Ventilanordnung und Fluidstromkontrollelement

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ventilanordnung. Fer ner betrifft die vorliegende Erfindung ein Fluidstromkontrol- lelement umfassend eine erfindungsgemäße Ventilanordnung. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Strömungsma schinenanlage umfassend eine Ventilanordnung und/oder ein Fluidstromkontrollelement. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Bereitstellung einer derartigen Ventilanordnung oder eines derartigen Fluidstromkontrollele- ments. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung die Verwen dung einer Ventilanordnung oder eines Fluidstromkontrollele- ments.

Strömungsmaschinenanlagen sind ein wichtiger Bestandteil der heutigen Industrie und sind beispielsweise bei der Energieer zeugung von besonderer Bedeutung. Hierbei haben derartige Strömungsmaschinenanlagen vielfältige Weiterentwicklungen durchlaufen. Auch sehr etablierte Systeme wie Dampfturbinen anlagen sind hierbei beständig Thema von Weiterentwicklungen und neuen Anforderungen ausgesetzt. Beispielsweise resultie ren neue Herausforderungen wie der Ausgleich der schwankenden Einspeisungen von erneuerbaren Energiequellen wie Windenergie und Solarenergie oder auch verschärfte Anforderungen hin sichtlich Arbeitssicherheit und verstärkter Kostendruck in einem beständigen Bedarf auch derartige Systeme immer weiter zu optimieren.

Beispielsweise ist hierbei der Wunsch nach einem einfach re gelbaren und wartungsfreundlicheren Regelungssystem des Flu idstroms der Strömungsmaschinenanlagen vorhanden. Gleichzei tig muss hierbei jedoch die Sicherheit insbesondere für die Mitarbeiter zumindest beibehalten werden. Vorzugsweise soll auch hierbei eine Verbesserung erzielt werden. Dies ist von besonderer Bedeutung für Systeme wie die Dampfturbinenanla gen, bei denen ein Fluidstrom unter hohem Druck eingesetzt wird. Gleichzeitig soll das System jedoch möglichst zuverläs sig und wartungsarm sein, wobei auch ein hoher Fertigungsauf wand resultierend in hohen Ersatzteilkosten und erhöhtem Ri siko von Produktionsmängeln möglichst minimiert werden soll.

Diese Aufgaben werden durch die Vorrichtungen, das Verfahren und die Verwendung, wie hierin beschrieben und in an Ansprü chen ausgeführt, gelöst. Die abhängigen Ansprüche und weitere Beschreibung enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Er findung, welche weitere Vorteile bereitstellen, die auch zu sätzliche Probleme lösen können.

Gemäß einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Ventilanordnung zur Regelung eines Fluidstroms umfassend ein stationäres Element und ein bewegliches Element, wobei das stationäre Element einen Hohlraum aufweist, in dem sich das bewegliche Element bewegt, wobei das bewegliche Element ge eignet ist entlang einer ersten Achse translatorisch inner halb des Hohlraums des stationären Elements bewegt zu werden, wobei das bewegliche Element ein Kolbenelement und eine stab förmiges Koppelelement umfasst, wobei das Kolbenelement eine Außenseite parallel zur ersten Achse aufweist, wobei die Ven tilanordnung ein Dichtungselement wie beispielsweise eine La byrinthdichtung an der Außenseite des Kolbenelements umfasst, das derart gestaltet ist, dass ein Durchfluss des Fluidstroms zwischen dem stationärem Element und der Außenseite des Kol benelements verringert oder verhindert, vorzugsweise verhin dert, wird, wobei das Kolbenelement eine Kontaktkante auf weist, die geeignet ist einen Ventilsitz zu kontaktieren, wo bei das Kolbenelement gegenüber der Kontaktkante eine Rück seite aufweist, wobei das Koppelelement an der Rückseite des Kolbenelements befestigt ist, wobei das Dichtungselement der art ausgestaltet ist, dass es mindestens eine Einbuchtung der Außenseite der Seitenwand Kolbenelements in Richtung der ers ten Achse umfasst, wobei die mindestens eines Einbuchtung ei ne Oberfläche aufweist, wobei die Oberfläche der mindestens einen Einbuchtung zumindest teilweise aus einem ersten Mate rial besteht, wobei der Großteil, vorzugsweise mindestens 60 Gew.-%, mehr bevorzugt mindestens 75 Gew.-%, noch mehr be vorzugt mindestens 90 Gew.-%, des beweglichen Elements aus einem zweiten Material besteht, wobei das erste Material sich vom zweiten Material unterscheidet, und wobei das erste Mate rial und das zweite Material aus der Gruppe bestehend aus Me tallen und Metalllegierungen ausgewählt wird. Bei der Berech nung der Gewichtsanteile wird auf das Gesamtgewicht des be weglichen Elements abgestellt. Nicht eingerechnet werden hierbei beispielsweise lösbar mit dem beweglichen Element verbundene Teile wie ein Kolbenring, auch wenn dieser bei spielsweise in einer der Einbuchtungen angeordnet ist. Die entsprechenden Einbuchtungen erstrecken sich um das bewegli che Element typischerweise auf einer Ebene senkrecht zur ers ten Achse. Es sind auch komplexe Formen denkbar wie Einbuch tungen, welche sich nicht um das komplette bewegliche Element erstrecken. Hierbei ist beispielsweise eine erste Einbuchtung an einer oder mehr Stellen unterbrochen und in Richtung pa rallel zu der ersten Achse findet sich neben der Unterbre chung der ersten Einbuchtung eine zweite Einbuchtung, welche diese Unterbrechung zumindest teilweise ausgleicht und die Dichtungswirkung des Dichtungselements gewährleistet. Typi scherweise ist es jedoch bevorzugt, dass sich die Einbuchtun gen vollständig um das beweglichen Element erstrecken. Die ist ein besonders einfacher Aufbau, der ein zuverlässige Dichtungswirkung bereitstellt.

Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfin dung Fluidstromkontrollelement umfassend eine erfindungsgemä ße Ventilanordnung, eine Fluidstromleitung und einer Flu idstromeintrittsöffnung umfassend einen Ventilsitz innerhalb der Fluidstromleitung, wobei der Ventilsitz geeignet ist die Kontaktkante der Ventilanordnung zu kontaktieren.

Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfin dung eine Strömungsmaschinenanlage umfassend mindestens eine erfindungsgemäße Ventilanordnung und/oder ein erfindungsgemä ßes Fluidstromkontrollelement. Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfin dung ein Verfahren zur Bereitstellung oder Instandsetzung ei ner erfindungsgemäßen Ventilanordnung oder eines erfindungs gemäßen Fluidstromkontrollelements, wobei das erste Material mittels eines additiven Fertigungsverfahrens wie dem Laser auftragsschweißen auf das zweite Material des beweglichen Elements aufgebracht wird.

Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfin dung ein Verfahren zur Bereitstellung oder Instandsetzung ei ner Strömungsmaschinenanlage, vorzugsweise einer Dampfturbi nenanlage, wobei das Verfahren den Einbau oder die Instand setzung einer erfindungsgemäßen Ventilanordnung oder eines erfindungsgemäßen Fluidstromkontrollelements umfasst.

Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfin dung eine Verwendung einer erfindungsgemäßen Ventilanordnung oder eines erfindungsgemäßen Fluidstromkontrollelements zur Regelung des Fluidstroms einer Strömungsmaschinenanlage, vor zugsweise einer Dampfturbinenanlage. Der Begriff „Regelung" im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet die Einstel lung eines gewünschten Fluidstroms sowie insbesondere das Blockieren des Fluidstroms.

Für ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfin dung wird auf die nachfolgende ausführliche Beschreibung und der in Verbindung hiermit beschriebenen Abbildungen verwie sen. Die Abbildungen sind hierbei jedoch nur als Verdeutli chung der Erfindung zu verstehen und stellen nur besonders bevorzugte Ausführungsformen und keine Einschränkung der Er findung dar.

Abbildung 1 zeigt einen schematischen Querschnitt eines er findungsgemäßen Fluidstromkontrollelements als Seitenansicht.

Abbildung 2 zeigt einen schematischen Querschnitt des in Ab bildung 1 dargestellten erfindungsgemäßen Fluidstromkontrol lelements als 3D-Ansicht. Abbildung 3 zeigt schematischen Querschnitt eines ähnlichen Fluidstromkontrollelements mit gebräuchlicher Ventilanordnung als Seitenansicht.

Abbildung 4 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Kol benelements bestehend aus dem zweiten Material.

Abbildung 5 zeigt einen schematischen Querschnitt des Kolben elements aus Abbildung 4 bestehend im Wesentlichen aus dem zweiten Material, wobei in die in Abbildung 4 dargestellte Einbuchtung das erste Material aufgebracht wurde.

Abbildung 6 zeigt einen schematischen Querschnitt des Kolben elements aus Abbildung 5, wobei in das erste Material und zweite Material die Einbuchtungen mittels eines spanenden Fertigungsschrittes eingebracht wurden.

Abbildung 7 zeigt einen schematischen Querschnitt des Kolben elements mit den erfindungsgemäßen Einbuchtungen aus einer alternativen erfindungsgemäßen Ausführungsform.

Gemäß einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung die vorgenannten Ventilanordnung.

Diese Ventilanordnung erlaubt nicht nur die Kontrolle eines Fluidstroms insbesondere einer Strömungsmaschinenanlage wie einer Dampfturbinenanlage unter Einsatz nur sehr geringer Stellkräfte. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass mit tels der erfindungsgemäßen Ventilanordnung die erforderliche Stellkraft auch bei Regelung hoher Drücke des Fluidstroms wie beispielsweise mehr als 100 bar, beispielsweise 150 bar, um mehr als 90 % gegenüber bekannten Systemen, wie unter Einsatz eines bekannten Ventilanordnung wie in Abbildung 3 darge stellt, verringert werden kann. Dies wird hierauf zurückge führt, dass im Gegensatz zu bestehenden Ventilanordnungen der Druck des Fluidstroms nicht auf die Rückseite des Kolbenele ments einwirken kann. Die Ventilanordnung ist vorzugsweise derart gestaltet, dass das Kolbenelement sich auch bei Ge schlossenstellung des Ventils zumindest teilweise innerhalb des Hohlraums des stationären Elements befindet. Unter „Ge schlossenstellung" wird im Sinne der vorliegenden Erfindung verstanden, dass die Kontaktkante in Kontakt ist mit dem Ven tilsitz. Zwar sind auch Ausführungsformen mit beispielsweise zusätzlich abgetrennten Kammern denkbar, jedoch erhöht dies typischerweise lediglich die apparativen Anforderungen ohne merklichen Mehrgewinn. Die Ausgestaltung unter Verhinderung eines Durchflusses zwischen Außenseite des Kolbenelements und stationären Element verhindert hierbei, dass der Fluidstrom in ansonsten unkontrollierter Weise zur Rückseite des Kolben elements strömt und somit insbesondere das Öffnen des Ventils nur unter Einsatz sehr großer Stellkräfte möglich macht. Fer ner zeigte sich, dass durch die Verwendung des spezifizierten Dichtungselements eine besonders gute Verlässlichkeit und Langzeitstabilität der Ventilanordnung erzielt werden kann. Überaschenderweise kann durch den Einsatz einer derartigen Materialkombination ein signifikanter Vorteil erreicht wer den, der den herfür zusätzlichen Aufwand mehr als kompen siert. Überraschenderweise kann hierbei selbst ein scheinbar filigraner Aufbau wie die nachfolgend angeführte Ausführungs form, bei der das Kolbenelement in einer zur Kontaktkanten- seite offenen Topfform ausgeführt wird, nicht nur eine zuver lässige Regelung, sondern auch eine außergewöhnliche Dauer stabilität bereitstellt.

Dies erlaubt den Einsatz von Antriebselementen mit drastisch verringerten Anforderungen auch in hochbelasteten Bereichen beispielsweise bei Strömungsmaschinenanlagen wie Dampfturbi nenanlagen. Insbesondere können hierbei einfache elektrome chanische Antriebselemente genutzt werden, die eine exakte Regelung, einen einfachen Austausch, deutlich verminderte Be triebskosten, Wartungskosten und Anschaffungskosten, sowie eine erhöhte Betriebssicherheit bieten. Selbst der Einsatz von beispielsweise hydraulischen oder pneumatischen Antrieb selementen, welche für diese deutlich niedrigeren Stellkräfte ausgelegt sind, hat noch immer deutliche Vorteile gegenüber der Verwendung von beispielsweise derzeit verwendeten Hoch druckhydrauliken .

Gleichzeitig zeigte sich überraschenderweise, dass die erfin- dungsgemäße Ventilanordnung ein deutlich erhöhte Zuverlässig keit bei gleichzeitig vermindertem Fertigungsaufwand vergli chen mit Lösungen wie Doppelsitzventilen, die beispielsweise Probleme hinsichtlich der Bereitstellung der erforderlichen Dichtigkeit aufweisen und gleichzeitig einen sehr hohen Fer tigungsaufwand mit sich bringen. Dies gilt insbesondere für hochbelastete Einsatzzwecke wie in den Zuleitungsbereichen des Fluidstroms zur Turbineneinheit bei Strömungsmaschinenan lagen. Als Beispiel sind hierbei insbesondere die Dampfturbi nenanlagen zu nennen, bei denen ein hoher Druck sicher gere gelt werden muss. Mittels der verbesserten Dichtungseigen schaften und der signifikant erhöhten Verlässlichkeit infolge des spezifizierten Dichtungselements können ferner die Be triebsbedingungen oder Wartungszyklen angepasst werden, so dass beispielsweise durch die Zusammenwirkung der weniger wartungsintensiven und pflegeintensiven elektromechanischen Antriebselemente mit den insgesamt verbesserten Eigenschaften der Ventilanordnung neue Betriebsmodi möglich werden und/oder bei vergleichbaren Betriebsbedingungen Überwachungsprozesse und/oder Wartungsanforderungen vereinfacht werden können. Insbesondere ist es durch diese Kombination der verbesserten Eigenschaften möglich einen Engpass bei insbesondere Strö mungsmaschinenanlagen wie Dampfturbinen zu beseitigen, wodurch auch flexiblere Betriebsweise und neue Betriebsmodi unter Ausnutzung der hierdurch resultierenden Möglichkeiten ausgenutzt werden.

Nachfolgend werden exemplarisch einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben, die weitere spezielle Vorteile bieten. Die Gegenstände dieser Ausführungsformen können auch beliebig miteinander kombiniert werden, um beson ders vorteilhafte Ausführungsformen für spezielle Anwendungs fälle bereitzustellen. So wurde beobachtet, dass es typischerweise vorteilhaft ist, wenn mindestens ein Teil der Einbuchtungen eine Oberfläche bestehend aus dem ersten Material aufweist. Gemäß weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass die Oberfläche von mindestens einer Einbuchtung, vorzugsweise mindestens zwei Einbuchtungen, des Dichtungselements vollständig aus dem ers ten Material besteht. Typischerweise ist es ausreichend, wenn die Oberfläche des oberen Teils der weiteren Einbuchtungen aus dem ersten Material besteht. Überraschenderweise zeigte sich jedoch, dass die Bereitstellung zumindest einzelne Ein buchtungen mit einer vollständig aus dem ersten Material be stehenden Oberflächen eine bessere Langzeitstabilität für ty pische Anwendungsfälle bietet. Dieser Vorteil kann noch ver stärkt werden, in dem alle Einbuchtung eine Oberfläche beste hend aus dem ersten Material aufweisen. Für viele Anwendungs fälle ist der hierbei resultierende Effekt jedoch nicht der art stark, als dass er den zusätzlichen Aufwand typischer weise rechtfertigt. Für vereinzelte Anwendungsfälle, insbe sondere bei denen höchste Qualitätsanforderungen bestehen, kann es jedoch auch bevorzugt sein alle Einbuchtungen mit ei ner derartigen Oberfläche auszustatten.

Weiter wurde beobachtet die erfindungsgemäßen Einbuchtungen auch vorteilhaft genutzt werden können, um einen Kolbenring aufzunehmen. Gemäß weiterer Ausführungsformen ist es bevor zugt, dass in mindestens einer Einbuchtung des Dichtungsele ments ein Kolbenring angeordnet ist. Insbesondere ist es hierbei typischerweise bevorzugt, dass die Oberfläche der entsprechenden mindestens einen Einbuchtung vollständig aus dem ersten Material besteht. Für typische Anwendungsfälle hat es sich insbesondere als vorteilhaft erwiesen mindestens eine der Einbuchtungen zur Aufnahme eines Kolbenrings zu verwen den, während mindestens eine, vorzugsweise mindestens drei weitere Einbuchtungen zur Bereitstellung einer Labyrinthdich tung dienen. Dies ermöglicht insbesondere die Bereitstellung einer sehr zuverlässigen Dichtwirkung, welche auch unter sehr extremen Bedingungen einen verlässlichen Effekt liefert. Der Fachmann ist frei das Material des Kolbenrings gemäß sei nem Fachwissen zu wählen. Jedoch wurde festgestellt, dass der Kolbenring ein typischer Angriffspunkt für Korrosionseffekte darstellt. Gemäß weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt dass der Kolbenring aus einem Kolbenringmaterial besteht, wo bei das Kolbenringmaterial eine mindestens vergleichbare Kor rosionsbeständigkeit in Bezug auf das erste Material (22,

22'') aufweist, vorzugsweise wobei das Kolbenringmaterial das erste Material ist. Unter einer „vergleichbaren Korrosionsbe ständigkeit" wird im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Korrosionsbeständigkeit verstanden, welche im Wesentlichen der Korrosionsbeständigkeit des anderen Materials entspricht. Vorzugsweise weicht sie höchstens 5%, mehr bevorzugt höchs tens 2%, noch mehr bevorzugt höchstens 1%, von der anderen Korrosionsbeständigkeit ab. Vorzugsweise ist die Korrosions beständigkeit identisch. Die Anpassung der Korrosionsbestän digkeit ist insbesondere vorteilhaft, da der Kolbenring einen besonderen Angriffspunkt der Korrosion darzustellen scheint und demgemäß zumindest ein dem ersten Material vergleichbar- res Material vorteilhafterweise gewählt werden sollte, um ei ne nicht hierdurch limitierte Verlässlichkeit zu erzielen.

Ferner wurde festgestellt, dass die Bereitstellung eines de finierten Mindestabstands typischerweise vorteilhaft ist. Ge mäß weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass das Dichtungselement mindestens zwei Einbuchtungen aufweist, wo bei der Abstand zwischen mindestens zwei Einbuchtungen, vor zugsweise zwischen mindestens drei Einbuchtungen, mehr bevor zugt zwischen mindestens 5 Einbuchtungen, noch mehr bevorzugt zwischen allen Einbuchtungen, jeweils mindestens 0,7 mm be trägt. Typischerweise ist es bevorzugt, dass der vorgenannte Abstand mindestens 0,9 mm, noch mehr bevorzugt mindestens 1,0 mm beträgt. Insbesondere ist es bevorzugt, dass dies zu mindest für Einbuchtungen gilt, welche als Bestandteil einer Labyrinthdichtung fungieren. Es wurde beobachtet, dass hier durch für typische Anwendungsfälle bei beispielsweise Dampf turbinen eine verlässliche Dichtwirkung und Stabilität er zielt werden kann. Hochspezifische Anpassungen mit großem Aufwand können anhand dieser einfachen Regel somit eingespart werden, so dass die Implementierung der Erfindung für den Fachmann überraschend vereinfacht wird.

Auch wurde festgestellt, dass die Einbuchtungen vorzugsweise eine bestimmte Mindestbreite aufweisen. Gemäß weiterer Aus führungsformen ist es bevorzugt, dass die mindestens eine Einbuchtung mindestens eine breite Einbuchtung umfasst, wobei die mindestens eine breite Einbuchtung eine Breite von min destens 0,9 mm, vorzugsweise mindestens 0,97 mm, noch mehr bevorzugt mindestens 1,05 mm, aufweist. Typischerweise ist es bevorzugt, dass mindestens 50%, mehr bevorzugt mindestens 66%, noch mehr bevorzugt mindestens 75%, der mindestens einen Einbuchtung die vorgenannte Mindestbreite aufweisen, bezogen auf die Gesamtzahl der Einbuchtungen. Überaschenderweise zeigte sich, dass die Bereitstellung entsprechender Einbuch tungen der Bereitstellung einer entsprechend angepassten grö ßeren Zahl schmälerer Einbuchtungen bei typischen Anwendungs fällen in beispielsweise Dampfturbinen vorzuziehen ist. Ins besondere wurde hierbei eine bessere Abdichtung unter ver gleichbaren Bedingungen erzielt.

Ferner wurde beobachtet, dass sehr dünne Einbuchtungen in vielen Anwendungsfällen einen überraschend geringen Vorteil beim Einsatz in Strömungsmaschinenanlagen bereitstellen. Bei weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass das Dich tungselement mindestens zwei Einbuchtungen umfasst, wobei höchstens 10 % der mindestens zwei Einbuchtungen eine Breite von weniger als 0,3 mm, mehr bevorzugt weniger als 0,4 mm aufweist, bezogen auf die Gesamtbreite der mindestens zwei Einbuchtungen. Typischerweise ist es bevorzugt, dass höchs tens 5%, mehr bevorzugt höchstens 2%, noch mehr bevorzugt höchstens 1%, der mindestens zwei Einbuchtungen die vorge nannte Höchstbreite aufweisen, bezogen auf die Gesamtbreite der Einbuchtungen. Angesichts des überraschend geringen Ef fekts, der für die entsprechenden Einbuchtungen erzielt wur de, kann in sehr einfacher Weise durch Ersetzen mehrere klei nerer Einbuchtungen durch eine entsprechende geringere Zahl an größeren Einbuchtungen in einfacher Weise eine Optimierung des Dichtungselements insbesondere für den Einsatz in Strö mungsmaschinen vorgenommen werden.

Zudem wurde festgestellt, dass zur Bereitstellung einer be sonders effektiven Abdichtung bei Anwendungsfällen wie einer Dampfturbine insbesondere vorteilhaft ist eine bestimmte Min desttiefe der Einbuchtungen bereitzustellen. Bei weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass die mindestens eine Einbuchtung mindestens eine tiefe Einbuchtung umfasst, wobei die mindestens eine tiefe Einbuchtung eine Tiefe von mindes tens 0,8 mm, vorzugsweise mindestens 0,88 mm, noch mehr be vorzugt mindestens 0,93 mm, aufweist, basierend auf dem Ab stand von einer Gerade entlang der Außenseite des Kolbenele ments in einem Querschnitt entlang der ersten Achse gemessen senkrecht zu der Geraden entlang der Außenseite des Kolben elements. Typischerweise ist es bevorzugt, dass mindestens 50%, mehr bevorzugt mindestens 66%, noch mehr bevorzugt min destens 75%, der mindestens einen Einbuchtung die vorgenannte Mindesttiefe aufweisen, bezogen auf die Gesamtzahl der Ein buchtungen. Sofern die Einbuchtung beispielsweise eine abge rundete Bodenfläche aufweist, so bezieht sich die Mindesttie fe auf die tiefste Stelle der Einbuchtung. Insbesondere für Anwendungsfälle wie eine Dampfturbine hat sich durch die Ein haltung der spezifizierten Mindesttiefe ein verbesserter Ef fekt hinsichtlich der erzielten Dichtungseigenschaften einge stellt.

Ferner wurde festgestellt, dass keine homogene Schicht des ersten Materials erforderlich ist. Gemäß weiteren Ausfüh rungsformen ist es bevorzugt, dass das Dichtungselement min destens zwei Einbuchtungen aufweist, wobei das erste Material sich unterschiedlich weit in das Kolbenelement im Bereich verschiedener Einbuchtungen hinein erstreckt, basierend auf dem Abstand von einer Gerade entlang der Außenseite des Kol benelements zu der Grenze zwischen dem ersten Material und dem zweiten Material in einem Querschnitt entlang der ersten Achse gemessen senkrecht zu der Geraden entlang der Außensei- te des Kolbenelements. Beispielsweise kann das erste Material sich im Fall eines einzelnen oder mehrerer Einbuchtungen bis deutlich über die Einbuchtung hinaus in das Material des Kol benelements erstrecken, während es bei mindestens einer ande ren Einbuchtung sich noch nicht einmal bis zum Ende der Ein buchtung erstreckt. Sofern sich beispielsweise infolge des Fertigungsprozesses eine Mischschicht des ersten Materials und des zweiten Materials ergeben hat, so wird zur Bestimmung der Grenze zwischen dem ersten Material und dem zweiten Mate rial eine Mittellinie durch den Bereich zwischen dem reinen ersten Material und dem reinen zweiten Material in dem Quer schnitt entlang der ersten Achse als Grenze angenommen. Durch die gezielte Anpassung der Schichtform des ersten Materials kann jedoch überraschenderweise nicht nur Material und die Zeit zur Aufbringung eingespart werden. Ferner scheint durch die ungleichförmige Beschichtung eine stabilere Anbringung der entsprechenden Schicht erzielbar zu sein. Überraschender weise konnten bei verhältnismäßig extremen Auftragungsbedin gungen unter beispielsweise minimalem Energieeintrag in das umgebende Material des Kolbenelements und starker Belastung teilweise eine Ablösung beobachtet werden. Unter gleichen Be dingungen zeigte eine derartige inhomogene Aufbringung eine stabile Beschichtung. Es wird vermutet, dass ähnliche Effekte auch beispielsweise bei regulären Aufbringungsverfahren und den Langzeitbelastungen im normalen Betrieb im Verlauf von mehreren Jahren zu befürchten sind, so dass hiermit ein sig nifikanter zusätzlicher Vorteil erzielt werden kann.

Das erste Material kann sich in verschiedener Weise vom zwei ten Material unterscheiden. Beispielsweise kann es sich um ein Material identischer Zusammensetzung, jedoch unterschied licher Mikrostruktur handeln. Gemäß weiteren Ausführungsfor men ist es bevorzugt, dass das erste Material verglichen mit dem zweiten Material eine andere Mikrostruktur aufweist oder aus einem anderen Metall oder einer anderen Metalllegierung besteht, vorzugsweise aus einem anderen Metall oder einer an deren Metalllegierung besteht. Typischerweise ist es bevor zugt, dass das erste Material ein anderes Metall oder eine andere Metalllegierung darstellt. Beispielsweise könnte der Hauptteil des beweglichen Elements aus einer Nickel Superle gierung gefertigt sein, während das erste Material Titan ist. Die Bereitstellung einer entsprechenden Mikrostruktur durch beispielsweise gezielte Rekristallisationsprozesse unter par tiellem Aufschmelzen der Seitenwand des Kolbenelements ist zwar möglich, jedoch deutlich komplexer. Demgemäß wird insbe sondere bei der Serienfertigung entsprechender Bauteile mit der Gefahr von Qualitätsschwankungen gerechnet, welche wiede rum entsprechende Qualitätskontrollen erforderlich machen würde insbesondere für den Einsatz in Strömungsmaschinen. Die Verwendung eines anderen Metalls oder einer anderen Metallle gierung ist hingegen deutlich weniger fehleranfällig und zu dem leichter hinsichtlich des Ergebnisses zu kontrollieren. Beispiele von Legierungen, welche vorteilhaft als erstes Ma terial eingesetzt werden können, sind Stellite 6 und Inconel 625. Beispiele von Legierungen, welche vorteilhaft als zwei tes Material eingesetzt werden können sind 21CrMoV5-7 und X22CrMoV12-l.

Ferner wurde beobachtet, dass insbesondere für den Einsatz in einer typischen Strömungsmaschine das erste Material sich vorzugsweise lediglich bis zu einer bestimmten Tiefe er streckt. Gemäß weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass sich das erste Material (von der Außenseite des Kolben elements bis zu einer Tiefe von höchstens 14 mm, vorzugsweise höchstens 11 mm, noch mehr bevorzugt höchstens 8 mm, in das Kolbenelement erstreckt. Einerseits scheinen Vorteile hin sichtlich beispielsweise Korrosion oder vergleichbaren Effek ten nicht in signifikantem Maße zu verstärken. Andererseits scheinen bei speziellen Anwendungsfällen von Strömungsmaschi nen potentiell negative Begleiterscheinungen bei dickeren Schichtdicken des ersten Materials beobachtet worden zu sein, beispielsweise hinsichtlich der Obergrenze der mechanischen Stabilität. Sofern sich beispielsweise infolge des Ferti gungsprozesses eine Mischschicht des ersten Materials und des zweiten Materials ergeben hat, so bezieht sich die oben ge- nannte Tiefe auf die Tiefe bis zu der das reine erste Materi al vorhanden ist.

Für typischen Anwendungsfälle von beispielsweise Dampfturbi nen scheint es ferner vorteilhaft zu sein einen Großteil der Einbuchtungen mit einer Oberfläche aus dem ersten Material auszustatten. Gemäß weiteren Ausführungsformen ist es bevor zugt, dass das Dichtungselement mindestens zwei Einbuchtungen aufweist, wobei die Oberfläche von mindestens 50 %, mehr be vorzugt von mindestens 66%, noch mehr bevorzugt von mindes tens 75 %, der mindestens zwei Einbuchtungen vollständig aus dem ersten Material besteht. Typischerweise ist es bevorzugt, dass die äußere Oberfläche aller Einbuchtungen des Dichtungs elements aus dem ersten Material besteht. Dies scheint insbe sondere die Langzeitabdichteigenschaften der Ventilanordnung beim Einsatz im Dampfstrom typischer Dampfturbinen zu verbes sern.

Ferner hat es sich als typischerweise bevorzugt erwiesen, wenn das erste Material auch basierend auf seiner Korrosions beständigkeit gewählt wird. Gemäß weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass das erste Material eine höhere Korro sionsbeständigkeit gegenüber dem Fluidstrom aufweist als das zweite Material. Typischerweise ist es bevorzugt, dass die Korrosionsbeständigkeit des ersten Materials mindestens 10%, mehr bevorzugt mindestens 40%, noch mehr bevorzugt mindestens 80%, höher ist das die Korrosionsbeständigkeit des zweiten Materials. Beispielsweise kann die Korrosionbeständigkeit mittels des Salzsprühtests gemäß DIN EN ISO 9227 bestimmt werden. Insbesondere die Korrosion scheint eine besondere Be lastung an dem Ort der Einbuchtungen zu sein, so dass der Einsatz eines derartigen Materials an dieser Stelle besonders vorteilhaft ist.

Typischerweise ist es bevorzugt, dass ein additives Ferti gungsverfahren zur Aufbringung des ersten Materials genutzt wird. Gemäß weiterer Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass das erste Material mittels einem additiven Fertigungsverfah- ren auf das Kolbenelement aufgebracht wurde. Additive Ferti gungsverfahren sind dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Verfahrens ein Material aufgebracht wird. Gemäß der vorlie genden Erfindung wird vorzugsweise ein Metall oder eine Me talllegierung aufgebracht. Hierbei wird das Material typi scherweise als Feststoff in dem Verfahren eingesetzt und kurzfristig aufgeschmolzen. Das Aufschmelzen erfolgt bei spielsweise mittels einer Flamme, eines Plasmas oder eines Lasers. Beispielsweise kann hierbei ein Verfahren wie das Plasmaspritzen, Niedertemperaturplasmabeschichtung, Detonati onsspritzen, Flammspritzen oder Auftragsschweißen angewendet werden. Sehr gute Ergebnisse für typische Anwendungsfälle wurden beispielsweise mit dem Auftragsschweißen wie insbeson dere das Laserauftragsschweißen erzielt. Dies ermöglicht eine flexible Applikation und eine verlässliche Schicht des ersten Materials, das auch gut weiterbearbeitet werden kann. Typi scherweise ist es bevorzugt, dass das genutzte additive Fer tigungsverfahren kein 3D Druckverfahren darstellt. Zwar soll te die Oberflächenqualität nicht ungleichmäßiger sein als bei den anderen Verfahren. Jedoch wurde überaschenderweise beo bachtet, dass die Nachbearbeitung typischerweise zu weniger zufriedenstellenden Oberflächenqualitäten führt. Dies ist insbesondere für die vorliegende Verwendung bedeutend, da die dauerhafte und zuverlässige Beweglichkeit des Kolbenelements in der Ventilanordnung eine hohe Oberflächenqualität erfor dert. Überraschenderweise ergaben sich vereinzelt auch nach identischen Nachbearbeitungsverfahren vereinzelt Fehlstellen, die zumindest eine Nachkontrolle erforderlich machen, welche nicht oder zumindest in deutlich reduzierter Menge bei typi schen anderen additiven Fertigungsverfahren erforderlich ist.

Alternativ hierzu kann das erste Material auch durch Umwand lung des vorhandenen zweiten Materials erhalten werden. Hier bei kann beispielsweise das vorhandene zweite Material unter Einsatz eine Diffusionsprozesses wie beispielsweise Nitrier härtung umgewandelt werden. Derartige Nitrierhärtungsprozesse sind beispielsweise unter Einsatz eines Plasmas möglich, kön- nen jedoch auch beispielsweise durch Eintauchen in ein Stick stoffabgebendes Medium erzeugt werden.

Bei weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass die Rückseite mindestens einen Durchgang aufweist, wobei der min destens eine Durchgang den Bereich hinter der Rückseite und den gegenüberliegenden Bereich innerhalb der Kontaktkante verbindet. Dies erlaubt einen besonders einfachen Druckaus gleich auf beiden Seiten. Da beispielsweise kein Druckaus gleich mit dem Raum außerhalb der Fluidstromleitung erforder lich ist, handelt es sich somit um ein abgeschlossenes Sys tem, was die Betriebssicherheit weiter erhöht.

Bei weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass das Kolbenelement eine auf der Kontaktkantenseite offene Topfform mit einer Seitenwand aufweist, wobei das Kolbenelement gegen über der Kontaktkante eine Rückwand aufweist, wobei die Rück wand mindestens einen Durchgang aufweist. Hierdurch wird es möglich das Gewicht des Kolbenelements deutlich zu reduzie ren, wobei überraschenderweise die Ventilanordnung noch immer zuverlässig genug für den Einsatz auch in hochbelasteten Fäl len wie in den Dampfleitungen einer Dampfturbinenanlage bei spielsweise zwischen Dampferzeuger und Dampfturbine ist. Überraschenderweise zeigten sich entsprechende Ventilanord nungen insbesondere hinsichtlich ihres Verschleißes über län gere Nutzung als typischerweise überlegen.

Bei weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass der Kolbendurchmesser mindestens 75 % des Ventilsitzdurchmessers, mehr bevorzugt mindestens 85 % des Ventilsitzdurchmessers, noch mehr bevorzugt mindestens 90 % des Ventilsitzdurchmes sers beträgt. Hiermit können insbesondere kompakte Flu- idstromkontrollelemente realisiert werden.

Bei weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass der Kolbendurchmesser höchstens 99,5 %, mehr bevorzugt höchsten 99 %, des Ventilsitzdurchmessers beträgt. Überraschenderweise erwies es sich typischerweise als vorteilhaft den Bereich der Kontaktkante zu verbreitern, wobei ein verbesserter Kontakt zwischen Kontaktkante und Ventilsitz erreicht wurde.

Bei weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass sich die Kontaktkante auf einer Verdickung des Kolbenelements, vorzugsweise einer Wulst, befindet. Insbesondere ist es be vorzugt, dass sich die Verdickung zumindest teilweise weg von der ersten Achse erstreckt. Durch die Bereitstellung einer derartigen Verdickung kann beispielsweise eine Angriffsfläche für den Fluidstrom bereitgestellt werden, die in der Ge schlossenstellung des Ventils einen zusätzlichen Druck ausübt und das Ventil geschlossen hält. Dies ist beispielsweise vor teilhaft, sollte das Koppelelement brechen oder eine Siche rung der Position des beweglichen Elements während des Aus- tauchs der Antriebs versagen.

Bei weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass die Au ßenseite des Kolbenelements mindestens eine Dichtung, mehr bevorzugt mindestens zwei Dichtungen, umfassend mindestens ein Dichtungselement, vorzugsweise ein Dichtungselement, auf weist, wobei das Dichtungselement vorzugsweise mindestens ein Element aus der Gruppe bestehend aus Labyrinthdichtungen wie Durchblicklabyrinthdichtungen, Kolbenringen und Bürstendich tungen, mehr bevorzugt aus der Gruppe bestehend aus Laby rinthdichtungen wie Durchblicklabyrinthdichtungen und Kolben ringen, umfasst. Vorzugsweise besteht die Dichtung aus einem derartigen Dichtungselement. Eine für typische Anwendungsfäl le bevorzugte Art des Dichtungselements umfasst eine Laby rinthdichtung und mindestens einen Kolbenring. Insbesondere ist es typischerweise bevorzugt, wenn die Außenseite der Sei tenwand und/oder die der Außenseite der Seitenwand gegenüber liegende Innenseite des Hohlraums, vorzugsweise die Außensei te der Seitenwand, mindestens eine Labyrinthdichtung und min destens einen Kolbenring aufweist. Labyrinthdichtungen können hierbei in verschiedenen Formen ausgeführt werden. Beispiels weise können sie entweder aus der betreffenden Oberfläche herausragen oder in der Form von Einfräsungen in der betref fenden Oberfläche vorliegen. Für Anwendungsfälle von hohen Drücken des Fluidstromes wie beispielsweise bei Dampfturbi nenströmungsanlagen hat es sich typischerweise als vorteil haft erwiesen die Labyrinthdichtung in der Form von Einbuch tungen der Oberfläche auszuführen.

Entsprechende Einbuchtungen für Labyrinthdichtungen werden typischerweise besonders einfach, im Wesentlichen senkrecht zur entsprechenden Oberfläche, hergestellt. Jedoch kann eine derartige Einbuchtung natürlich auch angewinkelt werden. Vor zugsweise weisen entsprechende Einbuchtungen einen Winkel von 45° bis 135°, mehr bevorzugt einen Winkel von 55° bis 125°, noch mehr bevorzugt einen Winkel von 80° bis 100°, auf, bezo gen auf die entsprechende Oberfläche, in der die Einbuchtun gen eingebracht werden.

Insbesondere ist es typischerweise bevorzugt, wenn die Außen seite der Seitenwand und/oder die der Außenseite der Seiten wand gegenüberliegende Innenseite des Hohlraums, vorzugsweise die Außenseite der Seitenwand, mindestens eine Labyrinthdich tung und mindestens einen Kolbenring aufweist. Bereits eine derartige Labyrinthdichtung ist typischerweise ausreichend, um die Leckage unter einem akzeptablen Grenzwert auch bei spielsweise bei hochbelasteten Anwendungen wie in Dampfzulei tungen zur Turbine bei Dampfturbinenanlagen zu halten. Die Kombination mit beispielsweise einem Kolbenring zur weiteren Verringerung und Absicherung erlaubt nicht nur die Leckage weiter zu reduzieren, sondern auch die Zuverlässigkeit weiter zu erhöhen.

Typischerweise ist es bevorzugt, dass das Kolbenelement eine runde Form aufweist. Insbesondere ist es typischerweise be vorzugt, dass der Querschnitt des Kolbenelements senkrecht zur ersten Achse oval oder kreisförmig, mehr bevorzugt kreis förmig, ist. Zwar sind auch andere Formen wie rechteckig, quadratisch oder dreieckig, insbesondere mit abgerundeten Kanten, denkbar, jedoch haben sich derartige Runde Formen für den vorliegenden Fall als besonders vorteilhaft erwiesen, da diese hervorragend abzudichten und einfach herzustellen sind. Bei weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass zwi schen Koppelelement und stationärem Element eine Stopfbuchs packung angeordnet ist. Die Stopfbuchspackung stellt eine be sonders zuverlässige Abdichtung gegen beispielsweise Dampf austritt aus dem Ventilanordnung oder Atmosphäreneintritt in der Ventilanordnung bereit. Hierbei werden vorzugsweise ver schiedene Ringe und/oder Buchsen kombiniert, um eine hochbe lastbare und dennoch zuverlässige Abdichtung zu erzielen. Insbesondere bevorzugt bestehen die Ringe und/oder Buchsen zumindest teilweise, mehr bevorzugt zu mindestens 50% bezogen auf deren Anzahl, mehr bevorzugt vollständig, aus Graphit und/oder Edelstahl.

Bei weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass das Koppelelement zumindest teilweise, mehr bevorzugt im Bereich der Stopfbuchspackung, mit einer Hartstoffbeschichtung be schichtet ist. Eine derartige Beschichtung kann beispielswei se mit Detonationsbeschichtung, Laserauftragsschweißen, Nit rieren, Plasmaspritzen, Niedertemperaturplasmabeschichtung, Flammspritzen oder Kombinationen hiervon, mehr bevorzugt De tonationsbeschichtung, Laserauftragsschweißen, Nitrieren, Plasmaspritzen oder Kombinationen hiervon, noch mehr bevor zugt Detonationsbeschichtung, Laserauftragsschweißen oder Kombinationen hiervon, versehen werden. Ein besonders bevor zugtes Beschichtungsverfahren ist die Detonationsbeschich tung. Hiermit können besonders belastbare Beschichtungen er zielt werden.

Bei weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass das stationäre Element im Bereich der Stopfbuchspackung einen Einspritzkanal aufweist. Ein derartiger Einspritzkanal kann beispielsweise genutzt werden, um eine abdichtende Masse wie Graphitpaste einzuspritzen und eine Notreparatur durchzufüh ren. Dies ist eine sehr vorteilhafte zusätzliche Absicherung, um die Zuverlässigkeit und Sicherheit der Ventilanordnung weiter zu erhöhen. Bei weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass das Koppelelement ein Befestigungselement aufweist, wobei das Be festigungselement geeignet ist lösbar oder unlösbar, vorzugs weise lösbar, an einem elektromechanischen Antrieb befestigt zu werden. Beispiele des Befestigungselements können ausge wählt werden aus der Gruppe bestehend aus Einbuchtungen, Aus buchtungen, Gewinden zur Befestigung von Schraubverbindungen und Hohlräumen zur Befestigung mittels Zylinderstiften. Bei spielsweise kann das Ende des Koppelelements als Hammerkopf ausgeführt sein, wobei der elektromechanische Antrieb zur Übertragung der translatorischen Bewegung über ein passendes Gegenstück lösbar mit dem Hammerkopfende des Koppelelement verbunden wird.

Typischerweise ist es bei vielen Ausführungsformen bevorzugt, dass die Verbindung zwischen Antrieb und beweglichem Element kraftschlüssig oder formschlüssig, mehr bevorzugt formschlüs sig, erfolgt. Zwar erzielt auch eine kraftförmige Verbindung sehr gute Ergebnisse. Insbesondere hat sich jedoch die form schlüssige Verbindung für typische Anwendungsfälle als vor teilhafte Verbindungsart erwiesen, um eine hohe Zuverlässig keit bereitzustellen, wobei die Verbindung jedoch auch schnell wieder gelöst werden kann, um beispielsweise den An trieb auszutauschen.

Bei weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass die Rückseite bzw. die Rückwand mindestens 2 Durchgänge, mehr be vorzugt mindestens 3 Durchgänge, noch mehr bevorzugt mindes tens 4 Durchgänge, aufweist. Typischerweise ist es bevorzugt, dass die Durchgänge symmetrisch auf der Rückseite bzw. der Rückwand angeordnet sind. Die Verwendung mehrerer Durchgänge erwies sich insbesondere als vorteilhaft, da hiermit offenbar ein gleichmäßigerer Fluss des Fluids durch das Kolbenelement bzw.die Rückwand erzielt wird und die Bewegung des bewegli chen Elements noch gleichmäßiger erfolgen kann, auch wenn die Bewegung sehr schnell erfolgen soll. Dies ist beispielsweise besonders vorteilhaft für Anwendungen wie die Verwendung als Hauptventil oder auch als Ventil in der Fluidstromleitung ei- ner Dampfturbinenanlage zwischen Dampferzeuger und Dampftur bine.

Bei weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass die Kontaktkante abgerundet ist und geeignet ist einen Linienkon takt mit dem Ventilsitz bereitzustellen. Hierbei wird typi scherweise eine besonders zuverlässige Abdichtung erzielt, wenn der Fluidstorm vollständig gestoppt werden soll. Eine derartige Abrundung ist beispielsweise gut ersichtlich in ei nem Querschnitt entlang der ersten Achse.

Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfin dung ein Fluidstromkontrollelement umfassend eine erfindungs gemäße Ventilanordnung, eine Fluidstromleitung und einer Flu idstromeintrittsöffnung umfassend einen Ventilsitz innerhalb der Fluidstromleitung, wobei der Ventilsitz geeignet ist die Kontaktkante der Ventilanordnung zu kontaktieren. Vorzugswei se findet ein derartiges Fluidstromkontrollelement Einsatz in einer Strömungsmaschinenanlage. Insbesondere ist es hierbei bevorzugt, dass der hierbei kontrollierte Fluidstrom von der Strömungsmaschine zur Energieerzeugung genutzt wird. Überra schenderweise sind die erfindungsgemäßen Fluidstromkontrol- lelemente auch für die äußerst hohen Anforderungen der Steue rung des in einer Strömungsmaschinenanlage als Energieträger genutzten Fluidstroms geeignet. Beispielsweise kann das er findungsgemäße Fluidstromkontrollelement besonders vorteil haft in die Fluidstromleitung vor der Turbine der Strömungs maschine eingebaut werden.

Bei weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass die Fluidstromleitung im Bereich der Ventilanordnung einen Kol benraum aufweist, wobei der Kolbenraum eine Einbuchtung auf weist, wobei sich die Einbuchtung in Richtung des beweglichen Elements erstreckt. Hierbei wurde beobachtet, dass eine der artige ungleichmäßige Ausformung des Kolbenraums überra schenderweise eine noch besser kontrollierte Bewegung des be weglichen Elements ermöglicht. Typischerweise ist es bevorzugt, dass die Einbuchtung den Ab stand zwischen Kolbenraum und Außenseite des Kolbenelements auf weniger als 75 %, mehr bevorzugt weniger als 65 %, noch mehr bevorzugt auf weniger als 55 %, des durchschnittlichen Abstands zwischen Kolbenraum und Außenseite des beweglichen Elements verengt, bezogen auf den Querschnitt senkrecht zur ersten Achse durch die Mitte des Teils des beweglichen Ele ments, dass in der Geschlossenstellung aus dem Hohlraum des stationären Elements ragt. Dies resultiert überraschender weise in einer Stabilisierung des beweglichen Elements, wodurch dessen Abnutzung merklich verringert wird.

Bei weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass sich die Einbuchtung über mindestens 3 %, mehr bevorzugt mindes tens 5 %, noch mehr bevorzugt mindestens 7 %, des Kolbenraums erstreckt, bezogen auf den Querschnitt senkrecht zur ersten Achse durch die Mitte des Teils des beweglichen Elements, dass in der Geschlossenstellung aus dem Hohlraum des statio nären Elements ragt. Insbesondere für Anwendungsfälle bei Fluidströmen mit hohem Druck wie beispielsweise Dampfströmen in Dampfturbinenanlagen hat es sich als vorteilhaft erwiesen die Einbuchtung nicht zu klein zu gestalten. Insbesondere wird hierbei eine hohe Zuverlässigkeit erzielt.

Bei weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass sich die Einbuchtung über höchstens 20 %, mehr bevorzugt mindes tens 17 %, noch mehr bevorzugt mindestens 15 %, des Kolben raums erstreckt, bezogen auf den Querschnitt senkrecht zur ersten Achse durch die Mitte des Teils des beweglichen Ele ments, dass in der Geschlossenstellung aus dem Hohlraum des stationären Elements ragt. Auch zeigte sich, dass eine zu große Dimensionierung der Einbuchtung typischerweise keine Verbesserung bewirkt. In Einzelfällen kann der mittels der Einbuchtung erzielte positive Effekt hierdurch sogar wieder verringert werden.

Bei weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass das Fluidstromkontrollelement einen elektromechanischen Antrieb umfasst, der mit dem Koppelelement des beweglichen Elements lösbar oder unlösbar, vorzugsweise lösbar, verbunden ist und wobei der elektromechanische Antrieb geeignet ist das beweg liche Element entlang der ersten Achse zu bewegen. Insbeson dere die lösbare Verbindung mit einem leicht auswechselbaren elektromechanischen Antrieb erlaubt überraschenderweise einen schnellen und sicheren Austausch des Antriebs auch im laufen den Betrieb.

Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfin dung eine Strömungsmaschinenanlage umfassend mindestens eine erfindungsgemäße Ventilanordnung und/oder ein erfindungsgemä ßes Fluidstromkontrollelement.

Bei weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass die Strömungsmaschinenanlage eine Dampfturbinenanlage ist. Bei spielsweise resultiert der typischerweise hierbei verwendeter hoher Dampfdruck in besonders hohen erforderlichen Stellkräf ten zur Regelung eines gebräuchlichen Ventils, wodurch derar tige Strömungsmaschinenanlagen besonders von den erfindungs gemäßen Ventilanordnungen und Fluidstromkontrollelementen profitieren.

Bei weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass die Ventilanordnung und/oder das Fluidstromkontrollelement in der Dampfleitung zwischen Dampferzeuger und Dampfturbine angeord net sind. Da hier typischerweise die höchsten Dampfdrücke vorhanden sind, erweisen sich die erfindungsgemäßen Vorteile als besonders groß.

Bei weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass die Ventilanordnung und/oder das Fluidstromkontrollelement Be standteil der Hauptabsperrung ist. Insbesondere ist es typi scherweise bevorzugt, dass die Ventilanordnung und/oder das Fluidstromkontrollelement hierbei als Schnellschlussventil fungieren. Da hierbei geringere Kräfte aufgewendet werden müssen und gleichzeitig eine hohe Zuverlässigkeit erzielt wird, hat sich der Einsatz an dieser Stelle als besonders vorteilhaft erwiesen.

Bei weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass die Ventilanordnung und/oder das Fluidstromkontrollelement Be standteil eines Entnahmeregelventils ist. Beispielsweise kann hierbei ein Teil des Fluidstroms entnommen werden, um bei spielsweise zur Aufheizung eines Vorwärmers vor dem Dampfer zeuger eingesetzt zu werden. Auch kann hierbei beispielsweise ein Teil des Fluidstroms entnommen und als Prozessdampf ein gesetzt werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfin dung ein Verfahren zur Bereitstellung oder Instandsetzung ei ner erfindungsgemäßen Ventilanordnung oder eines erfindungs gemäßen Fluidstromkontrollelements, wobei das erste Material mittels eines additiven Fertigungsverfahrens wie dem Laser auftragsschweißen auf das zweite Material des beweglichen Elements aufgebracht wird. Die Methode der Herstellung oder Reparatur hat sich als besonders einfach und zuverlässig er wiesen.

Ferner wurde beobachtet, dass spanende Bearbeitungsschritte besonders gut zur Herstellung der mindestens einen Einbuch tung geeignet sind. Gemäß weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass der Aufbringung des ersten Materials ein spa nender Fertigungsschritt folgt zur Formung der mindestens ei nen Einbuchtung. Beispielsweise werden hierbei Einbuchtungen in das erste Material gedreht oder gefräst. Hierdurch kann auf einfache Weise eine Labyrinthdichtung bereitgestellt wer den.

Die Aussparung für das erste Material des Kolbenelements kann ebenfalls vorteilhaft mit einem spanenden Fertigungsschrittes erzeugt werden. Gemäß weiteren Ausführungsformen ist es be vorzugt, dass das erste Material zumindest teilweise in min destens eine Einbuchtung des Kolbenelements eingebracht wird, wobei die Einbuchtung zuvor mittels eines spanenden Ferti- gungsschrittes erzeugt wurde. Beispielsweise kann diese min destens eine Einbuchtung im Kolbenelement mittels Drehen oder Fräsen erfolgen. Zwar kann ein entsprechender Freiraum auch direkt während des Fertigungsprozesses des Kolbenelements er zeugt werden. Jedoch zeugte sich, dass die Bereitstellung ei nes Rohlings gefolgt von einem derartigen spanenden Bearbei tungsschritt eine überraschend vorteilhafte Kombination aus hoher Produktqualität und geringem Aufwand ermöglicht.

Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfin dung ein Verfahren zur Bereitstellung oder Instandsetzung ei ner Strömungsmaschinenanlage, vorzugsweise einer Dampfturbi nenanlage, wobei das Verfahren den Einbau oder die Instand setzung einer erfindungsgemäßen Ventilanordnung oder eines erfindungsgemäßen Fluidstromkontrollelements umfasst.

Bei weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass das Verfahren den zumindest teilweisen Austausch eines vorhande nen Fluidstromkontrollelements umfassend einen Hochdruckhyd raulikantrieb zur Bereitstellung eines erfindungsgemäßen Flu idstromkontrollelements umfassend einen Niederdruckhydrauli kantrieb oder einen elektromechanischen Antrieb umfasst. Vorzugsweise bezieht sich der Begriff „Hochdruckhydraulikan trieb" auf einen Antrieb mit mindestens 60 bar, mehr bevor zugt mindestens 80 bar, Druck. Ferner bezieht sich der Be griff „Niederdruckantrieb" im Rahmen der vorliegenden Erfin dung vorzugsweise auch einen Antrieb mit einem Druck von höchstens 30 bar, mehr bevorzugt höchstens 20 bar, noch mehr bevorzugt höchstens 10 bar. Bei derartigen Upgradeverfahren werden für typische Anwendungen besonders große Verbesserun gen erzielt.

Bei weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass das Verfahren den zumindest teilweisen Austausch eines vorhande nen Fluidstromkontrollelements umfassend einen nicht elektro mechanischen Antrieb gegen ein erfindungsgemäßes Fluidstrom- kontrollelement umfassend einen elektromechanischen Antrieb umfasst. Wie bereits beschrieben wurde, bietet der gemäß der vorliegenden Erfindung mögliche Wechsel des Antriebssystems in Verbindung mit der hohen Zuverlässigkeit des Fluidstrom- kontrollelements eine besonders vorteilhafte Kombination für typische Strömungsmaschinenanlagen wie insbesondere Dampftur binenanlagen .

Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfin dung die Verwendung einer erfindungsgemäßen Ventilanordnung oder eines erfindungsgemäßen Fluidstromkontrollelements zur Regelung des Fluidstroms einer Strömungsmaschinenanlage, vor zugsweise einer Dampfturbinenanlage. Unter Regelung werden hierbei insbesondere die Einstellung eines gewünschten Dampf drucks sowie insbesondere das Blockieren des Fluidstroms ver standen. Überraschenderweise erlaubt die erfindungsgemäße Ventilanordnung und das erfindungsgemäße Fluidstromkontrol- lelement nicht nur einen zuverlässigen Verschluss der Flu idstromleitung, sondern erlaubt auch eine präzise Verringe rung oder Vergrößerung des Fluidstroms. Insbesondere in Kom bination mit dem elektromechanischen Antrieb erlaubt dies ei ne schnelle und präzise Regelung je nach den gegenwärtigen Anforderungen. Zwar kann eine erfindungsgemäße Ventilanord nung oder eine erfindungsgemäße Fluidstromkontrollelement theoretisch auch zur Regelung eines sekundären Fluidstroms wie eines Hydraulikölstroms genutzt werden, jedoch wird es besonders bevorzugt für die Regelung des für die Energieer zeugung in einer Strömungsmaschine genutzten Fluidstroms ge nutzt. Hierbei erwies es sich als besonders vorteilhaft.

Die nachstehende detaillierte Beschreibung der Abbildungen soll lediglich einige spezifische Ausführungsformen verdeut lichen. Diese sind jedoch nicht derart zu verstehen, dass sie den Gegenstand der Anmeldung begrenzen. Diese Beschreibung soll lediglich spezifische Ausführungsformen mit spezifischen Vorteilen näher beschreiben, um das Verständnis zu erleich tern.

Abbildung 1 zeigt einen schematischen Querschnitt eines er findungsgemäßen Fluidstromkontrollelements als Seitenansicht. Das Fluidstromkontrollelement umfasst eine Ventilanordnung 1, eine Fluidstromleitung 18 und einer Fluidstromeintrittsöff nung 17 innerhalb der Fluidstromleitung 18. Die Flu idstromeintrittsöffnung 17 weist einen Ventilsitz auf, der geeignet ist die Kontaktkante 8 der Ventilanordnung 1 zu kon taktieren.

Die Fluidstromleitung 18 weist im Bereich der Ventilanordnung 1 einen Kolbenraum 15 auf. In diesem Kolbenraum 15 findet sich eine Einbuchtung 16, wobei die Einbuchtung 16, sich in Richtung des beweglichen Elements 3 erstreckt.

Die Ventilanordnung 1 dient der Regelung des Fluidstroms, der durch die Fluidstromleitung 18 fließt. In dem in Abbildung 1 dargestellten Fall handelt es sich bei dem Fluidstrom um ei nen Dampfstrom, der von dem Dampferzeuger einer Dampfturbi nenanlage als Beispiel der Strömungsmaschinenanlage zur Dampfturbine geleitet wird.

Die Ventilanordnung 1 umfasst ein stationäres Element 2 und ein bewegliches Element 3, wobei das stationäre Element 2 ei nen Hohlraum 4 aufweist, in dem sich das bewegliche Element entlang einer ersten Achse translatorisch bewegen kann.

Die bewegliche Struktur umfasst ein Kolbenelement 5 und einem Koppelelement 6. Das Kolbenelement 5 gemäß der in Abbildung 1 dargestellten Ausführungsform ist gekennzeichnet durch eine Zylinderform, wobei der Zylinder eine auf der Seite der Kon taktkante 8 offene Topfform aufweist. Die Seitenwand 7 des Kolbenelements 5 ist begrenzt durch die Außenseite des Kol benelements 5, die sich parallel zu ersten Achse erstreckt und die Mantelfläche des Zylinders darstellt. Die Ventilan ordnung 1 ist hierbei derart gestaltet, dass ein Durchfluss des Fluidstroms zwischen stationärem Element 2 und Außenseite des Kolbenelements 5 verhindert wird. Da hierdurch der unter hohem Druck stehende Fluidstrom nicht zur Rückseite des Kol benelements 5 gelangen kann, wird das Ventil entlastet und kann mit geringeren Stellkräften bewegt werden. Um den Durch- fluss des Fluidstrom zwischen Außenseite und stationären Ele ment 2 noch sicherer zu verhindern, weist die Außenseite des Kolbenelements 5 eine Labyrinthdichtung sowie einen Kolben ring auf als Dichtungen 11 auf. Diese Dichtungen 11 finden sich naturgemäß im Bereich der Außenseite, der auch bei Ge schlossenstellung nicht aus dem Hohlraum 4 des stationären Elements 2 heraus bewegt wird, damit zuverlässig ein Durch fluss des Fluidstroms zwischen Außenseite und stationärem Element 2 verhindert wird.

Ferner kennzeichnet das Kolbenelement 5 die Kontaktkante 8 und die gegenüberliegende Rückwand 9. Die Kontaktkante 8 ist abgerundet, um einen Linienkontakt mit dem Ventilsitz zu er reichen und diesen zuverlässig zu verschließen. Ferner befin det sich die Kontaktkante 8 auf einer Wulst des Kolbenele ments 5, wodurch eine zusätzliche Absicherung des Ventils in der Geschlossenstellung erfolgt. Die Rückwand 9 weist 4 Durchgänge auf, welche symmetrisch um die Verbindungstelle von Rückseite des Kolbenelements 5 und Koppelelement 6 ange ordnet sind. Dies ermöglicht einen Druckausgleich des Berei ches innerhalb des topfförmigen Kolbenelements 5 und dem Hohlraum 4 zwischen der Rückseite des Kolbenelements 5 und dem stationären Element 2.

Das Koppelelement 5 der Ventilanordnung 1 ist mittig an der Rückwand 9 des Kolbenelements 5 befestigt und stellt eben falls eine zylindrische Form dar. Hierbei ist das Koppelele ment 6 mit einer Hartstoffbeschichtung versehen und von einer Stopfbuchspackung 12 umgeben. Die Stopfbuchspackung 12 um fasst Ringe und Buchsen bestehend aus Graphit und Edelstahl. Das stationäre Element 2 weist im Bereich der Stopfbuchspa ckung 12 einen Einspritzkanal auf, der es ermöglicht Graphit paste einzuspritzen. Dies erlaubt im Notfall eine vorüberge hende Abdichtung, bis eine Instandsetzung erfolgen kann.

Das Koppelelement 5 ist lösbar mit einem elektromechanischen Antrieb 14 verbunden, der das bewegliche Element 3 innerhalb des stationären Elements 2 translatorisch von links nach rechts und zurück bewegen kann. Die Verbindung erfolgt hier bei formschlüssig über eine Einbuchtung 16 an dem Koppelele ment 6 und ein entsprechendes Gegenstück am elektromechani schen Antrieb 14.

Das Fluidstromkontrollelement kann bei neuen Strömungsmaschi nenanlagen eingesetzt werden, jedoch auch beispielsweise im Rahmen eines Upgrades in bestehende Anlage integriert werden. Die einfache Wartung, die beispielsweise einen einfachen Aus tausch des elektromechanischen Antriebs 14 im laufenden Be trieb erlaubt, macht auch Instandsetzungsarbeiten an neuen und bestehenden Anlage besonders einfach und erhöht auch die Gesamtsicherheit der Anlagen. So muss im Falle eines Schadens nicht bis zum Herunterfahren der Strömungsmaschinenanlage o- der gar zum nächsten Wartungszyklus gewartet werden, sondern der flexible Austausch in kürzester Zeit ermöglicht die Behe bung derartiger Schäden ohne weitere Verzögerung. Auch bei spielsweise niederdruckhydraulische Antriebe können zumindest vereinfacht repariert werden, da kein zentraler Hochdruckhyd raulikkreislauf mehr erforderlich ist für den Betrieb. Viel mehr kann eine separate Niederdruckhydraulik verwendet wer den, die nicht mehr die Stilllegung anderer Bestandteile er forderlich macht, sondern auch separat ausgeschaltet und re pariert werden kann.

Im Rahmen eines entsprechenden Upgrades wird hierbei einfach zumindest ein Teil des Fluidstromkontrollelements, insbeson dere die bestehende Ventilanordnung und der bestehende An trieb ausgetauscht, wobei eine bestehende Zuleitung einer Hochdruckhydraulik stillgelegt werden kann. Nachfolgend kann über bestehende oder neue Kontrollelektronik eine direkte Re gelung erfolgen und im Falle eines Schadens direkt eine Repa ratur unabhängig von einem gegebenenfalls noch vorhandenen Hochdruckhydrauliksystems im Rest der Strömungsmaschinenanla ge vorgenommen werden. Insbesondere vorteilhaft erwies sich der Austausch des bestehenden Antriebs gegen einen elektrome chanischen Antrieb 14, da hierbei beispielsweise komplett auf einen ölbasierten Hydraulikkreislauf verzichtet werden kann, der zusätzliche Anforderungen, Sicherheitsrisiken und einen größeren Platzbedarf mit sich bringt.

Abbildung 2 zeigt einen schematischen Querschnitt des in Ab bildung 1 dargestellten erfindungsgemäßen Fluidstromkontrol- lelements als 3D-Ansicht.

Abbildung 3 zeigt schematischen Querschnitt eines ähnlichen Fluidstromkontrollelements mit gebräuchlichem Ventilanordnung 1 als Seitenansicht. Auch hierbei weist das Fluidstromkon- trollelement eine Einbuchtung 16' im Kolbenraum 15' auf, um vergleichbare Bedingungen zum erfindungsgemäßen Fluidstrom- kontrollelement bereitzustellen. Abweichend wird jedoch die gebräuchliche Ventilanordnung 1 eingesetzt, dass mittels ei nes Antriebs 14' basierend auf einer Hochdruckhydraulik das bewegliche Element 3' innerhalb des stationären Elements 2' translatorisch entlang der ersten Achse bewegt und auf den Ventilsitz presst. Insbesondere zur Öffnung der Flu idstromeintrittsöffnung 17' ist hierbei eine große Kraft er forderlich, welche die Hochdruckhydraulik erforderlich macht.

Analog dem in Abbildung 1 dargestellten Fall ist das Flu- idstromkontrollelement Bestandteil der Fluidstromleitung 18', welche wiederum ein Bestandteil einer Dampfturbinenanlage als Beispiel einer Strömungsmaschinenanlage ist. Hierbei befindet sich das Fluidstromkontrollelement im Bereich der Fluidstrom leitung 18' zwischen dem Dampferzeuger und der Dampfturbine.

Abbildung 4 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Kol benelements 5 bestehend aus dem zweiten Material 23. Das zweite Material ist in diesem Fall 21CrMoV5-7. Hierbei wurde in das ursprünglich zylindrische Kolbenelement 5 eine Ausspa rung 19 mittels einen spanenden Fertigungsschrittes einge dreht. Das Kolbenelement 5 ist Bestandteil des in den Abbil dungen 1 und 2 dargestellten beweglichen Elements 3.

Abbildung 5 zeigt einen schematischen Querschnitt des Kolben elements 5 aus Abbildung 4 bestehend im Wesentlichen aus dem zweiten Material 23, wobei in die in Abbildung 4 dargestellte Aussparung das erste Material 22 aufgebracht wurde. Das erste Material 22 ist im Fall der Ausführungsform der Abbildung 6 Stellite 6. Hierdurch ergibt sich ein inhomogener Aufbau der Seitenwand 7 des Kolbenelements 5, welches wiederum Bestand teil des beweglichen Elements 3 ist.

Abbildung 6 zeigt einen schematischen Querschnitt des Kolben elements 5 aus Abbildung 5, wobei in das erste Material 22 und zweite Material 23 die Einbuchtungen 21 mittels eines spanenden Fertigungsschrittes eingebracht wurden. Als spanen der Fertigungsschritt wurde Drehen gewählt, wodurch in einfa cher Weise gute Ergebnisse erzielt wurden. Die Einbuchtungen stellen das Dichtungselement 20 dar. Hierbei besteht die Dichtung 11 lediglich aus dem Dichtungselement 20.

Die erste Einbuchtung 21 auf der linken Seite erstreckt sich lediglich in das erste Material 22. Die weiteren Einbuchtun gen 21 rechts davon erstrecken sich durch das erste Material 22 in das zweite Material 23. Somit besteht die Oberfläche der links angeordneten Einbuchtung 21 aus dem ersten Material 22, während die Oberflächen der weiteren Einbuchtungen 21 aus dem ersten Material 22 und dem zweiten Material 23 bestehen. Alle dargestellten Einbuchtungen 21 erstrecken sich um das Kolbenelement 5 entlang Ebenen parallel zur ersten Achse und sind jeweils 1,1 mm voneinander entfernt. Die Einbuchtung 21 auf der linken Seite mit einer Oberfläche vollständig beste hend aus dem ersten Material 22 weist eine Breite von 0,95mm und eine Tiefe von 1,2 mm auf. Die Einbuchtungen 21 mit Ober flächen bestehend aus dem ersten Material 22 und dem zweiten Material 23 weisen eine Breite von 1,1 mm und eine Tiefe von 0,9 mm auf. Ferner wurde das Innere des Kolbenelements 5 be arbeitet wodurch eine Abrundung im Inneren entstanden ist und die Durchgänge 10 eingefügt wurden.

Die Einbuchtung 21 deren Oberfläche vollständig aus dem ers ten Material 22 besteht ist geeignet einen Kolbenring aufzu nehmen. Dieser verringert in Verbindung mit den anderen Ein- buchtungen 21, welche eine Oberfläche bestehend aus erstem Material 22 und zweitem Material 23 aufweisen und als Laby rinthdichtung dienen, den Durchtritt des Fluids entlang der Außenseite des Kolbenelements 5 auf vernachlässigbare Mengen. Der Kolbenring besteht aus dem ersten Material 22.

Abbildung 7 zeigt einen schematischen Querschnitt des Kolben elements 5'' mit den erfindungsgemäßen Einbuchtungen 21'' aus einer alternativen erfindungsgemäßen Ausführungsform. Hierbei erstreckt sich das erste Material 22'' tiefer in das Kolben element 5'' hinein. Dies resultiert darin, dass sich die Ein buchtungen 5'' lediglich bis in das erste Material 22'' er strecken und nicht das zweite Material 23'' erreichen.

Neben der veränderten Tiefe des ersten Material 22'' ist die Ausführungsform der Abbildung 7 analog der in den Abbildungen 4, 5 und 6 dargestellten Ausführungsform. Auch hier stellt das Kolbenelement 5'' ein Bestandteil des beweglichen Ele ments 3'' dar. Auch hier erstrecken sich die Einbuchtungen 21'' entlang der Außenseite der Seitenwand 7'' entlang Ebenen senkrecht zur ersten Achse. Ebenfalls stellt das Dichtungs element 20'' die Dichtung 11'' dar.

Die vorliegende Erfindung wurde zur Erläuterungszwecken an hand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Die Erfin dung soll jedoch nicht auf die konkrete Ausgestaltung dieser Ausführungsbeispiele beschränkt sein. Vielmehr soll der Schutzbereich der Erfindung lediglich durch die beigefügten Ansprüche beschränkt sein.