CN101936189A

CN101936189A - 涡轮机转子

Info

Publication number: CN101936189A
Application number: CN2010102206956A
Authority: CN
Inventors: 西冈映二; 新井将彦; 土井裕之
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2009-06-30
Filing date: 2010-06-29
Publication date: 2011-01-05
Also published as: JP2011012549A; US20100329849A1; US8596982B2; JP5193960B2

Abstract

本发明提供容易制造、耐用温度高的涡轮机转子。另外，本发明提供高效率的蒸汽涡轮机发电设备。本发明的涡轮机转子包括转子轴、与所述转子轴构成一体的内侧转子盘、经由焊接金属部焊接在所述内侧转子盘并具有用于固定动叶的结构的外侧转子盘。外侧转子盘具有贯通其厚度的在轴向延伸的冷却孔是理想的。

Description

涡轮机转子

技术领域

本发明涉及涡轮机转子。

背景技术

对节能化和环境保护、特别是对降低CO₂的关注正在提高，对于蒸汽涡轮机发电设备希望的是大容量化和热效率提高。热效率提高是通过提高蒸汽的温度和压力来实现的，将来力争更加高温化。高压涡轮机的初段叶片是旋转体部件中最初暴露于蒸汽的部件，必须保证对最高温高压蒸汽的耐久性、特别是强度可靠性。

当主蒸汽温度超过650℃时，对于现有的把铁作为主成分的材料，高温强度、特别是蠕变强度急剧降低。以往，有通过旋转体的冷却等对应高温蒸汽的对策。在日本特开2004-239262号公报、日本特表2002-508044号公报(专利文献1、2)中，记叙了设置从转子轴的轴中通往盘间的冷却孔、在其中流通冷却介质来冷却转子的方式。在日本特开平7-145707号公报、日本特开平7-42508号公报(专利文献3、4)中，记叙了在转子盘的根部设置冷却孔进行冷却的方式。在日本特开2004-169562号公报(专利文献5)中，记叙了利用耐热性高的Ni基超合金制作转子的方案。

专利文献1：日本特开2004-239262号公报

专利文献2：日本特表2002-508044号公报

专利文献3：日本特开平7-145707号公报

专利文献4：日本特开平7-42508号公报

专利文献5：日本特开2004-169562号公报

为了在轴向冷却转子轴内部，必须要有贯通转子轴的冷却孔。因为转子轴的轴长达到数米，所以设置冷却孔需要劳力和成本。另外，在转子盘的内部或根部设置冷却孔的情况下，转子盘的根部处的温度降低，但转子盘的中央部或外周部的温度却难以降低。

另外，Ni基合金是耐用温度高、但难以制造大型钢件的材料，涡轮机转子整体要用Ni基合金制造是困难的。另外，也存在价格高的问题。

发明内容

因此，本申请发明的课题在于提供具有高耐用温度且制造容易的涡轮机转子。

为了上述解决课题的本发明的特征在于，本发明的涡轮机转子包括转子轴、与所述转子轴一体化的内侧转子盘、经由焊接金属部焊接在所述内侧转子盘并具有用于固定动叶的结构的外侧转子盘。

在外侧转子盘是Ni基超合金材料的情况下，内侧转子盘是12Cr钢等高铬钢材料或者CrMoV钢等低合金钢的材料是理想的。或者，外侧转子盘是包含12Cr钢的高铬钢材料的情况下，内侧转子盘是包含CrMoV钢的低合金钢是理想的。

进而，外侧转子盘具有贯通其厚度的在轴向延伸的冷却孔是理想的。设于外侧转子盘的冷却孔的剖面形状是圆或者椭圆是理想的。另外，其大小在内周侧比外周侧小是理想的。另外，与内侧相比在外侧分布密是理想的。进而，冷却孔不在与其他冷却孔排列在沿半径方向延伸的一条直线上是理想的。

如上所述，可提供耐用温度高、可容易制造的涡轮机转子。另外，因为可对应蒸汽的高温化，所以有助于蒸汽涡轮机发电设备的高效率化。

附图说明

图1是实施例1的涡轮机转子的剖视图。

图2是涡轮机转子焊接装置的示意图。

图3是表示实施例1的涡轮机转子焊接工序的流程图。

图4是实施例1的焊接部附近的示意图。

图5是实施例1的转子盘36的横剖面示意图。

图6是实施例2的涡轮机转子的剖视图。

图7是表示实施例2的涡轮机转子焊接工序的流程图。

图8是实施例2的焊接部附近的示意图。

图9是实施例2的转子盘36的横剖面示意图。

图10是比较例的转子盘36的横剖面示意图。

图11是表示实施例2的冷却孔的示意图。

图12是表示实施例3的冷却孔的示意图。

图13是表示实施例4的冷却孔的示意图。

图14是表示实施例5的冷却孔的示意图。

图15是表示实施例6的冷却孔的示意图。

附图标记说明

1、2涡轮机转子，6焊接部，8涡轮机转子焊接装置，9电极，10焊矩，11焊接金属丝，12臂，13焊接电源，14储气瓶，15涡轮机转子旋转装置，16焊接金属丝进给装置，17输电线，18气体软管，19电线，20旋转信号线，21进给信号线，30焊接坡口，35外侧转子盘，36内侧转子盘，37转子轴，38焊接金属，39冷却孔，40动叶。

具体实施方式

把转子盘分为外侧和内侧，经由焊接金属部通过焊接而一体化，在外侧的转子盘设置在轴向延伸的贯通孔。其结果，贯通孔成为冷却孔。通过把贯通孔设于焊接金属部的外侧，可冷却贯通孔部分的周围，在外侧转子盘的外周侧成为高温的情况下，也不会使焊接金属部或内侧转子盘、转子轴的温度上升。因此，与高温蒸汽直接接触的外侧转子盘相比，可把在高温下的耐久性低的材料适用于内侧转子盘、转子轴。

例如，在使用Ni基合金制的外侧转子盘的情况下，作为内侧转子盘、转子轴，可以使用Fe基耐热钢(12Cr钢等的高铬钢材料、CrMoV钢等的低合金钢材料)。通过形成这样的结构，能够在涡轮机转子中容易适用难以制造大型钢件的Ni基合金。另外，作为另一例，可以在外侧转子盘采用含有12Cr钢的高铬钢材料，在内侧转子盘采用含有CrMoV钢的低合金钢材料。

其结果，可对应高温的蒸汽，提高蒸汽涡轮机设备的效率。另外，与在转子轴上设置冷却结构的情况相比，加工容易，节省劳力、成本。进而，当考虑蒸汽涡轮机设备的蒸汽温度时，因为可以削减耐热性高的高级材料的使用量，所以在具有高耐用温度的同时，可以低成本地制造涡轮机转子，实现设备的低成本化。另外，因为可在高温下使用，所以有助于设备的高效率化。

至少需要在涡轮机转子的最高温侧(蒸汽流入侧)的转子盘上采用上述的结构。在后段侧，蒸汽温度充分低的转子盘不分割成内侧、外侧而做成一体，同时可省略高价的高温耐久性高的材料。

以下，利用具体的实施例详细说明用于实施本发明的涡轮机转子的最佳实施方式。

实施例1

用图1到图5对第一实施例进行说明。

图1是具有转子盘的高压蒸汽用的涡轮机转子的剖视图。具有外侧的转子盘35、内侧的转子盘36、转子轴37，外侧转子盘35和内侧转子盘36经由焊接金属38焊接固定连结而形成一体。在转子盘的外周侧，具有用于固定连结动叶的固定槽等的结构。

在本实施例中，因为外侧的转子盘35必须要有高温强度，所以使用Ni基合金材料。因为内侧的转子盘36越靠外侧就越不需要高温强度，所以使用较廉价的12Cr钢(高铬钢)。在本实施例中，内侧转子盘用12Cr钢与转子轴37构成为一体。焊接金属38可以根据所暴露的温度进行选择，在所暴露的温度接近外侧转子盘35的情况下使用Ni基合金的焊接材料，在接近内侧转子盘36的情况下使用高铬钢的焊接材料。

图2表示用于焊接涡轮机转子的涡轮机转子焊接装置的例子，是采用钨-惰性气体(TIG)焊接法的涡轮机转子焊接装置的示意图。涡轮机转子焊接装置8具有：安装电极9的焊矩10、形成焊接部6的焊接金属丝11、支承固定焊矩10及焊接金属丝11的臂12、向电极9供给规定值电流的焊接电源13、用于抑制焊接部6的氧化而供给从电极9周围喷射的惰性气体的储气瓶14、支承涡轮机转子1并使其旋转的涡轮机转子旋转装置15、以及把焊接金属丝11进给到焊接部6的焊接金属丝进给装置16。在电极9，安装来自焊接电源13的输电线17，从焊接电源13供给电流。在焊矩10，安装气体软管18用以从储气瓶14接受惰性气体的供给。在涡轮机转子1，为了在电极9和涡轮机转子1之间产生电弧而安装电线19。在涡轮机转子旋转装置15安装旋转信号线20，接受来自焊接电源13的控制信号而控制涡轮机转子旋转装置15的旋转速度及旋转方向。焊接金属丝进给装置16构成为接受来自进给信号线21的控制信号而控制焊接金属丝22的进给速度。

在本实施例中，除了图2所示的钨-惰性气体(TIG)焊接装置之外，作为焊接装置，可以适用采用了埋弧(SAW)焊接法、覆盖电弧焊接法、金属-惰性气体(MIG)焊接法或组合这些方法的焊接法的焊接装置。

另外，在图2中是垂直配置转子而向下进行焊接，但也可以把转子水平配置而在横向进行焊接。

图3表示把外侧转子盘35焊接在内侧转子盘36上的工序流程的一例。首先，在步骤102，把外侧转子盘35组装到内侧转子盘36上。其后，在步骤103，产生开始焊接工序的指示，此时，在步骤104，为了缓和焊接时的热应力而对转子进行预热。另外，在步骤105中，利用图2所示的涡轮机转子焊接装置进行焊接。在步骤106，为了使由本焊接进入焊接部6的热量均匀化而进行应力除去退火。在步骤107，进行焊接部6的焊接缺陷检查。在步骤108检测缺陷，进而在步骤109确认缺陷尺寸在机械强度方面不能容许，在该情况下，在步骤110切除焊接部6，进而在步骤111，对转子端面进行坡口加工。在步骤108没有检测出缺陷，或者在步骤109确认出容许缺陷尺寸，此时，进入步骤112而结束接合工序。

图4表示把外侧转子盘35焊接在内侧转子盘36以后的焊接部附近的纵剖面。图5的(1)是横剖面的示意图。在外侧转子盘35的外侧安装动叶40。在该例中，内侧转子盘36也与转子轴37构成为一体。外侧转子盘35与内侧转子盘36熔化焊接金属38而焊接固定连结。

另外，图5的(2)是转子盘的温度分布示意图。横轴表示温度，用虚线一并记载内侧转子盘36和外侧转子盘35的耐用温度。纵轴表示转子盘的位置，由虚线表示焊接金属38的位置。动叶40因为暴露于蒸汽中，所以成为高温。热量向着转子盘的根部方向而缓缓降低温度，同时进行传递。另外，存在转子盘的温度低于高铬钢的耐用温度的部位。该区域可以置换成由高铬钢制作的内侧转子盘36。由此，由廉价且容易制成大型钢件的高铬钢制作的内侧转子盘36可以继续适当运行。

这样，根据本实施例，因为在削减耐热性高的Ni基合金的使用量的同时，可对应于蒸汽的高温化，所以可同时实现设备的低成本化和高效率化。另外，在本实施例中使用内侧、外侧两个转子盘，但也可以分割成内侧、外侧及中间的三个以上的部位。

实施例2

使用图6到图11对第二实施例进行说明。图6是本实施例的高压蒸汽用的涡轮机转子的剖视图。本实施例如图6所示，在外侧转子盘35，设置在转子轴的轴向贯通的冷却孔39。其他与实施例1同样，所以省略具体说明而只记叙不同点。

图7表示在本实施例的涡轮机转子中、把外侧转子盘35焊接到内侧转子盘36的工序流程的一例。首先，在步骤201，进行在外侧盘35导入冷却孔39的加工。接着，在步骤202，把外侧转子盘35组装在转子盘36上。其后，在步骤203，产生开始焊接工序的指示，此时，在步骤204，为了缓和焊接时的热应力而对转子进行预热。另外，在步骤205中，用图2所示的涡轮机转子焊接装置进行焊接。在步骤206，为了使由本焊接进入焊接部6的热量均匀而进行应力除去退火。在步骤207，进行焊接部6的焊接缺陷检查。在步骤208检测缺陷，进而在步骤209缺陷尺寸在机械强度方面不能容许，此时，在步骤210切除焊接部6，进而在步骤211对转子端面进行坡口加工。在步骤208没有检测出缺陷、或者在步骤209确认出可容许缺陷尺寸，在该情况下，进入步骤212而结束接合工序。

图8表示焊接有外侧转子盘35的内侧转子盘36的焊接后的焊接部附近的纵剖面。图9的(1)是横剖面的示意图。在外侧转子盘35的外周侧安装动叶40。内侧转子盘36构成为与转子轴37成为一体。外侧转子盘35与内侧转子盘36熔化焊接金属38而焊接成一体。在外侧转子盘35设置冷却孔39，在轴向贯通外侧盘35。

图9的(2)是转子盘的温度分布示意图。横轴表示温度，用虚线一并记载内侧转子盘36和外侧转子盘35的耐用温度。纵轴表示转子盘的位置，由虚线分别从上依次表示冷却孔39的外周和内周、焊接金属38。图9(2)中的(a)是本实施例的转子盘的温度分布，(b)表示比较例。在(a)的本实施例中，动叶40因为暴露于蒸汽中，所以成为高温。热量向着转子盘的根部方向缓缓降低温度，同时进行传递。另外，热量由冷却孔39冷却，其温度梯度变得比外侧转子盘35中高。在此，在冷却孔39内周的温度低于内侧转子盘36的耐用温度。由此，由廉价且容易制造大型钢件的材料制作的内侧转子盘36可适当继续运转。另外，在(b)的比较例中，因为没有(a)那样的冷却孔39，所以温度梯度是不陡的状态，转子盘根部处的温度高于在内侧转子盘36材料所使用的廉价且容易制造大型钢件的材料的耐用温度。在该情况下，有必要增加高温强度高的外侧转子盘的范围，或是使用高价且难以制造大型钢件的材料制造涡轮机转子，或是采用其他的冷却机构。

图10的(1)是比较例的转子盘的横剖面示意图。与本发明实施例不同之处是，冷却孔39位于内侧转子盘36。另外，图10的(2)是转子盘的温度分布示意图。图9(2)中的(a)是本实施例，(c)表示比较例的一例。在(c)的比较例的情况下，与(a)的本实施例同样，热量由冷却孔39急速冷却。但是，在被冷却前，内侧转子盘36的温度有可能超过内侧转子盘36材料的耐用温度。在超过耐用温度的情况下，因为内侧转子盘36不能继续适当运行，所以冷却孔39设于外侧转子盘35是理想的。

在本实施例中，冷却孔设在以转子轴的轴为中心的同心圆上，但也可以不是同心圆状。对于后述的实施例也同样。在此，因为涡轮机转子是旋转体，所以形成为中心对称是理想的。

这样，根据本实施例因为可应对蒸汽的高温化，所以有助于设备的高效率化。进而，因为能削减耐热性高的高级材料的使用量，所以可降低设备的成本。

实施例3

用图11、图12对第三实施例的冷却孔的开口部形状、配置进行说明。在实施例2中说明了在周向设置一列剖面形状为圆形的贯通孔的例子。本实施例只是冷却孔39的形状与实施例2不同，其他的构成相同，所以省略部分说明。

图11表示冷却孔39的形状和排列的一例。通过把冷却孔39的形状形成为圆形，可以避免应力集中。冷却孔39的大小通过设为一定(均等)，可以抑制冷却效率的分散。另外，为了高效且在周向均等地冷却转子盘，冷却孔39的排列沿半径方向形成在一条直线上。

为了避免应力集中，冷却孔39的形状尽管不是四边形或三角形那样的角为锐角的形状，但也不一定必须是圆状。即，椭圆形也可以。例如，椭圆的形状可以是图12的(a)所示的在周向延伸的形式，或者是(b)所示的在半径方向延伸的形式。通过形成这样的椭圆形状，与圆形相比增加了贯通孔的开口面积，进一步提高了转子盘的冷却效率。

实施例4

用图13对第四实施例进行说明。本实施例是改变冷却孔39的大小地进行设置的例子。由于其他构成与实施例2及3相同，所以省略说明。

冷却孔39的大小可以根据转子盘的温度分布而进行改变。图13的(a)是表示在半径方向缓缓变小的例子的图。另外，图13(b)是周期性改变冷却孔39大小的例子。通过改变贯通孔的配置、大小，可以改变转子盘上的温度的分布。在从转子轴的轴观看时，使配置在内周侧的冷却孔的直径比配置在外周侧冷却孔小，可以在高温的外周侧使温度更为降低。通过这样考虑冷却效率来改进冷却孔39的大小，与均等的圆的情况相比，可以更为提高转子盘的冷却效率。

实施例5

用图14对第五实施例进行说明。本实施例是改变冷却孔39排列的例子。其他构成由于与实施例2至4相同，所以省略说明。

图14(a)的例子，是与在半径方向设置在一条直线上的图11的例子相比、在维持贯通孔间隔的状态下、使偶数列、奇数列相互不同地错开的例子。周期性地在半径方向的一条直线上设置贯通孔。当把排列在内周侧的冷却孔39的集合体定义为第一环、把排列在其外侧的冷却孔39的集合体定义第二环时，例如从轴中心观看，第一和第三环、第二和第四环分别位于不同的直线上。在把冷却孔配置在周上的情况下，因为规定周的冷却孔和其他周的冷却孔不配置在沿半径方向延伸的一条直线上，所以与图11的例子相比，更为增加了转子盘的冷却效率。

实施例6

用图15对第六实施例进行说明。本实施例是改变冷却孔39密度的例子。由于其他构成与实施例2至5相同，所以省略说明。

冷却孔39的相对内角的密度，在图11的例子中在外侧与内侧相同。图15是在温度高的外侧增加贯通孔的数量并增大面积、越靠温度低的内侧越减少贯通孔的例子。在图15中，冷却孔设置成多个周状，外周的冷却孔配置成比内周密。这样，根据转子盘上的部位，改变冷却孔39的密度，从而更为增加转子盘的冷却效率。

实施例7

对第七实施例进行说明。本实施例对变更转子盘部件的材料的例子进行说明。其他构成与实施例1同样，省略说明。

在实施例1中，外侧转子盘35的材料采用Ni基合金材料，内侧转子盘36的材料采用高铬钢。对于材料的耐用温度，Ni基合金最高，高铬钢、低合金钢依次变低。

进而，因为在实机中各部件都暴露于高温下，所以除了高温强度还必须考虑热膨张。对于热膨张系数，Ni基合金材料最大，低合金钢材料、高铬钢材料依次降低。在高温下使用不同材料的焊接材料时，以热膨胀的差小的材料为佳。这是因为，由于热膨胀的差，在焊接后或者运行中有在焊接部产生裂纹的可能。由此，在外侧转子盘35的材料采用Ni基超合金的情况下，内侧转子盘的材料采用低合金钢是理想的。

通过这样适当选定转子盘的材料，更为提高焊接部的可靠性。

实施例8

对第八实施例进行说明。本实施例对变更转子盘部件的材料的例子进行说明。其他构成与实施例1同样，省略说明。

在实施例1中，外侧转子盘35的材料采用Ni基合金材料，内侧转子盘36的材料采用高铬钢。但是，在蒸汽温度低的情况下，外侧转子盘35不一定必须采用Ni基合金材料。对于材料的耐用温度，Ni基合金最高，高铬钢、低合金钢依次降低。根据蒸汽温度，采用耐用温度比Ni基合金低的高铬钢材料是理想的。

本实施例是在外侧转子盘使用高铬钢材料、内侧转子盘36采用耐用温度更低的低合金钢材料的例子。高铬钢材料廉价，同时容易制造大型钢件。其结果，可以更容易提供转子盘。

Claims

1.一种涡轮机转子，该涡轮机转子具有转子轴和转子盘，所述转子盘具备用于紧固动叶的结构，其特征在于，

所述转子盘由外侧转子盘和内侧转子盘至少两个部件构成，所述内侧转子盘和外侧转子盘经由焊接金属部通过焊接而一体化。

2.如权利要求1所述的涡轮机转子，其特征在于，所述外侧转子盘具有在所述转子轴的轴向贯通的冷却孔。

3.如权利要求2所述的涡轮机转子，其特征在于，所述冷却孔的剖面形状是圆或者椭圆。

4.如权利要求2所述的涡轮机转子，其特征在于，所述冷却孔设置成周状，从转子轴的轴观看时，配置在内周侧的冷却孔的直径比配置在外周侧的冷却孔的直径小。

5.如权利要求2所述的涡轮机转子，其特征在于，所述冷却孔设置成多个周状，规定的第一周的冷却孔和与所述第一周的内侧或外侧邻接的第二周的冷却孔不配置在沿半径方向延伸的一条直线上。

6.如权利要求2所述的涡轮机转子，其特征在于，所述冷却孔设置成多个周状，规定的第一周的冷却孔配置成比设置在所述第一周的内侧的第二周密。

7.如权利要求1所述的涡轮机转子，其特征在于，外侧转子盘由Ni基合金构成，内侧转子盘是高铬钢材料或者低合金钢材料。

8.如权利要求1所述的涡轮机转子，其特征在于，外侧转子盘由Ni基合金构成，内侧转子盘是12Cr钢材料或者CrMoV钢材料。

9.如权利要求1所述的涡轮机转子，其特征在于，外侧转子盘由高铬钢材料构成，内侧转子盘是低合金钢材料。

10.一种蒸汽涡轮机，其特征在于，搭载有如权利要求1所述的涡轮机转子。