebe und Tuch, darunter Kohlefaserverstärkungen, verwenden. Die Matrixmaterialien können 1- oder 2-Komponenten-Epoxid-, Vinyl- oder Polyesterharze sein. Der Prozess verwendet geschlossene Formwerkzeuge, und die Verstärkungen werden im Allgemeinen vor dem Infusionsschritt vorgeformt. Die Vorzüge des Verfahrens sind ein hoher Grad an Konstruktionsintegration, eine hohe Toleranzqualität und eine qualitativ hochwertige Oberflächenstruktur, insbesondere in Kombination mit der Möglichkeit einer Verwendung eines hohen Grads an Automation.
Im Stand der Technik sind bestimmte Anordnungen zur Herstellung von Verbundlaufrädern bekannt, die jedoch unter Verwendung eines Prepreg-Prozesses implementiert werden. Eine Ausführungsform eines Verbundlaufrads, das direkt auf der Elektromotorwelle montiert ist, wird in der Patentveröffentlichung FI 101564 (Hulkkonen et. al) beschrieben. Darin ist das Laufrad aus einem Verstärkungsmaterial hergestellt, das im Wesentlichen aus Kohlefaser besteht. Das Herstellungsverfahren basiert auf einem Prepreg-Prozess. Die Herstellung von Laufrädern durch diesen Lösungsansatz ist sehr arbeitsintensiv, da die Vorbereitung einer dicken Laminatstruktur mehrere Zwischenvakuumpumpzyklen erfordert. Bei der Herstellung bedeutet dies, dass die Struktur nach Erreichen einer bestimmten Laminierungsdicke in einen Vakuumsack eingeführt werden muss, mit dessen Hilfe die Lagen fest gegeneinander komprimiert werden. Ein weiterer Faktor, der die Arbeitszeit verlängert, ergibt sich aus der maschinellen Bearbeitung des ausgehärteten Laufradrohlings auf die Endabmessungen. Maschinelle Bearbeitung ist arbeitsintensiv und schneidet Fasern. Besonders problematisch sind durchtrennte Fasern an der Eintrittskante der Laufradschaufel, die auf das mit einer hohen Geschwindigkeit strömende Gas trifft, wobei darauf hingewiesen werden muss, dass der Strom häufig eine bestimmte Menge an Partikeln mitführt.
Ein weiterer Prepreg-Prozess basiert auf dem Einbetten einer Aluminiumwabenstruktur oder eines geschäumten Kernmaterials in dicken Konstruktionen. Dieser Lösungsansatz wird allgemein von Flugzeugherstellern verwendet. Für die Herstellung eines Gebläselaufrads wird dieses Verfahren in der Patentveröffentlichung US 6402467 (Godichon et al.) beschrieben. Gemäß dieser Veröffentlichung werden die mit Kern versehenen Einlass-/Hinter-Scheiben und die Schaufeln des Laufrads getrennt hergestellt. Nach der Fertigstellung dieser Bauteile werden die notwendigen Bearbeitungsschritte durchgeführt. Die Bauteile weisen Führungsflächen auf, um das Miteinanderverbinden der Bauteile zu erleichtern. Vakuumbonden wird zur Fertigstellung des Laufrads eingesetzt. Im Allgemeinen ist ein Druckwerkzeug zur Sicherung eines homogenen Bonddrucks erforderlich. Die schwächste Stelle in einer aus getrennten Teilen zusammengefügten Struktur ist jedoch immer die Verbindungsnaht. Die Herstellung von Verbindungsnähten, die bei Serienfertigung mit gleichbleibender Qualität hohen Belastungen standhalten können, erfordert die Verwendung von teurer Ausrüstung und im Allgemeinen einen auf einem bestimmten zerstörungsfreien Prüfverfahren basierenden Qualifikationsschritt nach der Produktion.
Beide oben beschriebenen Herstellungsverfahren nach dem Stand der Technik sind sehr arbeitsintensiv. Des Weiteren sind in der praktischen Anwendung bestimmte andere Probleme aufgetreten. Im Vergleich zu metallischen Laufrädern werden alle Kohlefaser-Verbundstrukturen im Allgemeinen durch schlechtere Haltbarkeit unter erosiven Bedingungen beeinträchtigt. Dies ist auf die hohe Geschwindigkeit des auf das Laufrad auftreffenden Gases zurückzuführen. Im Allgemeinen weisen alle praktischen Anwendungen, die Gebläse oder Verdichter einsetzen, eine bestimmte Menge von Partikeln auf, die zusammen mit dem Gasstrom strömen. Auf die Verbundstruktur auftreffende feste Partikel verursachen abrasiven Verschleiß, der letztendlich das Laufrad beeinträchtigt. Durch die Verwendung von metallischen Verstärkungen an den kritischsten Punkten des Laufrads wird eine Lösung für dieses Problem gesucht.
Im Stand der Technik sind Herstellungsverfahren Erweiterungen herkömmlicher Techniken gewesen. In der Patentveröffentlichung US 6402467 wird eine Ausführungsform beschrieben, die ein Stahlschutzglied aufweist, das auf der Eintrittskante der Laufradschaufel platziert ist. Eine andere, ähnliche Struktur wird in der Patentveröffentlichung US 6264430 (Hulkkonen et al.) offenbart, in der die Austrittskante der Schaufel jeweils mit einer Metallabdeckplatte verstärkt worden ist. In der Praxis sind die oben beschriebenen Ausführungsformen problematisch gewesen. Insbesondere haben sich die Abdeckungen/Schutzvorrichtungen im Gebrauch aufgrund von Differenzen bei den Wärmeausdehnungskoeffizienten, hoher Drehzahl und aus ähnlichen Gründen getrennt, wodurch eine ernsthafte Beschädigung entsteht.
Weiterhin sei darauf hingewiesen, dass Prepreg-Materialen auch Zwänge für die Produktgeometrie bedeuten, da das Prepreg selbst sowie das Kernmaterial eher flächig sind und somit mit den Lamininierungs-3D-Strukturen nicht kompatibel sind. Folglich sind Ausführungsformen nach dem Stand der Technik durch mehrere Nachteile beeinträchtigt worden, die tatsächliche Fortschritte bei der Entwicklung von Verbundmateriallaufrädern verzögert haben.
Die Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht nun eine verbesserte Nutzung der Vorzüge einer Verbundkonstruktion. Demgemäß kann ein Gebläse oder Verdichter mit einem Verbundlaufrad ausgestattet sein, das direkt auf der Elektromotorwelle montiert ist. Das grundlegende Konzept der vorliegenden Erfindung besteht in der Verwendung eines Herstellungsverfahrens, das normalerweise in einem anderen Stand der Technik angewandt wird. Dieser Lösungsansatz gestattet die Implementierung einer Laufradkonstruktion für ein Gehäuse oder einen Verdichter ohne die oben beschriebenen mit dem Stand der Technik verbundenen Nachteile. Des Weiteren können die Struktur des Verbundmateriallaufrads und seine verschiedenen Anwendungen bei gleichzeitiger Optimierung der gesamten Maschinenfunktionen wesentlich verbessert werden. Insbesondere zeichnet sich die Erfindung durch die Verwendung des RTM-Prozesses bei der Herstellung eines Laufrads aus.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines völlig neuen Lösungsansatzes. Das Ziel der Erfindung besteht in der Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung des Laufrads eines Kreisel-, das heißt Radialverdichters oder Radialgebläses, wobei das Laufrad direkt auf der Welle eines Elektromotors montiert wird. Gemäß dem Verfahren wird ein Verbundmateriallaufrad unter Verwendung eines RTM-Prozesses hergestellt, wodurch der Kern und genau zugeschnittene Gewebe in das RTM-Formwerkzeug platziert werden. Ein kennzeichnendes Merkmal des Verfahrens besteht darin, dass die Gewebebahnen oder Vorformlinge über den Kern gezogen werden, so dass die Materialnettoausnutzung in der gesamten Struktur maximal optimiert ist. Gemäß der Definition der Erfindung bezieht sich eine maximal optimierte Produktion auf ein Produkt, bei dem nach Entnahme des Produkts aus der Form jegliche Nachbearbeitung des Produkts entfallen kann. Infolgedessen bietet das Verfahren insofern einen wesentlich kürzeren Arbeitszyklus, als keine Zeit bei Nachbearbeitung verloren geht.
Die Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung gestattet die Implementierung von Laufradstrukturen mit deutlich komplizierterer und technisch anspruchsvollerer Natur als jene des Stands der Technik. Gleichzeitig werden die die vorbekannten Techniken beeinträchtigenden Probleme vermieden. Die kennzeichnenden Merkmale der Erfindung tragen wesentlich zu der Struktur des Laufrads und dem in dem angehängten Anspruch definierten Verfahren zu seiner Herstellung bei. Somit bietet das erfindungsgemäße Verfahren bedeutende Vorteile.
Genauer ist die Erfindung durch das in den angehängten Ansprüchen offenbarte gekennzeichnet.
Im Folgenden wird die Erfindung durch Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen näher beschrieben; darin zeigen:
1 eine typische Verdichter- oder Gebläsekonstruktion;
2 eine Schnittansicht eines auf der Welle eines Elektromotors montierten Verdichters;
3 eine Kontur eines Kerns;
4 und 4a eine zugeschnittene Gewebelage, die an einer Schaufel in Form gefaltet ist;
5 eine Schnittansicht an drei Schaufeln nach Platzierung der Gewebe auf dem Kern;
6 eine Schnittansicht der Form und des Kerns; und
7 eine Tabelle, die die Abriebprüfungsergebnisse der Struktur darstellt.
1 und 2 zeigen die grundlegenden Komponenten eines typischen Verdichters. Wie in 1 dargestellt, umfasst die Konstruktion eines Verdichters oder Gebläses ein Laufrad, das zur Beschleunigung eines Gasstroms durch Zentrifugalkraft dient, und eine spiralförmige Strömungsteuerstruktur, die als Gehäuse bezeichnet wird. In der Schnittansicht von 2 wird die Konstruktion in einer Verdichterkonstruktion implementiert, die auf grundlegende Weise direkt auf der Welle eines in der in der vorliegenden Erfindung beschriebenen Struktur eingesetzten Elektromotors montiert wird. Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung umfasst der Prozess, wie in 3 dargestellt, Vorbereitung eines ersten zerbrechbaren/schmelzbaren/auflösbaren Kerns sowie eines durch Vakuum/Druck von Druckluft oder -flüssigkeit verformbaren zweiten Kerns, wobei der letztere Kern die Strömungswege des Laufrads beschreibt. In der Technik sind mehrere alternative Materialien bekannt, die sich zur Verwendung bei der Herstellung von Hohlkernprodukten eignen. Gemäß der Erfindung werden alle Gewebe der Schaufeln und Scheiben des Laufrads mit Hilfe einer eigens vorgesehenen automatischen Gewebeschneidmaschine hergestellt. Obgleich die Gewebe natürlich manuell zugeschnitten werden könnten, werden die vorteilhaften Merkmale des Prozesses besonders vorteilhaft genutzt, wenn eine automatische Gewebeschneidmaschine verwendet wird. Die Schneidschablonen werden mit Hilfe des 3D-Modells des Laufrads vorprogrammiert, woraufhin die Gewebestapel oder Vorformlinge der Laufradschaufeln vorbereitet werden können. In 4 wird eine zugeschnittene Gewebelage gezeigt, die in die Form einer Laufradschaufel gefaltet ist. Wie dargestellt, sind die Flügelteile des Vorformlings parallel zu Scheiben des Laufrads gebogen.
Es sei darauf hingewiesen, dass in der in 4 gezeigten Ausführungsform der Erfindung die Gewebefasern an der Eintrittskante der Schaufel nicht gebrochen sind, sondern gleichmäßig gebogen sind. Somit ist die Eintrittskante der Schaufel, insbesondere an der Stelle, an der das strömende Gas beim Zusammentreffen mit dem Laufrad mit hoher Geschwindigkeit auftrifft, auf gleichförmige Weise ausgebildet. Die Gewebe werden am Außenumfang auch auf gleiche Weise gebogen, um eine maximal optimierte Materialnettoausnutzung zu erreichen. In 4a wird die Konstruktion in einer Schnittansicht der Schaufel gezeigt. Die Zeichnung zeigt die Art und Weise, auf die die Gewebelagen in der Schaufel aufeinandergelegt sind und wie sich die Lagen durchgängig um die Eintrittskante der Schaufel krümmen. An den Schaufelverbindungsstellen sind die Gewebe mit Hilfe einer industriellen Nähmaschine, die zur Verwendung einer Kohlefaser oder eines Titandrahtes zum Vernähen geeignet ist, aneinander befestigt. Diese Anordnung erhöht die Laufradfestigkeit in den Bereichen der höchsten Belastungen und sichert die Platzierung der Gewebe während der Harzeinspritzung. Die Verwendung einer Köperbindung gestattet die Implementierung von 3D-Formen. Bei der Köperbindung können sich die Fasern bezüglich einander leichter bewegen als bei einer Leinwandbindung. Diese Eigenschaft erleichtert die Herstellung von komplizierten Vorformlingformen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Schaufelvorformlinge über den Kern gezogen. Als Nächstes werden die Bindungen so über die Schaufelscheiben platziert, dass sie abwechselnd mit den Bindungen der benachbarten Schaufel verschlungen werden. Wie aus 5 hervorgeht, sichert diese Anordnung eine gleichmäßige Verteilung der Spannungen über die gesamte Struktur. Die angehängte Zeichnung zeigt eine Schnittansicht über drei Schaufeln nach Platzierung der Gewebe über die Kerne. Die Zwischenräume zwischen den Schaufeln bilden Hohlräume, die zum Beispiel mit einem aus einer dicken Faser geflochtenen Band oder irgendeinem anderen vorteilhaften Material, wie zum Beispiel Tuch, Füller oder dergleichen, gefüllt werden können.
Der Kern und die Gewebe werden in das RTM-Formwerkzeug platziert. Das Formwerkzeug kann so ausgeführt sein, dass seine Mitte einen metallischen Zapfen aufweist, auf den der Kern gesetzt wird. Wie in 6 gezeigt, ist die Formwerkzeugabdeckung in die Form der vorderseitigen Scheibe des Laufrads geformt. Die Formwerkzeugabdeckung ist mit O-Ringen versehen, die die Gesamtdichtigkeit des Formwerkzeugs gewährleisten. Ein einziges Formwerkzeug dient vorteilhafterweise der Herstellung von Laufrädern verschiedener Größe allein durch Auswechseln der Abdeckplatte und Anordnen eines Kerns mit einer anderen Größe. Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, dass die Gewebe so in dem Formwerkzeug platziert werden, dass eine maximal optimierte Nettoausnutzung des Materials erhalten wird. Als Nächstes wird das Harz gemäß dem oben besprochenen RTM-Prozess in das Formwerkzeug gespritzt. Nach Beendigung des Prozesses wird das Formwerkzeug geöffnet, und der Kern wird in Abhängigkeit von seiner Herstellungstechnik durch Zerbrechen, Schmelzen oder Auflösen entfernt. In 6 wird die Konstruktion eines einstückigen Kerns ohne mittigen Metallzapfen in einer Schnittansicht durch den Kern entlang den Schaufeln dargestellt. Da die Zeichnung nur das Prinzip des Verfahrens zeigt, sind die Öffnungen, die für die Harzeinspritzung erforderlich sind, weggelassen.
Die oben beschriebene beispielhafte Ausführungsform ist jedoch nicht auf die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschränkt, sondern kann auf die Implementierung verschiedener Konstruktionen von Laufrädern angewandt werden. Ein zu beachtender nennenswerter Aspekt ist hier, dass ein Hauptteil der Laufradherstellungskosten durch die Arbeitsstunden verursacht wird. In der Praxis ist die Arbeitszeit grob in die Schritte des Zuschneidens der Gewebe, Einsetzens der Gewebe in das Formwerkzeug, Einspritzen des Harzes, Öffnen des Formwerkzeugs, Zerbrechen des Kerns, maschinelle Bearbeitung des Produkts auf seine Endform und Anbringen desselben auf den Metallzapfen, komplettiert durch die Auswuchtung der Anordnung unterteilbar.
Das in der Erfindung offenbarte Verfahren bietet insofern große Einsparungen bei der Arbeitszeit, als sämtliches Zuschneiden durch Verwendung einer automatischen Schneidmaschine durchgeführt wird. Die Gewebezuschneidmuster sind so ausgelegt, dass eine maximal optimierte Nettomaterialnutzung im Produkt erreicht wird. Des Weiteren werden die genau zugeschnittenen Gewebe durch Vernähen aneinander gehalten, wobei dieser Schritt ihr Verschieben bei der Harzeinspritzung verhindert. Folglich wird das Erfordernis einer Laufradauswuchtung auf ein Minimum reduziert.
Obgleich der RTM-Prozess in der Regel weniger Fasern verwendet, wird die reduzierte Festigkeit, die sich aus der geringeren Fasermenge ergibt, durch Vergrößern der Produktdicke an den Stellen der Struktur, die den größten Belastungen ausgesetzt sind, ausgeglichen. Der RTM-Prozess gestattet weiterhin die Verwendung von mehreren verschiedenen Faserarten und ihre Wahl gemäß verschiedenen Anwendungen. Somit können Bereiche, die geringerer Belastung ausgesetzt sind, unter Verwendung von schwächerem (schwächeren) Tuch, Füllern und Metallen implementiert werden, während Bereiche, die maximalen Belastungen ausgesetzt sind, unter Verwendung von teureren Fasern, die in Richtung der Belastungskräfte orientiert sind, hergestellt werden. Eine Teilverbesserung der Strukturfestigkeit kann auch durch Miteinandervernähen der Gewebe, zum Beispiel an den Schaufeln, bereitgestellt werden. Zusätzliche Strukturfestigkeit wird auch dank des hier offenbarten Faserlayouts erreicht, das Belastungen homogen von den Schaufeln auf die Endscheiben überträgt, sowie durch das vorliegende Herstellungsverfahren, dank dessen Bonden vollkommen entfallen kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann weiterhin die schlechtere Beständigkeit von Verbundstrukturen gegen Korrosion überwinden. In industriellen Anwendungen werden gemeinhin verschiedene Arten von Beschichtungen für verbesserte Beständigkeit gegen Erosion/Korrosion in Maschinenelementen verwendet. Dementsprechend sind auch Verbundlaufräder mit Hilfe verschiedener Materialien und Verfahren geschützt worden. In praktischen Anwendungen ist der Beschichtungsschritt arbeitsaufwendig und erfordert die Verwendung teurer Materialien. Insbesondere Laufräder sind aufgrund der Gefahr von Beschichtungsdelaminierung, die zu einer Unwucht des Laufrads führen kann, problematisch. Dieses Problem wird bei der Erfindung durch die Verwendung eines Siliziumkarbidpulvers mit feiner Meshzahl oder eines anderen ähnlichen keramischen oder ähnlich abriebfesten Pulvers, das vor dem Harzeinspritzschritt in die Oberflächengewebelagen des Laufrads gebürstet wird, vermieden. Als Alternative dazu kann das Abriebfestigkeit verbessernde Pulver direkt dem eingespritzten Harz oder Beschleuniger davon hinzugefügt werden. Eine zusätzliche Verbesserung der Abriebfestigkeit kann durch Herstellung einer getrennten Verschleißlage aus einem mit solch einem Pulver vorbehandelten Gewebe erreicht werden. Diese Anordnung führt zu einer Oberfläche mit hoher Abriebfestigkeit bei der fertiggestellten Verbundstruktur. Tabelle 7 zeigt die Prüfungsergebnisse, die durch ein unabhängiges Forschungsinstitut erhalten werden, wenn das neue Material mit einer unbehandelten Kohlefaserfläche und einem Titanmetallflächengebilde unter Verwendung von Taber^®-Abriebprüfausrüstung verglichen wird. Die Prüfung wurde zum Vergleich der Abriebfestigkeit herkömmlicher Kohlefaserflächen und Titanflächengebilde mit der Leistung der gemäß der vorliegenden Erfindung implementierten Struktur durchgeführt. Wie aus der Tabelle hervorgeht, erzielte ein aus mit Siliziumkarbidpulver imprägnierten trockenen Geweben hergestelltes Prüfungsflächengebilde die besten Ergebnisse. Die Prüfungsergebnisse beweisen die extrem hohe Abriebfestigkeit der in der Erfindung verwendeten Anordnung.
Für einen Fachmann liegt auf der Hand, dass die Erfindung durch die oben beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen nicht beschränkt wird, sondern innerhalb des Erfindungsgedankens und Schutzbereichs der angehängten Ansprüche abgeändert werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

FI 101564 [0009]
US 6402467 [0010, 0012]
US 6264430 [0012]

Claims

Verfahren zur Herstellung des Laufrads eines Kreisel-, das heißt eines Radialverdichters oder -gebläses, wobei das Laufrad direkt auf der Welle eines Elektromotors montiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundmateriallaufrad unter Verwendung eines RTM-Prozesses hergestellt wird, wobei das RTM-Formwerkzeug einen Kern und genau zugeschnittene Gewebe hat, die so darin platziert werden, dass die Gewebelagen oder Vorformlinge auf den Kern gezogen werden, wodurch eine maximal optimierte Nutzung von Materialien in der Struktur erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kern in das Formwerkzeug eingesetzt wird, der zerbrechbar/schmelzbar und/oder auflösbar ist und/oder mittels Druckluft/-flüssigkeit formbar ist, wobei der Kern die Laufradströmungsräume bildet, und dass die Formwerkzeugabdeckung vorteilhafterweise vorteilhafterweise die Form der vorderseitigen Scheibe des gerade hergestellten Laufrads erhält.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Verfahren alle Gewebe am vorteilhaftesten mit Hilfe einer automatischen Gewebeschneidmaschine zugeschnitten werden und die Gewebe so platziert werden, dass sie abwechselnd mit dem benachbarten Gewebe verschlungen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Verfahren das Zuschneiden von Gewebe vorteilhafterweise durch Verwendung einer automatischen Schneidmaschine erfolgt, wodurch genau identische Gewebe durch Vernähen miteinander verbunden werden, um ihr gegenseitiges Verschieben während des Harzeinspritzungsschritts zu vermeiden, wodurch eine maximal optimierte Nutzung von Materialien in der Struktur erreicht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Verfahren die zwischen den Schaufeln gebildeten Hohlräume am vorteilhaftesten durch ein Band gefüllt werden, das aus einer dicken Faser geflochten ist, oder durch irgendeine andere vorteilhafte Technik, wie zum Beispiel Verwendung von Tuch, Füller oder dergleichen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Verfahren die Gewebelagen in der Schaufel verschlungen sind und dass die Lagen an der Eintrittskante der Schaufel durchgängig sind, indem die Gewebe mit Hilfe einer industriellen Nähmaschine aneinander befestigt werden, wobei am vorteilhaftesten eine Kohlefaser oder ein Titandraht als Faden verwendet werden, um eine maximal optimierte Nutzung von Materialien in der Struktur zu erreichen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Verfahren die Oberflächengewebelagen des Laufradlayouts vor dem Harzeinspritzschritt mit einem Siliziumkarbidpulver mit feiner Meshzahl gebürstet werden, um eine abriebfeste Fläche zu erreichen und sie als ein Teil der fertiggestellten Verbundstruktur einzubetten, oder als Alternative das Abriebfestigkeit verbessernde Pulver direkt dem eingespritzten Harz oder Aushärtungsmittel davon hinzugefügt wird oder als weitere Alternative die Abriebfestigkeit durch Herstellung einer getrennten Verschleißlage aus einem mit solch einem Pulver vorbehandelten Gewebe verbessert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren wie erforderlich verschiedene Faserarten verwendet, so dass die weniger Belastung ausgesetzten Bereiche unter Verwendung von schwächerem (schwächeren) Tuch, Füllern, Metallen implementiert werden, während die maximal belasteten Bereiche unter Verwendung von Fasern hergestellt werden, die in Richtung der Belastungskräfte orientiert sind, wodurch der geringe Fasergehalt und die geringere Festigkeit, der (die) mit dem RTM-Verfahren verbunden sind, durch Vergrößern der Produktdicke an den Stellen der Struktur, die den größten Belastungen ausgesetzt sind, ausgeglichen werden.
Verwendung eines RTM-Verfahrens zur Herstellung des Laufrads eines Kreisel-, das heißt eines Radialverdichters oder Radialgebläses.
Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das auf der Elektromotorwelle montierte Verbundmateriallaufrad unter Verwendung eines RTM-Prozesses hergestellt wird, wobei der Kern und die genau zugeschnittenen Gewebe durch Ziehen der Gewebelagen oder Vorformlinge auf den Kern aufeinandergelegt werden, um die Nutzung von Materialien in der Struktur maximal zu optimieren.