WO2023061674A1 - Dichtungsbereich zwischen rotierenden und stehenden komponenten, verfahren zur herstellung und maschine - Google Patents

Dichtungsbereich zwischen rotierenden und stehenden komponenten, verfahren zur herstellung und maschine Download PDF

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WO2023061674A1
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sealing area
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Daniel Ostwald
Johannes Albert
Anett Bergmann
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Siemens Energy Global GmbH & Co. KG
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    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • F01D11/12—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator using a rubstrip, e.g. erodible. deformable or resiliently-biased part
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    • F05D2300/50—Intrinsic material properties or characteristics
    • F05D2300/514—Porosity

Definitions

  • the invention relates to a sealing area between rotating and stationary components, such as in particular in the case of shaft sealing steam segments, blade cover plates and similar sealing areas, a method for production and a machine.
  • the components affected by the reduced play are provided with a porous layer in the current state of the art.
  • This coating/sacrificial layer has the property of a softer friction partner, which is locally abraded when rubbed and thus prevents the sealing tapes/tips on the opposite side from being damaged.
  • Figure 1 shows a cross section through a sealing area
  • Figure 2 is a plan view of a sealing area
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a sealing area
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a sealing area with a skin
  • FIG. 5 shows a sealing area with a support structure
  • FIG. 6 shows a sealing area with teeth.
  • areas between sealing tips are produced as areas with changed material properties instead of a porous abrasive sprayed layer and are preferably also produced during the production of the component, in particular are printed at the same time.
  • the material properties within such delimited areas can be changed in their porosity by a targeted adjustment of the production parameters, so that any weak friction partner can be produced as a so-called “designed material” (DM) in these areas.
  • DM designed material
  • porous structure in DM with support structures.
  • a very porous structure is required, in particular >60% relative density, which However, it is then so open-pored that the internal cohesion cannot be guaranteed without the superimposed support structures.
  • This invention works both with and without the skin covering the DM.
  • Spray coatings tend to have a round structure surrounded by the matrix.
  • FIG. 1 A component 1 with a sealing area 4 on a substrate 30 is shown in FIG.
  • the component 1 is curved in particular for use in a turbine (see FIG. 2).
  • the component 1 is bent here in the radial direction 23, that is to say it forms a circle in particular with a plurality of such component segments.
  • the sealing area 4 is divided in particular into three sealing surfaces 7, 10, 13 in the axial direction 24.
  • the sealing surfaces 7, 10, 13 preferably extend over the entire inner peripheral surface of the component 1 or the sealing area 4.
  • sealing surface means a porous volume
  • the individual sealing surfaces 7, 10, 13 have a high porosity in the range from 30% to 70%, in particular from 30% to 60%.
  • the porosity of the individual sealing surfaces 7, 10, 13 can preferably be designed differently in the axial direction if required.
  • the porosities are preferably 40%, 50% and 60%, it being possible for the order and level of the porosity to be varied in the axial direction.
  • Sealing tips 16′, 16′′, 16′′′′ are formed on the substrate 30 transversely to the direction 23 in the axial direction 24 .
  • the sealing fins 41 (of the rotor 40; FIGS. 3, 4, 6) run in the gaps between two sealing tips 16', 16'', 16'' of the stator 30, which are formed by the sacrificial layer formed by Designed Materials (DM). Damage caused by rubbing are protected.
  • the sacrificial layer can also be applied to the rotor 40 as an alternative or in addition.
  • the entire component 1 is preferably produced integrally from one piece, the largest part of the component 1 having a substrate 30 with a low porosity, in particular as densely as possible.
  • the local properties of the sealing surfaces 7, 10, 13 and the sealing tips 16 can be adjusted locally and separately, in particular by adjusting the manufacturing parameters, in particular of the additive manufacturing process.
  • FIG. 2 shows a top view of such a component 1 and the sealing area 4, with the arrow 19 representing the direction of construction, for example a powder bed method.
  • the arrow 19 represents in particular a direction perpendicular to the axial direction 24.
  • the rotor 40 also has in particular a sealing fin 41 which interacts with the sealing surfaces 7, 10, 13 (principle of a labyrinth seal).
  • the sacrificial layer also works if only the sealing tips are present on the rotor or stator. In this case, the sacrificial layer must always be formed on the component without sealing tips (see-through seal).
  • Figure 5 shows a top view of any sealing surface 7, 10, 13.
  • a support structure 34 can be seen within the sealing surfaces 7 , 10 , 13 , which consists of dense webs 36 between the porous material of the sealing surface 7 .
  • the webs 36 can form any shape, have any orientation and preferably border closed surfaces.
  • FIG. 6 shows a further modification in which the substrate 30 for the sealing surface 7, 10, 13 has an undercut 39 or a toothing in the substrate 30.

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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

Beschreibung
Dichtungsbereich zwischen rotierenden und stehenden Komponenten, Verfahren zur Herstellung und Maschine
Die Erfindung betri f ft einen Dichtungsbereich zwischen rotierenden und stehenden Komponenten, wie insbesondere bei Wellendichtdampfsegmenten, Schaufeldeckplatten und ähnlichen Dichtungsbereichen, ein Verfahren zur Herstellung sowie eine Maschine .
Mithil fe 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 j edoch mit einer erhöhten Eintrittswahrscheinlichkeit des Anstrei fens einher . Die Auswirkungen des Anstrei fens sind mit geeigneten Maßnahmen zu vermeiden, abzuschwächen oder aus zugleichen .
Um zu vermeiden, dass feine Dichtbänder oder angedrehte Dichtspitzen beim Anstrei fen aufgrund der verkleinerten Radialspiele Schaden nehmen, werden die von der Spielverkleinerung betrof fenen Komponenten im aktuellen Stand der Technik mit einer porösen Schicht versehen .
Diese Beschichtung/Opf erschicht hat die Eigenschaft eines weicheren Reibpartners , welcher beim Anstrei fen lokal abtragen wird und so vermeidet , dass die gegenüberliegenden Dicht- bänder/-spit zen 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 j eweils nur Aus führungsbeispiele dar .
Es zeigen
Figur 1 einen Querschnitt durch einen Dichtungsbereich,
Figur 2 eine Aufsicht auf einen Dichtungsbereich,
Figur 3 eine schematische Darstellung eines Dichtungsbereichs ,
Figur 4 eine schematische Darstellung eines Dichtungsbereichs mit einer Haut ,
Figur 5 einen Dichtungsbereich mit einer Stützstruktur,
Figur 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 , wel- ches dann aber so of fenporig 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 Oberflächenvergrößerung 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 Figur 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 Fig. 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; Fig. 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 Figur 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 Figur 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 Figur 4 ist abweichend von Figur 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.
Figur 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 .
Figur 6 zeigt ausgehend von Figur 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

7 Patentansprüche
1. 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.
2. Bauteil nach Anspruch 1, das drei Dichtungsflächen (7, 10, 13) aufweist.
3. Bauteil nach einem oder zwei der Ansprüche 1 oder 2, bei dem zwischen den Dichtungsflächen (7, 10, 13) Dichtungsspitzen (16', 16' ', ...) vorhanden sind.
4. 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.
5. 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.
6. Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5, bei dem eine Hinterschneidung (39) in dem Substrat (30) 8 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.
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