CN1009471B - 蒸汽涡轮机中的高压转子控制轮及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一个准备焊接在一部蒸汽涡轮机中的高压转子上的控制轮是由通过各独立叶片焊接在一起形成的一个环而制成的。为此目的，各独立叶片的壳罩(2)和根部平板(3)均提供着焊接坡口(4)，经焊接在一起而形成一个各边闭合的环后，将此控制轮进行退火处理，并加以机械加工，最后再进行热处理。

Description

本发明涉及制造蒸气涡轮机中高压转子控制轮的方法，在蒸气涡轮机中其单个叶片通常是以坚硬的材料，最好是耐热的高合金铬钼钒钢经机械加工而制成的，这些叶片首先排放在一起形成一个环，并在其根部平板和围带上加以焊接，经热处理，机械加工和检验工序后，将此环焊接在转子的相应圆盘上。本发明还涉及按照下面方式制造的控制轮，即控制轮包含着由单个叶片配成的一个环，在这些叶片的围带和根部平板上有对接接头。

为了在一部蒸气涡轮机上获得良好的另件负载性能，常用一冲动级做为控制级装在涡轮机的高压部分的反动级的上游。由于其设计是用较低反动度，故冲动级亦可用部分进气操作。通过涡轮机中的蒸气流（因而也是它的功率）是由在控制级中部分进气来进行控制的。另一方面，其后的反动级是在各种负载状态下以全开进气操作的。

控制级通常包含着一个导栅和一个动栅。前者可称做喷咀，而后者与转子的相关部分称做叶轮。

此叶轮是将预制的控制轮在转子的相应位置上进行焊接而制成的。而控制轮本身亦是一件焊接结构物体。焊接工序几乎是各种机械接合中最强和最均匀的一种。如在叶片与轴用焊接法的接合中则可保证因离心力而致叶片上受到的静力以及由于间歇蒸气流（虽在最高温时）所引起的动力也能被此种叶片/轴接合所吸收而不致造成具有危险性的事故。

前叙之控制轮及其制造方法是已知的，已于BBC散页说明书HGDTK01    502E号，名称为“控制级”中公开。制造控制轮的过程中，其叶片包括它的外廓、根部（root）及围带（shroud）部分，是从棒状物料 加出来的。各种单个叶片是在根部和围带上将之进行焊接因而制成一个完整的环。此环是用埋弧焊的方法以较大的钟形焊缝焊接在转子上。经消除应力热处理后将整个轮的部分加以车削，同时钟形焊缝的根部中有产生裂缝的倾向，则可以加以清除。

所有围带用此方法加以焊接成组。这些组合的装配须避免由于喷咀射出的汽流而在其上产生振荡激发现象。这些组合每个均由三个，四个或更多的单个叶片构成的。但他们并不是在围带上焊接在一起的。

为获得一个闭合的环，每个叶片或每组叶片必须在它们的根部区域中焊接在一起。为此，使根部平台（root    platform）之径向尺寸大于围带的尺寸。焊缝不可超出形成流线边界的根部平台的壁。因此叶片根部上的焊缝的根部区域通过钻凿其圆盘的边缘而消除掉。如此获得经焊接的控制轮的外貌特征。

现所使用的材料（例如X22    Cr    Mo    V121）是难以进行焊接的。然而，具有与母材相同强度及韧性之焊接接头仍须加以生产。为此，焊接材料须可加以热处理。所使用的焊接材料，它是具高含碳量，因而不致变为二相性的，然而与低合金钢一样，在预热至300℃左右时，它不会有缓慢的相变的性能故仍然是奥氏化的且只能用冷却法进行相变。基此原因，控制轮通常是在焊接完毕后加以冷却以便所需的变相过程发生。易脆的马氏体结果可用退火的方法使之更可延伸且增加韧性。

这种解决方法的缺陷是在上述的冷却阶段中焊接接头上可能出现裂缝，虽然用更低的温度来冷却会使变相进行的更好，同时使继而进行的退火处理可大大改进其伸延性。但发生裂缝的危险性却显著地增加。基于此理由，至今日为止尚未能将围带焊接在一起而形成封闭式的环。

另一缺陷，实事上可以见到在根部板上的焊缝根是无法加以检验的。为了安全，至少须对可能有裂缝的焊缝根进行钻凿工作。

本发明的目的是提供一种制造蒸气涡轮机中高压转子控制轮的方法， 在该方法中，蒸气涡轮机中的单个叶片通常是由坚硬的材料，最好是耐热的高合金铬钼钒钢，经机加工而制成的，这些叶片首先排好在一起，形成一个环，并在其根部平板及围带上加以焊接，经热处理，机械加工和检验工序后，将此环焊接在转子的相应圆盘上。所有单个叶片是在根部平板和围带上和其邻近的叶片焊接，以形成一个各边闭合的环。在该控制轮中，包含着由单个叶片装配成的一个环，在这些叶片的围带和根部平板上有对接接头，为避免成组，把每一单个叶片在围带和根部平板上与其邻近的叶片焊在一起。因此，这种生产方法，甚至在此控制轮中有槽口出现的情况下但出现裂缝的危险性可以降至最低。因而可以生产出能同时最好地承受因蒸气压力和离心力以及因其叶片的几何形状和数量所造成的极高的负荷的一种控制轮。

而易于对叶片根部上的焊缝进行检验的事实，可认为是一个独有的优点。

根据本发明的控制轮的三个实施例在附图中用图样加以显示出来，其中

图1表示包含着四个叶片的环段之透视图。

图2表示第一种焊接形式的侧视图。

图3表示待焊接的环的局部视图。

图4表示焊接于转子上的一个环的局部视图。

图5表示经机械加工后的叶轮之局部视图。

图6表示第二种焊接形式的侧视图。

图7表示经第三种焊接形式的焊接环的局部视图。

在各图中，只有那些对了解本发明有重要意义的部分，才对相同的元件采用相同的符号来表示。因此以整个蒸气涡轮机中的高压转子的全貌为例，没有在图中显示出来。

在图1中控制轮只是部分地显示出来。它包含着一个各向都闭合的、 由单个叶片焊接在一起的环。这些单个的叶片各具有叶片翼1、围带2和根部平板3，它们通常是用坚硬的材料进行机械加工而制成的。在目前的情况下，这些材料是可以加以热处理并具耐热性能的高合金铬钼钒钢，例如属德国工业标准DIN17240的X22Cr    Mo    V121。

围带2及根部平板3各有两个焊接坡口4。此坡口将用横向焊缝5来进行填补。

焊缝的制备在图2中是可以看到的。焊接坡口4的侧面6是V型的。当然，同样也可用U型或其他适用形状的侧面。各侧面6延伸到焊接钝边7形成一种对接接头13。此焊接钝边7的位置是在围带2的底部8面向叶片翼1的位置上，或在根部平板上的钝边，则在其顶部12的位置上。（图1）

底焊缝9为一种由钨极惰性气体保护焊方法（TIG）加上添加材料焊成的焊缝。为使附图更易于理解，图中焊接钝边7是在底焊缝未加以焊接前的状态下显示来的。很明显，在焊接过程中这些钝边会至少发生部分熔化而凝固后形成焊缝根部。因各焊接钝边的位置是在平板之最外末端。因此，所形成的焊缝根部易于相继对之进行机械加工和检验。

填充焊缝11是用涂药皮焊条用手工焊接法进行焊接的。这是由于焊道是从一个向另一个侧面6交替涂敷上去因此最后是彼此连接起来了。

图3概括地显示出将单个叶片焊接成一整体的方法。将各叶片装配起来以形成一个环。利用定位焊缝14，把焊接环15在叶片的两侧上气密地焊接起来，这是因为底焊缝的焊接是在有保护气体之情况下进行的。

然后用图2中所述，将底焊缝及整个焊缝进行焊接，各叶片与其相邻的叶片在围带2与根部平板3之间被焊接起来，从而形成一个闭合环。然后对经完全焊接后的控制轮进行热处理。

一旦焊接工序结束后，此控制轮须即刻从其焊接温度加温到其退火 温度（约700℃）。在退火阶段等温变相发生在焊缝及热影响区域内。在这阶段中产生的颗粒结构并无技术上的应用价值。然而，由于转相应力在700℃时是较低，因此在此阶段没有出现裂缝的危险性;焊接应力下降了;其延伸性也较马氏体的为好。退火过程完毕后，将控制制轮在空气中进行冷却。

包括着将控制轮焊接到转子17的圆盘16上所需要的一切必要的准备工作进行之后，机械加工工序即可进行。焊接环15被切断从而可使轮之端面加工至其尺寸。在图2中箭头10所指是一种值得提出的操作，即在箭头10所指出的，消除在围带上及根部平板上焊接接头的焊缝根部。这些焊缝根部和例如可能出现的任何隙缝则需进行诸如铣削而后磨光。这之后，就易于对它们进行常规的超声和磁粉检验。

待检验工作进行完毕后，紧接着就是进行热处理的阶段。为完成此要求，焊接环15需重新加以焊接以使达到气密。因为热处理过程中净化工作是进行在用诸如氩气作为保护气体中的。热处理过程本身包含着：首先是增硬过程，即在加热至1000℃以上后用压缩气体或喷雾方法进行冷却。其次是在大约700℃范围的热处理温度下的退火工序，继之将它与热处理炉一起冷却使其温度降低到室温为止。

热处理工序完成之后，将控制轮之根部部分全部车削以便将它焊接到转子17的圆盘16之上。图4所示的焊接法是利用埋弧焊接法在一个大钟形缝槽上进行焊接的。

经完全机械加工的轮的部分如图5所示，在此轮上由转子向着叶片的过渡处其两边都加以磨光。须注意具有出现裂缝倾向的钟形焊缝18的焊缝根应先加以清除。如此控制轮与转子就可构成不可分割的单元了。

图6所示的焊接形式，其优点在于用来连接围带与根部平台板的横向接头可保持到较小程度。

在这情况下，由坯料经机械加工后的叶片相对而言是比较薄的，其 厚度可达4mm，各根部平板和围带经焊接在一起后形成狭窄的带环。这情况显示，此横向接缝是由一个用（TIG）钨极惰性气体保护焊方法焊接的底焊缝9和一个用手工进行的具有几个层面的填充焊缝而构成的。焊接层面19是用埋弧焊接法在控制轮的周界的方向上，对平板的整个宽度的范围内进行堆焊而获得的。此时如用自动焊接则最好。故此获得使围带和根部平板之高度可以任意增加的一种方法。由于手工焊接的工序减少了，其结果将允许取得更佳的质量。

在一定情况下，甚至可以无需先得到以手工及用涂药皮焊条焊接而成的焊层11，意即可以将边缘焊层19直接焊接在用钨极惰性气体保护焊方法（TIG法）法焊接的底焊缝9上。

当然，本发明并不将其解决办法局限在这一点上。除了按图2和6安排的用钨极惰性气体保护焊方法（TIG法）焊接的底焊缝，将围带和/或根部平板连接起来的方法，第一步是可以使用电子束，等离子体束或激光束焊接方法进行的。但在这样做时，其待焊的对接接头会有相应的不同状态。

图7显示出一个变型的实施方案。在此形式中围带2及根部平台3′是用电子束焊接法在对接接头13的整个径向范围内进行焊接。此情况下，根部平台3′虽具有极大的厚度，但与图6中的围带2′一样也形成一个狭窄的带环，也是用埋弧焊接法取得了一个周界上的复盖层19。

Claims (5)

1、一种准备焊接在一部蒸气涡轮机中的高压转子上的控制轮，包含着由单个叶片装配成的一个环，而在这些叶片的围带(2)和根部平板(3)上提供着焊接坡口(4)，围带(2)上的焊缝制备包含着一个V形坡口或U形坡口，并延伸到焊接钝边(7)以形成对接接头(13)，此接头的焊接钝边直接位于围带(2)的一个面(8)上，面向叶片翼(1)，其特征在于：

在根部平台(3)上的焊接坡口延伸到焊接边缘(7)以形成对接接头(13)，此接头的焊接钝边直接位于根部平台(3)的一个边(12)上，面向叶片翼(1)，

为避免成组把每个单个叶片在围带(2)上和在根部平台(3)上，与其邻近的叶片焊接在一起。

2、根据权利要求1所述的控制轮，其特征在于：其各单个叶片的围带（2′）和/或根部平台（3′）在其径向上包括狭窄的带环，它是由坚硬材料构成的，通常和叶片翼一起以机械加工法制成一个狭窄的带环，并在这狭窄的带环（焊接成一个环）上堆焊一层任意厚度的焊层（19）。

3、一种制造蒸气涡轮机中高压转子的控制轮的方法，在该蒸气涡轮机中其单个叶片通常是由硬的材料，最好是耐热的，高合金铬钼钒钢经机械加工而制成的，这些叶片首先是排放在一起形成一个环，并在其根部平板（3）及其围带（2）上加以焊接，最后将该环焊接在转子（17）的相应圆盘（16）上，其特征在于：

所有单个叶片是在根部平板（3）和围带（2）上和其邻近的叶片焊接，以形成一个各边闭合的环，其叶片是在其对接接头上（13）用电子束等子体束或激光束等焊接方法，在用或不用添加材料的情况下进行焊接，

该环焊接好之后，不经冷却而加热至退火温度，使焊接材料和热影响区发生等温相变，

经机械加工和检验后，将该环进行热处理，由此方法获得的焊接接头与其母材有相同的性质。

4、根据权利要求3所述的方法，其特征在于：其叶片是在其对接接头（13）上用电子束，等离子体束、激光束或氩弧焊等焊接方法用或不用添加材料的情况来焊接底焊缝（9），然后在焊接坡口（4）的侧面（6）上焊接，例如使用涂药皮焊条的手工焊接，焊接坡口是由两侧面的多层焊道交替叠加形成的填充焊缝（11）连接在一起的。

5、根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于：将根部平台和围带焊接完毕后，对后者用埋弧焊接法在控制轮的周界方向上焊上几层焊道层，用以增加后者的径向区域。

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