DE19906645A1

DE19906645A1 - Zentrifugalimpeller

Info

Publication number: DE19906645A1
Application number: DE19906645A
Authority: DE
Inventors: Vishal Mallick; Hanspeter Walser; Franz Buechi; Guido Meier; Dieter Lehmann; Ernst Vogt
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 1999-02-18
Filing date: 1999-02-18
Publication date: 2000-08-24

Abstract

Ein Zentrifugalimpeller (1), insbesondere zum Komprimieren von Fluiden, weist eine im wesentlichen kreisförmige Abdeckscheibe (2) und daran angeordnete Impellerschaufeln (5) auf, wobei in der Abdeckscheibe (2) Öffnungen (10) zur Aufnahme von Verbindungselementen (6) vorgesehen sind, wodurch die Abdeckscheibe (2) und die Impellerschaufeln (5) formschlüssig miteinander verbunden sind.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen Zentrifugalimpeller, insbesondere zum Komprimieren von Fluiden, wobei der Zentrifugalimpeller eine im wesentlichen kreisförmige Ab deckscheibe und daran angeordnete Impellerschaufeln aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Stand der Technik

Ein bekanntes Anwendungsbeispiel ist z. B. die Mechanische Dampf Rekompressi on (MVR). Dies ist ein Verfahren, bei dem Dampf auf einen höheren Kondensati onsdruck oder eine höhere Kondensationstemperatur komprimiert wird. Derartige Verfahren werden im allgemeinen bei der Verdampfung von Molkerei- und Le bensmittelprodukten, in der Papierindustrie und bei der Produktion von chemischen und pharmazeutischen Produkten angewendet. Dabei benötigt das MVR Verfahren einen Hochgeschwindigkeits-Zentrifugalverdichter. Die bisher hierfür verwendeten Zentrifugalverdichter sind Hochpräzisionsmaschinen, die sowohl hohe Investitions- als auch Wartungskosten verursachen.

Im Stand der Technik sind zwar Zentrifugalimpeller für Hochdrucklüfter bekannt. Die dort verwendeten Impeller aus Metall erreichen jedoch bei Spitzengeschwindig keiten von etwa 270 m/s die Grenze ihrer Materialbelastbarkeit, weshalb lediglich eine Temperaturerhöhung von wenigen Grad pro Stufe erzielt werden kann.

Zwar sind Konstruktionen von Zentrifugalimpellern aus faserverstärktem Kunststoff bekannt, wie beispielsweise in der DE 41 39 293 C2 oder der DE 195 25 829 A1 beschrieben, die höhere Impellerdrehzahlen ermöglichen. Diese bekannten Impel ler sind allerdings sehr teuer und aufwendig in der Herstellung, da sie im Handauf legeverfahren aus faserverstärkten Kunststoffharzen hergestellt sind. Ein weiteres Problem stellt bei bestimmten Anwendung die notwendige Lebensmittelverträglich keit der verwendeten Kunststoffe dar.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Zentrifugalimpeller zur Verfügung zu stellen, der kostengünstig herstellbar und dennoch für sehr hohe Drehzahlen geeignet ist. Insbesondere soll dadurch eine kostengünstige Alternative für einen bei MVR Verfahren bisher verwendeten Hochgeschwindigkeits- Zentrifugalverdichter zur Verfügung gestellt werden. Dieser Impeller soll auf einfa che Weise und bevorzugt automatisiert herstellbar sein.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß ist es vorteilhaft, daß in der Abdeckscheibe Öffnungen zur Auf nahme von Verbindungselementen vorgesehen sind wodurch die Abdeckscheibe und die Impellerschaufeln formschlüssig miteinander verbunden sind. Dadurch läßt sich eine schnelle weitestgehend automatisierte und kostengünstige Fertigung rea lisieren. Außerdem weisen die einzelnen Bauteile eine einfache Geometrie auf, was zu weiteren Einsparungen beiträgt. Die formschlüssige Verbindung, beispielsweise durch Zusammenbringen von Aufnahmeöffnungen und vorstehenden Verbindungs elementen, bewirkt eine höhere Festigkeit als vergleichbare Klebverbindungen. Durch den modularen Aufbau wird ein deutlicher Kostenvorteil gegenüber einstüc kigen Gußteilen bzw. im Handauflegeverfahren gewickelten Kunststoffteilen erzielt.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, daß eine im wesentlichen kreisförmige Rückscheibe vorgesehen ist. Hierdurch wird in Verbindung mit der Abdeckscheibe und den Impellerschaufeln eine sehr stabile Impellerkonstruktion erzielt, die den Belastungen der Fliehkräfte bei hohen Dreh zahlen gewachsen ist.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, daß in der Abdeckscheibe und der Rückscheibe Öffnungen zur Aufnahme von Verbin dungselementen vorgesehen sind. Bei der Verwendung geeigneter Materialien tritt nur eine geringe Schwächung der Struktur auf. Die Öffnungen können beispiels weise Bohrungen oder Schlitze sein, die in die Abdeck- bzw. Rückscheibe spanab hebend gebohrt oder gefräst werden. Bevorzugt können diese Öffnungen auch durch Wasserstrahlschneiden hergestellt werden. Aber auch Laserschneidverfah ren oder andere geeignete Verfahren können zur Anwendung kommen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, daß an den Impellerschaufeln Verbindungselemente hervorstehen, die von den Öffnun gen der Abdedeckscheibe aufnehmbar sind. Diese Verbindungselemente können beispielsweise Nasen oder Stege sein, die einstückig von den Längsseiten der Im pellerschaufeln hervorstehen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, daß einzelne Teile des Zentrifugalimpellers aus thermoplastischem Kunststoff herge stellt ist. Dadurch können die Abdeckscheibe und/oder die Rückscheibe und/oder die Impellerschaufeln, in einfacher Weise als Spritzgußteile hergestellt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform sind alle wesentlichen Teile des Zentrifugalim pellers aus thermoplastischem Kunststoff hergestellt.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, daß der Kunststoff kohlefaserverstärkt ist und vorzugsweise im Herstellungsverfahren gepresst werden. Eine derartige Verstärkung kann beispielsweise durch in Bela stungsrichtung ausgerichtete Rowings oder Fasermatten erfolgen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, daß das Material ein Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht aufweist, welches 1,2 bis 2,5 MPa/kgm^-3, insbesondere 2,0 bis 2,3 MPa/kgm^-3, vorzugsweise 2,2 MPa/kgm^-3 be trägt. Durch diese Materialwahl können Rotorspitzengeschwindigkeiten von über 270 m/s und Temperaturanstiege von über 7,5°C pro Stufe erzielt werden.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, daß das Material ein Verhältnis von Steifigkeit zu Gewicht aufweist, welches 80 bis 130 MPa/kgm^-3, vorzugsweise 128 MPa/kgm^-3 beträgt. Durch diese Materialwahl kön nen Rotorspitzengeschwindigkeiten von über 270 m/s und Temperaturanstiege von über 7,5°C pro Stufe erzielt werden.

Vorzugsweise kommt als Material kohlefaserverstärktes Polyetherimid (PEI) oder kohlefaserverstärktes Polyetheretherketon (PEEK) zum Einsatz.

Bevorzugt ist die Abdeckscheibe kreisringförmig ausgestaltet. Besonders bevorzugt weist die kreisringförmige Abdeckscheibe einen integrierten Einlauf auf.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines Zentrifugalimpellers, der eine im wesentlichen kreisförmige Abdeckscheibe, vorzugsweise eine im wesentli chen kreisförmige Rückscheibe und an der Abdeckscheibe angeordnete Impeller schaufeln aufweist, weist folgende Schritte auf:

a) Einführen von an den Impellerschaufeln vorstehenden Verbindungselementen in an der Abdeckscheibe vorhandene Öffnungen;
b) Schmelzverformen der vorstehenden als Stege ausgebildeten Verbindungsele mente mit einem Heißnietwerkzeug.

Hierdurch wird ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung eines Hochgeschwindigkeits-Zentrifugalimpeller angegeben, das voll automatisiert wer den kann.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß die Impellerschaufeln auch in an der Rückscheibe vorhandenen Öffnungen einge führt werden. Hierdurch wird eine sehr stabile Konstruktion erreicht.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß vor dem Schritt a) die o. g. Öffnungen in die Abdeckscheibe und die Rückscheibe eingebracht werden. Diese können beispielsweise in Form von Schlitzen oder Boh rungen gestanzt, gefräst, gebohrt oder mittels Laser herausgearbeitet werden.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß beim Schritt des Heißnietens ein Niederhalter die Bauteile zusammenhält. Mit Heißnieten wird hier das wulstartige Verschmelzen der aus thermoplastischem Kunststoff hergestellten Verbindungselemente bezeichnet. Durch die Verwendung eines Niederhalters wird die Dichtheit der formschlüssigen Verbindung erhöht. Das Herstellungsverfahren kann vollautomatisch durchgeführt werden.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß gleichzeitig von der Abdeckscheibenseite und der Rückscheibenseite Heißniet werkzeuge angreifen. Dies ist besonders bei hohen Stückzahlen vorteilhaft, da hierdurch die Fertigungsgeschwindigkeit erhöht wird. Alternativ kann das Werkstück gedreht werden und von einem Werkzeugsatz auf beiden Seiten bearbeitet werden.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß die Niettemperatur in Abhängigkeit des Materials 300°C bis 360°C, vorzugsweise 340°C, bei kohlefaserverstärktem Polyetherimid (PEI) und 380°C bis 430°C, vor zugsweise 400°C, bei Polyetheretherketon (PEEK) beträgt. Die verwendeten ther moplastischen Kunststoffe haben eine relativ hohe Erweichungstemperatur, da nur so das Erreichen der hohen Betriebstemperaturen beim Impellerbetrieb möglich wird. Daher sind entsprechend hohe Niettemperaturen erforderlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im folgenden ist eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungs gemäßen Zentrifugalimpellers;

Fig. 2 eine schematische Detailansicht einer erfindungsgemäßen Nietver bindung im Schnitt;

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte zur Herstellung der Nietverbindung;

Fig. 4 ein Diagramm, in dem die Festigkeit einer erfindungsgemäßen Nietverbindung der Festigkeit von Klebverbindungen gegenüberge stellt ist;

Fig. 5 ein Diagramm, in dem die Festigkeit einer erfindungsgemäßen Nietverbindung der Festigkeit von weiteren Klebverbindungen gegen übergestellt ist.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungs gemäßen Zentrifugalimpellers 1, der eine im wesentlichen kreisringförmige Ab deckscheibe 2 mit integriertem Einlauf 3, eine im wesentlichen kreisförmige Rück scheibe 4 und dazwischen angeordnete Impellerschaufeln 5 aufweist. Die Impeller schaufeln 5 begrenzen Strömungskanäle 9 mit rechteckförmigem Querschnitt. Die Bauteile des Zentrifugalimpellers 1, d. h. insbesondere die Abdeckscheibe 2, die Rückscheibe 4 und die Impellerschaufeln 5 bestehen aus kohlefaserverstärktem thermoplastischem Kunststoff, wie beispielsweise PEEK oder PEI (PEI kann bei der Firma Tencata unter der Bezeichnung CETEX bezogen werden). Die Abdeckschei be 2 weist ähnliche Schlitze auf, wie die Rückscheibe 4, durch die die Stege 6, die an den Impellerschaufeln 5 hervorstehen, hindurchgeführt sind. Diese, einen "Schaufelflansch" bildenden Stege, sind in eine Nietform geschmolzen und bilden dadurch eine formschlüssige Verbindung zwischen der Abdeckscheibe 2 und den Impellerschaufeln 5. Die Rückscheibe 4 ist auf gleiche Weise formschlüssig mit den Impellerschaufeln 5 verbunden.

Fig. 2 zeigt eine schematische Detailansicht einer erfindungsgemäßen Nietverbin dung gemäß Fig. 1 im Schnitt. Darin sind neben der Abdeckscheibe 2 und der Rückscheibe 4 die Impellerschaufel 5 dargestellt, deren Stege 6 durch die Schlitze 10 der Abdeck- und Rückscheibe 2, 4 hindurchgeführt sind. Im montierten Zustand weisen die Stege 6 an ihrem freien Ende jeweils eine Nietwulst 7 auf.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte zur Herstellung der Nietverbindung. Dabei sind die einzelnen Bauteile bereits für den Heißniet schritt vorbereitet, d. h. die aus thermoplatischem Kunststoff hergestellte Abdeck scheibe 2 weist bereits die zur Aufnahme der Stege 6 erforderlichen Schlitze 10 auf und die Impellerschaufeln 5 haben hervorstehende Stege 6.

Gemäß Fig. 3a sind die Bauteile bereits zusammengesteckt und mit den hervor stehenden Stegen 6 unter dem Heißnietwerkzeug 8 positioniert. Das Heißnietwerk zeug 8 weist eine halbzylinderförmige heiße Nietfläche 11 auf, die von dem Steg 6 beabstandet ist. Besonders bevorzugt ist diese heiße Nietfläche 11 zur Aufnahme höherer Anpreßkräfte auch rechteckförmig ausgebildet. Die rechteckförmige Niet fläche 11 weist hierbei beispielsweise eine Länge von 15 mm, eine Breite von 15 mm und eine Höhe von 5 mm auf. Es kommt eine Fertigungsstation zum Einsatz, die mehrere Heißnietwerkzeuge 8 in einer der Position der Stege 6 entsprechenden Anordnung aufweist.

Fig. 3b zeigt das Nietwerkzeug 8 in heruntergefahrenem Zustand, d. h. beim Bil den der Nietwulst 7 durch thermisches Verformen des Steges 6. Die Temperatur des Nietwerkzeugs beträgt während des Nietvorgangs in der Nietfläche 11 in Ab hängigkeit des Materials vorzugsweise etwa 340°C bei PEI und etwa 400°C bei PEEK.

Fig. 3c zeigt die auf der Abdeckscheibe 2 gebildete Nietwulst 7. Das Nietwerkzeug 8 ist in die in Fig. 3a gezeigte Ausgangsposition zurückgefahren. Abdeckscheibe 2 und Impellerschaufel 5 sind nun formschlüssig miteinander verbunden.

Fig. 4 zeigt ein Diagramm, in dem die Festigkeit einer erfindungsgemäßen ther moplastischen Nietverbindung der Festigkeit von Klebverbindungen gegenüberge stellt ist. Die Festigkeit der thermoplastischen Nietverbindung beträgt dabei etwa 7500 N und ist im Diagramm mit NV bezeichnet. Bei den fünf mit "Scotch Weld 9323" verbundenen Proben hatte die mit 5 bezeichnete Probe die geringste Festig keit (etwa 2000 N) und die mit 3 bezeichnete Probe die höchste Festigkeit (etwa 6500 N). Die mit D1 bezeichnete durchschnittliche Festigkeit der fünf Proben lag bei 4800 N und damit deutlich unter derjenigen der erfindungsgemäßen Nietverbin dung.

Fig. 5 zeigt ein Diagramm, in dem die Festigkeit einer erfindungsgemäßen ther moplastischen Nietverbindung der Festigkeit von weiteren Klebverbindungen ge genübergestellt ist. Die Festigkeit der thermoplastischen Nietverbindung beträgt da bei 7500 N und ist im Diagramm mit NV bezeichnet. Bei den fünf mit "Scotch DP 190" verbundenen Proben hatte die mit 3 bezeichnete Probe die geringste Festig keit (etwa 4500 N) und die mit 1 und 5 bezeichneten Proben die höchste Festigkeit (etwa 6100 N). Die mit D1 bezeichnete durchschnittliche Festigkeit der fünf Proben lag bei 5800 N und damit unter derjenigen der erfindungsgemäßen Nietverbindung.

Bezugszeichenliste

1

Impeller

2

Abdeckscheibe

3

Einlauf

4

Rückscheibe

5

Impellerschaufel

6

Stege

7

Nietwulst

8

Heißnietwerkzeug

9

Strömungskanal

10

Schlitz

11

Nietfläche
N Niet
D1 erster Durchschnittswert
D2 zweiter Durchschnittswert

Claims

1. Zentrifugalimpeller, insbesondere zum Komprimieren von Fluiden, wobei der Zentrifugalimpeller (1) eine im wesentlichen kreisförmige Abdeckscheibe (2) und daran angeordnete Impellerschaufeln (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abdeckscheibe (2) Öffnungen (10) zur Aufnahme von Verbindungs elementen (6) vorgesehen sind, wodurch die Abdeckscheibe (2) und die Im pellerschaufeln (5) formschlüssig miteinander verbunden sind.

2. Zentrifugalimpeller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine im wesentlichen kreisförmige Rückscheibe (4) vorgesehen ist, in der vorzugsweise Öffnungen (10) zur Aufnahme von Verbindungselementen (6) vorgesehen sind, wodurch die Rückscheibe (4) und die Impellerschaufeln (5) formschlüssig miteinander verbunden sind.

3. Zentrifugalimpeller nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den Impellerschaufeln (5) Verbindungselemente (6) hervorstehen, die von den Öffnungen (10) der Abdeckscheibe (2) und/oder Rückscheibe (4) auf nehmbar sind.

4. Zentrifugalimpeller nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentrifugalimpeller (1) aus thermoplastischem Kunststoff hergestellt ist.

5. Zentrifugalimpeller nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff kohlefaserverstärkt ist.

6. Zentrifugalimpeller nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Material ein Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht aufweist, welches 1,2 bis 2,5 MPa/kgm^-3 vorzugsweise 2,2 MPa/kgm^-3 beträgt.

7. Zentrifugalimpeller nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Material ein Verhältnis von Steifigkeit zu Gewicht aufweist, welches 80 bis 130 MPa/kgm^-3 vorzugsweise 128 MPa/kgm^-3 beträgt.

8. Verfahren zum Herstellen eines Zentrifugalimpellers (1), der eine im wesent lichen kreisförmige Abdeckscheibe (2), vorzugsweise eine im wesentlichen kreisförmige Rückscheibe (4) und an der Abdeckscheibe (2) angeordnete Impellerschaufeln (5) aufweist,
wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

a) Einführen von an den Impellerschaufeln (5) vorstehenden Verbindungs elementen (6) in an der Abdeckscheibe (2) vorhandene Öffnungen (10);
b) Schmelzverformen der vorstehenden Verbindungselemente (6) mit einem Heißnietwerkzeug (8).

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Impellerschaufeln (5) auch in an der Rückscheibe (4) vorhandenen Öff nungen (10) eingeführt werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Schritt a) die Öffnungen (10) in die Abdeckscheibe (2) und die Rückscheibe (4) eingebracht werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüchen 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß beim Schritt des Heißnietens ein Niederhalter die Bauteile zusammenhält.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig von der Abdeckscheibenseite und der Rückscheibenseite Heiß nietwerkzeuge angreifen.