DE2339995B2 - Verfahren zur Herstellung von Streifschutzelementen - Google Patents

Description

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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Streifschutzelementen für Vorrichtungen mit zwei relativ zueinander bewegten Teilen, insbesondere einem rotierenden Teil und einem Statorteil. fo

Der Wirkungsgrad von Turbinen, Kompressoren, Druckwellenmaschinen usw. sinkt mit zunehmendem Spiel zwischen Rotor und Stator. Es wird daher stets versucht, das Spiel zwischen dem Rotor einerseits und dem Stator andererseits möglichst gering zu halten. Die optimale Spielgröße wird auf Grund von Materialeigenschaften, der Herstellungstechnuiugie und der Größe des Rotors und des Stators, sowie auf Grund der Betriebsbedingungen denen die Maschine unterworfen ist, festgelegt

Um das Spiel zwischen den: Rotor und dem Stator möglichst klein zu halten, si-rde vorgeschlagen, die Roiorschaufeln am Kopf mk einer Anschärfung zu versehen. Streifen die Schaufeln den Siator, so werden die ar.seschärften Schaufeiefide η verbogen oder abgerieben, so daß keine schädlichen Streifkräfte auftreten.

Um das Spiel zwischen dem Rotor und dem Stator irjöglichsi klein zu halten, wurde weiter vorgeschlagen, die Statorwände innenseitig mit einer relativ weichen Schicht zu überziehen, welche von den streifenden Rotorschaufeln abgetragen wird. Solche Schichten bestehe·! z. B. aus Graphit, aus gespritzten oder gesinterten porösen Nickelchromiegierungen oder Nickcl-Graphit-Werkstoffen, aus Wabenzellen usw. und ν erden als abreibbare Streifschutzschichten bezeichnet In jedem Falle war man bestrebt, diese Streifichutzschichten möglichst formkonstant zu machen, so daß unter dem Einfluß der Umgebungstemperatur und/oder Umgebung?atmosphäre keine Wachstumsersche oungen auftraten.

Diese Ausführungen besitzen daher ilen Nachteil, daü die weichen Schichten oder die angeschärften Schaufelenden bei einer Streifung eine irreversible Formänderung erfahren, indem sie gebogen oder abgerieben werden. Dazj kommt noch die Korrosion und Erosion der Schaufelenden bzw. der Zellwandenden und der Staiorwand, so daß bei einem langfristigen Betrieb das Spiel zwischen dem Rotor und dem Stator ständig zunimmt und der Wirkungsgrad der Maschine abnimmt.

Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, Streifschutzelemente zu schaffen, welche das durch Streifung, Erosion oder Korrosion entstehende Spiel im Betrieb wieder vermindern, und zwar so, daß das erstrebte Gleichgewicht zwischen spielvergrößerndem Abrieb und SpieJverrninderung während einer möglichst langen Betriebsdauer gleichmäßig aufrechterhalten bleibt Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Streifschutzelemente aus einem an sich bekannten, in einer oxydierenden, aufstickenden, aufschwefelnden und/oder aufkohlenden Atmosphäre und/oder unter Wämeeinfluß wachsenden Werkstoff hergestellt werden und daß sie vor ihrer Verwendung einer Behandlung unter den vorgenannten Bedingungen unterworfen und gegebenenfalls einer abschließenden Maßbearbeitung unterzogen werden.

Dieser Lösung liegt die Tatsache zugrunde, daß das Wachstum der genannten Werkstoffe unter gleichbleibenden Bedingungen grundsätzlich nach einer anfänglich stärker und dann zunehmend schwächer steigenden Kurve verläuft, wobei die Krümmung dieser Kurve, d. h. die Abweichung von einem linearen Verlauf, entsprechend dem gewünschten gleichmäßigen Wachstum, mit fortschreitendem Wachstumsprozeß geringer wird. Bei sofortiger Verwendung der Streifschutz- bzw. Wachstumselemente würde also anfänglich eine an sich zu hohe Wachstumsgeschwindigkeit mit entsprechende! Gefährdung durch zu starke Pressung zwischen den gegeneinander bewegten Teilen in Kauf zu nehmen sein, um erst später die für den Dauerbetrieb geeignete Wachstumsgeschwindigkeit zu erhalten. Umgekehrt würde die Wachstumsgeschwindigkeit im Verlauf des Dauerbetriebes unerwünscht absinken, wenn sie im \nfangsstadium auf optimale Werte eingestellt würde. Dabei kommt es für die Wirkung in der Maschine auf die absolute Wachstumsgeschwindigkeit in der Dirnen-

sion Länge/Zeit an, die durch Dickenbemessung der Streifschutzelemente einstellbar, im übrigen aber jeweils proportional zur relativen Wachstumsgeschwindigkeit in %/Zeit mit ihrem werkstoffbedingten Sättigungsverlauf ist Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es also, die absolute Wachstumsgeschwindigkeit auf einen gewünschten Dauerbetriebswert gemäß der bekannten relativen Wachstumskurve des betreffenden Werkstoffs einzustellen und die sich damit ergebende höhere und sich stark verändernde Anfangs-Wachstumsgeschwindigkeit in einem Voralterungsprozeß — vorzugsweise unter forcierten Wachstumsbedingungen — vorwegzunehmen.

An Hand der schematischen Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Ausschnitt aus dem Längsschnitt durch eine Turbine mit einem Streifschutzelement,

F i g. 2 einen Ausschnitt aus dem Längsschnitt durch eine Druckwellenmaschine mit einem Streifschutzelement,

Fig.3 zwei Wachstumskurven von zwei Graphit-Metallsintermaterialien und

F i g. 4 die Wachstumskurven von drei Graugußsorten.

F i g. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einem Axialschnitt durch eine Turbine, bestehend aus einem Stator 1 und einem Rotor 2, der auf seinem Umfang Rotorschaufeln 3 aufweist Der Stator 1 und der Rotor 2 bestehen aus einem volumenbeständigen Material, z. B. Stahl. Um die Entfernung 4 zwischen den Enden der Rotorschaufeln 3 und dem Stator 1 möglichst gering zu halten, ist auf der Innenfläche des Stators 1 und den Rotorschaufelenden gegenüberliegend ein aus Segmenten bestehender Ring 5 aus einem wachsenden Werkstoff, vorzugsweise Grauguß, mechanisch befestigt. Streifen die Rotorschaufelenden den Ring 5, so werden sie, sofern sie mit einer Anschärfung versehen sind, verbogen, oder die Segmente, sofern sie weich sind, werden rctorseitig abgetragen. Bedingt durch die oxydierende Betriebsatmosphäre einerseits und durch die Betriebstemperatur andererseits wachsen die Ringsegmente 5 auch in Richtung Rotorachse. Hierbei wird das durch Streifen und die Korrosions-/Erosionswirkung entstandene Spiel 6 verkleinert. Dadurch werden der Korrosions- und Erosionsabtrag sowie der Abrieb bei unvorhorsehbaren Vibrationen und Temperaturanstiegen eliminiert.

F i g. 2 zeigt einen Querschnitt durch eine Druckwellenmaschine mit einem Stator 7 aus Gußeisen mit Kugelgraphit und einem Rotor 8 aus Ni-Legierung. Bei derartigen Maschinen ist stirnseitig zwischen dem Rotor 8 und dem Stator 7 die Entfernung 9 bzw. das Spiel 10 möglichst klein zu halten. Zu diesem Zweck ist im Stator 7 eine Platte 12 aus einem wachsenden Werkstoff, vorzugsweise aus einem weichen Grauguß, eingegossen. Auch hier wächst die Platte 12, bedingt durch die oxydierende Betriebsatmosphäre einerseits und die Betriebstemperatur andererseits, gegen den Rotor 8.

Im Unterschied zum Anwendungsbeispiel nach F i g. 2 kann die Platte 12 beispielsweise fest mit der Stirnseite des Rotors 8 verbunden sein, so daß sie in Richtung der Rotorachse gegen den Stator 7 wächst. Grundsätzlich ist man frei, am Rotor und/oder am Stator ein wachsendes Element anzubringen. Da die Rotorteile in der Regel einer starken mechanischen Beanspruchung unterworfen sind, erscheint es zweckmäßig, nur die Statorteile mit wachsenden Elementen zu versehen.

Her Wachstumsverlust von drei verschiedenen Graugußsorten beim Glühen bei einer Temperatur von 65O⁰C an der Luft ist in F i g. 4 dargestellt Das Wachsen des zur Herstellung der Platte 12 bzw. des Segmentringes 5, nachfolgend Element genannt verwendeten Graugusses kann in weiten Grenzen variiert werden, z. B. durch die Wahl seiner Zusammensetzung, durch die Änderung der Abkühlungsgeschwindigkeit beim Gießen des Elementes, durch eine Wärmebehandlung des Elementes nach dem Gießen usw. Außerdem

ίο ist das Wachstum eines aus Grauguß hergestellten Elementes von seiner Form, von der Art der Befestigung am Grundmaterial, von der Beanspruchung, von der Betriebstemperatur und der Betriebsatmosphäre abhängig, jedenfalls hat aber die Wachstumskurve den angedeuteten Verlauf mit abnehmender Krümmung, d. h. zunehmender Annäherung an einen linearen Verlauf mit annähernd konstanter Wachstumsgeschwindigkeit
An Stelle von Grauguß können zur Herstellung eines Elementes auch andere Gußeisensorten, wie z. B. Temperguß, Gußeisen mit teilweise globularem und teilweise lamellarem Graphit usw. verwendet werden, je nachdem, welche Eigenschaften vom Element gewünscht werden.

Die Befestigung der Elemente am tragenden Grundmaterial des Stators oder des Rotors erfolgt durch übliche Verbindungstechnik wie z. B. mechanisch, durch Löten, Schweißen, Eingießen, Aufsintern usw.
An Stelle von Gußeisen können die Elemente 5 und 12 aus anderen Materialien bestehen, die bei höheren Temperaturen durch Oxydation ein Wachstum aufweisen. Hierzu eignen sich besonders gesinterte Graphit-Metall-Werkstoffe, wobei die Metallphase, Nickel, Kupfer, Eisen, Zinn, Blei, Antimon und/oder Zink aufweist. Wie die Wachstumskurven in F i g. 3 zeigen, erfolgt das Wachstum an Luft um so schneller, je mehr die Metallphase leicht oxydierbare Elemente wie Kupfer und Zinn enthält. Im Prinzip können zur Herstellung der Elementt 5, 12 alle Materialien verwendet werden, die unter dem Einfluß von chemischen Elementen oder Verbindungen der Umgebung z. B. durch Aufkohlen, Aufstickung, Aufschwefelung, Oxydation usw. oder durch eine Gefügeveränderung unter der Wirkung der Umgebungstemperatur wachsen.

Wie die F i g. 3 und 4 zeigen, weisen die Wachstumskurven zu Beginn der Glühbehandlung ein stärkeres Wachstum pro Zeiteinheit auf, als dies bei fortgeschrittener Glühzeit der Fall ist. Ferner tritt mit steigender Glühtemperatur ein stärkeres Wachstum auf. Um während des Betriebes wenigstens eine angenähert konstante Wachstumsgeschwindigkeit der Elemente zu erreichen, ist daher vorgesehen, nur jenen Wachstumsbereich auszunutzen, der sich durch eine angenähert konstante Wachstumsgeschwindigkeit auszeichnet und in den F i g. 3 und 4 jenem Kurvenast entspricht, der sich von einer Glühzeit von e'wa 250 Stunden bis zu einer Glühzeit von etwa 1000 Stunden erstreckt. In jedem Falle sind, je nach dem verwendeten Werkstoff, die Glühtemperatur und die Glühzeit so aufeinander abzustimmen, daß die Wachstumsgeschwindigkeit am Ende der Wärmebehandlung angenähert konstant ist oder doch eine geringere Änderung als in der Anfangsphase aufweist Wird zur Herstellung der Elemente Gußeisen verwendet, so sind Glühtemperaturen von mindestens 500⁰C zweckmäßig, um die Voralterur.g im Interesse der Wirtschaftlichkeit abzukürzen. Bei der Verwendung eines Materials auf Kupferbasis, entsprechend den in F i g. 3 angegebenen, ist die Anwendung von

Glühtemperaturen von mindestens 250°C geeignet. Durch geeignete, aggressive Atmosphäre, deren Zusammensetzung gegebenenfalls von derjenigen der Betriebsbedingungen in Richtung forcierter Wachstumsgeschwindigkeit abweichen kann, läßt sich der Zeitaufwand für die Voralterung weiter vermindern.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Streifschutzeleaaenten, die das durch Streifung, Erosion oder Korrosion entstehende Spiel im Betrieb wieder vermindern, dadurch gekennzeichnet, tiaß die Streifschutzelemente aus einem an sich bekannten, in einer oxydierenden, aufstickenden, aufschwefelnden und/oder aufkohlenden Atmosphäre und/oder unter Wärmeeinfluß wachsenden Werkstoff hergestellt werden und daß sie vor ihrer Verwendung einer Behandlung unter den vorgenannten Bedingungen unterworfen und gegebenenfalls einer abschließenden Maßbearbeitupg unierzoger. werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorbehandlung unter hinsichtlich der Wachstumsgeschwindigkeit im Vergleich zu den späteren Betriebsbedingungen intensivierten Wachstumsbedingungen durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifschutzelernente schmelzmetallurgisch hergestellt werden

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, i!aß die Streifschutzelemente pulvermetallurgisch hergestellt werden.

5. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, da3 die Streifschutzelemente aus nah- oder übereuiektischem Gußeisen hergestellt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifschutzelemente vor der Verwendung bei mindestens 500⁰C geglüht werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifschutzeiemente vor der Ver-Wendung bei 600 bis 70Q⁰C geglüht werden.

8. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifschutzeiemente aus Kupfer, Kohlenstoff und Nickel hergestellt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifschutzeiemente aus Kupfer, Kohlenstoff, Nickel und Eisen hergestellt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifschutzelemente aus Kupfer, Kohlenstoff, Nicke! und Zinn hergestellt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifschutzelemente vor der Verwendung bei mindestens 25O⁰C geglüht werden.