CN100335747C - 透平轴及其制造方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种沿轴向(19)定向的蒸汽轮机用透平轴(2，8)，其具有一第一流动区(5，13)和一第二流动区(6，14)，其中，所述透平轴(2，8)在第一流动区(5，13)中具有一第一种材料，在第二流动区(6，14)中具有一第二种材料，其中，所述第一种材料具有耐热特性，所述第二种材料则具有低温韧性，所述透平轴(2，8)借助一结构焊缝(4)制成，而不用事先在这两种材料的其中一种上进行缓冲层焊接。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于蒸汽轮机的沿轴向定向的透平轴，它具有一第一流动区和沿轴向与该第一流动区相邻的一第二流动区，其中，所述透平轴在第一流动区中具有一第一种材料，在第二流动区中具有一第二种材料。本发明还涉及一种用于制造一包括两种材料并沿一轴向定向的透平轴的方法。
背景技术
透平轴通常应用于流体机械中。蒸汽轮机可看作是流体机械的一种例子。为了提高效率，蒸汽轮机被构造成所谓的组合式蒸汽轮机。这种蒸汽轮机具有一个入流区和两个或更多个带有动叶片和静叶片的流动区。一种流动介质通过入流区流向一第一流动区和随后流向另一流动区。作为流动介质的示例可以是蒸汽。
温度超过400℃的蒸汽例如被导入所述入流区中并从那儿又流到第一流动区中。在此，在第一流动区中的各种构件尤其是透平轴承受热负荷。在流过第一流动区之后，蒸汽又流到第二流动区中。在第二流动区中的蒸汽通常具有更低的温度和更低的压力。在该区域中，透平轴应具有低温韧性。
为了将透平轴的两种必备的特性结合在一起，迄今业已公知有各种解决方法。一种解决方法是，将透平轴的耐热特性和所述低温韧性相互结合起来。为此采用一种所谓的整体轴(Monoblockwelle)。它使两种必要的特性受到一定限制地结合起来。然而在此进行了相应的妥协，而这种妥协对于蒸汽轮机的设计构造和运行来说形成相应的限制。
另外也公开了可通过焊接来制造透平轴。就迄今业已公知的材料和对其所提出的要求来说，必须将一种必须在一定的温度下退火的缓冲焊接层涂敷在其中一种材料上。在该缓冲焊接层在该第一种材料上退火后，通过一种结构焊以及在低于前述缓冲焊接层的退火温度的温度下最终进行的回火处理，将分别由第一种材料和第二种材料制成的透平轴的两段相互连接起来。作为用于制造透平轴第一区域的必须具有耐热特性的材料，迄今一直采用1％的CrMoV。而作为用于制造透平轴第二区域的必须具有低温韧性的材料，迄今一直采用3.5％的NiCrMoV。
用于制造这类透平轴的方法也十分复杂和麻烦。
发明内容
本发明的目的在于提供一种既具有低温韧性又具有耐热性的透平轴。本发明的另一目的在于提供一种用于制造这类透平轴的方法。
按照本发明的针对透平轴提出的第一个目的通过一种沿轴向定向的透平轴来实现，其具有一第一流动区和沿轴向与该第一流动区相邻的一第二流动区，其中，所述透平轴在第一流动区中具有一第一种材料，在第二流动区中具有一第二种材料，按照本发明，所述第一种材料包括一种耐热钢，所述第二种材料包括一种低温韧性钢，其中，所述第一种材料具有重量百分比为0.20-0.24％的碳，小于等于0.20％的硅，0.60-0.80％的锰，小于等于0.010％的磷，小于等于0.007％的硫，2.05-2.20％的铬，0.80-0.90％的钼，0.70-0.80％的镍，0.25-0.35％的钒和0.60-0.70％的钨，其中，所述第二种材料具有重量百分比为0.22-0.32％的碳，小于等于0.15％的硅，0.15-0.40％的锰，小于等于0.010％的磷，小于等于0.007％的硫，1.20-1.80％的铬，0.25-0.45％的钼，3.40-4.00％的镍，0.05-0.15％的钒。
按照本发明的一有利设计，所述第一种材料包括一种2CrMoNiWV钢，所述第二种材料包括一种3.5NiCrMoV钢。按照本发明的另一有利设计，在所述第一材料与所述第二材料之间设有一结构焊缝，该结构焊缝优选具有一种焊接填充料。该焊接填充料优选具有重量百分比为2％的镍。
按照本发明的透平轴可应用在一蒸汽轮机中。
按照本发明的针对制造方法提出的第二个目的通过一种用于制造一包括两种材料并沿一轴向定向的透平轴的方法，按照本发明，所述第一种材料和第二种材料借助一种结构焊相互直接相连，其中，所述第一种材料中采用重量百分比为0.20-0.24％的碳，小于等于0.20％的硅，0.60-0.80％的锰，小于等于0.010％的磷，小于等于0.007％的硫，2.05-2.20％的铬，0.80-0.90％的钼，0.70-0.80％的镍，0.25-0.35％的钒和0.60-0.70％的钨，所述第二种材料中则采用重量百分比为0.22-0.32％的碳，小于等于0.15％的硅，0.15-0.40％的锰，小于等于0.010％的磷，小于等于0.007％的硫，1.20-1.80％的铬，0.25-0.45％的钼，3.40-4.00％的镍，0.05-0.15％的钒。
本发明基于如下认识：通过有针对性地选择材料和恰当的热处理，可放弃附加的缓冲层焊接和附加的中间退火。
另外有一个优点在于，可更快并因而更廉价地制造透平轴。
附图说明
下面借助附图对本发明的实施方式予以详细说明。各图中相互对应的部件用相同的附图标记来表示。附图中：
图1是属于现有技术的由一种材料制成的透平轴的示图；
图2是属于现有技术的由两种材料制成的透平轴的示图；
图3是按照本发明的一根透平轴的示图；
图4是按照本发明的一根透平轴的示图。
在极为简化的图1-4中仅仅示出了那些对于理解本发明的作用而言有意义的部件。
具体实施方式
在一个未示出的组合式中压和低压蒸汽轮机中，新鲜蒸汽在一个第一区段中沿着一根透平轴流动，并在那儿膨胀且同时冷却下来。因此，在该第一区段中，对透平轴的用材提出了耐热的要求。该新鲜蒸汽的温度可高达565℃。膨胀作功并冷却后的新鲜蒸汽流入一个第二区段中。在该第二区段中必须要求透平轴有低温韧性。
图1中示出的透平轴1作为整体轴早就为公众所知。其制造材料为23CrMoNiWV8-8并沿轴向19定向。这种透平轴1属于现有技术。
这种透平轴1常常被用于组合式蒸汽轮机中。该蒸汽轮机在按回流结构设计且设计用于产生50赫兹的电流时具有10至12.5m2的流出断面。在这种回流结构设计中，蒸汽在流过中压段13后又转向到基本上在相反的方向上流动，并随后流过低压段14。透平轴用材23CrMoNiWV8-8包括重量百分比为0.20-0.24％的碳，小于等于0.20％的硅，0.60-0.80％的锰，小于等于0.010％的磷，小于等于0.007％的硫，2.05-2.20％的铬，0.80-0.90％的钼，0.70-0.80％的镍，0.25-0.35％的钒和0.60-0.70％的钨。所必需的耐热性和低温韧性迄今因为使用图1中所示的透平轴1而受到一定程度的限制。当对于边缘区域18提出的静态强度(RP0.2)要求大于650兆帕时，用给定材料23CrMoNiWV8-8制造的透平轴1在大直径的低压段14中就会超过强度极限和韧性极限。
图2中示出的透平轴7也属于现有技术并具有一承受高温的中压段13。该透平轴7同样具有一低压段14，后者所承受的热负荷低于中压段13并沿轴向定向。为此低压段14所承受的机械负荷高于中压段13。通常低压段14和中压段13用不同的材料制成。中压段13用1％的CrMoV(30CrMoNiV5-11)制成，而低压段14则用3.5NiCrMoV(26NiCrMoV14-5)制成。所述材料30CrMoNiV 5-11包括重量百分比为0.27-0.34％的碳，小于等于0.15％的硅，0.30-0.80％的锰，小于等于0.010％的磷，小于等于0.007％的硫，1.10-1.40％的铬，1.0-1.20％的钼，0.50-0.75％的镍，0.25-0.35％的钒。所述第一种材料基本上由一种耐热的材料制成，而第二种材料则用一种低温韧性材料制成。
所述中压段13必须具有耐热特性，所述低压段14则必须具有低温韧性。所述透平轴7具有一缓冲焊接层9，它首先被涂覆在中压段13上并在温度T1下退火。随后该中压段13和低压段14通过一焊缝相互连接起来。在此焊接过程之后在温度T2下实施退火处理。采用不同的退火温度T1和T2(即T1＞T2)的原因是所述材料有不同的化学组成和结晶构造以及由此引起的不同的回火稳定性。必须通过尽可能高的回火温度来避免在热影响区域中的高硬度和内应力，同时不会对已经制好的并通过检测的单根轴的强度造成消极影响。
在图3中可看到一根按照本发明的回流结构形式的透平轴2。该透平轴2具有一个设计成第一流动区5的中压段5和一个设计成第二流动区的低压段6。该低压段6借助一结构焊层4与中压段5相互直接连接起来。所述由两种不同材料制成的低压段6和中压段5的焊接无需附加的缓冲焊接层并因此也无需附加进行中间退火地完成。在倒数第二的低压级之前的所述中压段5所用材料为2CrMoNiWV(23CrMoNiWV8-8)，位于最后一级低压级中的透平轴低压段则由材料3.5NiCrMoV(26NiCrMoV14-5)制成。所述材料23CrMoNiWV8-8包括重量百分比为0.20-0.24％的碳，小于等于0.20％的硅，0.60-0.80％的锰，小于等于0.010％的磷，小于等于0.007％的硫，2.05-2.20％的铬，0.80-0.90％的钼，0.70-0.80％的镍，0.25-0.35％的钒和0.60-0.70％的钨。所述材料26NiCrMoV14-5具有重量百分比为0.22-0.32％的碳，小于等于0.15％的硅，0.15-0.40％的锰，小于等于0.010％的磷，小于等于0.007％的硫，1.20-1.80％的铬，0.25-0.45％的钼，3.40-4.00％的镍，0.05-0.15％的钒。
所述焊接被设计成结构焊。在进行结构焊接时要输入一种焊接填充料。该焊接填充料应包括例如2％的镍。
在焊接完成后，将焊接好的透平轴在600℃至640℃之间的一个温度进行足够长时间的在2至20小时之间的回火处理。
所述3.5NiCrMoV材料的优点尤其在于，该材料没有韧性问题并具有一个大于760兆帕的静态强度RP0.2。通过在前述温度下进行回火，焊接缝的强度很少受影响。通过减小热影响区中的内应力和硬度，可避免因潮湿介质引起的应力裂缝被腐蚀的危险。维氏硬度HV则小于360。这样就得到这样一根焊接制成的轴，它的前部区段具有必要的耐热强度，而其后部区段则可满足由大的叶片离心力所提出的高强度和高韧性要求。所述两区段之间的连接必须仅仅一次就完成焊接并仅仅进行一次退火处理。
图4中示出的透平轴8是一根沿轴向19定向的用于直流结构类型(Straight-Flow-Bauart)透平机的透平轴8。该透平轴8具有一个设计成第一流动区13的中压段13和一个设计成第二流动区14的低压段14。所述中压段13和所述低压段14通过一结构焊缝15相互连接。这一用于直流结构类型汽轮机的透平轴实施方式相对于图2所示实施方式的优点主要在于，通过以具有相似的耐热强度、但通过选择回火参数同时具有更低回火稳定性的2CrMoNiWV钢来代替所述具有回火稳定性的1CrMoV钢，可将所述2CrMoNiWV钢和3.5NiCrMoV钢材的热影响区中的硬度和内应力降低到所需的水平。这样通过焊接制成的透平轴8既在中压段13具有必需的耐热强度，又在低压段14能满足必需的高强度和高韧性要求。
本发明的其他优点在于：所述透平轴只需进行一次焊接和接受一次回火处理。由此缩短加工流程的时间。要求在中压段14具有高的强度和韧性以及在中压段13具有高的耐热强度的用于新型汽轮机结构系列的其他结构设计方案也可以实现。
Claims (10)
1.一种沿轴向(19)定向的透平轴(2，8)，其具有一第一流动区(5，13)和沿轴向(19)与该第一流动区(5，13)相邻的一第二流动区(6，14)，其中，所述透平轴(2，8)在第一流动区(5，13)中具有一第一种材料，在第二流动区(6，14)中具有一第二种材料，其特征在于，所述第一种材料包括一种耐热钢，所述第二种材料包括一种低温韧性钢，其中，所述第一种材料具有重量百分比为0.20-0.24％的碳，小于等于0.20％的硅，0.60-0.80％的锰，小于等于0.010％的磷，小于等于0.007％的硫，2.05-2.20％的铬，0.80-0.90％的钼，0.70-0.80％的镍，0.25-0.35％的钒和0.60-0.70％的钨，其中，所述第二种材料具有重量百分比为0.22-0.32％的碳，小于等于0.15％的硅，0.15-0.40％的锰，小于等于0.010％的磷，小于等于0.007％的硫，1.20-1.80％的铬，0.25-0.45％的钼，3.40-4.00％的镍，0.05-0.15％的钒。
2.如权利要求1所述的透平轴(2，8)，其特征在于，所述第一种材料包括一种2CrMoNiWV钢，所述第二种材料包括一种3.5NiCrMoV钢。
3.如权利要求1或2所述的透平轴(2，8)，其特征在于，在所述第一材料与所述第二材料之间设有一结构焊缝(4)。
4.如权利要求3所述的透平轴(2，8)，其特征在于，所述结构焊缝(4)具有一种焊接填充料。
5.如权利要求4所述的透平轴(2，8)，其特征在于，所述焊接填充料具有重量百分比为2％的镍。
6.一种用于制造一包括两种材料并沿一轴向(19)定向的透平轴(2，8)的方法，其特征在于，所述第一种材料和第二种材料借助一种结构焊相互直接相连，其中，所述第一种材料中采用重量百分比为0.20-0.24％的碳，小于等于0.20％的硅，0.60-0.80％的锰，小于等于0.010％的磷，小于等于0.007％的硫，2.05-2.20％的铬，0.80-0.90％的钼，0.70-0.80％的镍，0.25-0.35％的钒和0.60-0.70％的钨，所述第二种材料中则采用重量百分比为0.22-0.32％的碳，小于等于0.15％的硅，0.15-0.40％的锰，小于等于0.010％的磷，小于等于0.007％的硫，1.20-1.80％的铬，0.25-0.45％的钼，3.40-4.00％的镍，0.05-0.15％的钒。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，采用一种2CrMoNiWV钢作为所述第一种材料，以及采用一种3.5NiCrMoV钢作为所述第二种材料。
8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，向所述结构焊缝(4)中输入一种焊接填充料。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，采用具有重量百分比为2％的镍的一种材料作为所述焊接填充料。
10.一种应用如权利要求1至5中任一项所述的透平轴(2，8)的方法，其特征在于，将该透平轴(2，8)应用在一蒸汽轮机中。
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