DE29702099U1

DE29702099U1 - Laufrad für einen Turboverdichter

Info

Publication number: DE29702099U1
Application number: DE29702099U
Authority: DE
Original assignee: Atlas Copco Energas GmbH
Current assignee: Atlas Copco Energas GmbH
Priority date: 1997-02-07
Filing date: 1997-02-07
Publication date: 1997-04-17
Anticipated expiration: 2007-02-08

Description

Andrejewski, H on Ice & Partner, Patentanwälte in Essen

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Laufrad für einen Turboverdichter, insbesondere Radialverdichter, mit Laufradgrundkörper, Laufradschaufeln und zwischen den Laufradschaufeln ausgebildeten Laufradkanälen sowie zumindest einer Anschlußeinrichtung für eine Rotorwelle. - Turboverdichter meint im Rahmen der Erfindung Strömungsmaschinen zur Verdichtung von Gasen. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Radialverdichter, bei denen das zu komprimierende Gas während der Energieübertragung im Laufrad von innen nach außen strömt. Die Laufradschaufeln eines Laufrades sind in der Regel mehr oder weniger verwunden und bilden mit dem Laufradgrundkörper Laufradkanäle für das durchströmende Gas.

Zur Erzielung einer hohen Verdichtung arbeiten die Laufräder der Turboverdichter mit hohen Drehzahlen. Dementsprechend ergeben sich hohe Relativgeschwindigkeiten zwischen den Laufrädern und dem durchströmenden Gas. Die Gase können auch 0 Feststoff partikel mitführen, wobei es sich auch um mehr oder weniger harte, scharfkantige oder auch chemisch aggressive Partikel handeln kann. Diese Partikel treffen im Zuge der Förderung mit hoher Geschwindigkeit auf die Laufradschaufeln und die übrigen Bauteile des Laufrades. Hierdurch findet langfristig eine störend hohe Abrasion und Korrosion der Laufradoberflächen statt, die die Standzeit der Laufräder beeinträchtigt.

Bei dem aus der Praxis bekannten Turboverdichter, von dem die 0 Erfindung ausgeht, sind die Laufräder auf ihrer Außenober-

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fläche mit einer Polytetrafluorethylen-Schicht beschichtet. Hierdurch kann eine verhältnismäßig glatte Oberfläche der Laufradbauteile erzeugt werden. Allerdings weist die bekannte PTFE-Schicht keine nennenswerte Oberflächenhärte auf, so daß die Standzeit der auf diese Weise beschichteten Laufräder nur geringfügig verlängert werden kann. - Eine effektive und vollständige Beschichtung der Laufräder mit hochschmelzenden und harten Werkstoffen wurde bislang wegen der unregelmäßigen Geometrie und insbesondere wegen der ausgeprägten Verwindüngen der Laufradschaufeln nicht für möglich gehalten. Aufgrund dieser unregelmäßigen und verwundenen Form der Laufräder kommt beispielsweise eine Detonationsbeschichtung mit Hartwerkstoffen, wie beispielsweise Wolframcarbid, nicht in Frage. Die Laufradschaufeln der Turboverdichter unterliegen im übrigen wegen der durch die hohen Drehzahlen hervorgerufenen Zentrifugalkräfte, der Gaskräfte und außerdem der Schaufelverwindung erheblichen Beanspruchungen auf Zug, Biegung und Torsion. Nicht zum Stand der Technik gehörende Versuche, die Laufräder mit Beschichtungen zu versehen, scheiterten in der Vergangenheit zumeist daran, daß die Beschichtung aufgrund der erheblichen Beanspruchungen beim Betrieb der Turboverdichter nach relativ kurzer Zeit abplatzten. - Um die Standzeit der Laufräder gegen Verschleiß zu verlängern, ist es in der Praxis auch bekannt, die Laufradschaufeln dickwandiger auszuführen. Dies bedeutet jedoch einen erheblichen Mehraufwand an Material und bedingt im übrigen Zwänge bezüglich der Konstruktionsfreiheitsgrade für die Laufräder.

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Demgegenüber liegt der Erfindung , das technische Problem zugrunde, ein Laufrad der eingangs genannten Art anzugeben, das sich durch eine höhere Abrasions- und Korrosionsbeständigkeit auszeichnet und nichtsdestoweniger einfach und wenig aufwendig herstellbar ist. Es soll insbesondere für die Verdichtung von Hochofengichtgas, das Ruß- und Rostpartikel enthält, geeignet sein.

Zur Lösung dieses technischen Problems lehrt die Erfindung ein Laufrad für einen Turboverdichter, insbesondere Radialverdichter, mit Laufradgrundkörper, Laufradschaufeln und zwischen den Laufradschaufeln ausgebildeten Laufradkanälen sowie zumindest einer Anschlußeinrichtung für eine Rotorwelle, wobei das Laufrad eine plasmabeschichtete Außenoberfläche in Form einer Hartbeschichtung aus zumindest einem Werkstoff der Gruppe "Titannitrid, Titancarbonitrid, Wolframcarbid, Chromnitrid" aufweist und wobei die Hartbeschichtung zumindest auf den Oberflächen der Laufradschaufeln und der Laufradkanäle angeordnet ist. - Plasmabeschichtung meint im 0 Rahmen der Erfindung eine Beschichtung des Laufrades in einem Vakuum-Plasmaofen, wobei die Hartbeschichtung mit Hilfe eines Plasmastrahls auf das Laufrad bzw. die Laufradbauteile aufgebracht wird. Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung weist das Laufrad eine im Plasmaofen bei Temperaturen bis 500° C, vorzugsweise bei ca. 450° C, aufgebrachte Hartbeschichtung auf. Es versteht sich, daß die Temperatur bei der Plasmabeschichtung so eingestellt wird, daß das zu beschichtende Laufradmaterial durch die Temperaturbeaufschlagung keine die Funktionsfähigkeit bzw. die Standzeit beeinträchtigenden Beeinflussungen oder Umwandlungen erfährt.

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Insbesondere muß die Temperatur, bei der eine Gefügeumwandlung des Laufradmaterials eintritt, deutlich über der Einsatztemperatur bei der Plasmabeschichtung liegen.

Im einzelnen bestehen mehrere Möglichkeiten der weiteren Ausführung und Ausgestaltung der Erfindung. Vorzugsweise weist die Hartbeschichtung eine Schichtdicke von 1 bis 8 &mgr;&igr;&eegr; auf. Diese verhältnismäßig dünne Schicht des Hartwerkstoffes hat sich insoweit bewährt, als einerseits das Abplatzen der Beschichtung auf ein Minimum reduziert wird und nichtsdestoweniger ein hervorragender Verschleißschutz für die Laufräder gewährleistet ist. Zweckmäßigerweise weist die Hartbeschichtung eine Vickershärte > 1000 auf, vorzugsweise eine Vickershärte zwischen 1000 und 3000. Mit den im Schutzanspruch 1 beanspruchten Werkstoffen lassen sich beispielsweise die nachfolgend aufgeführten Vickershärten erzielen:

Titannitrid (TiN) 2300 HV

Titancarbonitrid (TiCN) 3000 HV

Wolframcarbid (WC/C) 1000 HV

Chromnitrid (CrN) ca. 1750 HV

Gemäß Schutzanspruch 1 ist die Hartbeschichtung zumindest auf den Oberflächen der Laufradschaufeln und Laufradkanäle angeordnet, da diese Bereiche des Laufrades hauptsächlich die oben beschriebenen beachtlichen mechanischen und chemischen Beanspruchungen erfahren. Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß außer den Laufradschaufeln und den Laufradkanälen auch 0 der gesamte Laufradgrundkörper, d. h. auch der Laufradrücken,

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mit der Hartbeschichtung versehen ist. Zweckmäßigerweise wird zumindest der Anschlußbereich für die Rotorwelle nicht mit der Hartbeschichtung beschichtet.

Es ist grundsätzlich bekannt, verschiedene Werkzeuge, beispielsweise Bohrer und Fräser mit einer Hartbeschichtung aus den oben angegebenen anorganischen Hartwerkstoffen zu versehen. In die Technologie von Turboverdichtern, die zur Erzeugung von hohen Verdichtungsverhältnissen mit großen Drehzahlen bzw. großen Umfangsgeschwindigkeiten der Laufräder arbeiten, und die sich durch die eingangs geschilderten Besonderheiten auszeichnen, hat diese Art der Hartbeschichtung bislang keinen Eingang gefunden.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß ein mit der erfindungsgemäßen Plasmabeschichtung des Hartwerkstoffes versehenes Laufrad langfristig allen Anforderungen genügt. Durch die Beschichtung im Plasmaofen können alle Bereiche des Laufrades bzw. der Laufradschaufeln und Laufradkanäle unabhängig von der speziellen Geometrie und Verwindung der Laufradschaufeln vollständig und durchgängig beschichtet werden. Trotz der beachtlichen mechanischen und chemischen Beanspruchungen dieser Hartbeschichtung beim Betrieb des Turboverdichters wird nichtsdestoweniger und überraschenderweise ein langfristiger Verschleißschutz gewährleistet. Die Abrasions- und Korrosionsbeständigkeit gegenüber dem Aufprall von im Gas mitgeführten harten, scharfkantigen und chemisch aggressiven Partikeln wird im Vergleich zu den bekannten Laufrädern beachtlich erhöht. In vielen Fällen ist eine 0 aufwendige Gasreinigung vor Eintritt in die Turbomaschine

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nicht mehr erforderlich. Erfindungsgemäß beschichtete Laufräder eignen sich besonders für Hochofengichtgas mit Ruß- und Rostpartikeln. Überraschenderweise findet trotz der hohen mechanischen Beanspruchungen der Laufradelemente und insbesondere trotz der im Betrieb auftretenden Laufradschaufelschwingungen kein Abplatzen der Hartbeschichtung statt. Durch die Plasmabeschichtung wird erfindungsgemäß eine sehr feste Verbindung des anorganischen Hartbeschichtungswerkstoffes mit der Laufradoberfläche erzielt. Im Ergebnis wird eine sehr vollständige Beschichtung hoher Härte und hoher Widerstandsfähigkeit der entsprechenden Bereiche des Laufrades erreicht.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung

Fig. 1 eine Frontansicht des erfindungsgemäßen Laufrades,

Fig. 2 eine Seitenansicht des Gegenstandes nach Fig. 1 aus Richtung des Pfeiles A.

In den Figuren 1 und 2 ist ein Laufrad für einen Turboverdichter dargestellt, welches Laufrad einen Laufradgrundkörper 1, Laufradschaufeln 2 und zwischen den Laufradschaufeln 2 ausgebildete Laufradkanäle 3 aufweist. Außerdem sind Anschlußeinrichtungen 4 für eine nicht dargestellte Rotorwelle vorgesehen. Fig. 1 macht die Verwindung der Laufradschaufeln 2 deutlich. Im Ausführungsbeispiel weist das Lauf-0 rad eine plasmabeschichtete Außenoberfläche in Form einer

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Hartbeschichtung aus Chromnitrid auf, die bei einer Temperatur von 450° C im Plasmaofen aufgebracht wurde. Diese Hartbeschichtung ist im Ausführungsbeispiel auf allen Außenoberflächen der Laufradschaufeln 2 und der Laufradkanäle 3 sowie auch auf der Außenoberfläche des Laufradrückens 5 angeordnet. Im Ausführungsbeispiel sind lediglich die durch strichpunktierte Linien angedeutete Bereiche an den Anschlußeinrichtungen 4 nicht mit der Hartbeschichtung versehen. Das im Ausführungsbeispiel dargestellte Laufrad weist eine Durchgangsbohrung 6 zum Anschluß der nicht dargestellten Rotorwelle auf, welche Rotorwelle mit entsprechenden Befestigungsmitteln drehfest mit dem Laufrad verbunden wird.

Claims

Andrejewski, Honke & Partner, Patentanwälte in Essen 8 Schut zansprüche

1. Laufrad für einen Turboverdichter, insbesondere Radialverdichter, mit Laufradgrundkörper (1), Laufradschaufeln (2) und zwischen den Laufradschaufeln (2) ausgebildeten Laufradkanälen (3) sowie zumindest einer Anschlußeinrichtung (4) für eine Rotorwelle,

wobei das Laufrad eine plasmabeschichtete Außenoberfläche in Form einer Hartbeschichtung aus zumindest einem Werkstoff der Gruppe "Titannitrid, Titancarbonitrid, Wolframcarbid, Chromnitrid" aufweist

und wobei die Hartbeschichtung zumindest auf den Oberflächen der Laufradschaufeln (2) und der Laufradkanäle (3) angeordnet ist.

2. Laufrad nach Anspruch 1, wobei das Laufrad eine im Plasmaofen bei Temperaturen bis 500° C₇ vorzugsweise bis 450° C, aufgebrachte Hartbeschichtung aufweist.

3. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Hartbeschichtung eine Schichtdicke von 1 bis 8 &mgr;&tgr;&eegr; aufweist.

4. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Hartbeschichtung eine Vickershärte > 1000 aufweist.