ES2834655T3

ES2834655T3 - Componente conductor del flujo

Info

Publication number: ES2834655T3
Application number: ES16703332T
Authority: ES
Inventors: Alexander Böhm; Holger Rauner
Original assignee: KSB SE and Co KGaA
Current assignee: KSB SE and Co KGaA
Priority date: 2015-02-11
Filing date: 2016-02-09
Publication date: 2021-06-18
Anticipated expiration: 2036-02-09
Also published as: JP6785778B2; EP3256738B1; WO2016128388A1; KR102420522B1; DE102015202417A1; DK3256738T3; CN107208653A; EP3256738A1; JP2018506647A; CN107208653B; US11033966B2; KR20170117120A; US20180236595A1

Abstract

Componente conductor del flujo que tiene al menos una región funcional (8) para contactar con un medio que fluye y que tiene al menos una región o zona funcional (7) con unas propiedades fundamentales de soporte, donde las regiones funcionales (7,8,9,10,15,16) se han fabricado a partir de un material de construcción mediante la solidificación sucesiva de capas por medio de la radiación, y distintas propiedades de las regiones funcionales (7,8,9,10,15,16) se han generado por la variación de la radiación, donde el material de construcción de las regiones funcionales (7,8,9,10,15,16) es idéntico en la composición química, que se caracteriza por que las regiones funcionales (7,16) con propiedades fundamentales de soporte tienen una mayor resistencia que las regiones funcionales (8,9,10,15) que entran en contacto con el medio, y la dureza de las regiones funcionales (8,9,10,15) que entran en contacto con el medio es mayor que la dureza de las regiones funcionales (7,16) con propiedades fundamentales de soporte.

Description

DESCRIPCIÓN

Componente conductor del flujo

La invención se refiere a un componente conductor del flujo con al menos una región funcional para contactar con un medio que fluye y que tiene al menos una región o zona funcional con unas propiedades fundamentales de soporte. En el caso de componentes conductores del flujo se puede hablar de piezas o partes de bombas centrífugas, por ejemplo, rodetes de bomba o carcasas de bombas o bien de piezas de grifería, por ejemplo, llaves de paso o carcasas de válvulas.

Un rodete de bomba debe tener las propiedades fundamentales de soporte, puesto que está colocado en una carcasa de la bomba centrífuga y es accionado por un eje. Además, las superficies del rodete que entran en contacto con el medio que se va a transportar, en particular los cantos de los rodetes, deber ser especialmente resistentes al desgaste. Este es lo que ocurre cuando el rodete se emplea para transportar medios que contienen materias sólidas. Las partículas de materia sólida conducen a un desgaste en un rodete. El rodete de la bomba debe ser resistente frente a una posible eventual cavitación.

Por tanto, la región funcional con las propiedades fundamentales de soporte debe presentar una elevada resistencia y una escasa fragilidad. Por el contrario, las regiones funcionales del rodete que entran en contacto con el medio transportado y por ello son sometidas a una abrasividad, deben ser de un material resistente al desgaste, duro. En los rodetes convencionales esto se resuelve por ejemplo mediante revestimientos, por lo que la región funcional del rodete se fabrica con un material que tiene las propiedades fundamentales de soporte y una escasa fragilidad en caso de elevada resistencia. En esta región funcional se aplicará entonces un revestimiento de otro material químico, por ejemplo, de estelita. Por tanto, esto implicará costes elevados, un esfuerzo elevado y una limitada reciclabilidad.

En la DE 3731161 A1 se describe un rodete de bomba centrífuga, que está compuesto de varias partes o piezas de metal. Para conseguir una construcción rígida se fijan las palas que transmiten la energía únicamente a la tapa de protección que transmite la fuerza. La región de entrada del rodete forma una boca de aspiración, que se ha configurado como pieza única. La boca de aspiración recubre el comienzo de la pala. Una tapa protectora sin palas que recubre los conductos de la pala o paleta se fijará entre la salida del rodete y el diámetro máximo de la boca de aspiración en las paletas.

La DE 4031936 A1 hace referencia a una instalación conductora para bombas centrífugas que consta de diferentes materiales y varias piezas. Según la finalidad del empleo de los materiales se deducen diferentes coeficientes de dilatación en las cargas térmicas. De los lugares de ajuste eficaces en dirección radial de la instalación conductora, únicamente un lugar de ajuste soporta siempre una temperatura determinada. En un estado de funcionamiento en frio el lugar de ajuste se encuentra en un diámetro más pequeño, mientras que en un estado de funcionamiento en caliente el lugar de ajuste se encuentra en el diámetro más grande.

La EP 2 584 146 A1 publica un método para fabricar una pala o paleta hueca, donde la pala hueca se configure inflada en una región con grandes oscilaciones.

La EP 1995411 A2 se refiere a un perfil de ala hueco con una pared-superficie de contacto y una pared-superficie de aspiración, de manera que entre ambas paredes se han previsto unas varillas que se extienden desde la paredsuperficie de contacto hasta la pared-superficie de aspiración.

En la CN 101 391 302 A se describe un procedimiento para una envoltura metálica que presiona termo isostáticamente.

La EP 2 737 965 A1 se refiere a un procedimiento para la fabricación de un objeto metálico tridimensional, de manera que el objeto se fabrique por montaje sucesivo de un material de base metálica por medio de un procedimiento de fabricación aditivo por barrido del objeto con un rayo de energía. Por tanto, se realiza una orientación controlada de la estructura en la dirección primaria y secundaria del objeto.

Del documento US 2014/0099476 A1 se conoce un procedimiento para la fabricación aditiva de objetos, donde una multitud de capas en polvo se coloca sobre una superficie de trabajo, para formar una separación del polvo múltiple que al menos comprenda dos capas de polvo colindantes. Al mismo tiempo se aplica una primera energía láser de una primera intensidad sobre una primera capa en polvo y una segunda energía láser de una segunda intensidad láser sobre una segunda capa en polvo para formar un plano de sección de un componente de varios materiales. La US 2015/0003997 A1 describe un procedimiento para fabricar un componente en una cabeza motriz de turbina de gas, donde el componente comprenda una primera sección, una segunda sección y una sección funcional escalonada que se disponga entre la primera y la segunda sección, de manera que la primera sección se forme utilizando una técnica de fundición, la sección escalonada funcional sobre la primera sección utilizando una técnica de fabricación aditiva y la segunda sección se forme sobre la sección escalonada funcional utilizando una técnica de acabado aditiva.

La patente americana US2013/108460 publica un procedimiento para la fabricación aditiva de un componente de una turbina de gas, donde el componente se ha fabricado a partir de un material de aleación con un tamaño de grano regulable y durante un empleo práctico se ha sometido a un margen de temperatura y/o de tensión y/o de elongación inesperado, que varía con las coordenadas geométricas del componente.

El cometido de la invención es determinar un componente conductor del flujo, que tenga zonas funcionales con distintas propiedades. Para ello las superficies y los cantos del componente conductor de la corriente que entren en contacto con el medio que se va a transportar deben ser resistentes al desgaste y también deben resistir una posible cavitación. Además, el componente debe tener regiones funcionales que en particular presenten propiedades fundamentalmente de soporte. El componente conductor del flujo debe caracterizarse por un periodo de vida largo y un modo de funcionamiento fiable. Además, se deben evitar lesiones por distintos coeficientes de dilatación térmica. Además, el componente se debe caracterizar por una buena reciclabilidad.

Este cometido se resuelve conforme a la invención mediante un componente conductor de la corriente con las propiedades de la reivindicación 1 y mediante un procedimiento para la fabricación de dicho componente con las características de la reivindicación 12. Las variantes preferidas se indican en las subreivindicaciones.

Conforme a la invención las distintas regiones funcionales del componente conductor del flujo se fabrican a partir de un material de construcción mediante la fusión y solidificación consecutiva de las capas por medio de la radiación. Las distintas propiedades de cada una de las regiones funcionales del componente conductor del flujo son generadas por variaciones de la radiación. Mediante una regulación definida del aporte calórico local se lleva a cabo ya en la construcción del componente conductor del flujo una modificación de las propiedades del compuesto. De ese modo se logra que, en un componente de un material químico homogéneo, se creen zonas y estructura de distinta materia prima y por tanto de propiedades distintas.

Los componentes conductores del flujo conforme a la invención presentan regiones funcionales que se fabrican por medio de métodos de acabado generativo. Se trata de componentes, como por ejemplo rodetes de bombas centrífugas o superficies de contacto de las válvulas, que presentan respectivamente distintas zonas funcionales, las cuales son optimizadas en sus propiedades específicas para un fin en particular. Las distintas regiones funcionales del componente conductor del flujo pueden presentar diferentes resistencias, capacidades deformativas, resistencia al desgaste o a la cavitación.

Para producir componentes conductores del flujo se realiza un control determinado del aporte de energía en la construcción del componente para la modificación de las propiedades mecánicas en un microvolumen del material. Se evita así un tratamiento térmico posterior de manera que se mantienen los distintos estados de la materia aparecidos localmente. Ya no se necesitan costosos revestimientos.

En particular se trata de partículas de polvo metálicas en lo que se refiere al material de construcción para fabricar el componente conductor del flujo. En una variante de la invención se emplean partículas en polvo que contienen cobalto y/o hierro. Estas pueden contener aditivos como por ejemplo cromo, molibdeno o níquel.

El material de construcción metálico se aplica sobre una placa en forma de una capa delgada. El material en forma de polvo se funde por medio de la radiación en los distintos lugares deseados y tras su solidificación forma una capa de material sólida. A continuación, esta placa de base se reduce hasta un grosor de capa y se aplica polvo de nuevo. Este ciclo se repite hasta que todas las capas se han fundido una sobre otra. El componente preparado se purifica del polvo en exceso.

Como radiación se emplea por ejemplo un rayo láser, que genera el componente conductor del flujo a partir de cada una de las capas de polvo. Los datos para la conducción del rayo láser se crean sobre la base de un cuerpo CAD tridimensional por medio de un software. Alternativamente a una fusión láser selectiva se puede emplear también un rayo de electrones (EBM).

El componente conductor del flujo así generado tiene unas regiones funcionales conforme a la invención con distintas propiedades mecánicas. Aunque el material de construcción es idéntico químicamente para la generación del componente, se fabrican diferentes estructuras metálicas conforme a la invención por una variación de la radiación. De ese modo se forma un componente de una sola pieza con distintas estructuras metálicas.

Así se distingue el aporte energético aplicado por la radiación en las regiones funcionales, que están en contacto con el medio, por ejemplo, las zonas de las regiones funcionales, que tienen propiedades fundamentales de soporte. Por ejemplo, variando la intensidad de la radiación se puede conseguir todo esto. Incluso la velocidad de barrido a la cual el rayo láser discurre por cada una de las capas en polvo influye en el aporte energético y por tanto en la estructura formada.

La región funcional que tiene propiedades fundamentales de soporte presenta conforme a la invención una mayor resistencia que la región funcional que está en contacto con el medio.

A diferencia de ello la dureza de la región funcional que está en contacto con el medio es mayor que la dureza de la región funcional que tiene propiedades fundamentales de soporte.

También la resistencia y/o el alargamiento de rotura de las distintas regiones funcionales puede verse influido por el aporte energético a través de la radiación, para producir o crear diferentes propiedades del componente conductor del flujo.

Por tanto, se confirma que es preferible que la región funcional con las propiedades fundamentales de soporte tenga una energía absorbida durante el choque superior a 40 J y que la región funcional que entra en contacto con el medio de flujo tenga una energía absorbida durante el choque inferior a 10 J.

Otras características y ventajas de la invención se deducen de la descripción de un ejemplo aclaratorio con ayuda de las figuras y de las propias figuras.

Figura 1 una representación en corte de un dispositivo a base de una bomba centrífuga

Figura 2 un rodete de una bomba centrífuga

Figura 3 una representación en corte de una válvula

La figura 1 muestra una representación en corte de una bomba centrífuga con un rodete 1, que se ha dispuesto en una carcasa 2. La carcasa presenta un orificio de entrada de fluido en forma de una tubuladora de aspiración 3 y un orificio de salida de fluido en forma de una tubuladora de presión 4. En la carcasa 2 se trata de una carcasa en espiral en un ejemplo aclaratorio.

El rodete 1 se ha configurado como un rodete radial y es accionado por un eje 5. El eje 5 es desplazado en rotación por un motor no visualizado en esta representación. El eje 5 es soportado por un cojinete 6.

La figura 2 muestra un rodete 1, que presenta varias regiones funcionales 7,8,9, 10. La región funcional 7, que constituye el cubo para el eje 5, presenta una resistencia elevada y una escasa fragilidad.

Las regiones funcionales 8 del rodete, que forman las palas o paletas, están equipadas por el contrario con una mayor dureza, de manera que esta región funcional sea especialmente resistente a la cavitación y al desgaste. En un ejemplo aclaratorio el rodete presenta las regiones funcionales que constituyen la tapa protectora, así como las regiones funcionales 10, que forman la tapa de soporte. Cada región funcional está dotada de propiedades especialmente definidas para esta aplicación.

Para generar estas propiedades del rodete se llevan a cabo los pasos siguientes:

Inicialmente se coloca un polvo metálico de un material que contiene hierro en una fina capa sobre una placa. En un ejemplo se trata de un polvo de un acero de molibdeno de cromo.

En los lugares, en los cuales debe configurarse el rodete, un rayo láser actúa y se funden las partículas en forma de polvo.

Tras una solidificación se forma una capa de material de las regiones funcionales correspondientes del rodete 1. A continuación, la placa de base se reduce hasta un grosor de capa y se aplica polvo de nuevo.

Este ciclo se repite hasta que todas las capas se han fundido una sobre otra.

El componente preparado se purifica del polvo en exceso.

La forma 3D del rodete se coloca en un software como conjunto de datos. El rayo láser es controlado de tal manera por un dispositivo de control que funde la forma del rodete mediante la fusión selectiva correspondiente de las regiones sobre la placa revestida de la capa de polvo y luego estas regiones se solidifican.

De acuerdo con la invención el aporte de energía varía de manera que se forman distintas regiones funcionales 7,8,9,10 con distintas estructuras y distintas propiedades específicas de manera que se genera un rodete con una composición óptima. En el caso del rodete se trata de un componente de una sola pieza.

La figura 3 muestra una representación en corte de una válvula. La válvula presenta una carcasa de una sola pieza 11. En la carcasa 11 se dispone un cuerpo de cierre 12 que se puede desplazar sobre un husillo 13 por medio de un accionamiento 14 en dirección vertical.

La región funcional 15 de la carcasa de una sola pieza 11, que forma el asiento de la válvula, posee una gran dureza. La región funcional 16 de la carcasa 11 de una sola pieza, que se ha configurado en la figura 3 como elemento de conexión en forma de una brida, presenta una elevada resistencia a la tracción.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Componente conductor del flujo que tiene al menos una región funcional (8) para contactar con un medio que fluye y que tiene al menos una región o zona funcional (7) con unas propiedades fundamentales de soporte, donde las regiones funcionales (7,8,9,10,15,16) se han fabricado a partir de un material de construcción mediante la solidificación sucesiva de capas por medio de la radiación, y distintas propiedades de las regiones funcionales (7,8,9,10,15,16) se han generado por la variación de la radiación, donde el material de construcción de las regiones funcionales (7,8,9,10,15,16) es idéntico en la composición química, que se caracteriza por que las regiones funcionales (7,16) con propiedades fundamentales de soporte tienen una mayor resistencia que las regiones funcionales (8,9,10,15) que entran en contacto con el medio, y la dureza de las regiones funcionales (8,9,10,15) que entran en contacto con el medio es mayor que la dureza de las regiones funcionales (7,16) con propiedades fundamentales de soporte.

2. Componente conductor del flujo conforme a la reivindicación 1, que se caracteriza por que el material de construcción consta de partículas de polvo metálico.

3. Componente conductor del flujo conforme a una de las reivindicaciones 1 a 3, que se caracteriza por que el material de construcción consta de partículas de polvo de acero de aleación pobre y/o de aleación rica.

4. Componente conductor del flujo conforme a una de las reivindicaciones 1 a 4, que se caracteriza por que las regiones funcionales (7,8,9,10,15,16) forman un componente de una sola pieza.

5. Componente conductor del flujo conforme a una de las reivindicaciones 1 a 5, que se caracteriza por que las diferentes propiedades de las regiones funcionales (7,8,9,10,15,16) se crean por la variación de la entrada de energía.

6. Componente conductor del flujo conforme a una de las reivindicaciones 1 a 6, que se caracteriza por que las diferentes propiedades de las regiones funcionales (7,8,9,10, 15, 16) se crean por la variación de la intensidad de la radiación.

7. Componente conductor del flujo conforme a una de las reivindicaciones 1 a 7, que se caracteriza por que las diferentes propiedades de las regiones funcionales (7,8,9,10, 15, 16) se crean por la variación de una velocidad de escaneado de la radiación.

8. Componente conductor del flujo conforme a una de las reivindicaciones 1 a 8, que se caracteriza por que las regiones funcionales /7, 8, 9, 10, 15, 16) tienen diferentes estructuras.

9. Componente conductor del flujo conforme a una de las reivindicaciones 1 a 8, que se caracteriza por que al menos una región funcional (7,16) con propiedades fundamentales de soporte tiene una resistencia a la tracción superior a 600 MPa o bien mayor de 650 MPa o superior a 700 MPa, y/o al menos una región funcional (8, 9, 10, 15) que entra en contacto con el medio tiene una resistencia a la tracción inferior a 600 MPa o inferior a 550 MPa o inferior a 500 MPa.

10. Componente conductor del flujo conforme a una de las reivindicaciones 1 a 9, que se caracteriza por que al menos una región funcional (8, 9, 10, 15) que entra en contacto con el medio tiene una dureza en HB superior a 250 o mayor de 300 o mayor de 350, y/o al menos una región funcional (7, 16) con propiedades fundamentales de soporte tiene una dureza en HB inferior a 250, o inferior a 200 o menor de 150.

11. Componente conductor del flujo conforme a una de las reivindicaciones 1 a 10, que se caracteriza por que al menos una región funcional (7,16) con propiedades fundamentales de soporte tiene un alargamiento de rotura superior al 10% o mayor del 15% o mayor del 20% y/o al menos una región funcional (8,9,10,15) que esta en contacto con el medio tiene un alargamiento de rotura inferior al 10% o menor del 5% o menor del 1%.

12. Método para fabricar o crear un componente conductor del flujo conforme a una de las reivindicaciones 1 a 11, que consta de las etapas siguientes:

- Aplicación de una capa de un material de construcción a una placa,

- Acción selectiva de la radiación sobre la capa,

- Variación determinada de la radiación para crear regiones funcionales (7,8,9,10) en un componente para la generación definida o determinada de propiedades de las regiones funcionales (7,8,9,10).