CN102086782B - 蒸汽涡轮机转子 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及蒸汽涡轮机转子，具体而言，涉及连接的转子和用于其连接的方法，该转子包括主连接和锁定构件。该主连接包括螺旋地插入形成在相邻转子段中的内螺纹腔(22)的螺纹凸台(12)。通过至少一个锁定元件(35)锁定主连接以防止旋松，该锁定元件(35)部分地位于第一转子段(10)和第二转子段(20)二者中，在径向上或轴向上不完全穿过任何一个转子段(10，20)。此布置使连接能够锁定在最优的扭矩点上。

Description

蒸汽涡轮机转子
技术领域
本公开涉及适于在高于600℃的温度下运转的分段式高温蒸汽涡轮机转子。更具体地，本公开涉及转子段连接系统以及锁定该连接系统的锁定系统。
背景技术
典型的蒸汽涡轮机转子暴露于沿其轴向长度的不同条件下。由于没有一种材料对于不同的条件是最优的，因而需要从各自由不同材料制成的段组装转子。为了从段形成完整的转子，段典型地必须被连接。
连接转子段的一种方法是通过焊接。然而，一些材料难于或不可能被焊接。在这种情况下，要么必须选择不同的材料，要么提供备选的连接方法。一种备选的连接方法涉及螺栓的使用。欧洲专利EP 1378629 A1提供了一个示例，此处一种方法涉及将高温蒸汽涡轮机的铸造段单独地用螺栓连接在一起。由于螺栓暴露于连接的全应力下，需要相当数目的螺栓来维持连接完整性。
在DE 343462C中公开了一种备选的连接方法。该方法涉及通过螺纹连接带螺纹的凸台来连接转子段，该螺纹凸台自一个段延伸入相邻段的内螺纹腔中。为了防止连接的段因变化的弯曲应力和振动而轴向地分离，锁定元件横向地穿过凸台和相邻的盘，以便延伸通过转子的完整直径。在一个布置中，提供了两个元件。这些元件彼此成90°角布置，并垂直于转子轴线。
当该方法应用于大型蒸汽涡轮机时，由于转子尺寸和锁定元件的长度需求，用于锁定元件的通过转子的腔的预钻孔典型地需要在转子段的制造期间实施。由于在构成连接之前几乎不可能预先确定用于锁定腔的最优位置，不可避免地导致连接的扭矩过小(under torquing)。结果，锁定元件必须设计成承受所需的连接力的一部分，增加它们的尺寸并进一步使设计复杂化。
发明内容
一个方面提供了一种具有高温蒸汽涡轮机的锁定转子段的转子以及用于锁定高温蒸汽涡轮机的转子段的方法，这些转子段由单个螺钉构件连接。该转子和方法克服或至少改进了已知锁定系统的一些缺点。
此问题由本发明的一个主要方面解决。本发明还提供了有利的实施例。
一个方面提供一种方法以将蒸汽涡轮机的第一和第二轴向邻接转子段锁定在一起，该蒸汽涡轮机构造成在高于600℃的温度下运转，其中，转子段通过主连接系统连接在一起。该主连接系统包括：螺纹凸台，其自第一转子段轴向地延伸并与该第一转子段同中心；以及第二转子段中的内螺纹腔，该内螺纹腔构造成螺旋地容纳凸台。该方法包括如下步骤：
a)形成第一锁定腔，该第一锁定腔与转子的转动轴线是不同心的并适于容纳穿过其中的锁定元件，其中，该第一锁定腔形成为通过其中一个转子段到达转子段表面，该转子段表面构造成在两个转子段被连接时至少部分地接触另一个转子段的转子段表面；
b)在步骤a)之前或之后，通过主连接系统将转子段螺纹地连接在一起；
c)在步骤a)和步骤b)之后从仅部分地延伸入另一个转子段中的第一锁定腔形成第二锁定腔；以及
d)在步骤c)之后将锁定元件插入第一锁定腔，使得锁定元件部分地置于第一锁定腔和第二锁定腔两者中，进而形成防止主连接系统旋松的锁定系统。
由于第二锁定腔仅部分地在转子段中延伸，因而它相对容易形成，并且因此可在构成主连接之后形成。这使转子段能够被锁定在最优的扭矩点。
另一个方面提供三个第一和第二锁定腔，三个锁定元件插入在其中。此布置提供增强的能力，以平衡连接的转子段。
另一个方面提供由上述方法连接的邻接转子段。
本发明的其它方面和优点从结合附图的以下描述将变得显而易见，其中，通过图示和示例公开了本发明的实施例。
附图说明
通过示例，本公开的实施例参考附图在下文中得到更完整的描述，其中：
图1是配置有主连接系统和锁定系统的高温蒸汽涡轮机转子的转子段的示例性实施例的示意图；
图2是图1的其中一个转子段的示意性端视图；
图3是由与图1相同的主连接系统以及备选的示例性锁定系统连接的转子段的示意性视图；
图4是图3的其中一个转子段的示意性端视图；以及
图5是图1或图3的示出轴向隔离件的放大视图部分V。
部件列表
参考标号 部件
10 转子段
12 螺纹凸台
15 端面
20 转子段
22 内螺纹腔
30 锁定腔
32 锁定通道
35 锁定元件
37 径向隔离件
38 轴向隔离件
40 叶片承载槽
AD 轴向方向
具体实施方式
现在将参考附图描述本公开的优选实施例，其中，相似的参考标号用来表示相似的部件。在下面的描述中，为了解释目的，提出了许多具体细节以便提供对本公开的彻底理解。然而，明显的是，本公开可在没有这些具体细节的情况下实践。在其它情况下，以简化形式示出公知的结构、装置或特征，以便于描述本公开。
图1仅示出了适合在大于600℃的温度下运转的蒸汽涡轮机的多段转子的两个转子段10、20。示出的是被主连接系统连接在一起的第一转子段10和第二转子段20，以便共享公共的转动轴线。在整个此说明书中，“主连接”被限定为使用已知方法设计成提供所需的连接强度的连接。结果，不需要附加的连接构件来提供额外的连接强度，但为了其它目的可能需要附加的连接构件。
在一个示例性实施例中，主连接系统包括螺纹凸台12，该螺纹凸台12自第一转子段10的端面15轴向地延伸，并具有与转子段10、20的转动轴线同中心的轴线。
轴向地置于第一转子段10附近的第二转子段20包括相应的内螺纹腔22，螺纹凸台12螺旋地容纳在该内螺纹腔22中。螺纹凸台12进入内螺纹腔22的螺旋容纳形成主连接。主连接的示例性实施例示出在图1和图3中。
为了防止例如因为转子的热循环或负载变化而引起的主连接系统的松开或旋松，一个示例性实施例提供了锁定系统。锁定系统的目的在于维持主连接系统的位置而不对连接力造成影响。在图1中所示的一个示例性实施例中，锁定系统包括延伸通过第一转子段10的第一锁定腔30和部分地延伸入第二转子段20的第二锁定腔30。本说明书中的“通过”意味着转子段10、20的两个表面之间。例如，在图1所示的在转子段10的两个端面15之间延伸的锁定腔30以及在图3中在转子段20的外表面到内螺纹腔22之间延伸的锁定腔30各示出了延伸“通过”转子段10、20的锁定腔30的示例。这样，“通过”不同于“部分地进入”的延伸，在“部分地进入”的延伸中延伸仅从一个表面开始并内部地终止于转子段10、20内的空白处。
如图1和图2中所示，锁定腔的不同心的位置使插入的锁定元件35能够锁定转子段10、20。插入使得锁定元件35至少部分地延伸入两个锁定腔30内。这在锁定腔30通过第一段10和第二段20的相对转动定位对齐时发生，以便它们形成连续的锁定通道32。锁定元件35典型地为螺栓、销或其它等效的元件。这样，锁定系统适于防止主连接装置的旋松。在未示出的示例性实施例中，锁定腔30自转子段10、20的转动轴线倾斜。
在一个示例性实施例中，图3中所示的具有孔的径向隔离件37位于第一转子段10和第二转子段20的表面之间，使得锁定元件35穿过孔。径向隔离件37的使用不限于图3中所示的实施例，并且也能配合图1中所示的实施例或者其它可想到的实施例一起使用。备选地，图3中所示的实施例可没有该特征而实践。对于其中第一段10和第二段20的热膨胀系数不同的布置，径向隔离件37提供了在温度变化期间，例如涡轮机的启动或关机期间，使锁定元件35在锁定通道32内的松弛最小化，从而限制锁定元件35的松开或旋松可能性的手段。
图3进一步示出了示例性实施例，其中，其中一个锁定腔30仅部分地延伸入第一转子段10的螺纹凸台12，并从外表面延伸通过第二转子段20到达内螺纹腔22。例如通过第一转子段10和第二转子段20的相对转动位置的锁定腔30的对齐形成锁定通道32，锁定元件35可插入到锁定通道32中，从而提供与图1相同的锁定功能。
在此示例性实施例的另一个方面，第二转子段20中锁定腔30从其开始延伸的外表面是叶片承载槽40的内表面，如图3中所示。在运转中，叶片根部典型地覆盖此表面，并因而通过该方式可避免与锁定腔30相关的空气动力学损失。依赖叶片承载槽40的位置，对于锁定通道32优选的是其成角度地自转子的转动轴线的垂线偏离。这部分地由以下事实而成为可能，即第二锁定腔30仅部分地延伸入第一转子段10，并从而通过在插入锁定腔30期间使锁定元件35置于叶片承载槽40内的几何约束最小化而减少锁定元件35的期望长度。
在另一个示例性实施例中，三对锁定腔30形成三个相应的锁定通道32。图2和图4中示出了此类布置。优选地仅具有三个锁定通道32，因为此布置使得更易于平衡转子，然而也可能提供不同数目的锁定通道32。优选地，如图2和图4中进一步所示，如果锁定腔32均匀地周向分布在转子段10、20的周围，则进一步增强了平衡。
图5为两个相邻转子段10、20的连接区域的放大视图，其示出了两个转子段10、20之间的轴向隔离件38的位置。在一个示例性实施例中，轴向隔离件38包括单件，而在另一个示例性实施中，轴向隔离件38包括多于一个件，例如两个半环。轴向隔离件38在轴向方向AD上具有厚度，由具有不同于转子段10、20的材料的那些热膨胀特性的热膨胀特性的材料制成。隔离件的目的是不受相邻转子段10、20的热膨胀和/或收缩的影响而确保主连接系统在轴向方向AD上一致的螺旋力。在其中例如热膨胀可导致主连接的过度紧固的一个示例性实施例中，轴向隔离件38具有低于转子段材料的热膨胀系数。在其中例如热收缩可导致主连接的过度紧固的示例性实施例中，轴向隔离件38具有高于转子段材料的热膨胀系数。在每种情况下，为了确保轴向隔离件38的正确功能，轴向隔离件38材料和径向厚度必须考虑主连接的构造、转子段10、20的材料以及转子段10、20可暴露的温度范围进行选择。
一种示例性方法提供了一种用于将蒸汽涡轮机的两个轴向相邻转子段10、20连接在一起的方法，该蒸汽涡轮机构造成在大于600℃的温度下运转。例如在图1至5中示出了此类段。转子段10、20具有主连接系统，该主连接系统在第一转子段10中包括螺纹凸台12，并在第二转子段20中包括内螺纹腔22，螺纹凸台12自其中一个转子段10、20轴向延伸且与转子的转动轴线同心。该内螺纹腔构造成螺旋地容纳螺纹凸台12。该方法包括形成与转子的转动轴线不同心的第一锁定腔30，其适于容纳贯穿其中的锁定元件35。腔30形成为通过其中一个转子段10、20到达转子段表面，该转子段表面构造成在转子段10、20被连接时至少部分地接触另一个转子段10、20的转子段表面。例如，此类表面可以是图1中所示的转子端面15，或如图3中所示的内螺纹腔22的内表面。由于在形成第一锁定腔30之前没有需要转子段10、20被连接的特殊对齐需求，因而形成可在连接之前或之后发生。
在形成第一锁定腔30的步骤之前或之后，两个转子段10、20通过主连接系统被连接在一起。在一个示例性实施例中，为了减少在连接之后主连接系统的松弛以及从而最小化主连接的松动，在构成最终连接之前，至少两次形成和断开主连接。
一旦所描述的第一锁定腔30的连接以及形成步骤均被完成，例如通过将钻头穿过第一锁定腔30而从所获得的第一锁定腔30形成第二锁定腔30。这确保了第一和第二锁定腔30的对齐。在一个示例性实施例中，第二锁定腔30被形成以便部分地延伸入其它转子段10、20，从而在另一个转子段10、20中终止。由于第二锁定腔30不穿过任何一个转子段10、20，可相对快速而轻易地形成第二锁定腔30，并从而克服在构成主连接之后形成局部腔30的实际困难。在该点形成第二锁定腔30使转子段10、20能够在主连接的最优扭矩点处锁定在一起。
最后的步骤包括将锁定元件35插入锁定腔30，使得锁定元件35部分地置于第一锁定腔30和第二锁定腔30二者之内。这样，锁定元件35防止主连接系统的旋松。在一个示例性实施例中，锁定元件的插入包括插入通过具有孔的径向隔离件37，该隔离件37位于第一转子段10和第二转子段20之间。
在包括轴向隔离件38的一个示例性实施例中，该方法包括在第一转子段10和第二转子段20的之间轴向地构造主连接之前转子空间的适配。
本发明可作为转子翻新过程的一部分实施。在这种情况时，形成本发明一部分的不同部件可通过改进现有部件而产生。因此，在本公开的背景下，提供本发明的特征包括改进和原始创造。
尽管在本文已经以被认为是最实际的示例性实施例显示和描述了本公开，但本领域技术人员应当了解的是，本发明可以其它特定的形式体现。因此，当前所公开的实施例在所有方面都被认为是说明性的而非限制性的。本发明的范围由所附权利要求表示，而非由前文的描述以及落在意义和范围内的所有变化所表示，其等价物意在被包括在其中。

Claims (15)

1.一种用于将在大于600℃下运转的蒸汽涡轮机的轴向邻接的第一转子段(10)和第二转子段(20)锁定在一起的方法，所述方法包括提供：
具有螺纹凸台(12)的第一转子段(10)，所述螺纹凸台(12)自所述第一转子段(10)轴向延伸，并与所述第一转子段(10)的转动轴线同中心；以及
具有内螺纹腔(22)的第二转子段(20)，所述内螺纹腔(22)构造成螺旋地容纳所述螺纹凸台(12)；
其中，所述螺纹凸台(12)和内螺纹腔(22)包括主连接的部件，
所述方法的特征在于如下步骤：
a)与所述蒸汽涡轮机的转子的转动轴线不同心地形成第一锁定腔(30)，所述第一锁定腔(30)适于容纳穿过其中的锁定元件(35)，其中，所述第一锁定腔(30)形成为通过其中一个所述转子段(10,20)到达转子段表面，所述转子段表面在形成主连接时至少部分地接触另一个转子段(10,20)的转子段表面；
b)在步骤a)之前或之后，通过将所述螺纹凸台(12)和内螺纹腔(22)螺旋地连接在一起而形成所述主连接；
c)在步骤a)和步骤b)之后自所述第一锁定腔(30)形成第二锁定腔(30)，所述第二锁定腔(30)部分地延伸入另一个转子段(10, 20)，以便在所述另一个转子段(10, 20)中终止；以及
d)在步骤c)之后将锁定元件(35)插入所述第一锁定腔(30)，使得所述锁定元件部分地位于所述第一锁定腔(30)和第二锁定腔(30)二者之内，进而形成防止主连接系统旋松的锁定系统。
2.2．如权利要求1所述的方法，其特征在于：
在步骤a)中，形成三个第一锁定腔(30)；
在步骤c)中，形成三个第二锁定腔(30)；以及
在步骤d)中，插入三个锁定元件(35)。
3.3．如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤b)包括在构成最终连接之前形成和中断所述主连接至少两次。
4.4．如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，步骤b)还包括：在形成所述主连接的同时在所述第一转子段(10)和所述第二转子段(20)之间轴向地安装轴向隔离件(38)。
5.5．如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，步骤d)包括：将具有孔的径向隔离件(37)块置于第一和第二转子段的表面之间，使得所述锁定元件(35)穿过径向隔离件孔。
6.6．一种用于在大于600℃下运转的蒸汽涡轮机的轴向转子，其具有第一转子段(10)和第二转子段(20)，其中，
所述第一转子段(10)具有：
端面(15)；以及
螺纹凸台(12)，其自所述端面(15)轴向地延伸并与所述第一转子段(10)同中心；
定位成轴向地邻接所述第一转子段(10)的所述第二转子段(20)具有：
所述螺纹凸台(12)螺旋地容纳在其中的内螺纹腔(22)，以便在所述第一转子段(10)和所述第二转子段(20)之间形成主连接系统；
用来防止所述主连接系统的旋松的锁定系统，包括：
第一和第二锁定腔(30)，其分别在所述第一转子段(10)和所述第二转子段(20)中延伸，与转子轴线是不同心的并布置成对齐，以便形成锁定通道(32)；以及
所述锁定通道(32)中的锁定元件(35)，其部分地延伸入所述第一和第二锁定腔(30)，以维持所述第一和第二锁定腔(30)的对齐；
所述转子的特征在于，其中一个锁定腔延伸通过其中一个转子段(10,20)，并且另一个锁定腔(30)部分地延伸入另一个转子段(10,20)，以便在另一个转子段(10,20)中终止；
其中，所述第二锁定腔(30)自叶片承载槽(40)延伸。
7.7．如权利要求6所述的转子，其特征在于，所述第一锁定腔(30)仅部分地延伸入所述第一转子段(10)。
8.8．如权利要求7所述的转子，其特征在于，在所述第二转子段(20)中具有用于容纳叶片根部的叶片承载槽(40)，其中，所述第二锁定腔(30)自所述叶片承载槽(40)延伸。
9.9．如权利要求7所述的转子，其特征在于：
所述第二锁定腔(30)也自所述内螺纹腔(22)的表面延伸；以及
所述第一锁定腔(30)延伸入所述螺纹凸台(12)。
10.10．如权利要求6所述的转子，其特征在于，所述第二锁定腔(30)仅部分地延伸入所述第二转子段(20)。
11.11．如权利要求10所述的转子，其特征在于，所述第一锁定腔(30)延伸通过所述第一转子段(10)。
12.12．如权利要求6至11中任一项所述的转子，其特征在于，所述转子包括三个第一锁定腔(30)和三个第二锁定腔(30)。
13.13．如权利要求6至11中任一项所述的转子，其特征在于，所述第一和第二锁定腔(30)自转子转动轴线及其垂线成角度地偏离。
14.14．如权利要求6至11中任一项所述的转子，其特征在于，具有孔的径向隔离件(37)位于所述第一转子段(10)和所述第二转子段(20)之间，使得所述锁定元件(35)穿过所述径向隔离件(37)的孔。
15.15．如权利要求6至11中任一项所述的转子，其特征在于，轴向隔离件(38)轴向地位于所述第一转子段(10)和所述第二转子段(20)之间。
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