Die Erfindung betrifft eine Bauteilverbindung mit zumindest zwei CFC- Komponenten, die mittels einer ausschließ lich Verbindungselemente aus CFC oder Graphit aufweisenden Verbindungseinrichtung kraftschlüssig miteinander verbunden sind.

Bauteilverbindungen zwischen CFC-Komponenten kommen grundsätzlich in allen Fällen zum Einsatz, in denen CFC-Komponenten als Strukturelemente von Maschinenteilen oder Tragkonstruktionen eingesetzt werden. Neben statischen oder dynamischen mechanischen Belastungen kommen j e nach Einsatzfall durch besondere Umgebungsbedingungen weitere Belastungen, wie insbesondere thermische Belastungen, hinzu, die die Zeitstandfestigkeit einer Verbindung beeinflussen.

Beispielsweise werden CFC-Komponenten auch bei Umwälzvorrichtungen eingesetzt, die zur Umverteilung bzw. gleichmäßigen Durchmischung einer Ofenatmosphäre in Industrieöfen eingesetzt werden. Derartige Öfen dienen beispielsweise zur Durchführung thermischer Prozesse, in denen Kohlenstoffmaterialien einer Pyrolyse unterzogen werden oder bei denen eine Carbonisierung oder Graphitierung von Kohlenstoffbauteilen stattfindet.

Unabhängig davon, welche Prozesse im Einzelnen in einem Industrieo fen stattfinden, sind die dabei eingesetzten Umwälzvorrichtungen erhebli- chen thermischen Beanspruchungen ausgesetzt, da in der Ofenatmosphäre teilweise Temperaturen von 2 000 °C oder mehr erreicht werden. Aufgrund dieser hohen thermischen Beanspruchungen ist man mittlerweile dazu übergegangen, für die Umwälzvorrichtungen Materialien zu verwenden, die sich durch einen besonders geringen Wärmeausdehnungsko- effizienten auszeichnen, sodass sich dadurch thermisch induzierte Spannungen in den verwendeten Materialien begrenzen lassen. Aufgrund seiner Hochtemperaturfestigkeit und seines geringen Gewichts hat sich als Konstruktionsmaterial für Umwälzvorrichtungen kohlenfaserverstärkter Kohlenstoff (CFC) als besonders geeignetes Material herausgestellt. Problematisch ist j edoch, dass kohlenfaserverstärkter Kohlenstoff aufgrund seiner Faserorientierung eine ausgeprägte Anisotropie aufweist, mit der Folge, dass CFC in Faserrichtung einen deutlich geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als senkrecht zur Faserrichtung. Dies führt dazu, dass etwa bei Verbindungen zwischen CFC- Komponenten, die über eine Schraubverbindung erfolgen, die Verbindungselemente aus CFC oder Graphit aufweisen, wie beispielsweise einen aus CFC hergestellten Gewindebolzen, der mittels Graphit-Muttern mit den CFC-Komponenten verspannt ist, bei sich einander kreuzenden Ausrichtungen der Fasern der CFC-Komponenten und des Verbindungs- bo lzens zum Auftreten erheblicher mechanischer Spannungen im Bereich der Schraubenverbindung kommen kann.

Da CFC insbesondere im Zwischenfaserbereich extrem porös ausgebildet ist, können diese Spannungen zu Setzerscheinungen im Bereich der Schraubverbindung führen, mit der Folge, dass die ursprünglich kraft- schlüssig wirkende Schraubverbindung zwischen den CFC-Komponenten sich im Verlauf der Temperaturbelastung löst und es zu einem Bauteilversagen kommen kann.

Eine Möglichkeit, ein derartiges Bauteilversagen zu verhindern, besteht darin, in Abhängigkeit von der auftretenden Temperaturbelastung War- tungsintervalle zu definieren, um gegebenenfalls noch rechtzeitig vor dem Bauteilversagen einen Austausch der Schraubverbindungen vornehmen zu können. Da mit der Durchführung der Wartung bzw. Inspektion der Umwälzvorrichtungen und insbesondere mit gegebenenfalls vorzunehmenden Reparaturen ein erheblicher Aufwand verbunden ist, liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, insbesondere an Umwälzvorrichtungen ausgeführte Bauteilverbindungen so weiterzuentwickeln sowie ein geeignetes Verfahren zur Herstellung derartiger Bauteilverbindungen vorzuschlagen, dass eine dauerhaft kraftschlüssige Verbindung zwischen den CFC-Komponenten möglich wird. Zur Lösung dieser Aufgabe weist die erfindungsgemäße Bauteilverbindung die Merkmale des Anspruchs 1 auf.

Die erfindungsgemäße Bauteilverbindung weist zumindest zwei miteinander zu verbindende CFC-Komponenten auf, die mittels einer ausschließ lich Verbindungselemente aus CFC oder Graphit aufweisenden Verbindungseinrichtung kraftschlüssig miteinander verbunden sind, wobei die Bauteilverbindung ein Federelement aus einem CFC-Werkstoff aufweist.

Mit Einsatz des CFC-Federelements ist es möglich, Setzerscheinungen an einer kraftschlüssigen Verbindung zwischen zwei CFC-Komponenten durch die Wirkung des Federelementes zu kompensieren, ohne dass hierzu die Verwendung eines von dem Werkstoff der CFC-Komponenten abweichenden Werkstoffs notwendig wäre.

Obwohl es natürlich grundsätzlich bekannt ist, ein Federelement zur Kompensation von Setzerscheinungen an Schraubenverbindungen einzu- setzen, können diese bekannten, aus Metall bestehenden Federelemente nicht bei der erfindungsgemäßen Umwälzvorrichtung eingesetzt werden, da diese in besonderem Maße zum Einsatz in einer Hochtemperaturumgebung dient. Bei den hier in Rede stehenden Temperaturen, die nicht selten 2 000 °C und mehr erreichen, ist beispielsweise die Kriechgrenze von Metallen bei weitem überschritten, sodass die gewünschte, kompensierende Federwirkung in dem vorgenannten Temperaturbereich nicht mehr zur Verfügung steht. Durch die Verwendung eines Federelements aus einem CFC-Werkstoff wird erstmalig der Einsatz von Setzerschei- nungen kompensierenden Federelementen an Schraubverbindungen möglich, die auch unter Hochtemperaturbedingungen dauerhaft eine kraftschlüssige Verbindung zwischen den miteinander mittels der

Schraubverbindung verbundenen Komponenten sicherstellen müssen.

In der überwiegenden Zahl der Fälle ist es vorteilhaft, die Verbindungs- einrichtung zwischen den CFC-Komponenten als Schraubverbindungsein- richtung auszubilden, die einen Gewindebolzen aus einem CFC- Werkstoff und zumindest eine Mutter aus einem Graphit-Werkstoff aufweist, wobei das Federelement zwischen der Mutter und einer CFC- Komponente derart angeordnet ist, dass zwischen der Mutter und der CFC-Komponente eine Druckkraft wirkt.

Ganz grundsätzlich ist der Einsatz der Federelemente aus einem CFC- Werkstoff natürlich nicht auf die Kombination mit einer als Schraubver- bindungseinrichtung ausgeführten Verbindungseinrichtung beschränkt. Vielmehr lassen sich Federelemente aus einem CFC-Werkstoff auch zur Kompensation von Setzerscheinungen an anderen kraftschlüssigen

Verbindungseinrichtungen verwenden, wie beispielsweise eine Klemmoder Keilverbindung, die in gleicher Weise zur kraftschlüssigen Wirkung eine mechanisch vorgespannte Verbindung ermöglichen wie eine

Schraub Verbindung. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Gewindebolzen mit einem Bolzenkopf versehen ist, und der Gewindebolzen zwei miteinander kraftschlüs- sig zu verbindende CFC-Komponenten durchdringt, die zwischen dem Bo lzenkopf des Gewindebolzens und der Mutter angeordnet sind, sodass das CFC-Federelement grundsätzlich in gleicher Weise einsetzbar ist wie ein konventionelles Stahl-Federelement, dessen Verwendung aus den vorstehend erörterten Gründen bei der erfindungsgemäßen Umwälzvorrichtung ausscheidet.

Ein insgesamt einfacher Aufbau der Verbindungseinrichtung mit einer möglichst geringen Anzahl unterschiedlicher Bauteile wird möglich, wenn der Bolzenkopf durch eine Mutter aus einem Graphit-Werkstoff gebildet ist.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Umwälzvorrichtung kann die Anzahl der Bauteile noch weiter reduziert werden, dadurch, dass der Gewindebolzen an einer ersten der kraftschlüssig miteinander verbundenen CFC-Komponenten ausgebildet ist und die weitere CFC-Komponente durchdringt, die zwischen der ersten CFC-Komponente und der Mutter angeordnet ist.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Federelement als Balkenfederelement ausgebildet und mit zwei Stützfüßen zur Abstützung an einer CFC-Komponente und einen die Stützfüße miteinander verbin- denden Federbalken zur Abstützung am Bolzenkopf oder der Mutter der Verbindungseinrichtung versehen.

Alternativ ist es auch möglich, in einer weiteren Ausführungsform das Federelement als Ringfederelement auszubilden mit einem Federring, der auf zwei gegenüberliegenden Axialflächen Stützfüße aufweist, die derart radial verteilt auf den Axialflächen angeordnet sind, dass j eweils ein auf einer Axialfläche ausgebildeter Stützfuß zwischen zwei auf der gegenüberliegenden Axialfläche ausgebildeten Stützfüßen ausgebildet ist.

Besonders vorteilhaft für die Wirksamkeit der Federelemente ist es, wenn zumindest der Federbalken des Balkenfederelements oder der Federring des Ringfederelements eine Faserorientierung mit Fasern aufweist, die sich längs einer die Stützfüße miteinander verbindenden Belastungsachse erstrecken.

Bei einer Ausbildung der Bauteilverbindung an einer Umwälzvorrichtung zum Umwälzen einer umgebenden Atmosphäre, wobei die Umwälzvorrichtung eine Mehrzahl von Komponenten aufweist, die zumindest eine Welle zur Verbindung der Umwälzvorrichtung mit einer Antriebseinrichtung, einen mit der Welle verbundenen Schaufelblattträger und eine Mehrzahl auf dem Schaufelblattträger angeordneter Schaufelblätter zur Beaufschlagung der Atmosphäre mit einem Strömungsimpuls umfassen, sind zumindest der Schaufelblattträger und die Schaufelblätter als CFC- Komponenten ausgebildet, zwischen denen die Bauteilverbindung ausgebildet ist.

Hiermit wird eine dauerhaft kraftschlüssige Verbindung zwischen mit- einander verbundenen CFC-Komponenten der Umwälzvorrichtung ermö glicht, so dass Setzerscheinungen infolge einer Spaltbildung zwischen den miteinander verbundenen Komponenten und einer daraus resultierenden Unterbrechung des Kraftschlusses durch die stoffschlüssige Verbindung verhindert wird werden. Nachfo lgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 : eine Umwälzvorrichtung in einer ersten Ausführungsform in isometrischer Darstellung;

Fig. 2 : die in Fig. 1 dargestellte Umwälzvorrichtung in Draufsicht;

Fig. 3 : die in Fig. 2 dargestellte Umwälzvorrichtung in Schnittdarstellung gemäß Schnittlinienverlauf III-III in Fig. 2; Fig. 4 : eine weitere Ausführungsform einer Umwälzvorrichtung in isometrischer Darstellung;

Fig. 5 : die in Fig. 4 dargestellte Umwälzvorrichtung in Draufsicht; Fig. 6 : die in Fig. 5 dargestellte Umwälzvorrichtung in S chnittdarstellung gemäß Schnittlinienverlauf VI-VI in Fig. 5 ;

Fig. 7 : eine vergrößerte Detaildarstellung einer Schraubverbin- dungseinrichtung an der Fig. 1 dargestellten Umwälzvorrichtung; Fig. 8 : ein bei der in Fig. 7 dargestellten Schraubverbindungs- einrichtung eingesetztes Federelement in Seitenansicht;

Fig. 9 : eine weitere Ausführungsform eines Federelements für eine Schraubverbindungseinrichtung in isometrischer Darstellung; Fig. 10 : eine zu der in Fig. 7 dargestellten Schraubverbindungseinrichtung alternative Ausführungsform einer Schraubverbindungseinrichtung mit einem auf den Verbindungsbereich zwischen den Komponenten der Schraubverbindungseinrichtung aufgebrachten Verbindungsmaterial; Fig. 11 : die in Fig. 10 dargestellte Schraubverbindungseinrichtung nach einem lokalen Verschweißen der mit dem Verbindungsmaterial beschichteten Komponenten;

Fig. 12 : eine vergrößerte Detaildarstellung einer Schraubverbindungseinrichtung an der in Fig. 6 dargestellten Umwälz- Vorrichtung.

Fig. 1 zeigt in einer ersten Ausführungsform eine Umwälzvorrichtung 20 mit einer Welle 21 zur Verbindung der Umwälzvorrichtung 20 mit einer hier nicht näher dargestellten Antriebsvorrichtung und einem mit der Welle 21 drehstarr verbundenen Schaufelblattträger 22, der zur Anordnung einer Mehrzahl über den Umfang des Schaufelblattträgers 22 verteilt angeordneter Schaufelblätter 23 dient. Wie Fig. 1 zeigt, sind die Schaufelblätter 23 zwischen dem Schaufelblattträger 22 und einem konischen Abschlussring 24 aufgenommen und hierzu j eweils über Formschlussverbindungen 25 bzw. 26 mit ihren axialen Enden 27 , 28 in schlitzförmige Ausnehmungen 29 des Schaufelblattträgers 22 und des Abschlussrings 24 eingesetzt. Wie insbesondere den Fig. 2 und 3 zu entnehmen ist, sind zur Verbindung der Welle 21 mit dem Schaufelblattträger 22 eine Mehrzahl konzentrisch zu einer Mittelachse 30 der Umwälzvorrichtung 20 angeordnete Schraubverbindungseinrichtungen 3 1 vorgesehen. Zum Anschluss an den Schaufelblattträger 22 weist die Welle 21 einen an einem axialen

Anschlussende 32 der Welle 21 ausgebildeten Tellerflansch 33 auf, mit einem sich radial erstreckenden Flanschring 34, der an einer Unterseite 35 des scheibenförmig ausgebildeten Schaufelblattträgers 22 anliegt. Die Schraubverbindungseinrichtungen 3 1 sind so ausgebildet, dass ein Gewindebolzen 36 Durchgangsöffnungen 37, 38 im Flanschring 34 und im Schaufelblattträger 22 durchdringt und an seinen einander gegenüberliegenden axialen Enden 39, 40 j eweils mit einer Mutter 41 versehen ist. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der Schraubverbin- dungseinrichtung 3 1 ist zwischen dem Flanschring 34 und der am unteren axialen Ende 40 des Gewindebolzens 36 angeordneten Mutter 41 ein Balkenfederelement 42 angeordnet.

Wie der Detaildarstellung in Fig. 7 zu entnehmen ist, weist das Balkenfederelement 42 ein sich mit axialen Enden auf Stützfüßen 43 abstützenden Federbalken 44 auf, der mit einer Durchgangsöffnung 45 zum Durchtritt des Gewindebolzens 36 versehen ist. Das Balkenfederelement 42 ist als CFC-Komponente ausgebildet mit einer Faserausrichtung 46, die sich im Bereich des Federbalkens 44 in Richtung einer zwischen den Stützfü- ßen 43 verlaufenden Belastungsachse 47 erstreckt, sodass bei einer Belastung des Federbalkens 44 infolge einer in der Schraubverbindungs- einrichtung 3 1 wirkenden Vorspannkraft, die daraus im Federbalken 44 resultierende Zugspannung von den Fasern des CFC-Bauteils aufgenom- men werden kann.

Wie ferner aus der schematischen Darstellung in Fig. 7 deutlich wird, welche auch die Faserausrichtungen 46 im Flanschring 34 der Welle 21 und im Schaufelblattträger 22 sowie im Gewindebolzen 36 andeutet, sind bei der in Fig. 7 beispielhaft dargestellten Schraubverbindungseinrich- tung 3 1 mit Ausnahme der Muttern 41 , die ausschließlich auf Druck belastet werden, sämtliche Komponenten als CFC-Komponenten ausgeführt. Grundsätzlich ist es natürlich auch möglich, die Muttern 41 als CFC-Komponenten und den Gewindebolzen 36 als Graphit-Komponente oder beide Komponenten j eweils übereinstimmend auszuführen. Aufgrund der elastischen Nachgiebigkeit des Balkenfederelements kann die Schraubverbindungseinrichtung 3 1 bzw. der Gewindebolzen 36 der Schraubverbindungseinrichtung mit einer ausreichend großen Vorspannkraft belastet werden, sodass selbst dann, wenn es insbesondere senkrecht zur Faserausrichtung 46 in dem porösen Kohlenstoffmaterial der unter Vorspannkraft miteinander verspannten Komponenten zu Setzerscheinungen kommen sollte, diese durch die Elastizität des Balkenfederelements 42 ausgeglichen werden können, und die über die Schraubverbindungseinrichtung 3 1 miteinander verspannten Komponenten immer noch mit ausreichender Kraft gegeneinander anliegen, um Relativbewe- gungen der Komponenten wirksam zu verhindern.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Umwälzvorrichtung 50 ist eine Welle 5 1 mittels eines an einem axialen Anschlussende 52 der Welle 5 1 angeordneten Anschlussstücks 53 mit einem Schaufelblattträger 54 verbunden.

Bei der Umwälzvorrichtung 50 sind Schaufelblätter 55 zwischen dem Schaufelblattträger 54 und einem Abschlussring 56 aufgenommen, der, wie in Fig. 6 dargestellt, als ebene Ringscheibe 57 mit einem an einem Innenumfang 58 der Ringscheibe 57 angeformten Ringsteg 59 ausgebildet ist. Zur Verbindung der Schaufelblätter 55 mit dem Schaufelblattträger 54 und dem Abschlussring 56 sind sowohl am unteren axialen Ende 60 als auch am oberen axialen Ende 6 1 der Schaufelblätter 55 Gewindebo lzen 62 angeformt, die Durchgangsöffnungen 63 im Schaufelblattträger 54 und die Durchgangsöffnungen 64 in der Ringscheibe 57 des Abschlussrings 56 durchdringen und die an ihren freien axialen Enden 65 j eweils mit einer Mutter 66, die vorzugsweise aus Graphit gebildet ist, versehen ist. Bei dem in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel der Umwälzvorrichtung 50 sind im Unterschied zu dem in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der Umwälzvorrichtung 20 Schraub- verbindungseinrichtungen 67 vorgesehen, die kein Balkenfederelement 42 aufweisen. Anstelle eines Balkenfederelements 42 weisen die

Schraubverbindungseinrichtungen 67 eine ergänzende stoffschlüssige

Verbindung 68 auf, die, wie in Fig. 12 dargestellt, in einer Verbindungszone 69 zwischen der Mutter 66 und dem Scheibenring 57 des Abschlussrings 56 ausgebildet ist.

Wie insbesondere die Fig. 6 zeigt, ist zur Verbindung der Welle 5 1 das am axialen Anschlussende 52 der Welle 5 1 angeordnete Anschlussstück 53 mit einem am Anschlussstück 53 ausgebildeten Gewindebo lzen 70 durch eine zentrale Durchgangsöffnung 71 hindurchgeführt und an seinem freien axialen Ende 72 mit einer Scheibenmutter 73 versehen, die zusammen mit dem Gewindebolzen 70 eine Schraubverbindungsein- richtung 74 zum Anschluss der Welle 5 1 an den Schaufelblattträger 54 ermöglicht.

Die Schraubverbindungseinrichtung 74 ist darüber hinaus mit einem Ringfederelement 75 versehen, das in Fig. 9 als Einzelteil dargestellt ist und entsprechend der Darstellung in Fig. 6 zwischen einer Unterseite 76 des Schaufelblattträgers 54 und dem Anschlussstück 53 angeordnet ist. Das im Fall des vorliegenden Ausführungsbeispiels als Graphitteil ausgebildete Anschlussstück 53 ist über Stiftverbindungen 77 drehstarr mit der rohrförmig ausgebildeten Welle 5 1 verbunden.

Wie Fig. 9 zeigt, weist das Ringfederelement 75 an einem Federring 85 zwei einander gegenüberliegende Axialflächen 78 , 79 auf, die j eweils mit umlaufend verteilt angeordneten Stützfüßen 80 versehen sind. Dabei sind die Stützfüße 80 so angeordnet, dass j eweils ein auf einer oberen Axialfläche 78 angeordneter Stützfüß zwischen zwei auf der unteren Axialfläche 79 angeordneten Stützfüßen 80 angeordnet ist. Das Ringfederelement 75 ist als CFC-Bauteil ausgebildet mit einer Faserausrichtung 8 1 , die, wie in Fig. 9 angedeutet, in Richtung einer sich zwischen den Stützfüßen 80 des Ringfederelements 75 erstreckenden Belastungsachse 82 verläuft. Wie bereits an dem Ausführungsbeispiel des Balkenfederelements 42 Bezug nehmend auf die Fig. 1 bis 3 erläutert, ermöglicht die elastische Nachgiebigkeit des Ringfederelements 75 eine Kompensierung von Setzerscheinungen bei der Schraubverbindungseinrichtung 74.

Bezug nehmend auf die Figurenabfolge der Fig. 10 und 11 wird nachfo lgend eine Möglichkeit zur Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung 68 erläutert, die ergänzend zu einer Formschlussverbindung 25 , 26, wie in Fig. 3 dargestellt, oder alternativ auch ergänzend zu einer

Schraubverbindungseinrichtung zum Einsatz kommt.

Wie Fig. 10 am Beispiel der Schraubverbindungseinrichtung 3 1 zeigt, erfo lgt zunächst die Beschichtung der Schraubverbindungseinrichtung 3 1 im Bereich der beabsichtigten Verbindungszone 69 (Fig. 11) durch Auftragen eines Verbindungsmaterials 83 , das im vorliegenden Fall als pastöses Material aufgebracht wird und im Wesentlichen aus Polyvinyl- alkoho l mit einem Gewichtsanteil von 50 % Siliziumpulver besteht.

Anschließend erfo lgt eine Aufheizung der Verbindungseinrichtung auf eine Temperatur oberhalb von 1 400 °C in einer Schutzgasatmosphäre, wobei das Siliziumpulver aufschmilzt und mit dem Kohlenstoff aus der im Fall des vorliegenden Ausführungsbeispiels durch den Schaufelblattträger 22 gebildeten CFC-Komponente zu Siliziumcarbid reagiert. Wie durch die schematische Darstellung in Fig. 11 angedeutet, ist das Ergebnis der Reaktion die Ausbildung der Verbindungszone 69 , die mit zunehmenden Abstand von einer zwischen den Komponenten gebildeten Grenzschicht 84 einen abnehmenden Silizium-Carbidgehalt aufweist.

Grundsätzlich ist es auch möglich, anstatt des Siliziums, das bei dem vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel als Carbidbildner dient, andere Carbidbildner zu verwenden, wie beispielsweise Metalle, insbesondere Titan, Tantal oder Chrom zur Erzeugung von Metallcarbiden in der Verbindungszone oder auch andere Halbleiter als Silizium zu verwenden, wie beispielsweise Bor. Insbesondere dann, wenn dem Silizium noch Ruß zugesetzt wird, eignet sich das Silizium in besonderer Art und Weise als Carbidbildner, da das Auftreten von freiem Silizium in der Verbindungszone durch den Zusatz von Ruß weitestgehend eingeschränkt werden kann, um somit eine Verbindungszone zu erhalten, die über einen weiten Temperaturbereich ein thermisch stabiles Materialverhalten ermöglicht.