EP3924628A1 - Entlastungseinrichtung - Google Patents

Entlastungseinrichtung

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EP3924628A1
EP3924628A1 EP20704818.2A EP20704818A EP3924628A1 EP 3924628 A1 EP3924628 A1 EP 3924628A1 EP 20704818 A EP20704818 A EP 20704818A EP 3924628 A1 EP3924628 A1 EP 3924628A1
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EP
European Patent Office
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relief device
relief
counter
carbon layer
less
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EP3924628C0 (de
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Markus PITTROFF
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KSB SE and Co KGaA
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Publication date
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Publication of EP3924628B1 publication Critical patent/EP3924628B1/de
Publication of EP3924628C0 publication Critical patent/EP3924628C0/de
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Definitions

  • the invention relates to a relief device for compensating the axial thrust of a turbomachine with a relief element which is connected in a rotationally fixed manner to a shaft and forms a gap together with a counter-element fixed to the housing.
  • the axial thrust is the resultant of all axial forces acting on the rotor of a turbomachine. A distinction is made between different types of axial thrust compensation.
  • relief disc There are essentially three types of relief devices known for absorbing the axial thrust: relief disc, single piston and double piston. Common to all three versions is a relief current routed through a column. The relief flow, which is mostly returned to the inlet of the centrifugal pump, represents a leakage loss, which one tries to minimize with the smallest possible gap widths.
  • the aim is to achieve a position of the rotor that is controlled for all operating states of the turbo machine in order to ensure trouble-free operation of the turbo machine.
  • moving moving parts should be avoided as much as possible.
  • the pressure difference that acts between two sides of the relief element leads to a relief force that is directed against the axial thrust.
  • the relief force is just as great as the axial thrust. There is an equilibrium of forces on the runner.
  • DE 102 54 041 A1 shows a multistage centrifugal pump.
  • the double piston of a relief device is attached to a shaft.
  • the double piston is surrounded by a housing part with which it forms radial gaps.
  • the axial gap has a variable width s.
  • DE 199 27 135 A1 describes a relief device for multistage centrifugal pumps in which a cardanic ring is used.
  • the cardanic ring is dimensioned so that it is elastically deformed by the residual thrust.
  • the cardanic ring is arranged in a separate sealed space.
  • DE 1 745 898 U describes a device for limiting the axial thrust of the pump rotor of a centrifugal machine.
  • a contact of the relief element on the counter element is prevented by the fact that a freely movable axial bearing and an outer bearing ring rest in a limiting manner on a support bearing flange by spring force. Oil lubrication is required for this construction.
  • the overall length of the machine is extended by a corresponding shaft section where the corresponding housing is sealed against the pumped medium.
  • the object of the invention is to provide a relief device for compensating for the axial thrust of a turbomachine, in which permanent damage to the components is effectively prevented. The measure should not lead to an additional length of the turbomachine.
  • the relief device should ensure the lowest possible leakage flow and have a long service life.
  • the relief device should be characterized by a high level of reliability. It should also ensure simple assembly and be easily accessible for maintenance work. Furthermore, the relief device should be distinguished by the lowest possible manufacturing costs.
  • a carbon layer is arranged at least in some areas between the element, which is non-rotatably connected to a while and the stationary counter-element.
  • the element can for example be designed as a relief disk and the counter-element as a counter-disk.
  • a design of the element as a relief piston or as a double piston is also possible.
  • the carbon layer effectively prevents damage to the components in the fold of a rubbing against element and counter-element, in particular when starting or stopping.
  • the carbon layers are understood to mean layers in which carbon is the predominant component.
  • the carbon layer can be applied, for example, with a PVD (physical vapor deposition), a physical vapor deposition, for example by evaporation or sputtering) or a CVD (chemical vapor deposition) method.
  • the layer is preferably applied to the element designed as a relief disk, relief piston or double piston, in particular on possible contact surfaces of element and counter-element.
  • the counter element which is designed as a housing part, for example, can also be coated with the carbon layer.
  • amorphous carbon layer in particular a tetrahedral, hydrogen-free amorphous carbon layer, which is also referred to as a ta-C layer.
  • the atomic bonds belonging to the crystal lattice of graphite are identified with the designation “sp2”. This is an sp2 hybridization.
  • each carbon atom forms a tetrahedral arrangement with four neighboring atoms. With this spatial arrangement, all atomic distances are equally small. There are therefore very high binding forces between the atoms in all spatial directions. This results in the high strength and extreme hardness of the diamond.
  • the atomic bonds belonging to the crystal lattice of diamond, a total of four each, are identified with the designation "sp3". There is thus an sp3 hybridization.
  • the carbon layer consists of a mixture of sp3 and sp2 hybridized carbon.
  • This layer is characterized by an amorphous structure.
  • Foreign atoms such as hydrogen, silicon, tungsten or fluorine can also be built into this carbon network.
  • the arrangement according to the invention of a carbon layer leads to a considerable reduction in the removal of components rubbing against one another.
  • the carbon layer increases the sliding ability to such an extent that damage to the element and the counter-element is effectively prevented even if it is touched.
  • the invention makes it possible to realize very small spar dimensions. This minimizes the leakage flow and thus increases the efficiency of the centrifugal pump. There is no need for complex maintenance work. This lowers the operating costs.
  • By arranging a carbon layer between the element and the counter-element an extremely smooth axial surface with non-stick properties is created without the need for complex mechanical reworking of the components.
  • the relief device according to the invention is thus characterized by relatively low manufacturing costs.
  • the carbon layer is applied as a coating to the element and / or the counter-element.
  • the thickness of the layer is advantageously more than 0.3 mm, preferably more than 0.6 mm, in particular more than 0.9 mm. Furthermore, it proves to be advantageous if the thickness of the layer is less than 30 mm, preferably less than 25 mm, in particular less than 20 mm.
  • the element or counter-element is covered by means of a simple masking device in order to leave only the desired coating area free.
  • a simple masking device in order to leave only the desired coating area free.
  • Several elements or counter-elements can also be introduced into the coating reactor, which is preferably designed as a vacuum chamber, at the same time, with the ta-C coating being applied under moderate thermal stress.
  • the element or counter-element is ready for use immediately after the coating process without any rework.
  • the ta-C coating has a very low coefficient of friction and, at the same time, very good chemical resistance.
  • the hardness of the coating comes very close to the hardness of diamond, the hardness preferably being more than 20 GPa, preferably more than 30 GPa, in particular more than 40 GPa, but less than 120 GPa, preferably less than 110 GPa, in particular less than 100 GPa .
  • the carbon layer is preferably not applied directly to the element or counter-element, but rather an adhesion promoter layer is provided first. This is preferably made of a material that both adheres well to steel and prevents carbon diffusion, e.g. B. through the formation of stable carbides. Thin layers of chromium, titanium or silicon are preferably used as adhesion promoting layers that meet these requirements. In particular, chromium and tungsten carbide have proven useful as adhesion promoters.
  • the coating has an adhesion promoter layer, which preferably contains a chrome material.
  • the adhesion promoter layer preferably consists of more than 30% by weight, preferably more than 60% by weight, in particular more than 90% by weight, of chromium.
  • the thickness of the adhesion promoter layer is more than 0.03 mm, preferably more than 0.06 mm, in particular more than 0.09 mm and / or less than 0.21 mm, preferably less than 0, 18 mm, in particular less than 0.15 mm.
  • the ta-C coating according to the invention is a simple, quick and economical process. In addition to being very hard, the coating according to the invention also has excellent sliding properties and good chemical resistance.
  • the invention also enables thin-walled elements or counter-elements with smaller dimensions to be coated, which would be very difficult to achieve with conventional coatings.
  • the advantage of the higher hardness due to the ta-C coating is due, on the one hand, to the fact that small solid particles, which are often contained in the media, collect in the area between the element and the counter-element. As they move, these solid particles act like an abrasive and work their way into the surface of the Elements a. As a result, grooves can occur on the surface of conventional elements, which lead to wear on both parts and leakage.
  • PVD processes are used for coating. These processes are relatively simple and have a low process temperature. This technology leads to layers in which foreign atoms can also be incorporated as required. The deposition temperatures are typically well below 500 ° C. The process is preferably carried out in such a way that changes in structure and dimensions of the materials to be coated (metallic, high and low-alloy stainless steels, etc.) are excluded.
  • PECVD / PACVD processes can be used for coating.
  • Plasma excitation of the gas phase occurs through the coupling of pulsed DC voltage, medium-frequency (KHz range) or high-frequency (MHz range) power.
  • KHz range medium-frequency
  • MHz range high-frequency
  • normal standard series parts such as relief disc, relief piston, relief double piston or housing parts can be coated with ta-C on the possible contact surfaces with the method. This results in an enormously improved wear and sliding behavior.
  • FIG. 1 shows a centrifugal pump with a housing 1 and a shaft 2 that carries several impellers 3. In the drawing, only two of the running wheels 3 are shown by way of example.
  • the element 4 is surrounded by a counter-element 5, which in the exemplary embodiment is formed by a housing part.
  • Element 4 forms two radial gaps 6 and 7 with the counter element 5. Between the radial gaps 6 and 7 there is an axial gap 8.
  • the axial gap 8 has a variable width s.
  • a hydrodynamic axial bearing 9 is arranged at the pressure-side end of the centrifugal pump.
  • the relief device is designed in such a way that, if possible, there is a residual thrust in all operating states of the centrifugal pump, which acts in the direction of the suction side.
  • a maximum width s of the axial gap 8 in the idle state of the centrifugal pump for example, elastic deformation, preferably a cardanic ring, closes the gap 8 under operating conditions to a predetermined minimum width at which the surfaces of the double piston 4 bounding the gap 8 come into contact and the housing part 5 is avoided if possible.
  • the axial gap 8 has a self-regulating function.
  • a carbon layer 10, which is shown in FIG. 2 is arranged at least in some areas between the element 4 and the counter-element 5.
  • FIG. 2 shows an enlarged schematic representation of a relief device designed as a double piston with an element 4, which is non-rotatably connected to a shaft 2 and, together with a stationary counter-element 4, forms two radial gaps 6 and 7 and an axial gap 8.
  • the axial gap 8 has a variable width s.
  • a carbon layer 10 is arranged between the element 4 and the counter-element 5 at least in some areas.
  • the element 4 is coated with the carbon layer. It is an amorphous carbon layer 10, which is introduced into the relief device as a ta-C coating of the element 4.
  • the thickness of the coating is preferably in the range between 1 and 20 mm, where the coating has a chromium-containing 0.1 mm thick adhesion promoter layer between the element 11 and the carbon layer 14,

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Entlastungseinrichtung zur Kompensation des Axialschubs einer Strömungsmaschine. Die Entlastungseinrichtung weist ein Element (4) auf, das drehfest mit einer Welle (2) verbunden ist. Zusammen mit einem feststehenden Gegenelement (5) wird mindestens ein Spalt (8, 7, 8) gebildet. Zwischen dem Element (4) und dem Gegenelement (5) ist zumindest bereichsweise eine Kohlenstoffschicht (10) angeordnet.

Description

Beschreibung
Entlastungseinrichtung
Die Erfindung betrifft eine Entlastungseinrichtung zur Kompensation des Axiaischubs einer Strömungsmaschine mit einem Entlastungselement, das drehfest mit einer Welle verbunden ist und zusammen mit einem gehäusefesten Gegenelement einen Spalt bildet.
Der Axialschub ist die Resultierende aller auf den Läufer einer Strömungsmaschine wirkenden Axialkräfte. Man unterscheidet verschiedene Arten des Axialschubausgleichs.
Zur Aufnahme des Axialschubes sind im Wesentlichen drei Arten von Entlastungseinrichtungen bekannt: Entlastungsscheibe, Einfachkolben und Doppelkolben. Allen drei Ausführungen ist ein über Spalte geführter Entlastungsstrom gemeinsam. Der meist zum Einlauf der Kreiselpumpe zurückgeführte Entlastungsstrom stellt einen Leckver- lust dar, den man durch möglichst geringe Spaltweiten zu minimieren versucht.
Ziel ist es, eine für alle Betriebszustände der Strömungsmaschine kontrollierte Lage des Läufers zu erreichen, um einen störungsfreien Betrieb der Strömungsmaschine zu gewährleisten. Im Betrieb der Kreiselpumpe sollte ein Anstreifen von bewegten an feststehenden Teilen möglichst vermieden werden. Im Betrieb einer Strömungsmaschine mit Entlastungsscheibe führt die Druckdifferenz, die zwischen zwei Seiten des Entlastungselements wirkt, zu einer Entlastungskraft, die dem Axialschub entgegengerichtet ist. Die Entlastungskraft ist dabei im Idealfall gerade so groß wie der Axialschub. Es besteht ein Kräftegleichgewicht am Läufer.
Bei An- und Abfahrvorgängen ist diese Druckdifferenz noch nicht aufgebaut, so dass es ohne entsprechende Gegenmaßnahmen zum Kontakt zwischen dem Entlastungselement und dem Gegenelement kommt. Mithilfe von Federpaketen versucht man ein Anlaufen der radialen Spaltflächen zu verhindern.
In der DE 102 54 041 A1 ist eine mehrstufige Kreiselpumpe dargestellt. Auf einer Welle ist der Doppelkolben einer Entlastungseinrichtung befestigt. Der Doppelkolben wird umgeben von einem Gehäuseteil, mit dem er radiale Spalte bildet. Zwischen den radialen Spalten befindet sich ein axialer Spalt. Der axiale Spalt hat eine veränderli- che Weite s.
Die DE 199 27 135 A1 beschreibt eine Entlastungseinrichtung für mehrstufige Kreiselpumpen, bei der ein kardanischer Ring zum Einsatz kommt. Der kardanische Ring ist so dimensioniert, dass er durch den Restschub elastisch verformt wird. Der kardani- sche Ring ist in einem separaten abgedichteten Raum angeordnet.
In der DE 1 745 898 U wird eine Vorrichtung zur Begrenzung des Axialschubes des Pumpenläufers einer Kreiselmaschine beschrieben. Ein Anlaufen des Entlastungselements am Gegenelement wird dadurch verhindert, dass ein frei bewegliches Axialla- ger und ein äußerer Lagerring durch Federkraft an einem Traglagerflansch begrenzend anliegen. Für diese Konstruktion ist eine Ölschmierung erforderlich. Bel dieser Konstruktion verlängert sich die Baulänge der Maschine um ein entsprechendes Wellenstück, dort wo das entsprechende Gehäuse gegen das Fördermedium abgedichtet ist. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Entlastungseinrichtung zur Kompensation des Axialschubs einer Strömungsmaschine anzugeben, bei der eine dauerhafte Beschädigung der Bauteile wirksam verhindert wird. Die Maßnahme soll nicht zu einer zusätzlichen Baulänge der Strömungsmaschine führen. Auch sollen ein eigenes Gehäuse so- wie der Einsatz eines zusätzlichen Schmiermittels vermieden werden. Zudem soll die Entlastungseinrichtung einen möglichst geringen Leckagestrom gewährleisten und eine lange Lebensdauer aufweisen. Die Entlastungseinrichtung soll sich durch eine hohe Zuverlässigkeit auszeichnen. Sie soll zudem eine einfache Montage gewährleisten, sowie für Wartungsarbeiten gut zugänglich sein. Weiterhin soll sich die Entlas- tungseinrichtung durch möglichst geringe Herstellungskosten auszeichnen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Varianten sind den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren zu entnehmen.
Bei der erfindungsgemäßen Entlastungseinrichtung ist zwischen dem Element, das drehfest mit einer Weile verbunden ist und dem feststehenden Gegenelement zumindest bereichsweise eine Kohlenstoffschicht angeordnet, Das Element kann beispielsweise als Entlastungsscheibe und das Gegenelement als Gegenscheibe ausgebildet sein. Auch eine Ausführung des Elements als Entlastungskolben oder als Doppelkoiben ist möglich. Die Kohlenstoffschicht verhindert wirksam eine Beschädigung der Bauteile im Falte eines Anstreifen von Element und Gegenelement, insbesondere bei An- oder Abfahrvorgängen.
Unter den Kohlenstoffschichten werden Schichten verstanden, in denen Kohlenstoff der überwiegende Bestandteil ist. Die Kohlenstoffschicht kann beispielsweise mit einer PVD- (engl. Physical Vapor Deposition), einer physikalischen Gasphasenabscheidung etwa durch Verdampfen oder Sputtern) oder einem CVD-(engl. Chemical Vapor Deposi- tion; Chemische Gasphasenabscheidung) Verfahren aufgebracht werden. Vorzugsweise wird die Schicht auf das als Entlastungsscheibe, Entlastungskolben oder Doppelkolben ausgeführte Element aufgebracht, Insbesondere an möglichen Berührungsflächen von Element und Gegenelement. Ergänzend oder alternativ kann auch das Gegenelement, das beispielsweise als Gehäuseteil ausgeführt Ist, mit der Kohlen- stoffschicht beschichtet werden.
Vorzugsweise handelt es sich um eine amorphe Kohlenstoffschicht, insbesondere eine tetraedrische wasserstofffreie amorphe Kohlenstoffschicht, die auch als ta-C Schicht bezeichnet wird. Die dem Kristallgitter von Graphit zugehörigen Atombindungen (insge- samt jeweils 3) kennzeichnet man mit der Bezeichnung„sp2'\ Dabei liegt eine sp2-Hyb- ridisierung vor.
Beim Diamant bildet jedes Kohlenstoffatom mit vier benachbarten Atomen eine tetraederförmige Anordnung. Bei dieser räumlichen Anordnung sind alle Atomabstände gleich gering. Es wirken daher sehr hohe Bindungskräfte zwischen den Atomen, und zwar in allen Raumrichtungen. Daraus resultiert die hohe Festigkeit und die extreme Härte des Diamanten. Die dem Kristallgitter von Diamant zugehörigen Atombindungen, insgesamt jeweils vier, kennzeichnet man mit der Bezeichnung„sp3“. Somit liegt eine sp3-Hybridisierung vor.
Bei einer besonders günstigen Variante der Erfindung besteht die Kohlenstoffschicht aus einer Mischung von sp3- und sp2-hybridisiertem Kohlenstoff. Diese Schicht ist durch eine amorphe Struktur gekennzeichnet. In dieses Kohlenstoffnetzwerk können auch Fremdatome wie Wasserstoff, Silizium, Wolfram oder Fluor eingebaut sein.
Die erfindungsgemäße Anordnung einer Kohlenstoffschicht führt zu einer erheblichen Reduzierung des Abtrags von einander reibenden Bauteilen. Durch die Kohlenstoffschicht wird die Gleitfähigkeit so weit gesteigert, dass selbst bei einem Anstreifen eine Beschädigung von Element und das Gegenelement wirksam verhindert wird. Die Erfindung ermöglicht eine Verwirklichung von sehr kleinen Spaftmaßen. Dadurch wird der Leckagestrom minimiert und somit der Wirkungsgrad der Kreiselpumpe gesteigert. Aufwendige Wartungsarbeiten entfallen. Dies senkt die Betriebskosten. Durch die Anordnung einer Kohlenstoffschicht zwischen dem Element und dem Gegenelement wird eine extrem glatte axiale Oberfläche mit Antihafteigenschaften geschaffen, ohne dass eine aufwendige mechanische Nachbearbeitung der Bauteile erforderlich ist. Somit zeichnet sich die erfindungsgemäße Entlastungseinrichtung durch verhältnismäßig geringe Herstellungskosten aus.
Bei einer besonders günstigen Variante der Erfindung wird die Kohlenstoffschicht als Beschichtung auf das Element und/oder das Gegenelement aufgebracht. Die Dicke der Schicht beträgt vorteilhaft mehr als 0,3 mm, vorzugsweise mehr als 0,6 mm, insbesondere mehr als 0,9 mm. Weiterhin erweist es sich als günstig, wenn die Dicke der Schicht weniger als 30 mm, vorzugsweise weniger als 25 mm, insbesondere weniger als 20 mm beträgt.
Bei einer Variante der Erfindung wird das Element bzw. Gegenelement mittels einer einfachen Maskierungsvorrichtung abgedeckt, um nur den gewünschten Beschichtungsbe- reich frei zu lassen. Dabei können auch mehrere Elemente bzw. Gegenelemente gleichzeitig in den Beschichtungsreaktor, der vorzugsweise als Vakuumkammer ausgeführt ist, eingebracht werden, wobei bei mäßiger thermischer Belastung, die ta-C Beschichtung aufgebracht wird. Das Element bzw. Gegenelement ist nach dem Beschichtungsvorgang sofort ohne jegliche Nacharbeit einsatzbereit. Die ta-C-Beschichtung weist einen sehr geringen Reibbei- wert bei gleichzeitig sehr guter chemischer Beständigkeit auf. Die Härte der Beschichtung kommt der Härte von Diamant sehr nahe, wobei die Härte vorzugsweise mehr als 20 GPa, vorzugsweise mehr als 30 GPa, insbesondere mehr als 40 GPa beträgt aber weniger als 120 GPa, vorzugsweise weniger als 110 GPa, insbesondere weniger als 100 GPa. Vorzugsweise wird die Kohlenstoffschicht nicht unmittelbar auf das Element bzw. Gegenelement aufgebracht, sondern es wird zunächst eine Haftvermittlerschicht vorgesehen. Diese besteht vorzugsweise aus einem Werkstoff bestehen, der sowohl gut an Stahl haftet als auch eine Kohlenstoffdiffusion verhindert, z. B. durch die Bildung stabi- ier Carbide. Als Haftvermittlungsschichten, die diese Anforderungen erfüllen, kommen vorzugsweise dünne Schichten aus Chrom, Titan oder Silizium zum Einsatz. Insbesondere haben sich Chrom und Wolframcarbid als Haftvermittler bewährt.
Bei einer vorteilhaften Variante der Erfindung weist die Beschichtung eine Haftvermitt- lerschicht auf, die vorzugsweise einen Chromwerkstoff beinhaltet. Vorzugsweise besteht die Haftvermittlerschicht zu mehr als 30 Gew.-%, vorzugsweise mehr als 60 Gew.- %, insbesondere mehr als 90 Gew.-% aus Chrom.
Dabei erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Dicke der Haftvermittlerschicht mehr als 0,03 mm, vorzugsweise mehr als 0,06 mm, insbesondere mehr als 0,09 mm beträgt und/oder weniger als 0,21 mm, vorzugsweise weniger als 0,18 mm, insbesondere weniger als 0,15 mm beträgt.
Bei der erfindungsgemäßen ta-C Beschichtung handelt es sich um ein einfaches, schnelles und wirtschaftliches Verfahren. Die erfindungsgemäße Beschichtung weist neben einer sehr großen Härte auch hervorragende Gleiteigenschaften und eine gute chemische Beständigkeit auf.
Zudem ermöglicht die Erfindung auch eine Beschichtung von dünnwandigen Elementen bzw. Gegenelementen mit kleineren Abmessungen, was mit herkömmlichen Beschichtungen nur sehr schwer realisierbar wäre.
Der Vorteil der höheren Härte durch die ta-C Beschichtung liegt zum einen darin begründet, dass sich kleine Feststoffpartikel, die oft in den Medien enthalten sind, in dem Bereich zwischen Element und Gegenelement ansammeln. Durch die Bewegung wirken diese Feststoffteilchen wie ein Schleifmittel und arbeiten sich so in die Oberfläche des Elements ein. Dies führt dazu, dass auf der Oberfläche von herkömmlichen Elementen Riefen entstehen können, die zum Verschleiß beider Teile und einer Leckage führen.
Idealerweise werden zur Beschichtung PVD Verfahren eingesetzt. Diese Verfahren sind relativ einfach und weisen eine niedrige Prozesstemperatur auf. Diese Technologie führt zu Schichten, in die je nach Bedarf auch Fremdatome eingebaut sein können. Die Abscheidetemperaturen liegen typisch deutlich unter 500 °C. Die Prozessführung erfolgt vorzugsweise so, dass Gefüge- und Dimensionsänderungen der zu beschichtenden Werkstoffe (metallisch, hoch- und niedrig legierte Edelstähle, etc.) ausgeschlossen sind.
Alternativ können zur Beschichtung PECVD/PACVD-Verfahren eingesetzt werden. Dabei erfolgt eine Plasmaanregung der Gasphase durch die Einkoppiung von gepulster Gleichspannung („pulsed DC"), mittelfrequenter (KHz-Bereich) oder hochfrequenter (MHz-Bereich) Leistung. Aus Gründen einer maximierten Prozessvariabilität bei unterschiedlichen Werkstückgeometrien und Beladungsdichten hat sich zudem die Einkopplung von gepulster Gleichspannung bewährt.
Erfindungsgemäß können mit dem Verfahren normale standardmäßige Serienteile wie Entlastungsscheibe, Entlastungskolbens, Entlastungsdoppelkolben bzw. Gehäuseteile mit ta-C an den möglichen Berührungsflächen beschichtet werden. Dadurch wird ein enorm verbessertes Verschleiß- und Gleitverhalten erreicht.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Anführungsbeispielen anhand von Zeichnungen und aus den Zeichnungen selbst.
Dabei zeigt
Fig. 1 einen Ausschnitt einer im Schnitt dargestellten mehrstufigen Kreiselpumpe,
Fig, 2 eine schematische Darstellung einer Entlastungseinrichtung. Fig. 1 zeigt eine Kreiselpumpe mit einem Gehäuse 1 und einer Welle 2, die mehrere Laufräder 3 trägt. In der Zeichnung sind exemplarisch nur zwei der Laufräder 3 dargestellt. Auf der Welle 2 ist auch ein Element 4 einer Entlastungseinrichtung, das im Ausführungsbeispiel als Doppelkolben ausgeführt ist. Das Element 4 wird von einem Ge- genelement 5 umgeben, das im Ausführungsbeispiel von einem Gehäuseteil gebildet wird. Element 4 bildet mit dem Gegenelement 5 zwei radiale Spalte 6 und 7. Zwischen den radialen Spalten 6 und 7 befindet sich ein axialer Spalt 8. Der axiale Spalt 8 hat eine veränderliche Weite s. Am druckseitigen Ende der Kreiselpumpe ist ein hydrodynamisches Axiallager 9 angeordnet.
Die Entlastungseinrichtung ist so ausgelegt, dass sich nach Möglichkeit in allen Betriebszuständen der Kreiselpumpe ein Restschub ergibt, der in Richtung der Saugseite wirkt. Ausgehend von einer maximalen Weite s des axialen Spaltes 8 im Ruhezustand der Kreiselpumpe wird beispielsweise durch eine elastische Verformung, vorzugsweise eines kardanischen Ringes der Spalt 8 unter Betriebsbedingungen bis auf eine vorgegebene Minimalweite geschlossen, bei welcher eine Berührung der den Spalt 8 begrenzenden Flächen des Doppelkolbens 4 und des Gehäuseteils 5 nach Möglichkeit vermieden wird. Gemäß der in Figur 1 dargestellten Ausführung besitzt der axiale Spalt 8 eine selbstregelnde Funktion. Erfindungsgemäß ist zwischen dem Element 4 und dem Ge- genelement 5 zumindest bereichsweise eine Kohlenstoffschicht 10 angeordnet ist, die in Figur 2 gezeigt wird.
Figur 2 zeigt eine vergrößerte schematische Darstellung einer als Doppelkolben ausgeführten Entlastungseinrichtung mit einem Element 4, das drehfest mit einer Welle 2 ver- bunden ist und zusammen mit einem feststehenden Gegenelement 4 zwei radiale Spalte 6 und 7 und einen axialen Spalt 8 bildet. Der axiale Spalt 8 hat eine veränderliche Weite s. Zwischen dem Element 4 und dem Gegenelement 5 ist zumindest bereichsweise eine Kohlenstoffschicht 10 angeordnet ist. Das Element 4 ist mit der Kohlenstoffschicht beschichtet. Es handelt sich um eine amorphe Kohlenstoffschicht 10, die als ta-C Beschichtung des Elements 4 in die Entlastungseinrichtung eingebracht ist. Die Dicke der Beschichtung liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 1 und 20 mm, wobei die Beschichtung eine chromhaltige 0,1 mm dicke Haftvermittlerschicht zwischen dem Element 1 1 und der Kohlenstoffschicht 14 aufweist,

Claims

Patentansprüche Entlastungseinrichtung
1. Entlastungseinrichtung zur Kompensation des Axialschubs einer Strömungsmaschine mit einem Element (4), das drehfest mit einer Welle (2) verbunden ist und zusammen mit einem feststehenden Gegenelement (5) mindestens einen Spalt (6, 7, 8) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Element (4) und dem Gegenelement (5) zumindest bereichsweise eine Kohlenstoffschicht (10) angeordnet ist.
2. Entlastungseinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass es sich um eine amorphe Kohlenstoffschicht (10) handelt,
3. Entlastungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um eine tetraedrische wasserstofffreie amorphe Kohlenstoffschicht (10) handelt.
4. Entlastungseinrichtung nach einem Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffschicht (10) als Beschichtung auf dem Element (4) und/oder dem Gegeneiement (5) aufgebracht ist.
5. Entlastungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Haftvermittlerschicht aufweist.
6. Entlastungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlerschicht zu mehr als 30 Gew.-%, vorzugsweise mehr als 60 Gew.-%, insbesondere mehr als 90 Gew.-% aus Chrom besteht.
7. Entlastungseinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Haftvermittlerschicht mehr als 0,03 mm, vorzugsweise mehr als 0,06 mm, insbesondere mehr als 0,09 mm beträgt und/oder weniger als 0,21 mm, vorzugsweise weniger als 0,18 mm, insbesondere weniger als 0, 15 mm beträgt.
8. Entlastungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenhärte des Elements (4) und/oder des Gegenelements (5) mit der Kohlenstoffschicht (10) mehr als 20 GRa, vorzugsweise mehr als 30 GPa, insbesondere mehr als 40 GPa beträgt und/oder weniger als 120 GPa, vorzugsweise weniger als 1 10 GPa, insbesondere weniger als 100 GPa beträgt.
9. Entlastungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Kohlenstoffschicht (10) mehr als 0,3 mm, vorzugsweise mehr als 0,6 mm, insbesondere mehr als 0,9 mm beträgt und/oder weniger als 30 mm, vorzugsweise weniger als 25 mm, insbesondere weniger als 20 mm beträgt.
10. Entlastungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (4) als Entlastungsscheibe ausgebildet ist.
11 . Entlastungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (4) als Entlastungskolben ausgebiidet ist
12. Entlastungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Element (4) Entlastungsdoppelkolben ausgebildet ist.
13. Entlastungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegenelement (5) als Gehäuseteil ausgebildet ist.
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