Experimentelle und analytische Untersuchung der Leckage und Reibung einer modellhaften Kraftstoff-Hochdruckpumpe auf Basis ingenieurkeramischer Werkstoffe

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1 Einleitung

2 Grundlagen
2.1 Werkstoffe
2.1.1 Technische Keramiken
2.1.1.1 Aluminiumoxid (Al2O3)
2.1.1.2 Siliziumkarbid (SiC)
2.1.2 Vergleich Keramik - Stahl
2.2 Pumpen
2.2.1 Hubkolbenpumpen
2.2.2 Umlaufkolbenpumpen
2.2.3 Kreiselradpumpen
2.2.4 Pumpenkennlinien
2.3 Digitale Signalverarbeitung (DSV)
2.3.1 Fourier-Reihe und Fourier-Transformation .
2.3.1.1 Fourier-Reihe
2.3.1.2 Fourier-Transformation
2.3.1.3 Die z-Transformation
2.3.2 Digitalfilter
2.3.2.1 FIR-Filter
2.3.2.2 IIR-Filter
2.4 Strömungsmechanik
2.4.1 Grundgleichungen der Strömungsmechanik
2.4.1.1 Kontinuitätsgleichung
2.4.1.2 Impulsgleichungen
2.4.1.3 Energiegleichung
2.4.2 Turbulente Strömungen
2.4.3 Numerische Lösungsmethoden

3 Prüfstand und Messtechnik
3.1 Prüfstand und Versuchsdurchführung
3.2 Messtechnik

4 Messergebnisse Teil A - Reibung und Verschleiß
4.1 Kolbenkinematik
4.2 Messergebnisse bei höheren Drehzahlen
4.3 Zylinderdruck und reibungsrelevante Kräfte
4.4 Reibungszahl und Verschleiß
4.5 Messergebnisse Stahlreferenzwerkstoff

5 Messergebnisse Teil B - Leckage im Kolben-Zylinder-Ringspalt
5.1 Strömungen in Spalten
5.1.1 Spaltströmung in modellhafter Hochdruckpumpe
5.1.1.1 Spalthöhenänderung in Folge des Kolbenkippens
5.2 Experimentelle und analytische Messergebnisse

6 Zusammenfassung und Ausblick

A MATLAB-Programm-Quellcodes
A.1 ALF
A.2 IIR-Butterworth-Tiefpass-Filter

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

1.0.1 Vergleich von Saugrohr- und Direkteinspritzung

1.0.2 Einfluss von Einspritzdruck auf Tropfengröße

2.1.1 Sintermechanismen

2.1.2 Stadien des Sinterns (schematisch)

2.1.3 Herstellung von keramischen Bauteilen

2.1.4 Gitterstruktur Al2O3

2.1.5 Gefügebild von Al2O3

2.1.6 Gitterstruktur SiC

2.1.7 Gefügeaufnahme von SSiC

2.1.8 Gefügeaufnahme von SiSiC

2.1.9 Gefügeaufnahme von RSiC

2.1.10 Spannungs-Dehnungsdiagramm

2.1.11 Festigkeitsverteilung Stahl - Keramik

2.1.12 Zusammenhang zwischen Bauteilgröße, Weibullmodul und Festigkeit

2.1.13 Bruchmechanik: Hauptbeanspruchungsfälle bei der Rissausbreitung

2.2.1 Auswahl von Bauformen verschiedener Pumpen

2.2.2 Pulsation bei Kolbenpumpen

2.2.3 Hochdruckpumpe CP3.x der Firma BOSCH

2.2.4 Prinzipieller Aufbau einer Kreiselradpumpe

2.2.5 Mehrstufige Kreiselpumpen

2.2.6 Strömungsverlauf im Laufrad einer Kreiselradpumpe

2.2.7 Pumpenkennlinien

2.3.1 Grundtypen von Signalen

2.3.2 Komplexe Exponentialfunktion

2.3.3 Fourierapproximierte Rechteckschwingung

2.3.4 Amplitudengänge der 4 klassischen Filterfunktionen

2.4.1 Ein- und ausströmende Massenströme am Volumenelement dV

2.4.2 Impulsströme und Schubspannungen am Volumenelement dV

2.4.3 Konvektive Energieströme am Volumenelement dV

2.4.4 Strömungsgröße f mit Schwankungen

3.1.1 Modellhafte Hochdruckpumpe

3.1.2 Schematisches Schnittbild des Pumpenkopfs

3.1.3 Eingesetzte Kolben und Zylinder verschiedener Werkstoffe

3.1.4 Schematischer Aufbau des Pumpenprüfstands

3.1.5 Lastkollektiv für Kolben-Zylinder-Paarungen

3.2.1 schematische Darstellung der Kraftmessung

3.2.2 Freischnitt Kolben

4.1.1 Kolbenkinematik der Hochdruckpumpe

4.1.2 Schematische Darstellung der Pumpenkinematik

4.2.1 Spektren originaler und gefilterter Anpress- und Reibkraftverläufe

4.2.2 Originale und gefilterte Anpress,- Reibkraft- und Reibzahlverläufe

4.2.3 Zylinderdruck-, Anpress,- und Reibkraftverläufe bei unterschiedlichen Dreh- zahlen

4.3.1 Zylinderdruck, Anpresskraft und Reibkraft

4.3.2 Zusammenhang Anpress,- Reibkraft und Förderdruck

4.4.1 Stribeck-Kurve

4.4.2 Vergleichsreibungszahl µ 85 in Abhängigkeit vom Kolben-Zylinder-Spiel

4.4.3 ÄnderungderReibungszahl über Summe Hübe

4.4.4 REM-Aufnahme Kolben-Zylinder-Paarung aus Al2O3 mit 3 µ m Spiel

4.5.1 Reibkraftverlauf von 100Cr6 im Vergleich

5.1.1 Poiseuille- und Couette-Strömung im ebenen Spalt

5.1.2 ÜberlagerungvonPoiseuille-undCouette-Strömung

5.1.3 Randwertbedingungen für Geschwindigkeit im Kolben-Zylinder-Ringspalt . .

5.1.4 Kantentragen des Kolbens und Abwicklung des Schmierspalts h (Φ K , x K) im kartesischen Koordinatensystem

5.2.1 Experimentell ermittelte Leckage-Massenströme

5.2.2 Analytische Geschwindigkeitsverläufe

5.2.3 Analytische Massenstromverläufe

5.2.4 Einfluss der Drehzahl auf die Leckagemenge

5.2.5 Experimentelle und analytische Leckagemengen

Tabellenverzeichnis

2.1.1 Allgemeiner Vergleich Metall - Keramik

3.1.1 Oberflächenrauheiten der Kolben-Zylinder-Paarungen

5.2.1 Werkstoffkennwerte von Stahl, SiC und Al2O3

Kapitel Einleitung

Höhere Kraftstoffpreise, schwindende Rohölressourcen und strengere Abgasnormen innerhalb der EU sind derzeit entscheidende Richtungsweiser, die bei sämtlichen europäischen Auto- mobilherstellern den Entwicklungstrend bestimmen. Neben der z.B. variablen Ventilsteuerung wird in modernen Ottomotoren die Technik der Benzindirekteinspritzung (BDE) immer mehr eingesetzt. Da der Teillastbetrieb beim BDE-Motor mit Ladungsschichtung erfolgt, kann der Motor ohne Drosselklappe und die damit verbundenen Verluste betrieben werden. So kann der Kraftstoffverbrauch, sowie der Schadstoff- und CO2-Ausstoß reduziert werden. Der Ein- spritzdruck bei BDE-Motoren muss jedoch weiter erheblich erhöht werden (momentan bei max. 120 bar), da im Vergleich zur Verdampfung des Kraftstoffs in einem herkömmlichen Saugrohr-Einspritzmotor wesentlich weniger Zeit bei der Gemischbildung zur Verfügung steht (Abb. 1.0.1). Damit führt eine Druckerhöhung zu einer besseren Gemischbildung, womit eine Wirkungsgradsteigerung des Motorprozesses erreicht wird (Abb. 1.0.2). Beim strahlgeführ- ten Brennverfahren muss der Einspritzdruck stark angehoben werden, da eine Benetzung der Zündkerze mit flüssigem Kraftstoff zu starker Korrosion, Thermoschockermüdung und zur Bildung von Ablagerungen führt und damit eine negative Beeinflussung der Verbrennung dar- stellt. Ebenso führt ein hoher Anteil an flüssigem Kraftstoff zu einer starken Rußemission. Die Entwicklung einer Hochdruckeinspritzpumpe für die Benzindirekteinspritzung ist somit unumgänglich, um den oben genannten Anforderungen gerecht zu werden.

In der Dieseltechnologie ist die Direkteinspritzung bereits Standard und hat sich sowohl im Prinzip, wie auch im Design der einzelnen Elemente bewährt. Hierbei werden Einspritzdrücke bis zu 2000 bar realisiert. Aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften von Diesel gegenüber Benzin können die Komponenten jedoch nicht einfach übernommen werden. Die schlechten Schmiereigenschaften von Benzin, bzw. dessen geringere Viskosität und die Adhäsions-Neigung von metallischen Werkstoffen, führen bei einer Erhöhung des Einspritzdrucks bei heutigen Benzineinspritzpumpen zu hohem Verschleiß und schlussendlich zum Ausfall der Pumpe. Die Druckerhöhung auf mindestens 300 bar soll durch den Einsatz ingenieurkeramischer Werkstof- fe realisiert werden. Keramische Werkstoffe zeichnen sich vor allem durch eine höhere Härte, Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Hochtemperaturfestigkeit, sowie geringere Dichte und thermische Ausdehnung gegenüber den metallischen Werkstoffen aus.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1.0.1: Vergleich der Einspritzdauer und der verdampften Kraftstoffmasse bei konventio- neller Saugrohreinspritzung zu strahlgeführter Benzindirekteinspritzung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1.0.2: Einfluss von Einspritzdruck auf Tropfengröße¹

Kapitel 2 Grundlagen

2.1 Werkstoffe

2.1.1 Technische Keramiken

Keramische Werkstoffe gehören zu den anorganisch nichtmetallischen Werkstoffen. Es wird unterschieden zwischen:

- Elementkeramiken (z.B. Diamant)
- Oxidkeramiken (z.B. Aluminiumoxid)
- Nichtoxidkeramiken (z.B. Siliziumkarbid, Bornitrid)

Kennzeichnende Merkmale von Keramiken sind starke Ionenbindungen mit teilweise relativ großen Kovalenzbindungsanteilen.

Als Folge davon besitzen keramische Werkstoffe

- hohe Schmelztemperaturen
- große Härten
- geringe thermische Ausdehnungskoeffizienten
- große Elastizitätsmoduln
- große Korrosionsbeständigkeiten
- große Hochtemperaturdruck- und Hochtemperaturbiegefestigkeiten.

Nachteilig sind die große Sprödigkeit und die sehr kleine Risszähigkeit.³

Die Oberfläche feiner Pulver ist sehr groß. Die damit verbundene große Oberflächenenergie liefert die treibende Kraft für das Sintern, das bei etwa 2 / 3 der Schmelztemperatur durchgeführt wird. Dabei bilden die, überwiegend durch Adhäsionskräfte zusammengehaltenen Teilchen des Grünlings, aufgrund von Diffusionsprozessen (Abb. 2.1.1) primäre Bindungen über Sinterbrücken aus. Als Folge wird die Oberflächenenergie verringert, das Porenvolumen abgebaut und ein Sinterkörper mit möglichst hoher Dichte erzeugt.

Drei Stadien des Sinterns werden dabei unterschieden (Abb. 2.1.2):

(1) Wachstum der Teilchenkontakte durch Bildung der Sinterbrücken. Die ursprünglichen Teilchen sind noch sichtbar. Die Verminderung der Bauteilabmessung, die sog. Schwin- dung, ist gering.
(2) Ausbildung eines zusammenhängenden Porenskeletts. Die ursprünglichen Teilchen las- sen sich nicht mehr identifizieren. Es tritt Schwindung auf, neue Korngrenzen werden gebildet, und die Körner wachsen.
(3) Porenrundung und -eliminierung, verbunden mit weiterer Schwindung. Der restliche Po- renraum wird in zunehmenden Maße von außen unzugänglich (geschlossene Poren). Im Grenzfall erfolgt vollständige Verdichtung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.1.1: Einige mögliche Sinter-mechanismen: (1) Oberflächendiffusi on, (2) Verdampfung und Kondensation, (3) Volumendiffusion, (4) Korngrenzendiffusion

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.1.2: Stadien des Sinterns (sche-- matisch)

Da nach dem Sintern praktisch keine Porenfreiheit vorliegt, besitzen Sinterwerkstoffe also Restporosität und damit Fehlstellen, die wie Mikrorisse wirken. Es muss stets gegen Versagen durch Rissausbreitung dimensioniert werden. Bei Zugbeanspruchung werden deutlich kleinere Bruchspannungen als bei Druckbeanspruchung beobachtet. Das Verhältnis Rm(Druck) / Rm(Zug) nimmt häufig Werte im Bereich von 25 an.

Die Herstellung keramischer Bauteile er- folgt in folgenden Verfahrensschritten:

- Pulversynthese: Erzeugung der Basisstoffe mit der erforderlichen Rein- heit durch physikalische und/oder che- mische Prozesse; einschließlich Sinter- hilfsstoffen
- Massenaufbereitung: Mahlen der Pulver bis zur gewünschten Korn- größe, Mischen zu einem rieselfähigen Granulat durch Sprühtrocknen
- Formgebung: Herstellung von sog. Grünlingen durch geeignete Press- verfahren bei trockenen Pulvern bzw. durch Gießverfahren bei Suspensionen
- Sintern: Wärmebehandlung zum Abbau der im Grünling vorhandenen Grenzflächenenergie und zur Nachver- dichtung. Die genannten Pressverfahren (2.1.1) vereinigen Formgebung und Sin- tern
- Endbearbeitung: Einsatz spa- nender Verfahren zur Fertigung der Sin- terkörper in Bauteilabmessungen
- Keramisches Bauteil

2.1.1.1 Aluminiumoxid (Al2O3)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.1.3: Herstellung von keramischen Bauteilen³

Aluminiumoxid gehört in die Gruppe der oxidkeramischen Werkstoffe. Diese sind oxidische Verbindungen von Metallen, die überwiegend ionisch gebunden sind und typische Ionengitter bilden. Abb. 2.1.4 zeigt die Gitterstruktur von Aluminiumoxid. Aluminiumoxid kristallisiert in seiner stabilen ionisch gebundenen α -Phase (Korund) in hexagonal dichtester Kugelpackung von O-Atomen, in der Al-Ionen 2/3 der oktaedrischen Lücken besetzen. Mit der Qualität, sprich der Reinheit (z.B. 85, 99, 99,7%), steigt die Druckfestigkeit (1.800, 2.000, 2.500 N / mm² ), der spezifische elektrische Widerstand (4 · 10⁴ , 5 · 10⁷ , 4 · 10⁸ Ωm bei 600°C) und die maximale Einsatztemperatur (1.300, 1.500, 1.700°C)⁵. Die Biegefestigkeit σ b liegt bei etwa 300 MPa. Aluminiumoxid zeichnet sich durch seine hohe Härte und Festigkeit aus. Es ist zwar anderen Keramiken in Eigenschaften, wie z.B. der Wärmeleitfähigkeit, der Bruchzähigkeit und der Biegebruchfestigkeit unterlegen, jedoch gleicht es diese ”fehlenden“Eigenschaftendurchein gutes Preis-Leistungsverhältnis aus und ist wohl die am meist verwendete technische Keramik.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.1.4: Gitterstruktur der Oxidkeramik Al2O3

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.1.5: Gefügebild von Al2O3 der Qualität F99,7⁴

2.1.1.2 Siliziumkarbid (SiC)

Siliziumkarbid gehört in die Gruppe der nichtoxidkeramischen Werkstoffe. Der größte Teil der Weltproduktion erfolgt nach dem Acheson-Verfahren, welches 1891 durch den gleichnamigen Erfinder entwickelt wurde. Dabei reagiert Quarzsand mit Petrolkoks bei etwa 2.400°C gemäß

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Das durch den Acheson-Prozess hergestellte Pulver hat Teilchengrößen von 0,3 - 1 µ m und ist mit 0,5 Gew-% Sauerstoff verunreinigt. Dieses kostengünstige Herstellungsverfahren war lange Zeit das Einzige bekannte. Es hat den Nachteil, dass es relativ grobkristalline Körner hervor- bringt, die beim Sintern keine dichten Körper ergeben. Dies ist der Grund, weshalb SiC erst nach der Entwicklung neuer Herstellungsverfahren als Werkstoff für Hochleistungskeramiken relevant geworden ist. Beispiele für solche Herstellungsverfahren sind etwa die Pyrolyse von Methyltrichlorsilan

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

oder Gasphasenreaktionen, wie

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Diese Methoden sind aber relativ teuer und umweltbelastend, dafür liefern sie um den Faktor 10 feinere Pulver als das Acheson-Verfahren. Der Preis von Siliziumkarbid ist deshalb 3 bis 4 mal höher als der von Aluminiumoxid.⁶

SiC kristallisiert in zahlreichen quasi-dichtegleichen Modifikationen mit ca. 90% kovalentem Bindungsanteil, z.B. multiple hexagonale bzw. rhomboedrische (Wurtzit-) Strukturen (α -SiC) oder kubische (Zinkblende-) Strukturen (β -SiC)⁵. β -SiC ist metastabil, es wandelt sich ober- halb von 1.600°C in einen α -Typ um. Strukturell gehört Siliziumkarbid zu den Einlagerungs- verbindungen. Abb. 2.1.6 zeigt die Gitterstruktur von β -SiC. Neben hoher Härte, Korrosions-

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.1.6: Gitterstruktur der Nichtoxidkeramik SiC (β -SiC, Zinkblendestruktur)

beständigkeit bis zu sehr hohen Temperaturen, sehr guter Temperaturwechselbeständigkeit, hoher Verschleißfestigkeit, guter mechanischer Hochtemperatureigenschaften (bis ca. 1.600 °C) und geringer Wärmedehnung, zeichnet sich Siliziumkarbid noch durch eine sehr gute Wärme- leitfähigkeit aus, die bei Keramiken normalerweise eher gering ist. Ab einer bestimmten Span- nungshöhe wird Siliziumkarbid vom Isolator zum elektrischen Leiter. Es besitzt also Halblei- tereigenschaften.

Siliziumkarbid wird nach seiner Herstellungsvariante in dichtes SiC und offenporöses SiC unterteilt. Drucklos gesintertes Siliziumkarbid (SSiC), heißgepresstes Siliziumkarbid (HPSiC) oder heiß isostatisch gepresstes Siliziumkarbid (HIPSiC), sowie reaktionsgebundenes siliziuminfiltriertes Siliziumkarbid (SiSiC) gehören zu den dichten SiC-Arten. Rekristallisiertes Siliziumkarbid (RSiC), nitrid- bzw. oxidnitirid-gebundenes Siliziumkarbid (NSiC) oder silikatisch gebundenes Siliziumkarbid sind offenporöse SiC-Arten.

Drucklos gesintertes Siliziumkarbid (SSIC) (Abb. 2.1.7) wird aus aufwendig gemah- lenem SiC - Feinstpulver hergestellt, das mit Sinteradditiven versetzt in den keramiküblichen Formgebungsvarianten verarbeitet und bei 2.000 bis 2.200°C unter Schutzgas gesintert wird. SSiC zeichnet sich durch sehr hohe Festigkeit aus (σ b = 430 MPa), die bis zu sehr hohen Temperaturen (ca. 1.600°C) nahezu dauerhaft konstant bleibt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.1.7: Gefügeaufnahme von SSiC

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.1.8: Gefügeaufnahme von SiSiC⁴

dungsfrei zu einer kompakten SiC - Matrix umwandelt. Bedingt durch seine offene Porosität hat das RSiC im Vergleich zu den dichten SiC - Keramiken geringere Festigkeiten. Auch das RSiC zeichnet sich durch eine hervorragende Temperaturwechselbeständigkeit aus. Die schwin- dungsfreie Brenntechnik erlaubt analog zum SiSiC und NSiC die Herstellung großformatiger Bauteile, die vorwiegend als hochbelastbare Brennhilfsmittel (Balken, Rollen, Platten etc.), z.B. beim Porzellanbrand, eingesetzt werden. Bedingt durch seine offene Porosität ist diese Keramik nicht dauerhaft oxidationsbeständig und unterliegt als Brennhilfsmittel oder auch als Heizelement, einer gewissen Korrosion. Die max. Anwendungstemperatur liegt zwischen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.1.9: Gefügeaufnahme von RSiC⁴

Nitridgebundenes Siliziumkarbid (NSiC) ist analog zum RSiC ein offenporöser Werkstoff mit ca. 12% bis 15% Porosität. NSiC wird ebenfalls schwindungsfrei hergestellt, indem ein Formkörper aus SiC-Körnung und Si-Metallpulver in einer Stickstoffatmosphäre bei 1.400°C bis 1.500°C nitridiert wird. Dabei wandelt sich das anfänglich metallische Si-Pulver zu Si3N4 um und bildet damit eine Bindematrix zu den SiC-Körnungen. Die Porosität ist im Vergleich zum RSIC feiner und schließt sich bei Hochtemperaturanwendung durch eine sehr dünne Gla- surschicht ab. Diese Glasurschicht schützt die Keramik vor weiterer Oxidation, so dass dieser Werkstoff ebenfalls als hochbelastbares Brennhilfsmittel bis 1.450°C Anwendung findet.

Silikatisch gebundenes Siliziumkarbid wird aus groben und mittleren SiC-Körnungen hergestellt, die mit ca. 5% bis 15% alumosilikatischer Bindematrix unter Luftatmosphäre ge- brannt werden. Der SiC-Anteil verleiht dieser Keramik die SiC-typische Eigenschaft von höher- er Temperaturwechselbeständigkeit. Die Festigkeiten, Korrosionsbeständigkeit und vor allem die Hochtemperatureigenschaften werden durch die silikatische Bindematrix bestimmt und liegen daher unterhalb der nichtoxidisch gebundenen SiC-Keramiken. Bei sehr hohen Einsatz- temperaturen beginnt die silikatische Bindematrix zu erweichen und der Werkstoff verformt sich unter Last. Der Vorteil ist der vergleichsweise geringe Herstellungsaufwand.⁴

2.1.2 Vergleich Keramik - Stahl

Bei Metallen werden die Atomrümpfe durch das Elektronengas zusammengehalten. Die freien Valenzelektronen des Elektronengases sind die Ursache für die hohe elektrische und thermi- sche Leitfähigkeit, sowie den Glanz der Metalle. Die metallische Bindung, als Wechselwirkung zwischen der Gesamtheit der Atomrümpfe und dem Elektronengas, wird durch eine Verschie- bung der Atomrümpfe nicht wesentlich beeinflusst. Hierauf beruht die gute Verformbarkeit der Metalle. Im Gegensatz zu den Metallen erlaubt die Natur der Bindungsart bei Kerami- ken, die ionisch, kovalent oder gemischt gebunden ist, kein nennenswertes plastisches Ver- formungsvermögen bei niedrigen bis mittleren Temperaturen (bis ca. 600°C). Die Festigkeit atomarer Bindungen nimmt von kovalent über ionisch bis metallisch ab. Keramiken versagen deshalb spontan mit Sprödbruch bei lokalerÜberlastung. Abb. 2.1.10 zeigt den Vergleich des Spannungs-Dehnungsverhaltens einer Keramik zu duktilem Stahl, relativ sprödem Grauguss und einem Kunststoff. Keramik zeigt ein sehr beschränktes elastisches Verhalten. Ihre Deh-

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.1.10: Spannungs-Dehnungsdiagramm von Keramik im Vergleich zu anderen Werkstoffen⁴

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.1.11: Festigkeitsverteilung Stahl - Keramik

nungskurve besteht nur aus der Hookschen Gerade. Stahl hingegen zeigt eine vielfach höhere Dehnung und besitzt auch plastisches Verformungsvermögen. Grauguss verhält sich ähnlich der Keramik. Polypropylen besitzt zwar niedrige Festigkeit, dafür aber eine sehr hohe plastische Verformbarkeit.

Die Mittelwerte der Festigkeit bei Keramiken streuen wesentlich stärker als bei den Metallen (Abb. 2.1.11). Diese Streuung der Festigkeitswerte ist vor allem auf den Sinterprozess zurückzuführen, bei dem relativ viele Materialungleichmäßigkeiten entstehen können. Die Festigkeitswerte bei Keramiken streuen, im Gegensatz zu den bei Stählen, nicht nach einer Normalverteilung (Gl. (2.1.1)).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Theorie der Weibullverteilung ist die gängige Methode zur Beschreibung des Versagenverhaltens von Keramiken. Der Weibullmodul m ist ein Maß für die Festigkeitsstreuung bei Keramiken. Dieser liegt bei Keramiken normalerweise zwischen 10 < m < 20. Je höher m ist, desto homogener ist die Keramik. Die Versagenswahrscheinlichkeit einer Keramik wird mit Hilfe der Weibullverteilung (Abb. 2.1.11) gemäß Gl. (2.1.2) beschrieben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.1.12 zeigt den Einfluss des Bauteilvolumens auf den Weibullmodull und die Biegefes- tigkeit. Je größer das Bauteil wird, um so größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass Fehlstellen entstehen. Dies führt zu den fallenden Kurven. Je größer der Weibullmodul, desto geringer ist der Festigkeitsabfall. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Bruchmechanik. Sie geht vom

Abb. 2.1.12: Zusammenhang zwischen Bauteilgröße, Weibullmodul und Festigkeit

Vorhandensein von Werkstofffehlern in Form rissartiger Fehlstellen aus und untersucht den Widerstand des Werkstoffs gegenüber der Rissausbreitung. In der linear-elastischen Bruchmechanik (LEBM) wird angenommen, dass sich der Werkstoff bis zum Bruch makroskopisch elastisch verhält. Der Zusammenhang zwischen einem Riss mit vorgegebenen Abmessungen und der größten Spannung, die ohne Rissausbreitung ertragbar ist, wird mit elastizitätstheoretischen Methoden untersucht.

Bei einer Platte mit einem Innenriss der Länge 2 a, die rechtwinklig zur Rissfläche durch eine Normalspannung σ belastet wird, tritt Rissausbreitung und Sprödbruch ein, wenn die Normalspannung den Wert

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

erreicht, wobei K Ic Spannungsintensitätsfaktor oder Bruchzähigkeit (bei Schubspannungen τ gelten die Werte K IIc oder K IIIc, siehe Abb. 2.1.13) Y Korrekturfaktor zur Kennzeichnung der Einflüsse von Bauteilgeometrie und Risskonfiguration sind.

Die Bruchzähigkeit K Ic ist eine Werkstoffkenngröße, die experimentell bestimmt werden kann, indem ein Riss bekannter Länge in eine Probe eingebracht wird und diese so lange belastet wird, bis Sprödbruch auftritt. Aus der Kenntnis der Bruchzähigkeit kann nach Gl. (2.1.3) bei bekannter maximaler Rissgröße, die maximal zulässige Belastung, bzw. bei vorgegebener Belastung, die maximal zulässige Rissgröße abgeschätzt werden.

Der theoretische Ansatz der linear-elastischen Bruchmechanik gilt nur für extrem spröde Werk- stoffe (Glas, Keramik). Bei den meisten Werkstoffen bildet sich an der Rissspitze jedoch eine plastische Zone (gekennzeichnet durch den Radius r pl, Abb. 2.1.13), so dass in Gl. (2.1.3) eine effektive Risslänge

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

einzusetzen ist. Bei größeren plastischen Verformungen an der Rissspitze (r pl /a > 0 , 2) muss von Konzepten der elasto-plastischen Bruchmechanik ausgegangen werden. Nach dem COD-

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.1.13: Bruchmechanik: Hauptbeanspruchungsfälle bei der Rissausbreitung

Konzept (crack opening displacement) tritt eine irreversible Rissausbreitung ein, wenn die Rissaufweitung δ (Abb. 2.1.13) den kritischen Wert

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

überschreitet. Das COD-Konzept gestattet jedoch im Allgemeinen nur eine qualitative Ab- schätzung, da der elastisch-plastischeÜbergang experimentell nicht einfach zu bestimmen ist. Neben dem COD-Konzept wird auch versucht, das elastisch-plastische Rissspitzenverhalten durch das sogenannte J-Integral, ein Linienintegral um das Spannungs-Dehnungsfeld der Riss- spitze, zu kennzeichnen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tab. 2.1.1: Allgemeiner Vergleich Metall - Keramik

2.2 Pumpen

Pumpen werden schon seit Jahrtausenden zur Arbeitserleichterung des Menschen genutzt. Sie zählen zu den ältesten Maschinen der Menschheit. Sie sind Einrichtungen zur Förderung von Flüssigkeiten von einem Zustand niederen auf einen solchen höheren statischen Drucks. [7, 8, 9, 10]

Grundsätzlich werden Pumpen nach dem Funktionsprinzip des Förderelements unterschieden in

- Umlaufkolbenpumpen (Abb. 2.2.1 a-c)
- Hubkolbenpumpen (Abb. 2.2.1 d-f)
- Kreiselradpumpen (Abb. 2.2.4).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.2.1: Auswahl von Bauformen verschiedener Pumpen. a Zahnradpumpe, b Schrauben- pumpe, c Flügelzellenpumpe, d Reihenkolbenpumpe, e Axialkolbenpumpe, f Radialkolbenpumpe

Ein wichtiger physikalischer Effekt in der Pumpentechnik ist die Kavitation. Man versteht hierunter einen Vorgang, bei dem sich in Flüssigkeiten bei örtlich begrenztem Unterdruck mit Dampf gefüllte Hohlräume bilden. Gelangen diese instabilen Dampfblasen dann in Berei- che höheren Drucks, fallen sie wieder schlagartig durch Kondensation zusammen (Implosion). Die Dampfblasen können sich aber nur bilden, wenn die örtliche Druckabsenkung ein Unter- schreiten des zur jeweiligen Flüssigkeitstemperatur gehörigen Dampfdrucks zur Folge hat. Bei Kavitation tritt in leichteren Fällen ein Abfall der Förderhöhe und des Wirkungsgrads auf. Außerdem erzeugen die implodierenden Gasblasen ein prasselndes Geräusch, und der Lauf der Pumpe wird unruhig. Erfolgt die Stoßkondensation an festen Wänden, tritt Kavitationserosion und Materialzerstörung auf.

Bei Kreiselpumpen tritt Kavitation nahe des Laufradeintritts hinter den Schaufelrädern auf, bei Kolbenpumpen am Einlassventil zwischen Ventilsitz und Ventilkörper. Da der an der kavitationsgefährdeten Stelle der Pumpe sich einstellende Druck immer nied- riger ist als der Druck am Saugstutzen, muss der absolute Druck am Saugstutzen um einen ganz bestimmten Betrag über dem Dampfdruck der Förderflüssigkeit liegen. Man nennt diese Energiehöhe, die zur Verhinderung der Kavitation erforderlich ist, die Gesamthaltedruckhöhe NPSH ¹ der Pumpe.

2.2.1 Hubkolbenpumpen

Hubkolbenpumpen sind Verdrängerpumpen. Sie finden dort Einsatz, wo große Leistungen und hohe Drücke verlangt werden. Man unterteilt sie je nach Anordnung der Kolben in Reihen,- Radial- und Axialkolbenpumpen. Durch die oszillierende Bewegung eines Kolbens (fester Ver- dränger) wird ein Arbeitsraum wechselnd vergrößert und verkleinert. Bei Vergrößerung ent- steht ein Unterdruck gegenüber dem Druck vor dem selbsttätigen Saugventil. Durch diese Druckdifferenz öffnet das Ventil. Die Flüssigkeit strömt in den Pumpenraum ein und füllt den vom Kolben freigegebenen Raum. Hat der Kolben die untere Totlage erreicht, hört das Ein- strömen auf. Das Ventil schließt durch seine Eigenmasse oder durch zusätzliche Federkraft. Mit Umkehr der Kolbenbewegung verkleinert sich der Arbeitsraum. Dadurch steigt infolge der annähernden Inkompressibilität der Flüssigkeit der Druck plötzlich an. Ist dieser geringfügig über den in der Hochdruckleitung herrschenden Druck angestiegen, öffnet das selbsttätige Druckventil, und das vorher angesaugte Flüssigkeitsvolumen kommt zur Verdrängung. Im oberen Totpunkt des Kolbens schließt das Druckventil, und der Druck fällt mit Beginn des Saughubs auf den Ansaugdruck ab. Das nächste Arbeitsspiel beginnt.

Die Ventile können selbsttätig, d.h. sie öffnen sich ohne Steuerung allein über die Druckdif- ferenzen in den Leitungen und dem Arbeitsraum oder gesteuert, z.B. als Steuerspiegel bei Axialkolbenpumpen, Schrägkantensteuerung, ausgeführt werden. Die oszillierende Bewegung des Kolbens kann aus der Rotation der Antriebsmaschine mit Hilfe von Kurbeltrieb, Ex- zenter oder Nocken erreicht werden. Mit der oszillierenden Bewegung des Kolbens ist eine stoßweise Förderung verbunden. Sie ist jedoch unerwünscht, da einerseits die Flüssigkeit den meisten Prozessen kontinuierlich zugeführt werden muss und andererseits Pulsationen (Abb. 2.2.2) die Rohrleitung zu Schwingungen anregen. Dieser Nachteil der Kolbenpumpen kann durch Mehrzylinderanordnung und Einbau von Windkesseln oder Blasenspeichern gemindert werden. Kolbenpumpen sind selbstansaugend. Darunter versteht man die Eigenschaft, beim

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.2.2: Pulsation des bezogenen Fördervolumenstroms Q über dem Drehwinkel ϕ, Z=Anzahl der Kolben¹⁰

Anfahren mit luftgefüllter Saugleitung, Luft zu fördern, bis sich ein Unterdruck in der Sauglei-

tung aufgebaut hat, der ausreicht, um mit dem auf den Flüssigkeitsspiegel des Saugbehälters wirkenden Atmosphärendruck die Flüssigkeit bis in den Pumpenzylinder zu drücken. Diese Fähigkeit, Luft zu fördern, ist von der Bauweise der Kolbenpumpe abhängig. Sie ist bei den Pumpen am besten ausgeprägt, bei denen das Restvolumen ( ”Schadraum“)hinterdemKolben in der Totlage gegenüber dem Hubvolumen sehr klein ist. Die Fördermenge ist linear abhängig von der Hubfrequenz bzw. der Antriebsdrehzahl und kann darüber geregelt werden. Ebenso lässt sich die Fördermenge über die wirksame Hublänge, z.B. über eine Schrägkantensteuerung oder Bypass-Ventile, regeln.

Einspritzpumpen, wie sie in modernen Otto- und Dieselmotoren vorkommen, werden oft als ³ -Zylinder-Radialkolbenpumpen ausgeführt. Hierbei wird ein Kompromiss aus geringer Pul- sation und wenig Bauteilen gemacht. Die Bauform dieser Pumpe ist sehr kompakt und hat eine hohe Leistungsdichte. Abb.².².³ zeigt beispielhaft ein moderne Hochdruckeinspritzpumpe für PKW-Dieselmotoren in³ -Zylinder-Radialkolben-Bauform der Firma BOSCH. Mit dieser Pumpe können Einspritzdrücke bis¹⁶⁰⁰ bar bei Pumpen-Drehzahlen bis zu⁴⁰⁰⁰ min − ¹ ap- pliziert werden. Die Bauform dieser Pumpe ist identisch zu jenen für Otto-Kraftstoffe, jedoch auf Grund der bereits erwähnten unterschiedlichen Viskosität von Otto-Kraftstoff und Diesel, werden solche Pumpen für den BDE-Betrieb mit niedrigeren Drücken eingesetzt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.2.3: Mengengeregelte Hochdruckpumpe CP3.x der Firma BOSCH mit 3 Radialkolben ¹¹

2.2.2 Umlaufkolbenpumpen

Umlaufkolbenpumpen sind Verdrängerpumpen mit einem oder mehreren umlaufenden star- ren oder elastischen Verdrängern. Die Förderflüssigkeit wird entweder in Umfangsrichtung des umschließenden Gehäuses oder in Achsrichtung der Verdränger von der Saug- zur Drucksei- te gefördert. Arbeitsventile werden nicht benötigt. Saug- und Druckseite sind in jeder Phase des Betriebs durch einen Dichtspalt voneinander getrennt. Er wird durch die Paarungen Ver- dränger/Gehäuse und bei mehreren Verdrängern durch die Paarung Verdränger/Verdränger, sowie in speziellen Fällen durch besondere Trennelemente, gebildet. Während der maximal erreichbare Gegendruck durch die Festigkeit des Gehäuses begrenzt ist, wird die maximal erzielbare Druckdifferenz zwischen Druck- und Saugseite wesentlich durch die Größe der Leckverluste infolge Rückströmens von Förderflüssigkeit von der Druck- zur Saugseite durch die Dichtspalte bestimmt. Diese Verluste sind proportional der Druckdifferenz und der dritten Potenz der Spaltweite und hängen von Form, Anzahl und Lage der Spalte, sowie von der Oberflächenrauigkeit, der Viskosität des Fördermediums und dem Strömungszustand in den Spalten ab. Es kann bei höherer Viskosität eine höhere Druckdifferenz erzielt werden, jedoch darf der für die Pumpe, mit Rücksicht auf die Festigkeit der Bauteile und die Antriebsleistung, festgelegte Höchstdruck nicht überschritten werden.

Umlaufkolbenpumpen sind fast durchweg selbstansaugend. Sie sollten jedoch aus Verschleißund Dichtheitsgründen nicht trocken angefahren werden. Bei vielen Bauarten kann durch ÄndernderDrehrichtungdieFörderrichtung umgekehrt werden.

Umlaufkolbenpumpen eignen sich vorwiegend zum Fördern reiner Flüssigkeiten ohne feste und abrasive Bestandteile und mit kinematischen Viskositäten von 4 · 10 − ⁶ m² / s bis 8 m² / s. Bei günstiger Anordnung und Leitungsführung sind sie bei hinreichend kleiner Drehzahl in der Lage, auch Flüssigkeiten zu fördern, deren Viskosität nahe der Fließgrenze liegt.Änderungen der Viskosität der Flüssigkeit bedingenÄnderungen der Leckverluste und der inneren hydrau- lischen Reibungsverluste, die sich auf die Kennlinien der Pumpen auswirken und zwar etwas stärker als bei Hubkolbenpumpen, aber wesentlich weniger als bei Kreiselpumpen. Da die nor- male Kreiselpumpe beim Fördern von Flüssigkeiten ab 7 · 10 − ⁵ m² / s unwirtschaftlich zu werden beginnt und die Hubkolbenpumpe wegen der Beeinträchtigung der Ventilbewegung bei hohen Viskositäten nicht einsetzbar ist, empfiehlt sich im höheren Viskositätsbereich der Einsatz der Umlaufkolbenpumpen.

Die Vorteile der Umlaufkolbenpumpen sind:

- Umlaufkolbenpumpen liefern einen stetigen bzw. nahezu stetigen Förderstrom, der fast unabhängig vom Gegendruck ist (Verdrängercharakteristik).
- Sie haben im Gegensatz zu Hubkolbenpumpen keine oszillierenden Massen und keine Ventile.
- Die Förderrichtung ist meist umkehrbar.
- Umlaufkolbenpumpen sind selbstansaugend. Die Förderung größerer Mengen von ein- geschlossenen Gasen und Dämpfen ist ohne Abreißen des Förderstroms möglich. Die spezifische Saugarbeit liegt in etwa in gleicher Größenordnung wie bei Hubkolbenpum- pen.
- Umlaufkolbenpumpen fördern niedrig- bis hochviskose Flüssigkeiten, selbst Pasten und einige Bauarten auch Flüssigkeiten mit festen Beimengungen.

Demgegenüber stehen folgende Nachteile:

- Die innere Leckage ist größer als bei Hubkolbenpumpen. Daher sind die erreichbaren Druckdifferenzen nach oben hin begrenzt.
- Die maximalen Förderströme sind kleiner als bei Kreiselpumpen.
- Die meisten Bauarten sind wegen der geringen Spiele zwischen den rotierenden und fest- stehenden Bauteilen sehr empfindlich gegen abrasive Beimengungen. Die kleinen Spiele vermindern die Betriebssicherheit und erfordern eine hohe Fertigungsgenauigkeit und damit eine teure Fertigung. Dichtelemente, wie bei Hubkolbenpumpen, können nicht verwendet werden.
- Wegen der Verdrängercharakteristik kann die bei Kreiselpumpen übliche einfache Drosselung nicht verwendet werden. Es kommen nur bei Hubkolbenpumpen übliche aufwändige Verfahren zur Förderstromänderung in Betracht.⁹

2.2.3 Kreiselradpumpen

Kreiselradpumpen besitzen ein spiralförmiges Pumpengehäuse, in dem ein schaufelbesetztes Laufrad, angetrieben von einem Motor, mit hoher Drehzahl rotiert. Es beschleunigt die Flüssig- keit auf eine Kreisbahn, wodurch sie durch die Zentrifugalkraft radial von innen nach außen strömt. Am Umfang des Schaufelrads staut sich die Flüssigkeit, im Zentrum des Schaufelrads wird sie weggeschleudert. Dadurch entsteht am Umfang des Kreiselrads Überdruck und im Mit- telpunkt des Kreiselrads Unterdruck. Der Ansaugstutzen der Pumpe befindet sich deshalb im Drehmittelpunkt, der Druckstutzen hinter einem spiralförmigen Sammelrohr am Umfang. Die Flüssigkeit wird bei der Drehachse angesaugt, im Schaufelrad radial beschleunigt und in das spiralförmige Sammelrohr gedrückt. Im Sammelrohr wird die Geschwindigkeit der Flüssigkeit vermindert und die Bewegungsenergie der Flüssigkeit in Druckenergie umgewandelt. Der in der Kreiselpumpe erzeugte Druck ist abhängig von der Fördermenge. Er nimmt mit steigender Fördermenge ab.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.2.4: Prinzipieller Aufbau einer Kreiselradpumpe

Herzstück der Kreiselpumpe ist das Schaufelrad. Am häufigsten ist das offene Schaufelrad. Bei ihm sitzen die Schaufeln auf einer Scheibe. Damit die Flüssigkeit nicht axial aus den Schau- feln entweichen kann, sind sie zur offenen Seite umgebogen. Beim geschlossenen Schaufelrad befinden sich die Schaufeln zwischen zwei Scheiben, wobei die vordere Scheibe ein mittiges Ansaugloch besitzt. Nach der Strömungsrichtung im Laufrad unterscheidet man Radialräder, Axialräder und Halbaxialräder. Radialräder bewirken eine relativ große Förderhöhe bei gerin- gem Förderstrom, Axialräder einen großen Förderstrom und eine geringe Förderhöhe. Halb- axialräder liegen in ihren Kennzahlen dazwischen. Zum Fördern von stark verunreinigten oder feststoffhaltigen Flüssigkeiten eignen sich Laufräder mit ein bis drei Schaufeln, sogenannte Kanalräder. Pumpen mit solchen Laufrädern bezeichnet man als Kanalradpumpen. Es gibt auch Kreiselpumpen für sehr hohe Förderdrücke. Sie sind mehrstufig, d.h. sie haben mehre- re Laufräder auf einer Welle in einem Pumpengehäuse (Addition der einzelnen Förderhöhen) (Abb. 2.2.5 a). Mehrere Pumpen parallel geschaltet, erhöhen die Fördermenge (Addition der einzelnen Förderströme) (Abb. 2.2.5 b).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.2.5: Mehrstufige Kreiselpumpen

2.2.4 Pumpenkennlinien

Die Kolbenpumpe ist eine Verdrängerpumpe, bei der sich der Förderdruck entsprechend dem Gegendruck einstellt. Wenn nicht durch die Festigkeit und Kompressibilität des Fluids Grenzen gesetzt wären, könnte die Kolbenpumpe theoretisch jeden beliebigen Förderdruck aufbringen. Trägt man die spezifische Förderarbeit über den Volumenstrom, wie es bei Kreiselpumpen üblich ist, bei konstanter Drehzahl im V − Y -Schaubild auf, so ergibt sich theoretisch ei- ne senkrechte Linie (Abb. 2.2.7). Das bedeutet, dass die Fördermenge praktisch unabhängig vom Förderdruck ist. Sie ist dagegen eine lineare Funktion von Hubfrequenz und Hublänge. Die wirkliche Kennlinie verläuft jedoch leicht geneigt. Die Abweichung von der gestrichelten Ideallinie ist zu erklären durch die bei hohen Drücken nicht mehr zu vernachlässigenden Ein- flussgrößen:

- Kompressibilität des Fördermediums
- mangelnde Steifheit von Pumpenkopf und Druckleitungen (Elastizität der Arbeitsräume)
- unvermeidliche Leckage
- Gasblasen im Fördermedium

Die Steilheit der Kennlinie ist besonders erwünscht beim Einsatz als Dosiereinheit, da davon maßgeblich die Dosiergenauigkeit abhängt.

Zur Beschreibung der Strömung im rotierenden System (Laufrad) werden drei Geschwindigkeiten verwendet:

- die Umfangsgeschwindigkeit u; sie beschreibt die Eigenbewegung des Laufrads
- die Relativgeschwindigkeit w; sie beschreibt die Bewegung des Fluids relativ zum Laufrad
- die Absolutgeschwindigkeit c; sie beschreibt die Bewegung des Fluids in Bezug auf das still stehende System.

Relativ- und Absolutgeschwindigkeit lassen sich in die orthogonalen Komponenten

- Meridian-Komponente, Index m
- Umfangs-Komponente, Index u zerlegen.

Die Abhängigkeit der spezifischen Förderarbeit Y einer Kreiselpumpe vom Volumenstrom V ist durch die Eulersche Hauptgleichung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Hieraus folgt, dass die theoretische, spezifische Förderarbeit für unendliche Schaufelzahl bei V = 0 unabhängig vom Schaufelaustrittswinkel β 2 ist. Mit steigendem Volumenstrom wird

sie bei radial endenden Schaufeln (β 2 = 90°) konstant bleiben, während sie bei vorwärts gekrümmten Schaufeln (β 2 > 90°) ansteigt und bei rückwärts gekrümmten Schaufeln (β 2 < 90°) abfällt. Die theoretische, spezifische Förderarbeit für endliche Schaufelzahl ist aufgrund der Minderumlenkung geringer als die für unendliche Schaufelzahl.

Durch die im hydraulischen Wirkungsgrad enthaltenen Kanalreibungs- und Stoßverluste, wird die tatsächliche spezifische Förderarbeit einer Kreiselpumpe geringer sein als die Theoretische. Die Kanalreibungsverluste enthalten alle Reibungsverluste in den Wandgrenzschichten, alle Verluste durch Querschnitts- und Richtungsänderungen im Einlaufgehäuseteil vom Pumpen- eintrittsquerschnitt bis zum Laufrad, im Laufrad, in der Leiteinrichtung und im folgenden Austrittsgehäuse bis zum Austrittsquerschnitt der Pumpe. Diese Verluste hängen von der konstruktiven Ausführung, insbesondere aber von der Rauigkeit der Kanaloberfläche ab. Ana- log zu den Verhältnissen in ruhenden Kanälen, sind die Kanalreibungsverluste dem Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit und somit auch dem Quadrat des Volumenstroms proportional. Stoßverluste entstehen bei nichttangentialer Anströmung der Laufradschaufeln, der Leitrad- schaufeln oder der Spiralgehäusezunge. Da diese Arbeitselemente für den Nennvolumenstrom ausgelegt worden sind, verschwinden diese Verluste im Auslegungspunkt und wachsen mit zunehmender Abweichung hiervon, sowohl mit steigendem, als auch mit fallendem Volumen- strom.

Durch den parabelartigen Charakter der Verluste ist die tatsächliche spezifische Förderarbeit ebenfalls eine Parabel (Abb. 2.2.7), deren Scheitel mit abnehmendem Schaufelwinkel immer mehr nach der Ordinate verschoben wird.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Heiß gepresstes Siliziumkarbid (HPSiC) und auch heiß isostatisch gepresstes Sili- ziumkarbid (HIPSiC) weisen gegenüber dem drucklos gesinterten SSIC sogar noch etwas höhere mechanische Kennwerte auf, da die Bauteile durch die zusätzliche Anwendung von me- chanischen Pressdrücken bis zu ca. 1.000 bar während des Sintervorgangs nahezu porenfrei werden. Die axiale (HP) bzw. die isostatische (HIP) Presstechnik beschränkt die zu fertigen- den Bauteile auf relativ einfache bzw. kleine Geometrien und bedeutet zusätzlichen Aufwand gegenüber dem drucklosen Sintern. HPSiC bzw. HIPSiC finden daher ausschließlich Anwen- dung in Bereichen extremster Beanspruchung. Die Schwindung des Werkstoffs während des Sinterns beträgt ca. 18% bis 20%. Dadurch können Spannungen im Bauteil entstehen, die zu Begrenzungen der Bauteilgröße führen.

Reaktionsgebundenes siliziuminfiltriertes Siliziumkarbid (SiSiC) (Abb. 2.1.8) besteht zu ca. 85% bis 94% aus SiC und entsprechend aus 15% bis 6% metallischem Silizium. Dieses wird erreicht, indem ein Formkörper aus SiC und Kohlenstoff mit metallischem Silizium infil- triert wird. Die Reaktion zwischen flüssigem bzw. gasförmigem Silizium und dem Kohlenstoff führt zu einer SiC-Bindungsmatrix. Der restliche Porenraum wird mit metallischem Silizium aufgefüllt. Vorteil dieser Herstellungstechnik ist, dass im Gegensatz zu den Pulversintertech- niken, die Bauteile während des Silizierungsprozesses keine Schwindungen erfahren. Daher können außerordentlich große Bauteile mit präzisen Abmessungen hergestellt werden. Der Einsatzbereich des SiSiC ist auf Grund des Schmelzpunkts des metallischen Siliziums auf ca.

1.380°C begrenzt. Bis zu diesem Temperaturbereich weist SiSiC sehr hohe Festigkeit (σ b = 370 MPa) und Korrosionsbeständigkeit, verbunden mit exzellenter Temperaturwechselbeständigkeit und Verschleißfestigkeit auf.

[...]

---

¹ NPSH: Net Positive Suction Head