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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft ein Dampfeinlassventil einer Dampfturbine mit
einem Ventilsitz und einem Ventilkörper.
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Stand der Technik
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Dampfeinlassventile
von Dampfturbinen sind üblicherweise
hoch belastet und unterliegen dadurch einem erhöhten Verschleiß. Insbesondere
die während
des Betriebs der Dampfturbine auftretenden hohen Temperaturen von
mehreren hundert °C
verursachen zusammen mit der auf die Dampfeinlassventile einwirkenden
mechanischen Belastungen ein Kriechen, welches die Funktion des
Dampfeinlassventils über
längere
Sicht betrachtet beeinträchtigt.
Darüber hinaus
können
hohe mechanische Belastungen bei einem sporadischen, temporären Schließen des Dampfeinlassventils,
verschiedene Oxidationsprozesse und eine durch Feststoffteilchen
ausgelöste Erosion
auftreten, welche alle eine Beeinträchtigung der Funktion des Dampfeinlassventils
bewirken können.
Um einem derartigen Verschleiß entgegen
wirken zu können,
sind im Bereich eines Ventilsitzes und/oder eines bei geschlossenem
Ventil dicht über einen
Anlagebereich daran anliegenden Ventilkörper Beschichtungen aus sogenannten Stelliten
bekannt, welche typischer Weise Chrom, Kobalt, Wolfram und Kohlenstoff
enthalten und eine geringe Kriechneigung sowie einen hohen Verschleißwiderstand
aufweisen. Derartige Beschichtungen werden üblicherweise auf das zu beschichtende
Bauteil aufgeschmolzen.
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Da
jedoch insbesondere Dampfturbinen moderner Bauart mit stetig steigenden
Temperaturen betrieben werden, stoßen auch derartige Beschichtungen
an ihre Belastungsgrenzen. Insbesondere im Übergangsbereich zwischen der
Beschichtung und dem Ventilsitz bzw. dem Ventilkörper kann es zu einer Zunahme
von Instabilitäten
in der Mikrostruktur kommen, welche langfristig zu einem Reißen bzw. Abspringen
der Beschichtung führen
können.
Dafür verantwortlich
sind einerseits, die wie eingangs erwähnt, stetig steigenden Dampftemperaturen
und die daraus resultierenden Temperaturbelastungen, sowie die wiederholten
Temperaturwechselbelastungen, welche aus einem Hoch- bzw. Runterfahren
der Dampfturbine resultieren.
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Darstellung der Erfindung
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Hier
setzt die Erfindung an. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüche gekennzeichnet
ist, beschäftigt
sich mit dem Problem, für
ein Dampfeinlassventil einer Dampfturbine der eingangs genannten Art
eine verbesserte Ausführungsform
anzugeben, welche sich insbesondere durch eine erhöhte Langlebigkeit
auszeichnet.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß durch
den Gegenstand des unabhängigen
Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsform
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem Dampfeinlassventil
einer Dampfturbine mit einem Ventilsitz und einem Ventilkörper, einen
für die
Dichtfunktion des Dampfeinlassventils verantwortlichen Bereich mit
einer verschleißresistenten
Beschichtung zu versehen, welche pulvermetallurgisch mit dem zugehörigen Ventilsitz
bzw. dem zugehörigen
Ventilkörper
verbunden ist und dadurch vorzugsweise einen gleichmäßigen Übergang zwischen
einem Basismaterial, aus welchem der Ventilsitz bzw. der Ventilkörper besteht,
und einem Dichtmaterial schafft, ohne dass ein abrupter Übergang
zwischen dem Basismaterial und dem Dichtmaterial der Beschichtung
erfolgt, was insbesondere an den Materialgrenzen zu einer Schwächung führen kann.
Bei dem erfindungsgemäßen Dampfeinlassventil
liegt der Ventilkörper
bei geschlossenem Ventil dicht über
einen Anlagebereich an einem korrespondierenden Anlagebereich des
Ventilsitzes an. Dabei weist zumindest einer der Anlagebereiche
zumindest einen dem jeweils anderen Anlagebereich zugewandten Dichtbereich,
einen von diesem abgewandten Basisbereich und einen zwischen dem
jeweiligen Dichtbereich und dem zugehörigen Basisbereich gelegenen Übergangsbereich
auf. Wie oben erwähnt, ist
dabei der Dichtbereich aus einem Dichtmaterial und der Basisbereich
aus einem Basismaterial ausgebildet, wobei das Basismaterial jeweils
das Material darstellt, aus welchem auch der Ventilsitz oder der Ventilkörper gebildet
sind. Um eine scharfe Materialgrenze zwischen dem Dichtbereich und
dem Basisbereich sowie die damit verbundene Schwächung in diesem Bereich vermeiden
zu können,
nimmt der Anteil des Basismaterials ausgehend vom Basisbereich in
Richtung des Übergangsbereichs
ab, während
der Anteil des Dichtmaterials in gegenläufiger Richtung, also ausgehend
vom Dichtbereich hin zum Übergangsbereich
abnimmt. Dies führt
dazu, dass im Dichtbereich vorzugsweise ausschließlich Dichtmaterial,
im Basisbereich vorzugsweise ausschließlich Basismaterial und im Übergangsbereich
zwischen dem Dicht- und dem Basisbereich beide Materialien anzutreffen
sind, wobei der jeweilige Anteil des Dichtmaterials bzw. des Basismaterials
im Übergangsbereich
unter dem jeweiligen, im zugehörigen
Basisbereich bzw. Dichtbereich vorliegenden Materialmaximum liegt.
Durch die erfindungsgemäße pulvermetallurgische
Verbindung zwischen dem Dichtbereich und dem Basisbereich über den
dazwischen angeordneten Übergangsbereich
kann ein nahezu kontinuierlicher Übergang zwischen dem Basismaterial und
dem Dichtmaterial erreicht werden, wodurch eine besonders hohe Widerstandsfähigkeit
gegen auftretende Temperaturwechselbelastungen und eine besonders
gute Verbindung zwischen dem Basisbereich und dem Dichtbereich erreicht
werden können.
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Zweckmäßig ist
der Dichtbereich als separates Bauteil hergestellt und über den Übergangsbereich
mit dem Basisbereich des Ventilkörpers
oder des Ventilsitzes verbunden. Dies ermöglicht eine separate Herstellung
des Dichtbereichs, beispielsweise eines Dichtringes, welcher anschließend über ein pulvermetalluriges
Verfahren mit dem Basisbereich des zugehörigen Ventilsitzes bzw. des
zugehörigen Ventilkörpers verbunden
wird und dadurch ebenfalls, der im vorherigen Absatz genannte sanfte Übergang zwischen
dem Dichtbereich und dem Basisbereich geschaffen werden kann. Dadurch
werden insbesondere scharfe Materialübergänge vermieden, an welchen sich
die physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften sprunghaft ändern.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Lösung weist
der Dichtbereich eine Stellit-Legierung auf oder ist durch eine solche
gebildet. Stellite sind Nicht-Eisenlegierungen auf Kobalt-Chrom-Basis
und enthalten, je nach Einsatzzweck, Anteile von Wolfram, Nickel,
Kohlenstoff, welcher durch Bildung von Carbiden einen großen Einfluss
auf die Eigenschaften der Legierung hat. Ihr Hauptmerkmal ist eine
hohe Beständigkeit
gegen Abrieb und Korrosion, die auch bei hohen Temperaturen erhalten
bleibt. Durch diese Eigenschaften wiederstehen sie auch hohen Verschleißbelastungen
und machen sie dadurch für
den Einsatz im Dampfturbinenbau geeignet.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist
im Übergangsbereich
zumindest ein vom Basismaterial und vom Dichtmaterial verschiedenes Übergangsmaterial
vorgesehen, welches ausgehend vom Übergangsbereich hin zum Dichtbereich
und/oder hin zum Basisbereich abnimmt, während das Dichtmaterial ausgehend
vom Dichtbereich hin zum Übergangsbereich
und das Basismaterial ausgehend vom Basisbereich hin zum Übergangsbereich
abnehmen. Ein derartiges Übergangsmaterial
ist insbesondere dann von großem
Vorteil, sofern sich das Basismaterial und das Dichtmaterial auch
mittels pulvermetallurgischer Verfahren nur schlecht miteinander
verbinden lassen. Ein Beispiel ist hierfür ein Eisen aufweisendes Basismaterial
und ein einen hohen Chromgehalt aufweisendes Dichtmaterial (z.B.
Stellit). Da sich Eisen und Werkstoffe mit höherem Chromgehalt schlecht
dauerhaft miteinander verbinden lassen, kann hier beispielsweise
als Übergangsmaterial
ein nickelhaltiges Material gewählt
werden, welches sich sowohl mit Eisen, als auch mit einem, einen
hohen Chromgehalt aufweisenden Werkstoff langfristig, dauerhaft
verbinden lässt.
Dies zeigt bereits, dass nicht nur eine direkte Verbindung zwischen
dem Basismaterial und dem Dichtmaterial erfolgen kann, sondern auch
eine indirekte über
zumindest ein dazwischen angeordnetes Übergangsmaterial, welches eine
langfristige und dauerhafte Verbindung gewährleistet.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Dampfeinlassventils ergeben sich
aus den Unteransprüchen,
aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand
der Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert,
wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche
oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es
zeigen dabei, jeweils schematisch,
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1 einen
Längsschnitt
durch ein erfindungsgemäßes Dampfeinlassventil
mit einem Ventilsitz und einem Ventilkörper,
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2 ein
Schaubild zur Verdeutlichung einer Konzentration eines Dichtmaterials
und eines Basismaterials in einem Basisbereich, in einem Übergangs-
und in einem Dichtbereich,
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3 eine
Darstellung wie in 2, jedoch mit einem zusätzlichen Übergangsmaterial.
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4 ein
Schaubild zur Verdeutlichung einer Konzentration eines Dichtmaterials
und eines Basismaterials in den verschiedenen Bereichen mit einem separat
hergestellten Dichtbereich,
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5 ein
Schaubild zur Verdeutlichung einer Konzentration eines Dichtmaterials
und eines Basismaterials in den verschiedenen Bereichen, wobei die verschiedenen
Bereiche zusammen hergestellt sind.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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Entsprechend 1 weist
ein erfindungsgemäßes Dampfeinlassventil 1 einer
im übrigen
nicht dargestellten Dampfturbine einen Ventilsitz 2 und
einen zugehörigen
Ventilkörper 3 auf.
Dabei ist das Dampfeinlassventil 1 oberhalb einer Trennlinie 4 in geöffnetem
und unterhalb der Trennlinie 4 in geschlossenem Zustand
gezeigt. Bei geschlossenem Dampfeinlassventil 1 liegt der
Ventilkörper 3 dicht über einen
Anlagebereich 5 an einem Anlagebereich 5' des Ventilsitzes 2 an.
Dabei ist zumindest einer der beiden Anlagebereich 5 oder 5' mehrschichtig
aufgebaut und weist beispielsweise einen Aufbau wie in der 2 oder 3 gezeigt
auf.
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In 2 ist
eine diagrammartige Darstellung der im Anlagebereich 5, 5' auftretenden
Materialkonzentrationen A und B gezeigt. Prinzipiell weist dabei der
Anlagebereich 5, 5' gemäß der 2 zumindest einen,
dem anderen Anlagebereich 5, 5' zugewandten Dichtbereich 6,
einen von diesem Dichtbereich 6 abgewandten Basisbereich 7 und
einen zwischen dem Dichtbereich 6 und dem Basisbereich 7 gelegenen Übergangsbereich 8 auf.
Der Basisbereich 7 geht unmittelbar in den Ventilsitz 2 bzw.
in den Ventilkörper 3 über oder
ist am Ventilsitz 2 bzw. am Ventilkörper 3 befestigt.
Wie der Darstellung in 2 zu entnehmen ist, ist dabei
der Dichtbereich 6 überwiegend
aus einem Dichtmaterial B und der Basisbereich 7 überwiegend
aus einem Basismaterial A gebildet. Aus dem Basismaterial A besteht
auch der Ventilsitz 2 bzw. der Ventilkörper 3. Vorzugsweise
beträgt
dabei die Konzentration des Basismaterials A im Basisbereich 7 ca.
100%, während
die Konzentration des Dichtmaterials B im Dichtbereich 6 ebenfalls
ca. 100% beträgt.
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Ausgehend
vom Basisbereich 7 nimmt in Richtung des Dichtbereichs 6 die
Konzentration des Basismaterials A vorzugsweise stetig ab, während die Konzentration
des Dichtmaterials B ausgehend vom Übergangsbereich hin zum Dichtbereich 6 zunimmt,
woraus resultiert, dass im Dichtbereich 6 zumindest überwiegend
Dichtmaterial B, im Basisbereich 7 zumindest überwiegend
Basismaterial A und im Übergangsbereich 8 ein
ortsabhängiges
Mischungsverhältnis
aus den beiden Materialien A und B vorliegen kann. Die Konzentration
des Basismaterials A ist dabei im Übergangsbereich 8 kleiner
als im Basisbereich 7. Genau umgekehrt verhält es sich
mit dem Dichtmaterial B, dessen Konzentration im Übergangsbereich 8 geringer
ist als im Dichtbereich 6. Die Darstellung in 2 beschreibt
beispielsweise die Situation, dass ein separat hergestellter Dichtbereich 6 mit
einem separat hergestellten Basisbereich 7 verbunden wird,
indem der Übergangsbereich 8 pulvermetallurgisch
hergestellt wird und dadurch gleichzeitig eine Verbindung zwischen
dem Basisbereich 7 und dem Dichtbereich 6 erzeugt.
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Der Übergangsbereich 8 kann
pulvermetallurgisch auch als separater Körper hergestellt werden, der
dann mit dem Dichtbereich 6 und dem Basisbereich 7 verschweißt wird.
Ebenso lassen sich zumindest zwei Mitglieder der Gruppe Dichtbereich 6, Übergangsbereich 8 und
Basisbereich 7 gemeinsam pulvermetallurgisch herstellen.
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Dabei
sind die gemäß den 2 bis 5 gezeichneten
Geraden rein exemplarisch zu verstehen, so dass auch ein nicht linearer
Verlauf der Konzentrationen des Basismaterials A und des Dichtmaterials
B sowie andere Steigungen der beiden Konzentrationsverläufe von
der Erfindung umschlossen sein sollen. Insbesondere ist denkbar,
dass beispielsweise die Konzentration des Basismaterials A nicht bereits
im Übergangsbereich 8 auf
Null abfällt,
ebenso wie die Konzentration des Dichtmaterials B, sondern dass
beispielsweise zumindest ein gewisser Anteil des Basismaterials
A auch noch im Dichtbereich 6 anzutreffen ist.
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Bei
der Darstellung gemäß der 3 ist
im Unterschied zur 2 zusätzlich ein Übergangsmaterial C vorgesehen,
welches im Übergangsbereich 8 seine
maximale Konzentration aufweist und ausgehend von diesem Übergangsbereich 8 hin
zum Dichtbereich 6 und hin zum Basisbereich 7 abnimmt.
Ein derartiges zusätzliches Übergangsmaterial
C, beispielsweise Nickel, wird insbesondere dann vorgesehen, falls
sich die beiden anderen Materialien A und B schwierig oder gar nicht
direkt miteinander verbinden lassen, wohl aber indirekt über das Übergangsmaterial
C. Dies ist beispielsweise bei einem eisenhaltigen Basismaterial
A und einem Dichtmaterial B mit einem höheren Chromgehalt der Fall,
welche schwierig direkt miteinander zu verbinden sind, welche aber
besser jeweils mit dem Übergangsmaterial C,
beispielsweise Nickel, verbindbar sind. Dies macht bereits deutlich
dass das Übergangsmaterial
C vorzugsweise ein vom Basismaterial A und vom Dichtmaterial B unterschiedliches
Material ist.
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Ebenfalls
der 3 zu entnehmen ist, dass an der Stelle eines Konzentrationsmaximums
des Übergangsmaterials
C, hier in der Mitte des Übergangsbereichs 8,
sowohl das Basismaterial A als auch das Dichtmaterial B ein Konzentrationsminimum
aufweisen. Selbstverständlich
gilt auch für
die 3, dass der beispielhaft dargestellte lineare
Verlauf der Konzentrationen der unterschiedlichen Materialien A,
B, C rein exemplarisch zu verstehen ist, so dass auch hier von abweichende
Materialverläufe, insbesondere
nicht lineare, von der Erfindung mit umschlossen sein sollen. Selbstverständlich muss
auch die Konzentration des Übergangsmaterials
C im Übergangsbereich 8 an
keiner Stelle 100% betragen, ebenso wenig wie die Konzentrationen
des Basismaterials A und des Dichtmaterials B im Übergangsbereich 8 vollständig auf
Null absinken müssen.
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Durch
den Übergangsbereich 8,
in welchem sowohl das Dichtmaterial B als auch das Basismaterial
A zumindest in verringerter Konzentration vorliegen, kann ein Übergang
zwischen dem Dichtbereich 6 und dem Basisbereich 7 geschaffen
werden, welcher ohne scharfe, d.h. insbesondere sprungartige, Materialwechsel
auskommt. Insbesondere derartige sprunghafte Materialwechsel, sind
für eine
erhöhte Anfälligkeit
gegenüber Änderungen
der Mikrostruktur sowie Bildung von Rissen infolge von Temperaturwechseln
der damit ausgestatteten Anlagebereiche 5, 5' verantwortlich,
so dass durch einen derartigen weichen und gleichmäßigen Übergang
zwischen den einzelnen Materialien Spannungen abgebaut werden können und
zudem eine bessere Verbindung zwischen den einzelnen Materialien
A und B und alternativ auch C erreicht werden kann. Wie erwähnt, kann durch
den Übergangsbereich 8 die
Widerstandsfähigkeit
der Anlagebereiche 5, 5' erhöht werden, wodurch die Lebensdauer
des Dampfeinlassventils 1 insgesamt verlängert werden
kann.
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Dabei
ist denkbar, dass der Dichtbereich 6 als separates Bauteil
hergestellt ist und über
den Übergangsbereich 8 mit
dem ebenfalls separat hergestellten Basisbereich 7, insbesondere
durch ein pulvermetallurgisches Verfahren, durch welches der Übergangsbereich 8 hergestellt
wird, verbunden ist (vgl. 2 und 3).
Als pulvermetallurgisches Verfahren kommt hierbei insbesondere ein
Sintern oder ein heiß isostatisches
Pressen (HIP) in Betracht.
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In 4 ist
ein Anlagebereich 5, 5' mit einem ebenfalls separat hergestellten
Dichtbereich 6 dargestellt, welcher über ein pulvermetallurgisches
Verfahren, durch welches der Übergangsbereich 8 mit
dem Basisbereich 7 hergestellt wird, in den Basisbereich 7 übergeht.
Wie der 4 zu entnehmen ist, nimmt im Übergangsbereich 8 ausgehend
vom Basisbereich 7 die Konzentration des Basismaterials
A ab, bis sie an der Grenze zum Dichtbereich 6 auf ca.
0 % abgesunken ist. Dazu gegenläufig
nimmt die Konzentration des Dichtmaterials B im Übergangsbereich 8 ausgehend
vom Basisbereich 7 zu, bis sie an der Grenze zum Dichtbereich 6 ca.
100 % beträgt.
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In 5 ist
ein Anlagebereich 5, 5' dargestellt, bei welchem der Basisbereich 7 zusammen
mit dem Dichtbereich 6 und dem Übergangsbereich 8 hergestellt
ist. Dabei beträgt
die Konzentration des Dichtmaterials B nur in einem dünnen Randbereich des
Dichtbereichs 6 ca. 100%. In diesem dünnen Randbereich beträgt die Konzentration
des Basismaterials A ca. 0%. Im Übergangsbereich 8 ist
ein kontinuierlicher Konzentrationsübergang der beiden Materialien
A und B dargestellt.
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Generell
ist denkbar, dass der Dichtbereich 6 und/oder der Basisbereich 7 – wie im
vorherigen Absatz beschrieben – zusammen
mit dem Übergangsbereich 8 durch
ein pulvermetallurgisches Verfahren hergestellt sind. Hierbei ist
die Konzentration des Basismaterials A, des Dichtmaterials B und
optional die Konzentration des Übergangsmaterials
C abhängig vom
jeweiligen Bereich 6, 7, 8. Im Unterschied
zu einem separaten Herstellen des Dichtbereichs 6 und des
Basisbereichs 7 mit einem anschließenden Verbinden, werden bei
dieser Ausführungsform
der Dichtbereich 6, der Übergangsbereich 8 und
der Basisbereich 7 gleichzeitig hergestellt.
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Neben
einer rein pulvermetallurgischen Verbindung der einzelnen Bereiche 6, 7, 8 ist
auch denkbar, dass der Dichtbereich 6 und/oder der Basisbereich 7 mit
dem Übergangsbereich 8 anderweitig
verbunden, insbesondere verschweißt ist/sind. Eine pulvermetallurgische
Verbindung der einzelnen Bereiche 6, 7, 8 kann
beispielsweise über
eine Sinterung bzw. ein heiß isostatisches
Pressen (HIP) erreicht werden. Dabei sind prinzipiell folgende Möglichkeiten denkbar:
- – Der Übergangsbereich 8 und
der Basisbereich 7 sind gesintert bzw. heiß isostatisch
gepresst (HIP), oder
- – der Übergangsbereich 8 und
der Dichtbereich 6 sind gesintert bzw. heiß isostatisch
gepresst (HIP), oder
- – der Übergangsbereich 8,
der Basisbereich 7 und der Dichtbereich 6 sind
gesintert bzw. heiß isostatisch
gepresst (HIP), oder
- – der
Basisbereich 7 und der Dichtbereich 6 sind gesintert
bzw. heiß isostatisch
gepresst (HIP).
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Als
Basismaterialien A kommen insbesondere Gussstahl oder Schmiedestahl
sowie Nickellegierungen in Betracht, während als Dichtmaterial insbesondere
eine Stellit-Legierung verwendet werden kann, welche zumindest eines
der nachfolgenden Elemente aufweist: Chrom, Wolfram, Nickel, Kohlenstoff,
Kobalt, Molybdän.
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Durch
das pulvermetallurgische Verbinden des für die Dichtfunktion des Dampfeinlassventils 1 ausschlaggebenden
Dichtmaterials B mit dem Basismaterial A des Ventilkörpers 3 oder
des Ventilsitzes 2 oder durch das pulvermetallurgische
Herstellen der Bereiche 6, 7, 8 entsteht
ein Anlagebereich 5, 5' mit einem deutlich erhöhten Verschleißwiderstand,
der zudem Temperaturspannungen aufgrund des fließenden Überganges besser aufnehmen
kann. Insbesondere aus starken Temperaturspannungen herrührende Risse
können
aufgrund der fehlenden scharfen Materialübergänge weitestgehend vermieden
werden, wodurch die Langlebigkeit des Dampfeinlassventils 1 gesteigert
werden kann.
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Der
jeweilige Anlagebereich 5, 5' kann separat hergestellt bzw.
vorgefertigt werden und anschließend am Ventilsitz 2 bzw.
am Ventilkörper 3 angebracht
werden, z. B. mittels einer Schweißverbindung. Ebenso ist es
grundsätzlich
möglich,
den jeweiligen Anlagebereich 5, 5' bei seiner pulvermetallurgischen
Herstellung unmittelbar am Ventilkörper 3 bzw. am Ventilsitz 2 auszubilden.
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- 1
- Dampfeinlassventil
- 2
- Ventilsitz
- 3
- Ventilkörper
- 4
- Trennlinie
- 5
- Anlagebereich
- 6
- Dichtbereich
- 7
- Basisbereich
- 8
- Übergangsbereich
- A
- Basismaterial
- B
- Dichtmaterial
- C
- Übergangsmaterial