DE19708825C2 - Vorrichtung zum Fördern eines Mediums - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum fördern eines gasförmigen oder flüssigen Mediums oder eines schüttbaren Mediums aus feinteiligem Feststoff, das gege­ benenfalls Zusätze und/oder Verunreinigungen, die in einem anderen Aggregatzustand als das jeweilige Medium vorliegen, enthält, die aus form- und kraftschlüssig miteinander ver­ bundenen, Siliziumkarbid enthaltende Einzelbauteilen aufgebaut ist, und die als Einzel­ bauteile mindestens einen Tragkörper aus einem faserhaltigen Verbundwerkstoff sowie schaufelartige Teile, die mit dem Tragkörper verbunden sind, aufweist, insbesondere ein Laufrad für eine Pumpe, für eine Turbine oder dergleichen.

Ein Schaufelring für trommelartige Rotoren von Turbomaschinen, mit den vorstehend an­ gegebenen Merkmalen, sowie ein entsprechendes Verfahren zu dessen Herstellung, ist aus der DE 43 19 727 A1 bekannt. Bei den darin beschriebenen Schaufelringen werden fertige Silizumkarbid-Fasern in eine spezielle Legierung, nämlich in eine Titan-Basis- Legierung, eingebettet.

Eine Vorrichtung zum Fördern eines gasförmigen oder flüssigen Mediums in Form eines Radial-Laufrads ist aus der DE-C2-41 39 293 bekannt. Das darin beschriebene Radial- Laufrad besteht aus Einzelsegmenten, die mit einer Boden- und/oder Deckscheibe ver­ bunden sind.

Eine Fördervorrichtung für Sauerstoff ist aus der DE-A1-36 38 244 bekannt. Hierbei han­ delt es sich um eine Pumpe oder einen Verdichter aus Keramik oder keramisch umhüllten Werkstoffen, wie Al-Titanat-, Al-Oxid-, Zr-Oxid-, Si-Carbid, Si-Nitrid-Keramik. Weiterhin ist die Pumpenwelle keramisch umhüllt; das Pumpengehäuse und das Laufrad sind vollkera­ misch hergestellt.

Ein hitzebeständiges Lüfterrad aus karbonfaserverstärktem Graphit ist aus der EP-A1-0 399 144 bekannt.

Weiterhin wird ein Pumpenrad aus zwei Deckscheiben, zwischen denen über den Umkreis verteilt Schaufeln angeordnet sind, in der DE-A1-26 02 136 angegeben. Grundsätzlich sollen die einzelnen Teile aus Metall hergestellt und durch Schweißen zusammengefügt werden. Es werden aber auch nichtmetallische Werkstoffe, wie Kunststoffe angegeben, wobei dann aber anstelle der Verschweißung, wie bei den metallischen Teilen, die not­ wendige Verbindungen über Kunststoff erfolgt.

Die DE-OS-19 35 013 beschreibt ein Laufrad für Axial-Lüfter aus Kunststoff (Polypropylen, Polyamid, Mischpolymerisation). Die Schaufeln und Scheiben sind für sich hergestellte Bauteile, die durch untrennbare Verbindungen in Form von Steck-Schweißverbindungen zusammengesetzt werden.

Die DE-OS 25 35 196 befaßt sich mit einem Laufrad für Radialströmungsmaschinen. Die Teile werden aus Kunststoff oder Leichtmetall im Spritzgußverfahren hergestellt und mit Klammern miteinander verbunden.

Ein Heißgasventilator mit Wellen- und Nabenkörper aus Metall ist in der DE-A1-38 30 443 beschrieben. Die Schaufeln werden aus hochtemperaturfesten, keramischen Werkstoffen, wie Siliziumkarbid, hergestellt.

In der DE-A1-36 37 464 ist ein Heißgas-Radialventilator offenbart, dessen Rück- und Deckscheibe aus hochwarmfesten, metallischen Superlegierungen hergestellt sind, zwi­ schen denen Schaufeln aus hochtemperaturfesten, keramischen Werkstoffen formschlüs­ sig gehalten zwischengefügt sind.

In der US 53 16 851 ist ein Komposit (zusammengesetzter Körper) beschrieben, der Ver­ stärkungsfasern aus der Gruppe von elementarem Kohlenstoff, SiC und Mischungen dar­ aus enthält, wobei die Fasern einen kontinuierlichen Überzug aus Metalldiboriden aus der Gruppe von Titandiborid, Zirkoniumdiborid, Hafniumdiborid, Aluminiumdiborid und Mi­ schungen daraus aufweisen, und das Komposit weiterhin eine SIC-keramische Matrix aufweist, wobei die Matrix durch Filtration von flüssigem Silizium gebildet ist, und wobei die Matrix wenigstens eine SiC-Faser und eine Faser aus elementarem Si enthält.

Schließlich ist in der US 45 72 848 ein Verfahren zum Silizieren von porösen Formkörpern aus SiC beschrieben. Dabei werden die SiC-Formkörper, die elementaren Kohlenstoff enthalten, auf einer Vorrichtung plaziert, die eine Basisplatte, die eine mit Bor überzogene Graphitplatte ist, und eine Trageplatte für die Formkörper aufweist; die Trageplatte ist eine poröse Platte, die SiC, das mit Si infiltriert ist, enthält, und einen Überzug aufweist, der eine Mischung aus Bornitrid, SiC und Kohlenstoff aufweist, und wobei zwischen der Ba­ sisplatte und der Trageplatte eine Schicht aus teilchenförmigem Si angeordnet ist. Diese Anordnung wird unter Vakuum auf eine Temperatur über dem Schmelzpunkt von Si erhitzt und während 0,5 bis 5 Stunden gehalten, wonach die SiC-Formkörper mit Si infiltriert wer­ den. Danach werden die Formkörper in einer N-Atmosphäre unter abgekühlt.

Wie der vorstehend angegebene Stand der Technik zeigt, werden zum Aufbau von Pum­ pen-Laufrädern oder Turbinen-Laufrädern verschiedenartige Werkstoffe eingesetzt, die unter anderem nach der Art des zu fördernden Mediums ausgewählt werden. Ein weiterer Aspekt ist das Gewicht der Pumpenlaufräder, wobei immer dann, wenn es gering gehalten werden soll, Kunststoffteile eingesetzt werden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist diejenige, ausgehend von dem eingangs an­ gegebenen Stand der Technik, eine Vorrichtung zum Fördern eines gasförmigen oder flüssigen Mediums oder eines schüttbaren Mediums aus feinteiligem Feststoff so weiter­ zubilden, daß sie für einen breiten Anwendungsbereich geeignet ist, insbesondere auch im Hinblick auf zu fördernde aggressive Medien, auf die unterschiedlichsten Temperaturbe­ reiche und auf ein geringes Gewicht.

Die vorstehende Aufgabe wird durch die Weiterbildung der Vorrichtung der genannten Art dadurch gelöst, daß der (die) Tragkörper aus einem Fasergerüst, das aus im wesentlichen kontinuierlichen Fasern aus Kohlenstoff und/oder keramischem Werkstoff gebildet ist, und aus einer kohlenstoffreichen Matrix aufgebaut ist (sind), wobei die Fasern des Faserge­ rüsts mit einer durch Infiltration von flüssigem Silizium und durch Reaktion des Siliziums im wesentlichen mit dem Kohlenstoff der Matrix gebildeten Umhüllung aus Siliziumkarbid versehen sind.

Der Grundaufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht in dem Tragkörper, der so aufgebaut ist, daß er für die unterschiedlichen Einsatzgebiete solcher Vorrichtungen zum Fördern eines gasförmigen oder flüssigen Mediums oder eines schüttbaren Mediums aus feinteiligem Feststoff, das gegebenenfalls Zusätze und/oder Verunreinigungen enthält, die in einem anderen Aggregatzustand als das jeweilige Medium vorliegen, geeignet ist. Diese Grundstruktur in Form des Tragkörpers kann dann unter Einsatz geeigneter, schaufelarti­ ger Teile, die auch aus anderen Materialien bestehen können, vervollständigt werden. Der Tragkörper zeichnet sich auch durch sein geringes Gewicht aus, das trotz der hohen me­ chanischen Stabilität erzielt werden kann. Dies hat den Vorteil, daß das Massenträgheits­ moment niedrig ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist auch zur Förderung und/oder Verdichtung von Sauerstoff im Niedertemperaturbereich geeignet; ferner können chemisch aggressive Medien, zum Beispiel Rauchgase, gefördert oder in Fluidzählwerken gemes­ sen werden. Aber auch bei Hochtemperaturanwendungen, wie im Bereich der Gasturbi­ nen, der Hochtemperatur-Heißgas-Ventilatoren, ist die erfindungsgemäße Vorrichtung ge­ eignet, insbesondere auch dann, wenn gleichzeitig hohe Drehzahlen erforderlich sind. Es hat sich darüberhinaus auch gezeigt, daß die erfindungsgemäß aufgebauten Vor­ richtungen auch zum Fördern mineralhaltiger Medien, beispielsweise von sandhalti­ gem Wasser, wie Gletscherflüsse, geeignet sind, ohne daß ein Verschleiß in Form von Erosion und Abrasion zu beobachten ist.

Der Tragkörper, wie er vorstehend angegeben ist, kann mit präzisen Vertiefungen, beispielsweise in Form von Nuten, oder mit Erhöhungen, beispielsweise in Form von Stegen, versehen werden und diese können auch radial und/oder axial gleichmäßig an dem Tragkörper verteilt werden, um danach in den Nuten oder an den Stegen die schaufelartigen Teile, beispielsweise Leit- oder Laufschaufeln, aufzunehmen.

Um hohe Stabilitäten der Struktur des Tragkörpers zu erreichen, hat es sich als vor­ teilhaft erwiesen, in einem scheibenartigen Tragkörper die Fasern, die das Faserge­ rüst des Tragkörpers bilden, im wesentlichen in der Ebene der Scheibe anzuordnen, beispielsweise in Form von geschichteten Geweben, während bei ringförmiger Aus­ bildung des Tragkörpers die Fasern in Umfangsrichtung des Rings ausgerichtet sind, hergestellt beispielsweise mittels Wickeltechnik.

Der Aufbau des Tragkörpers, wie er vorstehend angegeben ist, gestattet auch groß dimensionierte Tragkörper mit Durchmessern bis zu mehreren Metern, je nach Grö­ ße der vorhandenen Fertigungseinrichtungen.

Gerade mit der Maßnahme, zunächst ein Fasergerüst aus Kohlenstoff- und/oder ke­ ramischem Werkstoff eingebettet in eine an Kohlenstoff reiche Polymer-Matrix be­ reitzustellen, ist die Möglichkeit gegeben, den Tragkörper in einer gewünschten Form zu profilieren. Innerhalb einer derart profilierten Vorform wird dann durch Pyro­ lyse eine definierte Rißstruktur erzeugt, in die anschließend flüssiges Silizium infil­ triert wird. Dieses flüssige Silizium reagiert dann mit in der Matrix des Fasergerüsts vorhandenem Kohlenstoff zu Siliziumkarbid, so daß eine homogene, hochfeste, ab­ rasiv stabile, allerdings dennoch leichte Struktur erhalten wird, die darüberhinaus ei­ ne hohe Formstabilität und Thermoschockbeständigkeit zeigt. Es zeigt sich, daß die Fasern des so hergestellten Tragkörpers mit Siliziumkarbid im keramisierten Zustand umhüllt sind, was unter anderem zu den exzellenten Eigenschaften des Tragkörpers beiträgt.

In einer bevorzugten Ausführung werden die schaufelartigen Teile entsprechend dem Aufbau des Tragkörpers hergestellt, d. h. sie werden jeweils aus einem Faser­ gerüst aus im wesentlichen kontinuierlichen Fasern, die aus Kohlenstoff und/oder keramischem Werkstoff bestehen, hergestellt. Das flüssige Silizium wird bei einer Temperatur, die im Bereich von 1450°C bis 1500°C liegt, unter Vakuum infiltriert. Die Umwandlung zu Siliziumkarbid erfolgt dann bei einer Temperatur von 1650°C wäh­ rend einer Dauer vorzugsweise von etwa 2 Stunden oder durch Temperaturerhö­ hung auf bis zu 2000°C. Gerade mit diesen Parametern werden gute Ergebnisse im Hinblick auf geringe Restanteile an freiem Silizium erzielt, wodurch sich eine ausge­ zeichnete Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit, insbesondere gegenüber Laugen, ergibt.

Mit dem Tragkörper können Schaufeln als vorgeformte, profilierte Körper, insbeson­ dere in strömungstechnisch günstiger Form, derart verbunden werden, daß eine dauerhafte, feste und auch den hohen Belastungen, zum Beispiel durch Kavitation oder Abrasion, die während des Betriebs einer solchen Fördereinrichtung auftreten, widerstehende Verbindung entsteht. Vorzugsweise sind der Tragkörper und die schaufelartigen Teile mittels einer im wesentlichen Siliziumkarbid enthaltenden Ver­ bindungsschicht dauerhaft miteinander verbunden; Tests haben gezeigt, daß Silizi­ umkarbid als Verbindungsschicht eine hochfeste Verbindung einerseits mit dem Tragkörper, der überwiegend Siliziumkarbid als Matrix-Werkstoff enthält, und ande­ rerseits mit keramischen Materialien, aus denen die schaufelartigen Teile hergestellt werden, eingehen kann.

Es sollte darauf geachtet werden, daß Fasern in den Oberflächen der Einzelbautei­ le, die mit dem zu fördernden Medium in Berührung kommen, derart ausgerichtet sind, daß sie in ihrer Längsrichtung in einer Ebene liegen, die im wesentlichen paral­ lel oder tangential zu der Strömungsrichtung des Mediums verläuft. Dies hat den Vorteil, daß durch das vorbeiströmende Medium die Abrasionswirkung auf ein Mini­ mum reduziert wird. Weiterhin wird, falls eine geringfügige Abrasion eintritt, dennoch eine strömungsgünstige Oberfläche beibehalten, so daß keine Verwirbelungseffekte hervorgerufen werden.

Um eine stabile Struktur zu erzielen, die darüberhinaus eine homogene Faservertei­ lung aufweist, sollten die einzelnen Bauelemente aus Fasergeweben, Fasergewirken und/oder Fasergestricken geschichtet aufgebaut sein, bevorzugt aus bidirektionalen Geweben, die quasi-isotrop aufeinandergeschichtet sind, was zu einer hohen Bruch­ festigkeit und Elastizität beiträgt.

Um die Bruchzähigkeit der Fasern in den einzelnen Bauteilen heraufzusetzen, wer­ den die Fasern mit einem Überzug aus Kohlenstoff oder Bornitrid versehen, und zwar mit einer Dicke im Bereich von 50 bis 500 Nanometern. Falls als Überzug Koh­ lenstoff eingesetzt wird, darf dieser Kohlenstoff nicht vollständig zur Reaktion mit dem flüssig infiltrierten Silizium zur Siliziumkarbidbildung herangezogen werden.

Der Faservolumengehalt der Fasern des Fasergerüsts, und zwar sowohl in Bezug auf den Tragkörper als auch auf die an dem Tragkörper angeordneten schaufelarti­ gen Teile, sollte zwischen 30 und 70%, vorzugsweise über 50%, bezogen auf eine Volumeneinheit des Verbundwerkstoffs, aus dem das Bauteil hergestellt ist, betragen.

Grundsätzlich sind für den Aufbau des Tragkörpers und für die schaufelartigen Teile Fasern aus Kohlenstoff und/oder aus keramischem Werkstoff geeignet. Bevorzugt ist allerdings ein hoher Anteil an Kohlenstoffasern in Bezug auf das Fasergerüst, der zwischen 50% und 100% liegen sollte.

Wie bereits vorstehend erwähnt ist, können die schaufelartigen Teile unabhängig von dem Tragkörper aus artgleichem Material hergestellt und in einem nachfolgen­ den Fertigungsschritt mit diesem verbunden werden. Hierdurch wird ermöglicht, daß abgebrochene oder verschlissene, schaufelartige Teile nachträglich auch ausge­ tauscht werden können, indem der Fügeschritt wiederholt wird.

Die separate Herstellung des Tragkörpers und der schaufelartigen, faserverstärkten Teile bietet den Vorteil, daß die Faserorientierung in dem Tragkörper und den schaufelartigen Teilen den im Betrieb der Vorrichtung auftretenden Kraftflüssen an­ gepaßt werden können. Da der Tragkörper in den häufigsten Fällen unter Zug infol­ ge der Fliehkräfte belastet wird, ist die Faserorientierung bei einem Tragkörper in Form einer Scheibe parallel zur Scheibe vorgesehen, während bei den schaufelarti­ gen Teilen infolge einwirkender Zugkräfte und Strömungskräfte die Faserorientie­ rung in Längsachse des schaufelartigen Teils und tangential zur Strömung vorgese­ hen ist.

Falls die schaufelartigen Teile aus monolithischen Keramiken bestehen, so sollte es sich bei diesen Keramiken um nichtoxidische Keramiken handeln, da sie ein ähnli­ ches Ausdehnungsverhalten wie der faserverstärkte Tragkörper aufweisen und da­ mit die erforderliche Dehnkompatibilität für eine dauerhafte Verbindung aufweisen. Außerdem sind diese Keramiken für Pumpen- oder Turbinen-Anwendungen auf­ grund ihrer hohen Korrosionsbeständigkeit und Chemikalienbeständigkeit sehr gut geeignet.

Bevorzugt werden für solche monolithischen Keramiken für die schaufelartigen Teile SiC oder Si₃N₄ in gesinterter, gepreßter oder reaktionsgebundener Form eingesetzt.

Alternativ können schaufelartige Teile auch aus Kohlenstoff, insbesondere aus Gra­ phit, gefertigt und in den Tragkörper eingesetzt sein. Ebenso eignen sich schaufelar­ tige Teile aus kohlenstoffaserverstärktem Kohlenstoff. Nicht nur aufgrund der Tatsa­ che, daß die Längenausdehnung des Graphits derjenigen des Tragkörpers ähnlich ist, sondern auch aufgrund des geringeren spezifischen Gewichts von Graphit ge­ genüber Keramik, sind schaufelartige Teile aus Graphit bevorzugt, was zu einer er­ heblichen Gewichtseinsparung, einem geringerren Trägheitsmoment und damit zu einem günstigeren Ansprechverhalten der Fördervorrichtung führt. Schaufelartige Teile aus Graphit oder Kohlenstoffaser-verstärktem Kohlenstoff eignen sich beson­ ders zum Fördern von Medien im Kryo-Temperatur-Bereich bis hinauf zu etwa 400°C, bei vorhandener sauerstoffhaltiger Atmosphäre, oder sogar bis etwa 2000°C, wenn eine an Sauerstoff freie Atmosphäre vorliegt.

Wie die vorstehenden Angaben zeigen, eignet sich der Tragkörper aufgrund seines Aufbaus dazu, mit schaufelartigen Teilen aus sehr unterschiedlichen Materialien ver­ bunden zu werden, ohne daß dadurch die Eigenschaften einer hohen Stabilität und Korrosionsbeständigkeit, usw., wie sie vorstehend erläutert sind, verlorengehen. Die Werkstoffe für die schaufelartigen Teile sollten in ihrem Dehnungsverhalten zumin­ dest ähnlich dem Dehnungsverhalten des erfindungsgemäß ausgebildeten Tragkör­ pers sein. Insofern ist der Tragkörper in der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ein nahezu universell einsetzbares Grundbauteil.

Der freie Gehalt an Silizium der jeweiligen fertigen Bauteile, d. h. des Tragkörpers und gegebenenfalls der schaufelartigen Teile, sollte bezogen auf die Gesamtmasse des jeweiligen Einzelbauteils der Vorrichtung kleiner als 5% betragen. Falls ein hö­ herer Anteil an Silizium eingesetzt wird, würde dies insbesondere in basischer Um­ gebung zu einem Auswaschen des Siliziums führen, was die Dichtheit und Stabilität und auch die Beständigkeit bzw. Lebensdauer der gesamten Vorrichtung, insbeson­ dere bei hohen Drehzahlen, verringern würde.

Die gesamte, fertiggestellte Vorrichtung, d. h. der Tragkörper, der mit den schaufelar­ tigen Teilen versehen ist, kann zum Schutz vor Korrosion, Abrasion und/oder Oxida­ tion mit einer nachträglich aufgebrachten Schutzschicht überzogen werden, vorzugs­ weise in einer Dicke von 20 bis 200 µm. Vorzugsweise wird diese Schutzschicht aus einer Schicht aus Siliziumkarbid oder Mullit gebildet, also Materialien, die sich zum einen gut mit dem Tragkörper und den schaufelartigen Teilen verbinden, zum an­ dern die gesamte Anordnung vor Korrosion und Abrasion gegen die meisten der zu fördernden Medien schützen. Falls eine solche Schutzschicht aus Siliziumkarbid ge­ bildet wird, sollte diese Schutzschicht mittels CVD-Dampfabscheide-Verfahren auf­ gebracht werden. Hiermit lassen sich definiert eingestellte Dicken der Schutzschicht erreichen, darüberhinaus wird jeder Bereich, auch von kompliziert aufgebauten Vor­ richtungen, mit einer dichten Schutzschicht überzogen.

Falls groß dimensionierte Schaufel- oder Turbinenräder aufgebaut werden sollen, hat es sich bewährt, den Tragkörper aus einzelnen Platten zusammenzusetzen, die geschichtet und miteinander verbunden werden, zum Beispiel unter Verwendung von Siliziumkarbid-Verbindungsschichten. Die Fasern verlaufen in den einzelnen Platten hierbei parallel zu der ebenen Fläche jeder Platte.

Um strömungsgünstige, schaufelartige Teile zu erzielen, sind diese, in Anströmrich­ tung des zu fördernden Mediums gesehen, tragflächenartig profiliert. Hierbei wird das anströmseitige Ende des Profils verdickt ausgebildet. Um ein solches Profil her­ zustellen, ist an dem verdickten, anströmseitigen Ende des Profils ein Kern vorgese­ hen, um den mehrere Faserlagen, beispielsweise aus Kohlenstoffasern, herumge­ wickelt werden, die zu dem abströmseitigen Ende des Profils hin auslaufen und aufeinanderliegen.

Mit der angegebenen Silizierungs-Technik ist es möglich, beispielsweise in den Tragkörper gesonderte Nabenteile in Form einer Hülse nachträglich einzusetzen. Ein solches Nabenteil kann demzufolge als getrenntes Bauteil, neben dem Tragkör­ per, den einzelnen schaufelartigen Teilen und einer eventuellen Abdeckscheibe ge­ fertigt werden, um sie anschließend zu einer Einheit, vorzugsweise unter Verwen­ dung von Siliziumkarbidschichten als Verbindungsschichten, zu fügen.

Es sollte hervorgehoben werden, daß die erfindungsgemäßen Vorrichtungen auch das Fördern von Medien im Temperaturbereich von bis zu 2000°C ermöglichen. Dar­ überhinaus zeigen solche Fördervorrichtungen, gerade über längere Einsatzdauer hinweg, geringe Oberflächenrauhigkeiten gegenüber herkömmlichen Förderschau­ feln und damit geringe Strömungsverluste.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgen­ den Beschreibung von Ausführungsbeispielen.

In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine perspektivische, schematische Ansicht eines Radial-Pumpen- bzw. Turbinenrads mit Tragkörper und Abdeckscheibe,

Fig. 2 eine Schnittansicht durch ein Pumpen- oder Turbinenrad senkrecht zu dem Tragkörper und der Abdeckscheibe, wobei verschiedene Möglichkeiten dargestellt sind, um schaufelartige Teile in den Tragkörper und in der Ab­ deckscheibe zu verankern;

Fig. 3 eine Schnittansicht durch ein Laufrad senkrecht zu der Drehachse in Form eines Sektorabschnitts, in dem zwei schaufelartige Teile gezeigt sind;

Fig. 4 in einer vergrößerten Darstellung einen Schnitt durch ein strömungsgünsti­ ges, schaufelartiges Teil entsprechend der Fig. 3 senkrecht zu der An­ strömrichtung, aus der der geschichtete Aufbau des Fasergerüsts ersicht­ lich ist; und

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines axialen Laufrads in einer Draufsicht in Richtung der Drehachse.

Das Turbinen- oder Pumpen-Laufrad 1, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, besitzt einen plattenförmigen, kreisrunden Tragkörper 2 sowie eine Abdeckscheibe 3, die zu dem Tragkörper 2 parallel oder, je nach Anwendungsfall als Verdichter oder Turbine, zur Kompression oder Expansion schräg ausgerichtet ist. Zwischen dem Tragkörper 2 und der Abdeckscheibe 3 sind um den Umfang verteilt schaufelartige Teile 4 zwi­ schengefügt, die sich im wesentlichen radial nach außen zu der Drehachse 5, mit ei­ ner strichpunktierten Linie angedeutet, erstrecken. Dieses Laufrad 1 kann an einem Antriebszapfen 6, der sich von der Abdeckscheibe 3 erstreckt, oder einem Antriebs­ zapfen 7, der sich in dem gezeigten Beispiel von dem Tragkörper 2 entlang der Drehachse 5 erstreckt, angetrieben werden. Das zu fördernde Medium, beispielswei­ se Luft oder eine Flüssigkeit, wird über axiale Schlitze 8 angesaugt und über die ra­ dialen Schütze 9 zwischen den einzelnen schaufelartigen Teilen 4 ausgestoßen, wo­ bei die Drehrichtung des Laufrads 1 mit dem Drehpfeil 10 angedeutet ist.

Der Tragkörper 2 ist als gesondertes Bauteil aus einem Fasergerüst gefertigt mit kontinuierlichen Fasern aus Kohlenstoff und/oder keramischem Werkstoff. Vorzugs­ weise wird der Tragkörper 2 aus einem Kohlenstoffasergerüst aufgebaut, dessen Fasern im wesentlichen in der Ebene des scheibenförmigen Tragkörpers 2 verlaufen und dort in mehreren Schichten geschichtet sind. Diese Fasern werden dann in eine Kunststoffmatrix mit hohem Kohlenstoffgehalt eingebettet. Daraufhin wird eine definierte Mikrorißstruktur gebildet, indem das polymere Material im Rahmen eines Pyrolyseschritts pyrolisiert wird. In diese Mikrorißstruktur wird dann flüssiges Silizi­ um infiltriert, das dann im wesentlichen mit dem Kohlenstoff der Matrix Siliziumkarbid bildet. Diese Infiltration von flüssigem Silizium erfolgt bei Temperaturen oberhalb von 1420°C, vorzugsweise in dem Bereich von 1450°C bis 1500°C. Während der SiC-Bildung sollte eine Temperatur von etwa 1650°C, und zwar für eine Dauer von etwa 2 Stunden, oder alternativ eine auf 2000°C erhöhte Temperatur, und dann für etwa 1 Stunde, aufrechterhalten werden. Letztere Verfahrensweise hat den Vorteil, daß dann der Restgehalt an freiem Silizium geringer ist, was zu einer höheren Lau­ gen- und Chemikalienbeständigkeit führt.

Ein zunächst nur pyrolysierter, d. h. noch nicht mit flüssigem Silizium infiltrierter Trag­ körper 2 kann mit diesem Verfahren im Bereich von engen Dimensionstoleranzen gefertigt werden. Dies gilt insbesondere für Nuten 11 und Durchgangsbohrungen 12, in die die jeweiligen schaufelartigen Teile 4 eingesetzt werden, wie dies in der Schnittdarstellung der Fig. 2 gezeigt ist. Um die einzelnen schaufelartigen Teile in dem Tragkörper 2 zu halten, werden die entsprechenden Nuten 11 oder Durch­ gangsbohrungen 12 an vorgegebenen Stellen im Rahmen des Aufbaus des Tragkör­ pers 2 aus dem Fasergerüst ausgespart oder nach der Pyrolyse mechanisch einge­ bracht, so daß im späteren Zusammenbau in diese Nuten 11 und Durchgangsboh­ rungen 12 die einzelnen schaufelartigen Teile 4 eingesetzt werden können. Mit der vorstehend angegegebenen Verfahrensweise ist es möglich, konische Bohrungen einzubringen, wie dies anhand des in Fig. 2 unteren schaufelartigen Teils 4 gezeigt ist, so daß dieses schaufelartige Teil mit seinen beiden Enden 13 in einer entspre­ chenden konischen Durchgangsbohrung 12 verkeilt werden kann. Es besteht aber auch die Möglichkeit, die schaufelartigen Teile 4 mit einer Schulter 14 zu versehen, die sich dann an die Innenfläche des Tragkörpers 2 oder der Abdeckscheibe 3 an­ legt. Die schaufelartigen Teile 4 werden in den jeweiligen Nuten 11 oder Durch­ gangsbohrungen 12 mittels einer Kohlenstoff enthaltenden Paste verankert und bei etwa 200°C ausgehärtet. Anschließend erfolgt bei Temperaturen von 1450°C bis 1500°C die Infiltration des flüssigen Siliziums in den Tragkörper und die Verbin­ dungsflächen, beispielsweise unter Anlegen eines Vakuums und aufgrund von Kapillarkräften mit anschließender Reaktion des Siliziums mit der Kohlenstoff-Matrix bzw. mit der Paste zu SiC.

Mit der Bezugsziffer 15 ist eine Verstärkungsplatte bezeichnet, die den Tragkörper 2 verstärkt; gegebenenfalls können mehrere solcher Verstärkungsplatten, übereinan­ dergeschichtet, vorgesehen sein.

Die Dicke des Tragkörpers 2 kann durch die Anzahl der Faserlagen des Faserge­ rüsts, aus dem der Tragkörper 2 aufgebaut wird, bemessen werden. Alternativ ist es auch möglich, den Tragkörper 2 aus plattenförmigen Teilen zu schichten, d. h. es werden mehrere Trägerplatten, vor deren Keramisierung mit flüssigem Silizium, zu dem Trägerkörper 2, der die schaufelartigen Teile 4 trägt, auflaminiert und zusam­ men keramisiert.

In Fig. 3 ist ein Sektorabschnitt eines ringförmigen Tragkörpers 2 dargestellt, der schaufelartige Teile 16 zeigt, die ein strömungsgünstiges Tragflächenprofil aufwei­ sen, wie es in einer vergrößerten Darstellung in Fig. 4 gezeigt ist. Solche Teile 16 sind mit ihrem verdickten Ende 17 in Anströmrichtung des zu fördernden Mediums ausgerichtet. In diesem verdickten Ende 17 ist ein Zapfen 18 aufgenommen, mit dem diese schaufelartigen Teile 16 in entsprechenden Bohrungen, zusätzlich zu eventuellen Nuten, verankert werden.

Wie der Fig. 4 zu entnehmen ist, ist um den Zapfen 18 herum ein Faserring 24 als Verstärkung vorgesehen. Um diesen Faserring 24 herum sind mehrere Faserlagen 20 gewickelt, die zu dem strömungsauslaufseitigen Ende 21 unmittelbar aufeinan­ derliegen. Im Bereich des Faserrings 24, der zu dem strömungsauslaßseitigen Ende 21 hin gelegen ist, sind mehrere Faserlagen 22 aufgefüttert, die einen keilartigen Körper bilden, der den Bereich zwischen diesem Faserring 24 und der Steile 23, an der die Faserlagen 20 unmittelbar aufeinanderliegen, auffüllen. Anhand dieses schaufelartigen Teils 16 wird nochmals seine Herstellungsweise nachfolgend erläu­ tert. In einem Faserkörper im wesentlichen aus kontinuierlichen Fasern, beispiels­ weise aus Kohlenstoff, mit einer Schichtung der Fasern so, wie dies in Fig. 4 dar­ gestellt ist, wird eine definierte Mikrorißstruktur um das Fasergerüst herum erzeugt, beispielsweise indem die einzelnen Fasern zuvor mit einer pyrolisierbaren Schicht, beispielsweise einem Polymer, überzogen wird, das unter entsprechenden Tempe­ raturen pyrolysiert wird. Eine solche Pyrolyse von Polymeren, mit denen das Faser­ gerüst umhüllt wird, erfolgt bei etwa 900°C unter Stickstoff-Atmosphäre. Nach der Pyrolyse können Nuten oder Vertiefungen, aber auch Durchbrechungen, aus dem vorgefestigten Faserkörper herausgearbeitet werden. Die sich ergebende Mikroriß­ struktur wird dann mit flüssigem Silizium infiltriert, das mit dem Kohlenstoff der Ma­ trix Siliziumkarbid bildet, so daß nach der Infiltration von flüssigem Silizium eine hochfeste, allerdings dennoch bruchzähe Siliziumkarbid-Keramik erreicht wird.

Schaufelartige Teile entsprechend der Fig. 4 haben den Vorteil, daß aufgrund des Profils ein geringer Widerstand bei der Drehung des Laufrads erreicht wird. Anhand der Fig. 4 wird darüberhinaus deutlich, daß mit der angegebenen Verfahrensweise auch hoch komplizierte Strukturen gebildet werden können, ohne dabei Stabilitäts­ verluste in Kauf nehmen zu müssen, da durch die Faserorientierung hoch bean­ spruchte Zonen definiert verstärkt werden können. Dieser Aufbau ist in einem Roh­ zustand möglich, d. h. es können Faserstrukturen zunächst entsprechend den Lastpfaden aufgebaut werden, bevor sie anschließend durch die Infiltration von flüs­ sigem Silizium und die Umwandlung des flüssigen Siliziums zu Siliziumkarbid kera­ misiert werden.

In Fig. 5 ist ein Axial-Laufrad 27 in einer schematischen Darstellung in einer An­ sicht aus Richtung der Dreh-Achse 5 gezeigt. In seinem prinzipiellen Aufbau ent­ spricht dieses Axial-Laufrad 27 dem Radial-Laufrad der Fig. 1. In der Mitte der Anordnung ist ein Tragring 25 vorgesehen, der aus Faserlagen gebildet ist, die überwiegend in Umfangsrichtung orientiert sind. Von diesem Tragring 25 erstrec­ ken sich schaufelartige Flügelteile 4' in radialer Richtung. Diese schaufelartigen Tei­ le 4' sind in dem Tragring 25 verankert, wozu beispielsweise zapfenartige Verbin­ dungen, wie sie auch in der Fig. 2 dargestellt sind, verwendbar sind; falls hohe, fliehkraftbedingte Kräfte im Bereich der Verbindungsstelle mit dem Tragring 25 auf­ treten sollten, kann die Verbindung der schaufelartigen Teile 4' an dem Tragring 25 an dem Fußpunkt 26 der jeweiligen Schaufeln dadurch entlastet werden, daß an den Spitzen der schaufelartigen Teile 4' ein weiterer Tragring 28 vorgesehen wird, bei dem, wie in Fig. 5 angedeutet ist, die einzelnen Fasern im wesentlichen in Um­ fangsrichtung verlaufend ausgerichtet sind. Hierzu könnte beispielsweise eine An­ ordnung so aufgebaut werden, wie dies anhand des Axial-Laufrads 27 dargestellt ist, wobei die in Fig. 5 gezeigten schaufelartigen Teile 4' zwischen dem inneren Tragring 25 und einem äußeren Tragring 28 fixiert werden. Mit dieser Anordnung stationär, d. h. feststehend, eingesetzt ergibt sich eine Anordnung, die beispielswei­ se als stationäre Leit- oder Führungsanordnung geeignet ist.

Claims (25)

1. Vorrichtung zum Fördern eines gasförmigen oder flüssigen Mediums oder eines schüttbaren Mediums aus feinteiligem Feststoff, das gegebenenfalls Zusätze und/oder Verunreinigungen, die in einem anderen Aggregatzustand als das jeweilige Medium vorliegen, enthält, die aus form- und kraftschlüssig miteinander verbunde­ nen, Siliziumkarbid enthaltende Einzelbauteilen aufgebaut ist, und die als Einzel­ bauteile mindestens einen Tragkörper aus einem faserhaltigen Verbundwerkstoff sowie schaufelartige Teile, die mit dem Tragkörper verbunden sind, aufweist, insbe­ sondere ein Laufrad für eine Pumpe, für eine Turbine oder dergleichen, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der (die) Tragkörper (12) aus einem Fasergerüst, das aus im we­ sentlichen kontinuierlichen Fasern aus Kohlenstoff und/oder keramischem Werkstoff gebildet ist, und aus einer kohlenstoffreichen Matrix aufgebaut ist (sind), wobei die Fasern des Fasergerüsts mit einer durch Infiltration von flüssigem Silizium und durch Reaktion des Siliziums im wesentlichen mit dem Kohlenstoff der Matrix gebildeten Umhüllung aus Siliziumkarbid versehen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als schaufelartige Teile (4; 16) Leit- oder Laufschaufeln gleichmäßig verteilt an dem Tragkörper (12) ange­ ordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern in einem scheibenartigen Tragkörper (2) im wesentlichen in der Ebene der Scheibe und in ei­ nem ringförmigen Tragkörper (28) in Umfangsrichtung des Rings ausgerichtet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die schaufelartigen Teile (4; 16) aus einem Fasergerüst (20; 22), das aus im wesentlichen kontinuierlichen Fa­ sern aus Kohlenstoff und/oder keramischem Werkstoff gebildet ist, und aus einer Matrix, die Kohlenstoff enthält, aufgebaut sind, wobei die Fasern des Fasergerüsts (20; 22) mit einer durch Infiltration von flüssigem Silizium und durch Reaktion des Si­ liziums im wesentlichen mit dem Kohlenstoff der Matrix gebildeten Umhüllung aus Si­ liziumkarbid versehen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern in solchen Oberflächenbereichen der Einzelbauteile (4; 16), die mit dem zu fördernden Medium in Berührung kommen, derart ausgerichtet sind, daß sie in ihrer Längsrichtung in einer Ebene liegen, die im wesentlichen parallel oder tangential zu der Strömungsrichtung des Mediums verläuft.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern als Gewebe, Gewirke und/oder Gestricke geschichtet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern zur Erzielung einer hohen Festigkeit und Elastizität in Form von bidirektionalen Geweben quasi- isotrop aufeinander geschichtet sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern zur Erzielung einer hohen Bruchzähigkeit mit einem Überzug aus Kohlenstoff oder Bornitrid versehen sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Überzugs im Bereich von 50 bis 500 nm liegt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Faservolumengehalt der Fasern des Fasergerüsts zwischen 30 und 70%, vorzugs­ weise über 50%, bezogen auf eine Volumeneinheit des Verbundwerkstoffs beträgt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an Kohlenstoffasern in Bezug auf das Fasergerüst zwischen 50% und 100% beträgt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Bauteile, die die schaufelartigen Teile bilden, aus monolithischen Keramiken gefertigt sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die schaufelartigen Teile aus SiC oder Si₃N₄ in gesinterter, gepreßter oder reaktionsgebundener Form gebildet sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die schaufelartigen Teile aus Kohlenstoff, insbesondere Graphit, gefertigt sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoff mit Kohlenstoffasern verstärkt ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an freiem Silizium bezogen auf die Gesamtmasse bezogen auf das jeweilige Einzelbauteil der Vorrichtung kleiner als 5% beträgt.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß auf die zusammengebauten Einzelbauteile zu deren Schutz vor Korrosion, Abrasion und/oder Oxidation eine Schutzschicht aufgebracht ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht eine Dicke im Bereich von 20 bis 200 µm besitzt.

19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutz­ schicht aus Siliziumkarbid oder Mullit gebildet ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht eine mittels CVD-Dampfabscheiden aufgebrachte Siliziumkarbid-Schicht ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliziumkarbid durch Infiltration von flüssigem Silizium in einer definiert um das Fa­ sergerüst erzeugte Porenstruktur unter Reaktion mit Kohlenstoff gebildet ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Infiltration des flüs­ sigen Siliziums bei Temperaturen oberhalb 1420°C, vorzugsweise bei Temperaturen im Bereich von 1450°C bis 1500°C, unter Vakuum erfolgt und das Siliziumkarbid durch Halten einer Temperatur von etwa 1650°C während einer Dauer von etwa 2 Stunden oder durch Temperaturerhöhung auf bis zu 2000°C mit entsprechend ver­ kürzter Haltezeit bis zu etwa 1 Stunde gebildet ist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragkörper (2) aus mehreren übereinandergeschichteten Platten oder Ringen gebildet ist, die zweidimensional mit parallel zu der ebenen Fläche der jeweiligen Platte oder des Rings verlaufenden Fasern verstärkt ist.

24. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragkörper (2) und die schaufelartigen Teile (4; 16) mittels einer im wesentlichen Siliziumkarbid enthal­ tenden Verbindungsschicht dauerhaft miteinander verbunden sind.

25. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die schaufelartigen Teile (16) ein tragflächenähnliches Profil aufweisen mit einem Kern (18, 24) an dem verdickten, anströmseitigen Ende (17) des Profils, um den mehrere Faserlagen (20) herumgewickelt sind, die zu dem abströmseitigen Ende (21) des Profils auslaufen und aufeinanderliegen.