DE3830443A1 - Heissgasventilator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Heißgasventilator der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Heißgasventilatoren werden üblicherweise aus hitzebeständigem Stahl ge­ fertigt. Bei den in der Regel verwendeten Chrom-Nickel-Stählen nimmt jedoch die Festigkeit bereits bei Temperaturen von etwa 700°C bis 800°C derart ab, daß Axialventilatoren nur noch mit niedriger Umfangsge­ schwindigkeit betrieben werden können und Radialventilatoren mit radial endenden Schaufeln von relativ geringer Breite ausgeführt werden müssen.

Aus der DE-OS 36 37 464 ist deshalb ein in radialer Bauform ausge­ führter Heißgasventilator der angegebenen Gattung bekannt, bei dem auch bei hohen Temperaturen die aus strömungstechnischen Gründen, nämlich wegen des höheren Druckanstieges im Laufrad, vorteilhaften, nach hinten gekrümmten Schaufeln verwendet werden können. Hierbei wird eine Füge­ konstruktion benutzt, bei der die Hauptteile der Schaufeln aus hoch­ temperaturfesten, keramischen Werkstoffen, z.B. Siliziumkarbid, be­ stehen und formschlüssig zwischen Rückenscheibe und Deckscheibe ge­ halten werden. Die Verbindung zwischen der Rückenscheibe und der Deck­ scheibe dieses Heißgas-Radialventilators erfolgt durch Rohre, die gleichzeitig die Vorderkanten der Schaufeln bilden.

Dieser Heißgas-Radialventilator ermöglicht zwar hohe Umfangsgeschwin­ digkeiten, ist jedoch wegen des erforderlichen Material- und Ferti­ gungsaufwandes sehr kostspielig, da Rückenscheibe und Deckscheibe aus teuren und schwierig zu bearbeitenden hochwarmfesten metallischen Su­ perlegierungen hergestellt werden müssen.

Eine andere Möglichkeit zur Verbesserung der Wärmebeständigkeit besteht darin, das gesamte Ventilatorrad als einstückiges, aus nicht metalli­ schem Hochtemperaturwerkstoff bestehendes Bauteil herzustellen. Auf diese Weise werden bspw. die Turbinenlaufräder von Abgasturboladern ge­ fertigt, die allerdings nur recht kleine Durchmesser von maximal 200 mm haben. Diese kleinen Durchmesser ermöglichen wiederum die direkte An­ formung des Läufers an die Welle, was sich bei größeren Durchmessern nicht realisieren läßt. Für den Bau von Heißgasventilatoren kommt diese, auf kleine Bauteileabmessungen beschränkte und mit hohem Form­ kostenaufwand verbundene Technik nicht in Frage.

Schließlich sind aus dem Pumpenbau für die chemische Industrie aus Siliziumkarbid hergestellte, monolithische Radialpumpen-Laufräder be­ kannt, die theoretisch als Grundlage für die Entwicklung entsprechender Laufräder für Heißgasventilatoren dienen können. Aber auch dieser Weg erscheint weder sinnvoll noch erfolgversprechend. Der maximale Durch­ messer solcher monolithischer Laufräder liegt nämlich aus fertigungs- und insbesondere sinter-technischen Gründen bei maximal 500 mm, während bei Heißgasventilatoren, wie sie bspw. im Industrieofenbau eingesetzt werden, Laufräder mit wesentlich größeren Durchmessern erforderlich sind. Außerdem läßt sich die im Pumpenbau bei kaum von der Umgebungs­ temperatur abweichenden Betriebstemperaturen realisierte Verbindung zwischen Laufrad und Welle durch Aufstecken des Laufrades mit einer entsprechenden Passung auf die Stahlwelle im Heißgasventilatorbau nicht verwenden. Denn wegen des größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Stahl im Vergleich mit dem bevorzugten, hochtemperaturfesten kera­ mischen Werkstoff, nämlich Siliziumkarbid, würde nämlich die Stahlwelle bei ihrer Erwärmung die Nabe aus Siliziumkarbid sprengen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Heißgasventila­ tor der angegebenen Gattung zu schaffen, bei dem die oben erwähnten Nachteile nicht auftreten. Insbesondere soll ein Heißgasventilator vor­ geschlagen werden, der sich sowohl in axialer als auch in radialer Bau­ weise realisieren läßt und trotz strömungsgünstiger Gestaltung auch bei hohen Temperaturen noch mit hohen Umfangsgeschwindigkeiten betrieben werden kann.

Dies wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des An­ spruchs 1 angegebenen Merkmale erreicht.

Zweckmäßige Ausführungsformen werden durch die Merkmale der Unteran­ sprüche definiert.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen auf dem Einsatz von nichtmetallischen, hochtemperaturfesten Werkstoffen für die Fertigung von Heißgasventilatoren; hier kommt insbesondere Siliziumkarbid (SiC) wegen seiner Beständigkeit auch in einer oxidieren Atmosphäre in Frage, da sich bei diesem Werkstoff die Festigkeitseigenschaften bis zu Temperaturen von etwa 1500°C praktisch nicht ändern.

Problematisch ist jedoch die komplizierte und aufwendige Herstellung von Werkstücken aus SiC. Denn zunächst muß eine mit einem Bindemittel versehene feinkörnige SiC-Masse hergestellt, mittels eines Formwerk­ zeuges auf die angestrebte Form gebracht und dann bei mäßigen Tempera­ turen getrocknet werden. Anschließend werden diese sogenannten "Grün­ teile" bei extrem hohen Temperaturen gesintert und dadurch der fertige Formteil hergestellt. Bei diesem Sintervorgang findet eine starke Schrumpfung der Ausgangsmasse statt, die bei der Gestaltung des Form­ werkzeuges berücksichtigt werden muß. So führen Materialanhäufungen oder größere Wandstärken-Differenzen zwangsläufig zur Bildung von Ris­ sen und damit zu Ausschuß-Formteilen. Ähnliche Schwierigkeiten treten bei geschlossenen Formteilen auf.

Außerdem muß noch beachtet werden, daß SiC-Teile nach dem Sintern nur noch mit Diamantwerkzeugen bearbeitet werden können.

Passungen lassen sich also nur mit sehr hohem Fertigungsaufwand reali­ sieren. Eine weitere Einschränkung ergibt sich noch daraus, daß - wie bereits erwähnt - nur relativ kleine Formteile aus SiC gefertigt wer­ den können.

Schließlich ist bei der Ausgestaltung der Verbindung zwischen dem SiC-Bauteil einerseits und der metallischen Nabe oder Welle anderer­ seits noch zu berücksichtigen, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient von SiC nur etwa halb so groß ist wie der für die hier in Frage kommenden metallischen Werkstoffe, insbesondere hochtemperaturfeste Stähle. Ein SiC-Bauteil darf also ein metallisches Bauteil, bspw. die Nabe oder die Welle des Ventilators, keinesfalls umschließen. Die umgekehrte Lösung, nämlich eine formschlüssige Verbindung, bei der das metallische Bau­ teil das SiC-Bauteil umschließt, läßt sich bei einem Heißgasventilator nicht anwenden, da die größere Wärmeausdehnung des metallischen Bau­ teils zu einem Spiel in der Umschließung des SiC-Bauteils und damit zu Unwuchten führen würde.

Unter Berücksichtigung dieser technischen Probleme wird deshalb vor­ geschlagen, den Läufer eines Heißgasventilators aus Segmenten aufzu­ bauen, die vorzugsweise die Form von Kreisausschnitten haben und durch Formschluß mit einer metallischen Nabe und einer metallischen Ventila­ torwelle verbunden sind. Die Segmente bestehen aus einem nichtmetalli­ schen, hochtemperaturfesten keramischen Werkstoff, insbesondere SiC.

Die Segmentbauweise dieser Fügekonstruktion garantiert, daß beim Be­ trieb dieses Heißgasventilators durch die Wirkung der Fliehkraft die Segmente einerseits immer spielfrei, also entsprechend dem Auswucht­ zustand, an der Halterung der metallischen Nabe anliegen, andererseits wegen der möglichen freien Wärmeausdehnung keine die metallischen Bau­ teile zerstörenden Wärmespannungen auftreten können.

Durch entsprechende Ausgestaltung der einzelnen Teile lassen sich bei radialem Aufbau des erfindungsgemäßen Heißgasventilators nahezu die gleichen günstigen Verhältnisse erreichen wie im Hochleistungs-Ven­ tilatorbau.

Die einzelnen Bauteile dieses Heißgasventilators lassen sich so ausge­ stalten, daß eine zusätzliche Kühlung mittels eines Gasstroms, insbe­ sondere eines Luftstroms, möglich ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden, schematischen Zeichnungen näher er­ läutert. Es zeigen

Fig. 1 die Geometrie einer Ausführungsform des Laufrades eines Heißgasventilators in radialer Ausführungsform im Axial­ schnitt (Fig. 1a) und im Radialschnitt (Fig. 1b),

Fig. 2 eine dimensionslose Kurvendarstellung der Druck/Volumen­ strom-Kennlinie, gemessen für ein entsprechendes Modell­ rad,

Fig. 3 verschiedene Ansichten eines kreissegmentförmigen Form­ teils,

Fig. 4 eine Darstellung der Verbindung dieses Formteils mit Nabe und Welle sowie Details der Nabenkonstruktion, und

Fig. 5 eine Modifikation der Ausführungsform nach Fig. 4, bei der der Nabenkörper auf der Anströmseite durch ein gegen Wärmestrahlung schützendes Formteil abgedeckt ist und dem Nabenbereich durch die Hohlwelle ein Kühlgas zugeführt wird.

Der in Fig. 1 dargestellte, allgemein durch das Bezugszeichen 10 an­ gedeutete Läufer eines Heißgas-Radialventilators weist keine Deck­ scheibe auf, ist also zu einer Seite hin offen und bildet zwischen den vorderen Schaufelkanten und dem feststehenden Gehäuseteil einen in Fig. 1b angedeuteten Spalt 11, dessen Breite S einige Prozent des Außen­ durchmessers D des Läufers bzw. Laufrades 10 ausmacht, vorzugsweise 2 bis 4% des Außendurchmessers D.

In den Fig. 1a und 1b sind auch die gekrümmten Schaufeln 10 a darge­ stellt.

In Fig. 2 ist für einen Versuchsventilator entsprechend Fig. 1 die als Ventilatorkennlinie bezeichnete Auftragung der Druckerhöhung über dem Volumenstrom in dimensionsloser Form als Druckziffer ψ _f über der Lieferzahl ϕ gezeichnet, und zwar ist die Ventilatorkennlinie für den Heißgas-Radialventilator 10 nach Fig. 1 durch das Bezugszeichen 12 und die Ventilatorkennlinie für einen Ventilator mit entsprechend den Aus­ führungsformen im Hochleistungs-Ventilatorbau gut gerundeter Deck­ scheibe und geringen Saugspaltabmessungen durch das Bezugszeichen 13 angedeutet. Es läßt sich erkennen, daß im interessierenden Bereich der Kennlinie die Unterschiede im Volumenstrom nur gering sind. Der in­ teressierende Bereich der Kennlinie ist durch den Schnittpunkt mit der ebenfalls in das Diagramm eingetragene Widerstandsparabel 14 für einen typischen Industrieofen gezeigt.

Aus dem Vergleich der beiden Kennlinien 12, 13 läßt sich erkennen, daß mit einem erfindungsgemäßen Heißgas-Radialventilator nahezu die glei­ chen günstigen Verhältnisse erreicht werden wie im Hochleistungs-Ven­ tilatorbau.

Wie sich aus Fig. 3 ergibt, wird das Ventilatorrad 10 aus mehreren Formteilen 15 zusammengefügt, die in Verbindung mit einer Nabe und einer Welle das Ventilatorrad 10 bilden.

Bei der in den Figuren dargestellten Ausführungsform sind sechs Form­ teile 15 vorgesehen, die jeweils eine einfache, plane, kreissegment­ förmige Rückenplatte 16 und eine an die Rückenplatte 16 angeformte Schaufel 17 aufweisen. Die ebenfalls dargestellte Abwicklung 18 der angeformten Schaufel 17 entspricht bspw. der im Industrieventilatoren­ bau üblichen Kreisbogenschaufel. Selbstverständlich kann auch jede andere, geeignet erscheinende Krümmungsform Verwendung finden.

Jedes einstückige Formteil 15 mit der planen Rückenplatte 16 und der Schaufel 17 besteht aus einem geeigneten, hochtemperaturfesten, kera­ mischem Werkstoff, insbesondere Siliziumkarbid (SiC) .

Da sechs Formteile 15 in Verbindung mit Nabe und Welle das Ventilator­ rad 10 bilden, haben die planen Rückenplatten 16 jeweils Kreissegment­ form und erstrecken sich über einen Winkel von 60°, so daß sie ge­ meinsam eine volle Scheibe bilden.

Jede Rückenscheibe 16 weist eine Bohrung 19 auf, die zur formschlüssi­ gen Befestigung des Formteils 15 auf der Nabe dient. Die Formteile 15 werden untereinander durch eine Nut/Feder-Konstruktion 20 gehalten, d.h., die Kanten der planen Rückenplatte 16 sind auf der einen Seite als Nut und auf der anderen Seite als Feder ausgebildet, so daß sie in entsprechenden, formschlüssigen Eingriff mit den Gegenkanten der ande­ ren Rückenplatten 16 gebracht werden können.

Wie als Detail 21 in Verbindung dargestellt ist, ergibt sich die Gehäu­ se-Kontur auf der Saugseite aus der Schaufelform unter Berücksichtigung der oben erwähnten Spaltabmessungen.

Die Befestigung jedes Formteils 15 an der zugehörigen Nabe ist in Fig. 4 dargestellt. Dabei sitzt ein Nabenkörper 30 auf einer Welle 35 und ist mit dieser in geeigneter Weise verbunden, bspw. durch eine Nut/Keil-Verbindung oder durch Schweißung. Der Nabenkörper 30 weist Bohrungen auf, deren Zahl und Teilung der der Bohrungen 19 in den kreissegmentförmigen Rückenplatten 16 der Formkörper 15 entsprechen. Dadurch können Bolzen 31 durch die Bohrungen in dem Nabenkörper 30 sowie durch die komplementären Bohrungen 19 in den planen Rückenplatten 16 der Formkörper 15 eingesteckt werden. Von diesen Bolzen 31 (bei der dargestellten Ausführungsform sind sechs Bolzen 31 vorgesehen) werden die Formteile 15 auf dem Nabenkörper 30 und damit auf der Welle 35 gehalten.

Auf der dem Nabenkörper 30 gegenüberliegenden Seite der Rückenplatten 16 wird eine mit entsprechenden Bohrungen versehene Flanschplatte 32 aufgelegt, die mittels einer Spannschraube oder Spannstange an der als Hohlwelle ausgebildeten Welle 35 gehalten wird. Die Formteile 15 werden also durch die Bolzen 31 formschlüssig zwischen Nabenkörper 30 und Flanschplatte 32 fixiert.

Der Nabenkörper 30, die Bolzen 31, die Flanschplatte 32 und die Hohl­ welle 35 werden aus einer warmfesten, metallischen Legierung herge­ stellt.

Eine weitere Ausführungsform eines solchen Ventilatorrades ist aus Fig. 5 ersichtlich. Dabei ist für den Nabenbereich des Ventilator­ rades auf der Zuströmseite schematisch dargestellt, wie die metalli­ schen Formteile, nämlich die Hohlwelle 35, der Nabenkörper 30, die Bolzen 31 und die Flanschplatte 32 durch einen hitzebeständigen Strah­ lungsschutz 36 aus SiC abgedeckt werden können. Die Hohlwelle 35 dient außerdem noch dazu, ein fließfähiges Kühlmedium, wie bspw. Kühlgas, insbesondere Kühlluft, durch die Spalte zwischen der Strahlungsschutz- Abdeckung 36 einerseits und den metallischen Bauteilen, nämlich Naben­ körper 30, Flanschplatte 32 andererseits sowie zwischen dem Nabenkörper 30 und der Flanschplatte 32 einerseits und den Formteilen 15 anderer­ seits zu blasen, um den Betrieb dieses Ventilators bei Temperaturen zu ermöglichen, bei denen an sich die Festigkeit des metallischen Werk­ stoffes bereits nicht mehr ausreicht.

Ein möglicher Verlauf des Kühlgasstromes ist in Fig. 5 durch die Strömungspfeile 37 angedeutet. Das Kühlgas strömt zunächst aus der Hohlwelle 35 in den Hohlraum zwischen dem scheibenförmigen Nabenkör­ per 30 und der Flanschplatte 32. Durch sechs oder acht Bohrungen in der Flanschplatte 32 gelangt das Kühlgas in den Spalt zwischen dem Strah­ lungsschutz 36 aus SiC und der metallischen Flanschplatte 32, die thermisch am stärksten belastet wird.

Durch in den Nabenkörper 30 eingearbeitete Kanäle, die als Nuten 39 angedeutet sind, kann auch die Stirnfläche des Nabenkörpers 30 ge­ kühlt werden.

Bei Bedarf läßt sich auch eine dem Strahlungsschutz 36 entsprechende Abdeckung auf der Rückseite des Nabenkörpers 30 montieren. Die Kühl­ gasversorgung würde dann zweckmäßigerweise durch Bohrungen in dem Na­ benkörper 30 (in Fig. 5 nicht eingezeichnet) erfolgen.

Der erforderliche Kühlgasstrom wird von der Schutzgasversorgung des angeschlossenen Ofens abgezweigt.

Die aus hochtemperaturfesten, keramischen Werkstoffen, insbesondere SiC, hergestellten Bauteile, insbesondere die Formteile 15 und der Strahlungsschutz 36, haben eine vergleichsweise einfache Form, so daß sie mit entsprechend geringem Aufwand gefertigt werden können.

Claims (13)

1. Heißgasventilator

• a) mit einer Welle und einem Nabenkörper aus metallischen Werkstoffen,
• b) mit einer Rückenscheibe, und
• c) mit an der Rückenscheibe angeordneten Schaufeln,
• d) wobei die Schaufeln aus hochtemperaturfesten, keramischen Werk­ stoffen bestehen,

gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

• e) die Rückenscheibe besteht aus kreissegmentförmigen, einstückig mit den Ventilatorschaufeln (17) ausgebildeten Formteilen (15) aus hochtemperaturfesten, insbesondere keramischen Werkstoffen; und
• f) die Formteile (15) sind formschlüssig mit dem Nabenkörper (30) ver­ bunden.

2. Heißgasventilator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilatorschaufeln (17) nach Art eines Radialventilators ausgebildet sind.

3. Heißgasventilator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ventilatorschaufeln (17) rückwärts gekrümmt sind.

4. Heißgasventilator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das durch die Formteile (15) und den Nabenkörper (30) ge­ bildete Laufrad (10) offen, also ohne Deckscheibe, ausgeführt ist.

5. Heißgasventilator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Laufradbereich das Gehäuse des Ventilators auf der Saugseite des Ventilatorrades (10) der Form einer Deckscheibe mit gut gerundetem Einlauf entspricht, und daß der Spalt zwischen der so ge­ bildeten Deckscheibe und den Seitenkanten der Schaufeln (17) dem aus Fertigungsgründen minimal erforderlichen Maß für störungsfreien Betrieb entspricht.

6. Heißgasventilator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilatorschaufeln (17) nach Art eines Axialventilators ausgeführt sind.

7. Heißgasventilator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Formteile (15) eine kreissegmentförmige Rückenplatte (16) aufweisen, und daß die Kanten der benachbarten Rückenplatten (6) formschlüssig miteinander verbunden sind.

8. Heißgasventilator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten der benachbarten Rückenplatten (16) durch Nut/Feder-Verbindungen miteinander verbunden sind.

9. Heißgasventilator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine an der Welle (35) befestigte Flanschplatte (32) mit Bohrun­ gen für Bolzen (31), die sich durch die Formteile (15) und den Naben­ körper (30) erstrecken.

10. Heißgasventilator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Nabenkörper (30) zumindest an einer Außenfläche mit einer Platte (36) aus hoch hitzebeständigen und insbesondere gegen Wärmestrahlung schützendem Material, insbesondere einem keramischen Werkstoff, verkleidet ist.

11. Heißgasventilator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß dem Nabenkörper (30) über mindestens einen Axialkanal in der als Hohlwelle ausgestalteten Ventilatorwelle (35) ein fluides Kühlmedium, insbesondere ein Kühlgas, wie Kühlluft, zugeführt wird.

12. Heißgasventilator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als hochtemperaturfester, keramischer Werkstoff Sili­ ziumkarbid (SiC) eingesetzt wird.