DE102022132482A1

DE102022132482A1 - Verfahren zur Herstellung eines Labyrinth-Ringes

Info

Publication number: DE102022132482A1
Application number: DE102022132482.6A
Authority: DE
Inventors: Martin Schabasser
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2022-12-07
Filing date: 2022-12-07
Publication date: 2023-11-23

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Labyrinth-Ringes (1) für eine hydraulische Maschine mit einem Francis-Laufrad, wobei der Labyrinth-Ring wenigstens eine Kontaktfläche (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte in der angegebenen Reihenfolge umfasst:-S1: Bereitstellen eines ringförmigen Grundkörpers (2) aus Stahl;-S2: Auftragen von Bronze auf den Grundkörper (2) mittels thermischen Spritzens; wobei die Bronze die wenigstens eine Kontaktfläche (3) bildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Labyrinth-Ringes für eine hydraulische Maschine mit einem Francis-Laufrad. Hydraulische Maschinen mit Francis-Laufrädern kommen in Wasserkraftanlagen zum Einsatz. Dabei kann es sich um Turbinen oder Pumpturbinen handeln. Außerdem kommen Francis-Laufräder in Speicherpumpen zum Einsatz.
Francis-Laufräder rotieren in feststehenden Gehäusen, so dass zwischen dem Laufrad und dem Gehäuse Spalte angeordnet sind. Diese Spalte müssen gegen Leckage gedichtet werden. Zum Abdichten werden Labyrinth-Dichtungen verwendet, welche aus zwei Teilen bestehen. Der eine Teil einer solchen Labyrinth-Dichtung ist dabei am Gehäuse und der andere Teil am Laufrad angeordnet. Üblicherweise wird der laufradseitige Teil der Labyrinth-Dichtung direkt in das Material des Laufrades eingearbeitet. Beim Material des Laufrades handelt es sich meist um rostfreien Stahl. Der gehäuseseitige Teil der Labyrinth-Dichtung wird durch einen Ring gebildet, welcher mit dem Gehäuse verbunden wird. Ein solcher Ring wird als Labyrinth-Ring bezeichnet. Es sind jedoch auch Ausführungsformen bekannt geworden, bei denen alternativ oder zusätzlich ein Labyrinth-Ring laufradseitig angebracht wurde. Solche Labyrinth-Dichtungen werden beispielsweise im US-Patent 5,924,844 offenbart (siehe die 2A-2D und die zugehörigen Passagen in der Beschreibung).
Bei bestimmten Betriebsbedingen (z.B. bei einem Lastabwurf) kann es vorkommen, dass die beiden Teile einer Labyrinth-Dichtung miteinander in Kontakt kommen. Die davon betroffenen Flächen werden in diesem Dokument als Kontaktflächen bezeichnet. Es ist klar, dass es sich dabei um Flächen handelt, zwischen welchen der Dichtspalt besonders eng ist. Wenn beide Teile aus rostfreiem Stahl bestehen, dann kann es sehr schnell zu einem hohen Verschleiß der Teile durch Fressen kommen. Zur Vermeidung dieses Verschleißes werden Labyrinth-Ringe aus Bronze (meist Aluminiumbronze) hergestellt. Bei einem Kontakt zwischen Bronze und rostfreiem Stahl kommt es zwar zu einem gewissen Materialabtrag, jedoch nicht zur vollständigen Zerstörung der Reibflächen. Aufgrund der Geometrie der Labyrinth-Ringe (große Durchmesser bei vergleichsweise kleinen Querschnitten) und der geforderten Materialhomogenität (keine Lunker oder andere Imperfektionen) werden diese Ringe mit dem Verfahren des Schleudergusses hergestellt. Daher sind die Kosten für solche Labyrinth-Ringe hoch.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Labyrinth-Ringes anzugeben, welches weniger kostspielig ist, wobei die hergestellten Labyrinth-Ringe ein vergleichbar gutes Verhalten gegenüber Verschleiß aufweisen wie Labyrinth-Ringe, die mit dem bekannten Verfahren hergestellt wurden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ausführung entsprechend dem unabhängigen Anspruch gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
Diese Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Labyrinth-Ringes gelöst, welches die folgenden Schritte umfasst:

- S1: Bereitstellen eines ringförmigen Grundkörpers aus Stahl;
- S2: Auftragen von Bronze auf den Grundköper mittels thermischen Spritzens;

Bei der Bronze handelt es sich vorzugsweise um Aluminiumbronze.
Im Folgenden werden Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand von Figuren erläutert. Die Figuren zeigen im Einzelnen:

1 Schnitt durch einen Labyrinth-Ring, welcher mit einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wurde;
2 Schnitt durch einen Labyrinth-Ring, welcher mit einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wurde;
3 Schnitt durch einen Labyrinth-Ring, welcher mit einer dritten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wurde;

Vorab sei erwähnt, dass die in den 1 bis 3 dargestellten Labyrinth-Ringe anhand derjenigen Geometrie ausgebildet sind, welche in der US 5,924,844 B in 2C offenbart wird. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich aber wenigstens in einer der offenbaren Varianten problemlos auf alle bekannten Geometrien von Labyrinth-Ringen übertragen. Dazu gehört auch die in der US 5,924,844 B in 2A offenbarte Geometrie, obwohl es sich dabei streng genommen nicht um eine Labyrinth-Dichtung handelt, da die Dichtung keine Kammern umfasst. Trotzdem kann die Dichtung gemäß US 5,924,844 B 2A mit der ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft hergestellt werden. Daher wird im Rahmen dieses Dokumentes auch eine Dichtung gemäß der US 5,924,844 B 2A unter dem Begriff Labyrinth-Dichtung verstanden.
1 zeigt einen Labyrinth-Ring, welcher mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in einer ersten Variante hergestellt wurde. Der Labyrinth-Ring ist mit 1 bezeichnet. Der Labyrinth-Ring 1 umfasst einen Grundkörper, welcher mit 2 bezeichnet ist. Der Labyrinth-Ring 1 umfasst ferner Kontaktflächen, von denen eine mit 3 bezeichnet ist, und Kammern, von welchen eine mit 5 bezeichnet ist. Im Bereich der Kontaktflächen 3 ist Bronze angeordnet, von denen eine mit 4 bezeichnet ist.
In der ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens weist der im ersten Schritt S1 bereitgestellte Grundkörper 2 bereits weitestgehend die Form des fertiggestellten Labyrinth-Ringes auf. Im zweiten Schritt S2 wird dann eine Schicht Bronze nur in den Bereichen des Grundkörpers 2 aufgespritzt, die unterhalb von den Kontaktflächen 3 liegen, bzw. nur in dem Bereich des Grundkörpers 2 aufgespritzt der unterhalb der Kontaktfläche 3 liegt (wenn es nur eine Kontaktfläche gibt wie in der Geometrie von US 5,924,844 B 2A). Dabei wird die Phrase „Bereich unterhalb der Kontaktfläche“ so definiert, dass in senkrechter Richtung zur Oberfläche der Kontaktfläche die Kontaktfläche auf den Grundkörper projiziert wird.
Die erste Variante zeichnet sich dadurch aus, dass die aufgespritzte Schicht Bronze sehr dünn sein kann. Da die Kammer oder die Kammern in der ersten Variante weitestgehend vom Material des Grundkörpers umgeben werden, ist es von Vorteil, wenn der Grundkörper aus rostfreiem Stahl besteht.
Die in den 2 und 3 dargestellten Varianten sind für Labyrinth-Ringe mit Geometrien geeignet, die wenigstens eine Kammer 5 umfassen. Jede der 2 und 3 umfasst Teilfiguren, welche mit (a), (b) und (c) gekennzeichnet sind. Die Teilfiguren zeigen dabei jeweils den nach den entsprechenden Verfahrensschritten erreichten Zustand des herzustellenden Labyrinth-Ringes. Die Teilfigur (a) zeigt den Zustand nach der Durchführung des ersten Schrittes S1 „Bereitstellen eines ringförmigen Grundkörpers aus Stahl“ und die Teilfigur (b) zeigt den Zustand nach der Durchführung des zweiten Schrittes S2 „Auftragen einer Schicht Bronze auf den Grundköper mittels thermischen Spritzens“. Die Zustände (a) und (b) in den 2 und 3 unterscheiden sich nur in der Stärke der aufgespritzten Bronzeschicht und in der dazu komplementären Stärke des Grundkörpers. D.h. die Außenkontur des aus Grundkörper und aufgespritzter Bronzeschicht bestehenden Körpers in den Teilfiguren (b) der 2 und 3 ist identisch.
Der zusätzliche dritte Schritt S3, welcher zum Zustand der Teilfiguren (c) führt, besteht in einem „Ausfräsen der wenigstens einen Kammer, wobei Bronze abgetragen wird“. In der Variante gemäß 2 wird dabei die aufgespritzte Bronzeschicht im Bereich der wenigstens einen Kammer durchbrochen, so dass in diesem Teil jeder Kammer das Material des Grundkörpers zutage liegt. Daher ist es bei der zweiten Variante gemäß 2 von Vorteil, wenn der Grundkörper aus rostfreiem Stahl besteht. Beim dritten Schritt, d.h. beim Ausfräsen der wenigstens einen Kammer gemäß der dritten Variante (3) wird hingegen die aufgespritzte Bronzeschicht im Bereich der wenigstens einen Kammer nicht durchbrochen, so dass jede Kammer vollständig von Bronze umgeben ist. Bei der dritten Variante kann der Grundkörper aus gewöhnlichen Kohlenstoffstahl bestehen, da der Grundkörper hier nicht mit dem Spaltwasser in Berührung kommt.
Die Varianten 2 und 3 können auch kombiniert werden, so dass nur in einem Teil der Kammern beim Ausfräsen derselben die Bronzeschicht durchbrochen wird. Das kann beispielsweise bei komplizierten Geometrien von Vorteil sein, z.B. wenn die Kammern treppenförmig angeordnet sind (vgl. 2D der US 5,924,844 B) und/oder die Kammern unterschiedlich groß ausgebildet sind. Bei der beschriebenen Kombination der ersten mit der zweiten Variante ist es von Vorteil, wenn der Grundkörper aus rostfreiem Stahl besteht.
In jeder Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens bildet die aufgespritzte Bronze die Kontaktflächen 3 bzw. die Kontaktfläche 3 des fertiggestellten Labyrinth-Ringes.
Es kann in jedem Fall von Vorteil sein, dass die Kontaktflächen nach der Durchführung der oben beschriebenen Schritte noch nachbearbeitet werden.
Abschließend sein nochmals betont, dass der Begriff „Kontaktfläche“ als „potenzielle Kontaktfläche“ zu verstehen ist, da es nicht vorgesehen ist, dass diese Flächen während des normalen Betriebes einen Kontakt mit der gegenüberliegenden Seite des Spaltes zwischen Laufrad und Gehäuse haben. Zu Kontakt kann es beispielsweise, wie oben beschrieben, bei einen Lastabwurf oder bei einem Lagerdefekt (d.h. bei einem unrunden Lauf des Laufrades) kommen.
Bezugszeichenliste

1: Labyrinth-Ring
2: Grundkörper
3: Kontaktfläche
4: Bronzeschicht
5: Kammer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5924844 [0002, 0009, 0011, 0015]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Labyrinth-Ringes (1) für eine hydraulische Maschine mit einem Francis-Laufrad, wobei der Labyrinth-Ring (1) wenigstens eine Kontaktfläche (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte in der angegebenen Reihenfolge umfasst: - S1: Bereitstellen eines ringförmigen Grundkörpers (2) aus Stahl; - S2: Auftragen von Bronze auf den Grundkörper (2) mittels thermischen Spritzens; wobei die Bronze die wenigstens eine Kontaktfläche (3) bildet.
Verfahren zur Herstellung eines Labyrinth-Ringes (1) für eine hydraulische Maschine mit einem Francis-Laufrad nach Anspruch 1, wobei die Bronze nur in dem Bereich des Grundkörpers (2) aufgetragen wird, der unterhalb der wenigstens einen Kontaktfläche (3) liegt.
Verfahren zur Herstellung eines Labyrinth-Ringes (1) für eine hydraulische Maschine mit einem Francis-Laufrad nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Grundkörper aus Edelstahl besteht.
Verfahren zur Herstellung eines Labyrinth-Ringes (1) für eine hydraulische Maschine mit einem Francis-Laufrad nach Anspruch 1, wobei der Labyrinth-Ring (1) wenigstens eine Kammer (5) umfasst, und wobei das Verfahren den folgenden Schritt umfass, welcher nach dem Schritt S2 ausgeführt wird: - S3: Ausfräsen der wenigstens einen Kammer (5), wobei Bronze abgetragen wird.
Verfahren zur Herstellung eines Labyrinth-Ringes (1) für eine hydraulische Maschine mit einem Francis-Laufrad nach Anspruch 4, wobei die Bronze bei der Durchführung von Schritt S3 in wenigstens einem Teil der Kammer (5) durchbrochen wird, so dass das Material des Grundkörpers in diesem Teil der Kammer (5) zutage liegt.
Verfahren zur Herstellung eines Labyrinth-Ringes (1) für eine hydraulische Maschine mit einem Francis-Laufrad nach Anspruch 5, wobei der Grundkörper aus Edelstahl besteht.
Verfahren zur Herstellung eines Labyrinth-Ringes (1) für eine hydraulische Maschine mit einem Francis-Laufrad nach Anspruch 4, wobei die wenigstens eine Kammer (5) vollständig von Bronze umgeben ist.
Verfahren zur Herstellung eines Labyrinth-Ringes (1) für eine hydraulische Maschine mit einem Francis-Laufrad nach Anspruch 7, wobei der Grundkörper aus Kohlenstoffstahl besteht.
Verfahren zur Herstellung eines Labyrinth-Ringes (1) für eine hydraulische Maschine mit einem Francis-Laufrad nach einem der vorherigen Ansprüche, und wobei die Bronze Aluminiumbronze ist.
Verfahren zur Herstellung eines Labyrinth-Ringes (1) für eine hydraulische Maschine mit einem Francis-Laufrad nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Verfahren den folgenden Schritt umfasst, welcher nach den übrigen Schritten durchgeführt wird: - S4: Nacharbeitung der wenigstens einen Kontaktfläche (3).