WO2010089201A1 - Verfahren zur herstellung eines geschlossenen verdichterlaufrades - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a closed impeller for a radial compressor, which impeller has a nabenproofre wheel disc and a hubfernere cover plate, which are fastened together by means of a joining method.
  • the invention also relates to an impeller for a centrifugal compressor.
  • Impellers for centrifugal compressors are often manufactured in a closed design, because this can minimize gap losses, which would result from flows between the radially extending blades of the impeller or impeller and the standing radially outwardly bounding inner housing wall in an open design.
  • closed The production of closed
  • centrifugal compressor wheels are somewhat more expensive because these parts must either be machined from the solid or eroded or be composed of several parts. The latter option is used much more frequently, because the strength achieved by these joining methods is sufficient and the production cost is much lower compared to the production by EDM.
  • closed compressor wheels have been designed wear resistant by the wheel disc and the cover plate were made of a more wear-resistant material.
  • the use of these high-quality materials is extremely expensive, since they are usually high-alloyed chromium-nickel alloys or nickel-based alloys. To some extent These materials reduce wear due to their higher hardness.
  • the wheel disc and the cover disc are regularly fastened to one another by means of a thermal joining method, in particular by means of a soldered connection or a welded connection.
  • the wheel is in this case closer to "the hub", because this is usually fixed in the manner of a shaft-hub connection to the shaft and the cover plate - as described above - is attached to the wheel disc.
  • Another way to increase the wear resistance of the compressor impellers is by coating the compressor impeller by means of a carburizing or nitriding process, by a CVD or PVD method or by a galvanic or currentless
  • Radial compressor impellers other than by means of a costly selection of the base material against aggressive, especially against erosive-acting process media to adequately protect.
  • the coating methods mentioned above achieve only layer thicknesses of a few microns up to a maximum of several tenths of millimeters, resulting in only limited wear resistance, which is almost meaningless in practice.
  • inside the closed radial compressor impellers is already after a short time
  • the invention has the object to provide a method for producing closed radial compressor impellers, which also allows the use of less high-alloy materials or low-cost base materials even in the compression of aggressive, especially erosive process media.
  • Manufacturing process is also in a new order of process steps.
  • a coating of at least a portion of the wheel disc or the cover plate or both components before these two parts are joined together, has the advantage that the desired coating can be applied more easily and accordingly only certain coating properties can be achieved.
  • layer thicknesses of several tenths to several millimeters can be realized at the stressed points of the wheel disk and / or the cover disk, so that effective protection, in particular against erosion of an otherwise non-erosion-resistant base material, is achieved.
  • a low cost base material may be provided with an erosion resistant coating according to the method of the present invention prior to assembly of the component parts into a closed radial compressor impeller.
  • a subsequent heat treatment step may further enhance the bonding of the coating to the base material.
  • the wheel disc and / or the cover plate is coated at those points which are particularly at risk from erosion.
  • a particular risk of erosion can easily be determined by means of conventional flow simulation, for example, by determining the probability of particles impinging in the process fluid on the individual surfaces of the closed radial compressor impeller.
  • thermal spraying methods are expedient, for example high-speed flame spraying or plasma spraying.
  • detonation coating or laser spying is useful.
  • Useful coating materials are metallic alloys based on iron, nickel or cobalt, which are also referred to as hard alloys.
  • a coating material can be used as a matrix material, which carries at least one kind of hard material.
  • the hard material (s) may be tungsten carbide, tungsten carbide Melt carbide, chromium carbide, silicon carbide or titanium carbide.
  • Figure 1 shows a wear-coated wheel disc
  • Figure 2 is a closed compressor impeller after joining the wheel disc and the cover plate by means of a soldering process.
  • the wheel disc 1 shows a wheel disc 1 of a radial compressor impeller 2 according to the invention, which wheel disc 1 is shown by way of example with two blades 3 arranged next to one another.
  • the wheel disc 1 consists essentially of a base body 4, which has a flat or three-dimensionally curved contour and is provided with a central recess comparable to a bore 5 coaxial with a rotation axis 6, around which the wheel disc 1 and the radial compressor impeller 2 in Operation turns.
  • the disc-shaped contour of the main body 4 of the wheel disc 1 extends substantially radially flat. From the disk-like or three-dimensionally curved base body 4, the blades 3 protrude axially, comparable with protruding ribs.
  • the blades 3 extend in a substantially radial direction and define a flow channel 8 for a process fluid, not shown, channel-like.
  • the flow channel 8 which is bounded by the blades 3, tapers radially outward in that the blades 3 in their decrease axial height.
  • the blades 3 have a pressure side 3a and a suction side 3b, wherein the pressure side 3a is the front surface of the blade 3 in a direction of rotation 12 and the opposite surface defining the flow channel 8 is the suction side 3b.
  • the wheel disc 1 is manufactured with the blades 3, here mechanically by means of end mills. Subsequently, the wheel disc 1 is partially coated, here the entrance edges 7 are provided by means of high-speed flame spraying with a nickel-based metallic alloy as a hard alloy.
  • the blades are also coated on their entire pressure side with this coating 10.
  • a cover disk 9 as shown in FIG. 2, is placed on the wheel disk 1 in the direction of the axis of rotation 6, so that the flow channel 8 is delimited by the main body 4 of the wheel disk 1, the blades 3 and the cover disk 9.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines geschlossenen Laufrades (2) für einen Radialverdichter, bei welchem mittels eines Fügeverfahrens eine Radscheibe (1) und eine Deckscheibe (9) aneinander befestigt werden. Herkömmliche Verfahren sehen die Verwendung eines kostspieligen hochlegierten Grundwerkstoffs für erosionsbeständige Radialverdichterlaufräder vor. Es wird vorgeschlagen, die Radscheibe und die Deckscheibe vor dem thermischen Fügevorgang mit einer Beschichtung (10) an zumindest den hoch erosiv belasteten Stellen zu versehen, so dass ein Grundwerkstoff geringerer Güte ausreichend ist.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Herstellung eines geschlossenen Verdichter1aufrades
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines geschlossenen Laufrades für einen Radialverdichter, welches Laufrad eine nabennähere Radscheibe und einen nabenfernere Deckscheibe aufweist, die mittels eines Fügeverfahrens aneinander befestigt werden. Daneben betrifft di Erfindung auch ein Laufrad für einen Radialverdichter.
Laufräder für Radialverdichter werden häufig in geschlossener Bauweise hergestellt, weil sich dadurch Spaltverluste minimieren lassen, die sich durch Strömungen zwischen den sich in radialer Richtung erstreckenden Laufschaufeln des Laufrades bzw. Impellers und der stehenden nach radial außen begrenzenden Innengehäusewand bei einer offenen Bauweise ergeben würden. Die Herstellung von geschlossenen
Radialverdichterlaufrädern ist jedoch etwas aufwendiger, weil diese Teile entweder aus dem Vollen gefräst oder erodiert werden müssen oder aus mehreren Teilen zusammenzufügen sind. Die letztere Option kommt sehr viel häufiger zur Anwendung, weil die hierdurch erzielten Festigkeiten bei entsprechenden Fügeverfahren ausreichend sind und der Fertigungsaufwand verglichen mit der Herstellung durch Elektroerosion sehr viel geringer ist.
Insbesondere bei der Verdichtung von aggressiven Medien oder Medien, welche beispielsweise aufgrund der in den Medien enthaltenen Partikel besonders erosiv wirken, wurden geschlossene Verdichterlaufräder bisher verschleißfester gestaltet, indem die Radscheibe und die Deckscheibe aus einem verschleißfesteren Werkstoff gefertigt wurden. Der Rückgriff auf diese hochwertigen Werkstoffe ist äußerst kostspielig, da es sich in der Regel um hochlegierte Chrom-Nickel-Legierungen oder Nickelbasislegierungen handelt. In einem gewissen Umfang vermindern diese Werkstoffe aufgrund ihrer höheren Härte den Verschleiß. Regelmäßig werden die Radscheibe und die Deckscheibe mittels eines thermischen Fügeverfahrens, insbesondere mittels einer Lötverbindung oder einer Schweißverbindung, aneinander befestigt. Die Radscheibe ist hierbei näher „an der Nabe", weil diese in der Regel in der Art einer Welle-Nabe-Verbindung an der Welle befestigt wird und die Deckscheibe - wie zuvor beschrieben - an der Radscheibe befestigt wird.
Eine andere Möglichkeit, die Verschleißbeständigkeit der Verdichterlaufräder zu erhöhen, besteht im Beschichten des Verdichterlaufrades mittels eines Aufkohl- oder Nitrierprozesses, durch ein CVD- oder PVD-Verfahren oder durch ein galvanisches oder stromloses
Beschichtungsverfahren, mittels dessen auch eine Beschichtung des Laufrades im Inneren durchgeführt werden kann. Eine Methode, ein Laufrad zu beschichten ist bereits aus der europäischen Patentanmeldung EP 1 808 511 Al bekannt. Aus der deutschen Patentanmeldung DE 44 43 440 Al ist es außerdem bekannt, eine spezielle Erosions- und Kavitationsschutzschicht auf Schaufeloberflächen aufzutragen.
Bei einer Zusammenschau der herkömmlichen Möglichkeiten, ist es bisher nicht gelungen, geschlossene
Radialverdichterlaufräder anders als mittels einer kostspieligen Auswahl des Basiswerkstoffs gegenüber aggressiven, insbesondere gegenüber erosiv wirkenden Prozessmedien hinreichend zu schützen. Die mit den zuvor erwähnten Beschichtungsmethoden erzielen nur Schichtdicken zwischen wenigen Mikrometer bis zu maximal mehreren Zehnteln von Millimetern, was zu einer nur eingeschränkten Verschleißbeständigkeit führt, die in der Praxis fast bedeutungslos ist. Insbesondere im Inneren der geschlossenen Radialverdichterlaufräder ist bereits nach kurzer
Betriebsdauer ein inakzeptabler Erosionsverschleiß bei entsprechenden Betriebsbedingungen zu beobachten, wenn nicht der teure hochlegierte Basiswerkstoff benutzt worden ist. Bisherige Beschichtungsverfahren bzw. Herstellungsverfahren lassen eine Beschichtung nur als zusätzliche Ertüchtigung eines ohnehin schon hochlegierten Basiswerkstoffs zu.
Ausgehend von den Problemen des Standes der Technik hat es sich die Erfindung zur Aufgabe gemacht, ein Verfahren zur Herstellung geschlossener Radialverdichterlaufräder zu schaffen, welches auch den Einsatz weniger hochlegierter Werkstoffe bzw. preisgünstiger Basismaterialien auch bei der Verdichtung aggressiver, insbesondere erosiver Prozessmedien ermöglicht .
Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe wird vorgeschlagen, ein Herstellungsverfahren gemäß dem Anspruch 1 für geschlossene Radialverdichterlaufräder anzuwenden.
Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen
Herstellungsverfahrens liegt auch in einer neuen Reihenfolge von Prozessschritten. Eine Beschichtung zumindest eines Teiles der Radscheibe oder der Deckscheibe oder beider Komponenten, bevor diese beiden Teile aneinander gefügt werden, weist den Vorteil auf, dass die gewünschte Beschichtung einfacherer aufgetragen werden kann und dementsprechend überhaupt erst bestimmte Beschichtungseigenschaften erzielt werden können. Gemäß der Erfindung lassen sich an den beanspruchten Stellen der Radscheibe und/oder der Deckscheibe Schichtdicken von mehreren Zehnteln bis zu mehreren Millimetern verwirklichen, so dass ein effektiver Schutz, insbesondere gegenüber Erosion eines ansonsten nicht erosionsbeständigen Basiswerkstoffs gegeben ist. Dementsprechend kann ein kostengünstiger Basiswerkstoff mit einer erosionsbeständigen Beschichtung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren versehen werden, bevor die Einzelteile zu einem geschlossenen Radialverdichterlaufrad zusammengefügt werden.
Als Fügeverfahren wird bevorzugt ein Lötverfahren oder ein Schweißverfahren eingesetzt. Hier ergeben sich zusätzliche Synergieeffekte aus dem erfindungsgemäßen
Herstellungsverfahren, weil bei entsprechender Temperatur unter dem thermischen Fügeverfahren der Beschichtungswerkstoff und der Grundwerkstoff einer zusätzlichen vorteilhaften Wärmebehandlung ausgesetzt wird, wodurch sich eine höhere Belastbarkeit dieser Verbindung ergibt .
Alternativ oder zusätzlich kann ein nachfolgender Wärmebehandlungsschritt die Verbindung der Beschichtung zu dem Basiswerkstoff weiter verbessern.
Vorteilhaft wird die Radscheibe und/oder die Deckscheibe an denjenigen Stellen beschichtet, die besonders durch Erosion gefährdet sind. Eine besondere Erosionsgefährdung kann mittels herkömmlicher Strömungssimulation einfach ermittelt werden, indem beispielsweise die Wahrscheinlichkeit des Auftreffens von Partikeln in dem Prozessfluid auf die einzelnen Oberflächen des geschlossenen Radialverdichterlaufrades ermittelt wird.
Zusätzliche Kostenvorteile ergeben sich, wenn nur die Radscheibe an den Stellen beschichtet wird, an denen eine erhöhte Erosionsgefahr vorliegt.
Zur Beschichtung der Radscheibe, der Deckscheibe bzw. des Radialverdichterlaufrads sind thermische Spritzverfahren zweckmäßig, beispielsweise Hochgeschwindigkeitsflammspritzen oder Plasmaspritzen. Daneben ist auch Detonationsbeschichten oder Laserspraying sinnvoll.
Zweckmäßige Beschichtungswerkstoffe sind metallische Legierungen auf Basis von Eisen, Nickel oder Kobalt, die auch als Hartlegierungen bezeichnet werden. Alternativ kann ein Beschichtungswerkstoff als Matrixwerkstoff eingesetzt werden, der mindestens eine Art eines Hartstoffs trägt. Der oder die Hartstoffe können hierbei Wolframkarbid, Wolframkarbid- Schmelzkarbide, Chromkarbid, Siliziumkarbid oder Titankarbid sein .
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Zeichnungen zur Verdeutlichung näher beschrieben. Dem Fachmann ergeben sich neben dem speziellen Ausführungsbeispiel andere Möglichkeiten, die Erfindung auszuführen, insbesondere unter beliebiger Kombination der in den Patentansprüchen definierten Möglichkeiten. Es zeigen:
Figur 1 eine verschleißbeschichtete Radscheibe mit
Schaufeln,
Figur 2 ein geschlossenes Verdichterlaufrad nach Fügen der Radscheibe und der Deckscheibe mittels eines Lötprozesses.
Figur 1 zeigt eine Radscheibe 1 eines erfindungsgemäßen Radialverdichterlaufrades 2, welche Radscheibe 1 exemplarisch mit zwei nebeneinander angeordneten Schaufeln 3 gezeigt ist. Die Radscheibe 1 besteht im Wesentlichen aus einem Grundkörper 4, der eine ebene bzw. dreidimensional gekrümmte Kontur aufweist und mit einer mittigen Ausnehmung vergleichbar mit einer Bohrung 5 koaxial zu einer Rotationsachse 6 versehen ist, um welche sich die Radscheibe 1 bzw. das Radialverdichterlaufrad 2 im Betrieb dreht. Mit Bezug zu der Rotationsachse 6 erstreckt sich die scheibenförmige Kontur des Grundkörpers 4 der Radscheibe 1 im Wesentlichen radial flächig. Aus dem scheibenartigen bzw. dreidimensional gekrümmten Grundkörper 4 ragen vergleichbar mit hervorstehenden Rippen die Schaufeln 3 axial hervor. Gleichzeitig erstrecken sich die Schaufeln 3 in eine im Wesentlichen radiale Richtung und begrenzen einen Strömungskanal 8 für ein nicht dargestelltes Prozessfluid kanalartig. Beginnend an einer radial innen liegenden Eintrittskante 7 der Schaufeln 3 verjüngt sich der Strömungskanal 8, der durch die Schaufeln 3 begrenzt wird, nach radial außen dadurch, dass die Schaufeln 3 in ihrer axialen Höhe abnehmen. Die Schaufeln 3 weisen eine Druckseite 3a und eine Saugseite 3b auf, wobei die Druckseite 3a die in einer Rotationsrichtung 12 vorne befindliche Oberfläche der Schaufel 3 ist und die die gegenüberliegende Oberfläche, welche den Strömungskanal 8 begrenzt, ist die Saugseite 3b.
In einem ersten Verfahrensschritt wird die Radscheibe 1 mit den Schaufeln 3 gefertigt, hier mechanisch mittels Fingerfräsern. Anschließend wird die Radscheibe 1 teilweise beschichtet, hier werden die Eintrittskanten 7 mittels Hochgeschwindigkeitsflammspritzens mit einer metallischen Legierung auf Nickelbasis als Hartlegierung versehen.
Neben den Eintrittskanten 7 sind die Schaufeln auch auf ihrer gesamten Druckseite mit dieser Beschichtung 10 beschichtet.
Anschleißend wird in einem dritten Schritt eine Deckscheibe 9, wie in Figur 2 dargestellt, auf die Radscheibe 1 in Richtung der Rotationsachse 6 aufgesetzt, so dass der Strömungskanal 8 durch den Grundkörper 4 der Radscheibe 1, die Schaufeln 3 und die Deckscheibe 9 begrenzt wird. In einem dritten Schritt wird die Deckscheibe 9 an der Radscheibe 1 - und zwar an den von der Radscheibe 1 abgewandten Kanten der
Schaufeln 3 - mittels eines thermischen Fügeverfahrens - hier mittels Lötens - befestigt. Während das Löten bereits eine bessere Anbindung der Beschichtung 10 an den Eintrittskanten 7 bewirkt, erfolgt in einem vierten Schritt eine zusätzliche Wärmebehandlung für eine noch bessere Verbindung zwischen dem Beschichtung 10 und den Schaufeln 3.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines geschlossenen Laufrades (2) für einen Radialverdichter, welches
Laufrad (2) eine nabennähere Radscheibe (1) und einen nabenfernere Deckscheibe (9) aufweist, die mittels eines Fügeverfahrens aneinander befestigt werden, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: - Fertigung der Radscheibe (1) und der Deckscheibe (9),
- Beschichtung von mindestens einem Teil der Radscheibe (1) oder der Deckscheibe (9),
- Anwendung eines Fügeverfahrens zur Befestigung der Deckscheibe (9) an der Radscheibe (1) .
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Fügeverfahren um ein Lötverfahren handelt .
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Fügeverfahren um ein Schweißverfahren handelt .
4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Radscheibe (1) und die Deckscheibe (9) an den Stellen beschichtet sind, die erosionsgefährdet sind.
5. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nur die Radscheibe (1) an den Stellen beschichtet ist, die erosionsgefährdet sind.
6. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung mittels eines thermischen Spritzverfahrens erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das thermische Spritzverfahren Hochgeschwindigkeitsflammspritzen oder Plasmaspritzen oder Detonationsbeschichten oder Laserspraying ist.
8. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Beschichtungswerkstoff eine metallische Legierung auf Basis von Eisen, Nickel oder Kobalt ist.
9. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Beschichtungswerkstoff ein Matrixwerkstoff mit eingebetteten Hartstoffen ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei es sich bei den Hartstoffen um Wolframkarbid, um
Wolfram-Schmelzkarbid, Chromkarbid, Siliziumkarbid oder
Titankarbid handelt.
11. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei in einem vierten Schritt eine Wärmenachbehandlung stattfindet zur Erhöhung der Haftung des
Beschichtungswerkstoffs an dem Grundwerkstoff.
2. Laufrad (2) für einen Radialverdichter, hergestellt nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche.
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