DE102021211656A1

DE102021211656A1 - Dichtungsbereich zwischen rotierenden und stehenden Komponenten, Verfahren zur Herstellung und Maschine

Info

Publication number: DE102021211656A1
Application number: DE102021211656.6A
Authority: DE
Inventors: Daniel Ostwald; Johannes Albert; Anett Bergmann
Original assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2021-10-15
Filing date: 2021-10-15
Publication date: 2023-04-20
Also published as: WO2023061674A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauteil (1), aufweisend ein Substrat (30) mit einem Dichtungsbereich (4), das eine geringe Porosität aufweist, wobei der Dichtungsbereich (4) in axialer Richtung (24) gesehen nebeneinander zumindest zwei poröse Dichtungsflächen (7, 10, 13) aufweist, die eine Porosität von 30% - 70% aufweisen, wobei der Dichtungsbereich (4) mit den Dichtungsflächen (7, 10, 13) einstückig ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Dichtungsbereich zwischen rotierenden und stehenden Komponenten, wie insbesondere bei Wellendichtdampfsegmenten, Schaufeldeckplatten und ähnlichen Dichtungsbereichen, ein Verfahren zur Herstellung sowie eine Maschine.
Mithilfe von Spielverkleinerungen lässt sich zwischen rotierenden und stehenden Komponenten einer Maschine eine verbesserte Dichtwirkung erzielen und somit erhöht sich auch der Gesamtwirkungsgrad der Maschine.
Die erhöhte Dichtwirkung, die aus den verkleinerten Spielen resultiert, geht jedoch mit einer erhöhten Eintrittswahrscheinlichkeit des Anstreifens einher. Die Auswirkungen des Anstreifens sind mit geeigneten Maßnahmen zu vermeiden, abzuschwächen oder auszugleichen.
Um zu vermeiden, dass feine Dichtbänder oder angedrehte Dichtspitzen beim Anstreifen aufgrund der verkleinerten Radialspiele Schaden nehmen, werden die von der Spielverkleinerung betroffenen Komponenten im aktuellen Stand der Technik mit einer porösen Schicht versehen.
Diese Beschichtung/Opferschicht hat die Eigenschaft eines weicheren Reibpartners, welcher beim Anstreifen lokal abtragen wird und so vermeidet, dass die gegenüberliegenden Dichtbänder/-spitzen Schaden nehmen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Bauteil gemäß Anspruch 1, ein Verfahren gemäß Anspruch 9 sowie eine Maschine nach Anspruch 10.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
Die Figuren und die Beschreibung stellen jeweils nur Ausführungsbeispiele dar.
Es zeigen

1 einen Querschnitt durch einen Dichtungsbereich,
2 eine Aufsicht auf einen Dichtungsbereich,
3 eine schematische Darstellung eines Dichtungsbereichs,
4 eine schematische Darstellung eines Dichtungsbereichs mit einer Haut,
5 einen Dichtungsbereich mit einer Stützstruktur,
6 einen Dichtungsbereich mit einer Verzahnung.

Es ist vorgesehen, dass Bereiche zwischen Dichtspitzen anstelle von einer porösen abrasiven Spritzschicht als Bereiche mit geänderten Materialeigenschaften hergestellt und vorzugsweise bei der Herstellung der Komponente in einem mit hergestellt werden, insbesondere mitgedruckt werden.
Die Materialeigenschaften innerhalb solcher abgegrenzten Bereiche können durch eine gezielte Anpassung der Herstellungsparameter in ihrer Porosität verändert werden, sodass sich in diesen Bereichen ein beliebig schwacher Reibpartner als ein sogenanntes „Designed Material“ (DM) erzeugen lässt.
Hierbei ist es insbesondere auch möglich, dass Volumenbereiche, die besondere Eigenschaften zugeordnet bekommen haben, weiter zu unterteilen, sodass eine lokal unterschiedliche Porosität eigestellt werden kann.
Ferner ist es insbesondere möglich, ein poröses Gefüge bei DM mit Stützstrukturen zu überlagern. Dabei wird ein sehr poröses Gefüge benötigt, insbesondere >60% relative Dichte, welches dann aber so offenporig ist, dass der innere Zusammenhalt ohne die überlagerten Stützstrukturen nicht gewährleistet werden kann.
Falls es erforderlich sein sollte, dass die Haftung des DM an ein Substrat oder am Vollmaterial verbessert werden muss, so ist es möglich, eine Verzahnung bzw. eine Oberflächenvergrö-ßerung mit zu drucken.
Da die Oberfläche von porösen Materialien sehr rau ist, werden bei turbulenter Durchströmung Druckverluste generiert. Daher bietet es sich an, das DM hinter einer feinen Haut mit glatterer Oberfläche zu verbergen. Durch das insbesondere Mitdrucken einer das DM überdeckenden feinen Haut können glattere Oberfläche als bei Bauteilen mit konventioneller Spritzschicht erzeugt werden. Die so verringerte Rohrreibung senkt die Druckverluste bei turbulenter Durchströmung.
Diese Erfindung funktioniert sowohl mit als auch ohne die das DM überdeckende Haut.
Ferner ist man nicht mehr an die starken geometrischen Limitierungen gebunden, welche eine konventionelle Beschichtung mit sich bringt wie z.B. geringe Schichtdicke, benötigter Platz für eine Maskierung, keine unerwünschte Änderung der Strömungsgeometrie.
Rein optisch lässt sich bereits erkennen, ob eine Beschichtung vorliegt oder ob es sich um integrale Volumenbereiche handelt, welche über geänderte Materialeigenschaften verfügen.
Ist eine konventionelle Beschichtung in eine Tasche eingebracht worden und später mechanisch nachbearbeitet worden ist sie optisch nur noch schwer von einem integralen Volumenbereich mit veränderten Materialeigenschaften hinsichtlich der Porosität zu unterscheiden. Bei so einem Verdacht gibt das Gefüge der porösen Bereiche Aufschluss.
Während Volumenbereiche mit einem Designed Material eher über längliche Strukturen verfügen, liegt bei konventionellen Spritzschichten eher ein rundes Gefüge umschlossen von der Matrix vor.
In 1 ist ein Bauteil 1 mit einem Dichtungsbereich 4 an einem Substrat 30 dargestellt.
Das Bauteil 1 ist insbesondere für den Anwendungsfall bei einer Turbine gekrümmt (siehe 2).
Das Bauteil 1 ist hier in radialer Richtung 23 gebogen, bildet also insbesondere mit mehreren solcher Bauteilsegmenten einen Kreis.
Entlang einer inneren Umfangsfläche des Bauteils 1 ist der Dichtungsbereich 4 insbesondere in drei Dichtungsflächen 7, 10, 13 in axialer Richtung 24 unterteilt.
Es können weniger, aber auch mehr Dichtungsflächen vorhanden sein.
Die Dichtungsflächen 7, 10, 13 erstrecken sich vorzugsweise über die gesamte innere Umfangsfläche des Bauteils 1 bzw. des Dichtungsbereichs 4.
Dichtungsfläche bedeutet hier ein poröses Volumen.
Zwischen einzelnen Dichtungsflächen 7, 10, 13 besteht vorzugsweise ein Freiraum 11', 11", der aber nicht notwendigerweise vorhanden sein muss.
Die einzelnen Dichtungsflächen 7, 10, 13 weisen eine hohe Porosität im Bereich von 30% - 70%, insbesondere von 30% - 60% auf.
Die Porosität der einzelnen Dichtungsflächen 7, 10, 13 kann in axialer Richtung bei Bedarf vorzugsweise unterschiedlich ausgestaltet sein.
Unterschiedlich bedeutet, dass ein relative Unterschied von mindestens 10% gegeben ist.
Vorzugsweise betragen die Porositäten 40%, 50% und 60%, wobei die Reihenfolge und Höhe der Porosität in axialer Richtung variiert werden, kann.
Quer zur Richtung 23 in axialer Richtung 24 sind Dichtungsspitzen 16', 16'', 16''' am Substrat 30 ausgebildet.
In den Zwischenräumen zwischen zwei Dichtspitzen 16', 16'', 16''' des Stators 30 laufen die Dichtungsfinne 41 (des Rotors 40; 3, 4, 6), welche durch die mittels Designed Materials (DM) ausgebildete Opferschicht vor Beschädigungen durch das Anstreifen geschützt sind. Die Opferschicht kann dabei auch alternativ oder zusätzlich am Rotor 40 aufgebracht sein.
Wie oben schon erläutert wurde, ist das gesamte Bauteil 1 vorzugsweise integral aus einem Stück hergestellt, wobei der größte Teil des Bauteils 1 ein Substrat 30 mit einer geringen Porosität, insbesondere möglichst dicht, aufweist.
Die lokalen Eigenschaften der Dichtungsflächen 7, 10, 13 und der Dichtungsspitzen 16 können insbesondere durch eine Anpassung der Herstellungsparameter insbesondere des additiven Fertigungsverfahrens lokal und separat angepasst werden.
In 2 ist eine Aufsicht auf ein solches Bauteil 1 und den Dichtungsbereich 4 dargestellt, wobei der Pfeil 19 die Baurichtung, zum Beispiel ein Pulverbettverfahren, darstellt. Der Pfeil 19 stellt insbesondere eine senkrechte Richtung zur axialen Richtung 24 dar.
In 3 ist schematisch die Anordnung eines Stators, also dem Bauteil 1 und einem Rotor 40 dargestellt.
Der Rotor 40 weist insbesondere auch eine Dichtungsfinne 41 auf, die in Wechselwirkung steht mit den Dichtungsflächen 7, 10, 13 (Prinzip einer Labyrinthdichtung).
Die Opferschicht funktioniert aber auch, wenn nur die Dichtspitzen auf dem Rotor oder Stator vorhanden sind. Dabei muss die Opferschicht immer jeweils an dem Bauteil ohne Dichtspitzen ausgebildet sein (Durchblickdichtung).
In 4 ist abweichend von 3 die äußere Oberfläche der Dichtungsflächen 7, 10, 13 mit einer glatten Haut 33 versehen.
Zur Entfernung des Pulvers bleiben Teilflächen des Designed Materials (DM) vorzugsweise unbedeckt oder es müssen vorzugsweise Kanäle zur Pulverentfernung vorgesehen werden.
5 zeigt eine Aufsicht auf eine beliebige Dichtungsfläche 7, 10, 13.
Zu erkennen ist eine Stützstruktur 34 innerhalb der Dichtungsflächen 7, 10, 13, die aus dichten Stegen 36 zwischen dem porösen Material der Dichtungsfläche 7 besteht.
Die Stege 36 können eine beliebige Form bilden, eine beliebige Ausrichtung haben und umranden vorzugsweise geschlossene Flächen.
Hier ist es vorzugsweise eine quadratische Struktur; eine rechteckige Form, eine Wabenstruktur oder ähnliches ist auch denkbar.
6 zeigt ausgehend von 3, 4 oder 5 eine weitere Modifikation, bei dem das Substrat 30 für die Dichtungsfläche 7, 10, 13 eine Hinterschneidung 39 oder eine Verzahnung in dem Substrat 30 aufweist.

Claims

Bauteil (1), aufweisend ein Substrat (30) mit einem Dichtungsbereich (4), wobei das Substrat (30) eine geringe Porosität, insbesondere < 10%, aufweist, wobei der Dichtungsbereich (4) in axialer Richtung (24) gesehen nebeneinander zumindest zwei poröse Dichtungsflächen (7, 10, 13) aufweist, die eine Porosität von 30% - 70%, insbesondere von 40% - 60% aufweisen, wobei das Substrat (30) mit den Dichtungsflächen (7, 10, 13) einstückig ausgebildet ist.
Bauteil nach Anspruch 1, das drei Dichtungsflächen (7, 10, 13) aufweist.
Bauteil nach einem oder zwei der Ansprüche 1 oder 2, bei dem zwischen den Dichtungsflächen (7, 10, 13) Dichtungsspitzen (16', 16'', ...) vorhanden sind.
Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3, bei dem die poröse Dichtungsfläche (7, 10, 13) mit einer dichten Haut (33) versehen ist.
Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, bei dem die Dichtungsfläche (7, 10, 13) eine Stützstruktur (34) aufweist, die insbesondere durch dichte Stege (36) innerhalb der porösen Struktur gebildet ist.
Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5, bei dem eine Hinterschneidung (39) in dem Substrat (30) vorhanden ist, wodurch die poröse Dichtungsfläche (7, 10, 13) sich mit dem Substrat (30) verzahnt.
Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, bei dem die Porosität der Dichtungsflächen (7, 10, 13) unterschiedlich ausgebildet ist.
Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, bei dem das Bauteil eine Labyrinthdichtung aufweist,
Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, bei dem ein additives Verfahren verwendet wird, insbesondere ein Pulverbettverfahren.
Maschine, die ein Bauteil (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8 als Stator aufweist, sowie einen Rotor (40), der insbesondere Dichtungsfinnen (41) aufweist, die in den Dichtungsflächen (7, 10, 13) des Bauteils gegenüberliegen oder in sie eingreifen.