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Herstellen von Schraubenmaschinen mit einer keramischen Einlaufbeschichtung zur Verbesserung des Betriebsverhaltens

 

Titel: Herstellen von Schraubenmaschinen mit einer keramischen Einlaufbeschichtung zur Verbesserung des Betriebsverhaltens
Thema: Anwendung von Einlauf- und Korrosionsschutzbeschichtungen in Schraubenmaschinen, hergestellt durch atmosphärisches Plasmaspritzen (APS)
Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft, Transferbereich 12, Teilprojekt 1
Förderungsdauer: 1998-2000
Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. K. Kauder
Kooperation: In Zusammenarbeit mit Prof. Dr.-Ing. F.-W. Bach des Lehrstuhls für Werkstofftechnologie

 

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Die Erkenntnisse und Beschichtungsverfahren des Sonderforschungsbereichs 316 (Herstellung, Be- und Verarbeitung sowie Prüfung von metallischen und metall-keramischen Verbundwerkstoffen) werden genutzt, um das Betriebsverhalten und die Betriebssicherheit von Schraubenkompressoren, -ladern und -motoren weiter zu verbessern. Dies geschieht durch das Applizieren von Einlaufschichten bzw. -schichtsystemen mit der Technologie des atmosphärischen Plasmaspritzens (APS) von ZrO2-, ggf. Cr2O3- sowie mit Heißgas-Korrosionsschutz-Systemen. Ferner werden die Oberflächen im Einsatz befindlicher Maschinengehäuse mit Hilfe der oben genannten Beschichtungstechnologie instandgesetzt.

Einlaufschichten gestatten eine Steigerung des Wirkungsgrades durch Spaltminimierung, indem sie sich bei Berührung kontrolliert abtragen und einglätten. Dadurch ist eine Erweiterung der Einsatzgebiete von trockenlaufenden Kompressoren und Schraubenmotoren in den unteren Leistungsbereichen möglich. Ferner reduziert sich die erforderliche Fertigungsgenauigkeit bei gleichzeitig steigender Betriebssicherheit, da Fertigungstoleranzen sowie betriebsbedingte Wärmedehnungen ausgeglichen werden können. Zusätzlich bieten die Wärmedämmeigenschaften des Zirkoniumoxides für zukünftige Anwendungen, beispielsweise in Schraubenmotoren ein notwendiges Potential zur Erhöhung der Betriebstemperaturen.

Darüberhinaus können mit der Technologie des atmosphärischen Plasmaspritzens Oberflächen-Instandsetzungen von kostenintensiven Maschinengehäusen aus Grau- und Stahlguß erfolgen. In Verbindung mit Haftvermittlerschichten schützt die Beschichtung die Gehäuseoberfläche gleichzeitig vor korrosivem Angriff durch z.B. kondensierende Feuchte.

dealisiert besteht ein Einlaufsystem aus drei aufeinander abgestimmten Verschleißpartnern. Der meist angetriebene Hauptrotor, der über das Synchronisationsgetriebe mitlaufende Nebenrotor und das beide Rotoren einfassende Gehäuse bilden das tribologische Gesamtsystem. Einlaufvorgänge sind dann im Profileingriff, an den Flanken der Rotoren sowie zwischen Rotoren und Gehäuse zu erwarten, während sich bei homogenen rein metallischen Rotoren in diesen Bereichen wirkungsgradmindernde Spalte befinden. Durch unterschiedliche Verschleißbeständigkeit der Partner können der Einlaufvorgang und damit auch die Geometrie der Partner gezielt beeinflußt werden. Eine Abstufung der Verschleißbeständigkeit (VB) in der Weise bewirkt, daß der angetriebene Hauptrotor die Geometrie der betroffenen Nebenrotorflankenbereiche definiert, während beide Rotoren die Bohrungsgeometrie des Gehäuses festlegen und so Fertigungs- und Montagefehler weitgehend ausgleichen. Vorversuche zeigen, daß diese Eigenschaften bei Verwendung von nur einem Werkstoffsystem (z.B. ZrO27Y2O3) durch Variation der Spritzparameter erreichbar sind. Ein erhöhter Spritzabstand in Verbindung mit einer reduzierten Brennerleistung erzeugt beispielsweise Schichten mit hoher Porosität und guten Einlaufeigenschaften, Bild 1.

 

 

Bild 2 illustriert den Einlauf beschichteter Rotoren in einer Einlaufvorrichtung. Dabei wird der zunächst vergrößerte Achsabstand mit angetriebenen Rotoren sukzessive auf den Sollachsabstand reduziert. Der Einlaufvorgang führt dann zu einer gegenseitigen Anpassung der Geometrie und zu einer Spaltminimierung und gewährleistet letztlich eine Montierbarkeit der Rotoren.

Aus dem Teilprojekt B1 (SFB 316) "Herstellen beschichteter Schraubenrotoren" stehen Ergebnisse zur makroskopischen und mikroskopischen Beanspruchung sowie Herstellung von Werkstoffverbunden in Schraubenmaschinen zur Verfügung, die eine weitere Auslegung der Schichtsysteme unterstützen. Das Teilprojekt G4, (SFB 316) "Einfluß der Prozeßparameter auf Haftung und Tribologie von Verschleißschutzschichten" liefert wertvolle Informationen für eine Optimierung der Beschichtungsparameter und für das Verständnis tribologischer Vorgänge. Die Herstellung und Variation von Zirkoniumoxid-Schichten ist aus dem Teilprojekt A3 (SFB 316) "Herstellen dicker Wärmedämmschichten aus ZrO27Y2O3" bekannt. Die im Rahmen dieser Projekte entstandenen Versuchs- und Beschichtungsanlagen können weiterhin genutzt werden.

Zur industriellen Umsetzung der Technologie stellt ein industrieller Partner aus der Kompressorbranche (Firma GHH BORSIG, Oberhausen) eine komplette 2-stufige Kompressoranlage, weitere Maschinengehäuse sowie Komponenten für eine weitere in Vorbereitung befindliche Anlage einer Heißgasschraubenmaschine zur Verfügung. Erforderliche Modifikationen erfolgen in Zusammenarbeit mit zuständigen Ingenieuren der Firma GHH BORSIG und einem weiteren industriellen Partner aus dem Bereich des Maschinenbaus und der Metallspritztechnik (Firma Bauhammer, Hagen). Die Beschichtung der Rotoren übernimmt der Lehrstuhl für Werkstofftechnologie und die des Gehäuses die Firma Bauhammer.

Die Verifikation der Eigenschaften ist sowohl an einer Versuchsanlage im Kompressorbetrieb und beim Motorbetrieb in einer Heißgasschraubenmaschinenanlage unter hohen Temperaturen (> 500°C) vorgesehen. Nach Abschluß des Projektes werden eine Beschichtungstechnologie und Schichtsysteme zur Verfügung stehen, die sowohl eine Verbesserung des Betriebsverhaltens und der Betriebssicherheit von Schraubenmaschinen erlaubt, als auch eine Einsparung an Kosten durch Instandsetzung bzw. Vermeidung von Gehäusebeschädigungen ermöglicht.

 
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Literatur:

Kauder, K.; Helpertz, M.: Einlauf- und Hybridschichten für Schraubenkompressoren. In: VDI-Berichte 1391, S. 1-16, Düsseldorf: VDI-Verlag, 1998