專利名稱：焊接轉子及其生產方法以及具有焊接轉子的蒸汽渦輪的制作方法
技術領域：
本發明大體而言涉及蒸汽渦輪，且更特定而言涉及具有焊接轉子軸桿的蒸汽渦輪 (steam turbine)。
背景技術：
典型蒸汽渦輪設施可配備高壓蒸汽渦輪，中壓蒸汽渦輪和低壓蒸汽渦輪。每個蒸汽渦輪由適合于耐受該特定渦輪的操作條件、壓力、溫度、流率等的材料形成。近來，蒸汽渦輪設施設計趨向于更大容量且設計了更高效率，其包括在一定的壓力和溫度范圍內操作的蒸汽渦輪。這些設計包括整合為單件且對于每個蒸汽渦輪使用相同的金屬材料的高-低壓整合，高-中-低壓整合和中-低壓整合蒸汽渦輪轉子。常常，使用金屬，其能在渦輪的最高操作條件下執行，從而增加了渦輪的總成本。蒸汽渦輪常規地包括轉子和殼體封套。轉子包括可旋轉地安裝的渦輪軸桿，其包括葉片。當熱和加壓蒸汽流過在殼體封套與轉子之間的流動空間時，使渦輪軸桿旋轉，因為能量從蒸汽轉移到轉子。轉子和特別是轉子軸桿常常形成渦輪金屬的主體。因此，形成轉子的金屬顯著地構成渦輪成本。如果轉子由高成本、高溫金屬形成，那么甚至進一步提高成本。因此，需要提供由最少量高溫材料形成的蒸汽渦輪轉子。
發明內容
根據本公開內容的一示例性實施例，公開了一種轉子，其包括具有第一端和第二端的高壓部段，和接合到高壓部段的第二端的中壓部段。高壓部段包括由高溫材料形成的高溫材料部段。高壓部段具有第一端和與第一端相對的第二端。由第一低溫材料形成的第一低溫材料部段接合到高溫材料部段的第一端，而由第二低溫材料形成的第二低溫材料部段接合到高溫材料部段的第二端。根據本公開內容的另一示例性實施例，公開了一種蒸汽渦輪，其包括轉子。該轉子包括具有第一端和第二端的高壓部段，和接合到高壓部段的第二端的中壓部段。高壓部段包括高溫材料部段，其由高溫材料形成且具有第一端和與第一端相對的第二端；以及，由第一低溫材料形成的第一低溫材料部段，其接合到高溫材料部段的第一端；以及，由第二低溫材料形成的第二低溫材料部段，其接合到高溫材料部段的第二端。根據本公開內容的另一示例性實施例，公開一種制造轉子的方法，其包括提供軸桿高壓部段和將軸桿中壓部段接合到軸桿高壓部段。軸桿高壓部段包括第一端和第二端， 且第一低溫材料部段接合到高溫材料部段的第一端，且第二低溫材料部段接合到高溫材料部段的第二端。本公開內容的一實施例的一個優點包括提供更低成本的蒸汽渦輪轉子。本公開內容的實施例的另一優點包括提供更低成本的蒸汽渦輪轉子，其具有減少量的高溫材料。
本公開內容的一實施例的一個優點包括提供更低成本的蒸汽渦輪。本公開內容的一實施例的另一優點包括提供更低成本的蒸汽渦輪，其具有減少量的高溫材料。本公開內容的實施例的另一優點包括提供更低成本的蒸汽渦輪轉子，其使用減少量的不能以大量供應的高溫材料。本公開內容的實施例的另一優點包括提供更低成本的蒸汽渦輪轉子，其使用高溫材料的更小鑄錠來制造。結合附圖理解通過下文優選實施例的詳細描述，本發明的其它特點和優點將會顯然，附圖以舉例說明的方式說明本發明的原理。
圖I是根據本公開內容的蒸汽渦輪的截面圖。
圖2為圖I的蒸汽渦輪轉子的實施例的截面圖。
圖3為圖I的蒸汽渦輪的一部分的局部截面圖。
圖4為圖I的蒸汽渦輪的一部分的另一局部截面圖。
在可能的情況下，在所有附圖中使用相同的附圖標記來表示相同部件。
部件清單
10蒸汽渦輪
12殼體
12a HP殼體
12b IP殼體
13轉子
14旋轉軸線
16渦輪HP部段
18渦輪IP部段
20外殼
22引導輪葉
24軸桿
25葉片
26主蒸汽流動路徑
28HP流入區域
30HP主蒸汽流動路徑
32HP蒸汽流出區域
34IP蒸汽流入區域
36IP蒸汽流動路徑
38IP蒸汽流出區域
210轉子HP部段
212轉子IP部段
220軸桿HP部段
222軸桿IP部段230螺栓接頭232軸桿的第一端234軸桿的第二端236 第一軸承238 第二軸承240 第一 HP LTM 部段242HP HTM 部段242a 第一端242b 第二端244 第二 HP LTM 部段250 第一焊接252 第二焊接260IP HTM 部段260a 第一端260b 第二端262IP LTM 部段264第三軸承266第三焊接A 位置 “A”B 位置 “B”
具體實施例方式現將參看附圖在下文中更全面地描述本公開內容，在附圖中示出了本公開內容的示例性實施例。但本公開內容可體現為不同形式且不應認為限于本文所陳述的實施例。圖I、圖3和圖4示出根據本公開內容的實施例的蒸汽渦輪10的截面圖。蒸汽渦輪10包括殼體12，其中繞旋轉軸線14可旋轉地安裝渦輪轉子13。蒸汽渦輪10還包括渦輪高壓(HP)部段16和渦輪中壓(IP)部段18。蒸汽渦輪10以亞臨界操作條件操作。在一實施例中，蒸汽渦輪10接收低于大約230巴壓力的蒸汽。在另一實施例中，蒸汽渦輪10接收在大約100巴至大約230巴之間壓力的蒸汽。在另一實施例中，蒸汽渦輪10接收在大約 125巴至大約175巴之間壓力的蒸汽。此外，蒸汽渦輪10接收在大約525°C與大約600°C之間溫度的蒸汽。在另一實施例中，蒸汽渦輪10接收在大約565°C與大約600°C之間溫度的蒸汽。殼體12包括HP殼體12a和IP殼體12b。在另一實施例中，殼體12可為單個的整合HP/IP殼體。在此示例性實施例中，殼體12為雙壁殼體。在另一實施例中，殼體可為單壁殼體。殼體12包括外殼20和附連到外殼20上的多個引導輪葉22。轉子13包括軸桿 24和固定到軸桿24上的多個葉片25。軸桿24由第一軸承236、第二軸承238和第三軸承 264可旋轉地支承。主蒸汽流動路徑26限定于殼體12與轉子13之間。主蒸汽流動路徑26包括位于渦輪HP部段16中的HP主蒸汽流動路徑30和位于渦輪IP部段18中的IP主蒸汽流動路徑36。如本文所用的那樣，用語“主蒸汽流動路徑”表示產生動力的蒸汽的主流動路徑。向主蒸汽流動路徑26的HP流入區域28提供蒸汽。蒸汽流經輪葉22與葉片25之間的主蒸汽流動路徑26的HP主蒸汽流動路徑部段30，在此期間蒸汽膨脹并冷卻。在蒸汽使轉子13繞軸線14旋轉時，蒸汽熱能轉變成機械旋轉能。在流經HP主蒸汽流動路徑部段 30之后，蒸汽從HP蒸汽流出區域32流出到中間過熱器(未圖示)，其中將蒸氣加熱到更高溫度。經由到IP主蒸汽流入區域34的管線(未圖示)引入蒸汽。蒸汽流經輪葉22與葉片25之間的主蒸汽流動路徑26的IP主蒸汽流動路徑部段36，在此期間蒸汽膨脹并冷卻。 在蒸汽使轉子13繞軸線14旋轉時，額外蒸汽熱能轉變成機械旋轉能。在流經IP主蒸汽流動路徑部段36之后，蒸汽從IP蒸汽流出區域38從蒸汽渦輪10出來。可在未做任何更詳細描述的其它操作中使用蒸汽。圖2示出轉子13的截面圖。轉子13包括軸桿24。如在圖2中可看出的那樣，轉子13包括位于渦輪HP部段16(圖I)中的轉子HP部段210和位于渦輪IP部段18(圖I) 中的轉子IP部段212。相對應地，軸桿24包括位于渦輪HP部段16中的軸桿HP部段220 和位于渦輪IP部段18中的軸桿IP部段222。軸桿HP部段220和IP部段222在螺栓接頭 (bolted joint) 230處接合。在另一實施例中，軸桿HP部段220和IP部段222通過焊接、 栓接或其它接合技術而接合。軸桿HP部段220可在軸桿24的第一端232通過螺栓接頭、焊接或其它接合技術而接合到另一構件(未圖示)。在另一實施例中，軸桿HP部段220可在軸桿24的第一端 232栓接到發電機。軸桿IP部段222可在軸桿24的第二端234通過螺栓接頭、焊接或其它接合技術而接合到另一構件(未圖示)。在另一實施例中，軸桿IP部段222可在軸桿24 的第二端234接合到低壓部段。在另一實施例中，低壓部段可包括低壓渦輪。軸桿HP部段220接收低于230巴壓力的蒸汽。在另一實施例中，軸桿HP部段220 可接收在大約100巴至大約230巴之間壓力的蒸汽。在另一實施例中，軸桿HP部段220可接收在大約125巴至大約175巴之間壓力的蒸汽。軸桿HP部段220接收在大約525°C與大約600°C之間溫度的蒸汽。在另一實施例中，軸桿HP部段220接收在大約565°C與大約 600°C之間溫度的蒸汽。軸桿HP部段220包括第一 HP低溫材料(LTM)部段240、HP高溫材料(HTM)部段 242和第二 HP LTM部段244。在另一實施例中，刪除了第二 HP LTM部段244，且HP HTM部段242延伸到螺栓接頭230。軸桿HP部段220由第一軸承236 (圖I)和第二軸承238 (圖I)可旋轉地支承。 在一實施例中，第一軸承236可為軸頸軸承。在一實施例中，第二軸承238可為推力/軸頸軸承。第一軸承236支承第一 HPLTM部段240且第二軸承238支承第二 HP LTM部段244。 在其中HP HTM部段242延伸到螺栓接頭230的實施例中，第二軸承238支承HP HTM部段 242。在另一實施例中，可使用不同的支承軸承構造。第一 HP LTM部段240和第二 HP LTM部段244分別由第一焊接250和第二焊接 252接合到HP LTM部段242。在此示例性實施例中，第一焊接250沿著HP主蒸汽流動路徑 30 (圖I)定位且第二焊接252定位于HP主蒸汽流動路徑30外部或不與HP主蒸汽流動路徑30接觸。在一實施例中，第一焊接250可沿著HP主蒸汽流動路徑30定位，其中蒸汽溫度小于大約455°C。在另一實施例中，第一焊接250可位于HP蒸汽流動路徑30外部或者不與HP蒸汽流動路徑30接觸。在一實施例中，第一焊接250可位于在HP蒸汽流動路徑30 外部或不與HP蒸汽流動路徑30接觸但與密封蒸汽泄漏接觸的位置“A”(圖I)處。HP HTM部段242至少部分地限定HP流入區域28和HP主蒸汽流動路徑30 (圖3)。 第一 HP LTM部段240還至少部分地限定HP主蒸汽主流動路徑30。如上文所討論的那樣， 在另一實施例中，可移動第一焊接250使得第一 HP LTM部段240并不至少部分地限定HP 主蒸汽流動路徑30。第二 HP LTM部段244并不至少部分地限定主蒸汽流動路徑26，或者換言之，第二 LTM部段244在HP主蒸汽流動路徑30外部且并不接觸主蒸汽流動路徑26。軸桿24的HP HTM部段242由耐高溫材料的單個整體部段或塊體形成。耐高溫材料可被稱作高溫材料。HP HTM部段242具有第一端242a和第二端242b。在另一實施例中，HP HTM部段242可由高溫材料的兩個或兩個以上的HP HTM部段或塊體形成，這些部段或塊體通過材料接合技術，諸如(但不限于)焊接而接合在一起。高溫材料可為鍛鋼。在一實施例中，高溫材料可為包括一定量鉻(Cr)、鑰(Mo)、 釩(V)和鎳(Ni)的鋼。在一實施例中，高溫材料可為高鉻合金鍛鋼，其包括在大約10. O重量百分比(wt. % )至大約13. Owt. %之間的量的Cr。在另一實施例中，Cr的量可以大約
10.Owt. %與大約10. 6wt. %之間的量包括在內。在一實施例中，高鉻合金鍛鋼可具有在大約O. 5wt. %與大約2. Owt. %之間量的Mo。在另一實施例中,Mo的量可以大約I. Owt. %與大約I. 2wt. %之間的量包括在內。在一實施例中，高鉻合金鍛鋼可具有包括在大約O. Iwt. % 與大約O. 3wt. %之間量的V。在另一實施例中，V可以大約O. 15wt. %與大約O. 25wt. %之間的量包括在內。在一實施例中，高鉻合金鍛鋼可包括在大約O. 5wt. %與大約I. Owt. %之間量的Ni。在另一實施例中，Ni可以大約O. 6wt. %與大約O. 8wt. %之間的量包括在內。第一 HP LTM部段240和第二 HP LTM部段244由比形成HPHTM部段242的高溫材料具有更低耐熱性的材料形成。更低耐熱性的材料可被稱作低溫材料。低溫材料可為鍛造合金鋼。在一實施例中，低溫材料可為CrMoVNi。在一實施例中，Cr可以大約O. 5wt. %與大約2. 2wt. %之間的量包括在內。在另一實施例中，Cr可以大約O. 5wt. %與大約2. Owt. %之間的量包括在內。在另一實施例中，Cr可以大約O. 9wt. %與大約I. 3wt. %之間的量包括在內。在一實施例中，Mo可以大約O. 5wt. %與大約2. Owt. %之間的量包括在內。在另一實施例中，Mo可以大約l.Owt. %與大約1.5wt. %之間的量包括在內。在一實施例中，V可以大約O. Iwt. %與大約O. 5wt. %之間的量包括在內。在另一實施例中,V可以大約O. 2wt. %與大約O. 3wt. %之間的量包括在內。在一實施例中，Ni可以大約O. 2wt. %與大約I. Owt. % 之間的量包括在內。在另一實施例中，Ni可以大約O. 3wt. %與大約O. 6wt. %之間的量包括在內。在一實施例中，第一 HP LTM部段240和第二 HP LTM部段244由相同低溫材料形成。在另一實施例中，第一 HP LTM部段240和第二 HP LTM部段244由不同低溫材料形成。 在此實施例中，第一 HPLTM部段240和第二 HP LTM部段244由低溫材料的單個整體塊體或部段形成。在另一實施例中，第一 HP LTM部段240和第二 HP LTM部段244中的一個或兩個可由接合在一起的兩個或兩個以上的HPLTM部段或塊體形成。兩個或兩個以上的HP LTM 部段或塊體可機械地或以材料(materially)接合在一起,例如(但不限于)栓接或焊接。軸桿IP部段222由軸承264 (圖I)可旋轉地支承。在一實施例中，軸承264可為軸頸軸承。在另一實施例中，軸桿IP部段222可由一個或多個軸承可旋轉地支承。軸桿IP 部段222接收低于大約70巴壓力的蒸汽。在另一實施例中，軸桿IP部段222可接收在大約20巴至70巴之間壓力的蒸汽。在又一實施例中，軸桿IP部段222可接收在大約20巴至大約40巴之間壓力的蒸汽。此外，軸桿IP部段222接收在大約525°C與大約600°C之間溫度的蒸汽。在另一實施例中，軸桿IP部段222可接收在大約565°C與大約600°C之間溫度的蒸汽。軸桿IP部段222包括IP HTM部段260和IP LTM部段262。軸桿IP HTM部段260 和LTM部段262由第三焊接266接合。第三焊接266沿著IP蒸汽流動路徑36定位。在一實施例中，第三焊接266可沿著IP蒸汽流動路徑36定位，其中蒸汽溫度小于455°C。在另一實施例中，第三焊接266可位于IP蒸汽流動路徑36外部或者不與HP蒸汽流動路徑36 接觸。舉例而言，第三焊接266可位于IP蒸汽流動路徑36外部且不與HP蒸汽流動路徑36 接觸的位置“B”(圖I)。在另一實施例中，軸桿IP部段222可由一個或多個IP HTM部段形成。在另一實施例中，IP部段222可由高溫材料的單個整體塊體或部段形成。再次參看圖1，IP HTM部段260至少部分地限定IP蒸汽流入區域34和IP主蒸汽流動路徑36。IP LTM部段262還至少部分地限定IP主蒸汽主流動路徑36。在另一實施例中，可移動第三焊接266例如到位置“B”使得IP LTM部段262并不至少部分地限定IP主蒸汽流動路徑36或換言之IP LTM部段262在IP主蒸汽流動路徑36外部且并不接觸蒸汽的主流動路徑。再次參看圖2，IP HTM部段260由高溫材料形成。高溫材料可為如上文參考HP HT 部段242所討論的高溫材料。在此實施例中，IPHTM部段260由具有第一端260a和第二端 260b的單個整體高溫材料部段或塊體形成。在另一實施例中，IP HTM部段260可由焊接在一起的兩個或兩個以上的IP HTM部段形成。IP LTM部段262由比IP HTM部段260具有更低耐熱性的材料形成。更低耐熱性的材料可被稱作低溫材料。低溫材料可為如上文參考第一 HP LTM部段240和第二 HP LTM 部段244所討論的低溫材料。在此實施例中，IP LTM部段262由低溫材料的單個整體部段或塊體形成。在另一實施例中，IP LTM部段262可由接合在一起的兩個或兩個以上的IP LTM部段形成。兩個或兩個以上的IP LTM部段或塊體可機械地或以材料接合在一起，例如 (但不限于)栓接或焊接。在另一實施例中，軸桿IP部段222可由一個或多個HTM部段形成，而無需使用LTM部段。在其中兩個或兩個以上的HTM部段用于形成軸桿IP部段222的實施例中，兩個或兩個以上的HTM部段可通過栓接、焊接或其它金屬接合技術而接合。軸桿24可由如下文所描述的制造方法的實施例來生產。軸桿HP部段220可通過提供形成具有第一端242a和第二端242b的HP HTM部段242的高溫材料的塊體或部段而生產。由低溫材料塊體形成的第一 HP LTM部段240焊接到HP HTM部段242的第一端242a。 由低溫材料塊體形成的第二 LTM部段244焊接到HP HTM部段的第二端242b以形成軸桿HP 部段220。在另一實施例中，軸桿24部段可通過提供形成具有第一端242a和第二端242b 的HP HTM部段242的高溫材料的一個或多個塊體或部段而生產。由低溫材料的一個或多個塊體形成的第一 HP LTM部段240焊接到HP HTM部段242的第一端242a。由低溫材料塊體的一個或多個塊體形成的第二 LTM部段244焊接到HP HTM部段242的第二端242b以形成軸桿HP部段220。
軸桿IP部段222可通過提供形成具有第一端260a和第二端260b的IP HTM部段 260的耐高溫材料的塊體而生產。由低溫材料之一形成的IP LTM部段262焊接到第一端 260a以形成軸桿IP部段222。在另一實施例中，軸桿IP部段222可通過提供形成具有第一端260a和第二端260b的IP HTM部段260的耐高溫材料的一個或多個塊體而生產。由一個或多個低溫材料部段形成的IP LTM部段262焊接到第一端260a以形成軸桿IP部段 222。通過將軸桿HP部段220接合到軸桿IP部段222來生產軸桿24。通過將軸桿HP 部段220的第二 LTM部段244栓接到IP HTM部段260而將軸桿HP部段220接合到軸桿IP 部段222。在另一實施例中，軸桿HP部段220可通過栓接、焊接或其它材料接合技術而接合到軸桿IP部段222。雖然示出和描述了本發明的某些特點和實施例，但本領域技術人員能想到許多修改和變化(例如，各種元件的大小、尺寸、結構、形狀和性質，參數值(例如，溫度、壓力等)， 安裝布置，材料使用，顏色，方位等變化)，而不會在實質上偏離權利要求中所陳述的主題的新穎教導內容和優點。任何過程或方法步驟的次序或順序可根據替代實施例改變或重新排序。因此，應了解所附權利要求預期涵蓋屬于本發明的真實精神內的所有這些修改和變化。 而且，為了提供示例性實施例的簡潔描述，可能未描述實際實施方式的所有特點(即，與目前設想到的本發明的最佳實施方式無關的那些或者與實行所主張的本發明無關的那些)。 應了解的是，可在任何這些實施方式的發展中(如在任何工程或設計項目中)做出許多具體實施方式
決策。這些開發努力可能是復雜的且耗時的，但仍受益于本公開內容的本領域普通技術人員設計、制作和制造的常規任務，而無需過度實驗。
權利要求
1.一種轉子，包括高壓部段，其具有第一端和第二端；以及中壓部段，其接合到所述高壓部段的所述第二端；其中，所述高壓部段包括高溫材料部段，其由高溫材料形成且具有第一端和與第一端相對的第二端；由第一低溫材料形成的第一低溫材料部段，所述第一低溫材料部段接合到所述高溫材料部段的第一端；以及由第二低溫材料形成的第二低溫材料部段，所述第二低溫材料部段接合到所述高溫材料部段的第二端。
2.根據權利要求I所述的轉子，其特征在于，通過將所述中壓部段栓接到所述第二低溫材料部段來將所述中壓部段接合到所述高壓部段的第二端。
3.根據權利要求I所述的轉子，其特征在于，所述中壓部段包括中壓高溫材料部段和中壓低溫材料部段。
4.根據權利要求I所述的轉子，其特征在于，所述第一低溫材料部段至少部分地限定高壓主蒸汽流動路徑。
5.根據權利要求I所述的轉子，其特征在于，所述高溫材料為高鉻合金鍛鋼。
6.根據權利要求I所述的轉子，其特征在于，所述第一低溫材料和第二低溫材料包括鍛造合金鋼。
7.根據權利要求5所述的轉子，其特征在于，所述高鉻合金鍛鋼包括大約 10. Owt. % 至大約 13. Owt. %的 Cr ;大約O. 5wt. %至大約2. Owt. %的Mo ;大約O. Iwt. %至大約O. 3wt. %的V ;以及大約O. 5wt. %至大約I. Owt. %的Ni。
8.根據權利要求6所述的轉子，其特征在于，所述鍛造合金鋼包括大約O.5wt.%至大約2.2wt.%的Cr ；大約O.5wt.%至大約2.Owt.%的Mo ；大約O.lwt.%至大約O.5wt.%的V;以及大約O.2wt.%至大約I.Owt.%的Ni。
9. 一種蒸汽渦輪，其包括根據權利要求I所述的轉子。
全文摘要
本申請公開了焊接轉子及其生產方法以及具有焊接轉子的蒸汽渦輪。該焊接轉子包括高壓部段和中壓部段。高壓部段包括接合到低溫材料部段的高溫材料部段。
文檔編號C22C38/46GK102606219SQ20121003100
公開日2012年7月25日 申請日期2012年1月20日 優先權日2011年1月21日
發明者M·J·G·費爾南德斯, R·G·貝蘭, T·J·法里諾 申請人:通用電氣公司