CN102606219A - 焊接转子及其生产方法以及具有焊接转子的蒸汽涡轮 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了焊接转子及其生产方法以及具有焊接转子的蒸汽涡轮。该焊接转子包括高压部段和中压部段。高压部段包括接合到低温材料部段的高温材料部段。

Description

焊接转子及其生产方法以及具有焊接转子的蒸汽涡轮
技术领域
本发明大体而言涉及蒸汽涡轮，且更特定而言涉及具有焊接转子轴杆的蒸汽涡轮(steam turbine)。
背景技术
典型蒸汽涡轮设施可配备高压蒸汽涡轮，中压蒸汽涡轮和低压蒸汽涡轮。每个蒸汽涡轮由适合于耐受该特定涡轮的操作条件、压力、温度、流率等的材料形成。
近来，蒸汽涡轮设施设计趋向于更大容量且设计了更高效率，其包括在一定的压力和温度范围内操作的蒸汽涡轮。这些设计包括整合为单件且对于每个蒸汽涡轮使用相同的金属材料的高-低压整合，高-中-低压整合和中-低压整合蒸汽涡轮转子。常常，使用金属，其能在涡轮的最高操作条件下执行，从而增加了涡轮的总成本。
蒸汽涡轮常规地包括转子和壳体封套。转子包括可旋转地安装的涡轮轴杆，其包括叶片。当热和加压蒸汽流过在壳体封套与转子之间的流动空间时，使涡轮轴杆旋转，因为能量从蒸汽转移到转子。转子和特别是转子轴杆常常形成涡轮金属的主体。因此，形成转子的金属显著地构成涡轮成本。如果转子由高成本、高温金属形成，那么甚至进一步提高成本。
因此，需要提供由最少量高温材料形成的蒸汽涡轮转子。
发明内容
根据本公开内容的一示例性实施例，公开了一种转子，其包括：具有第一端和第二端的高压部段，和接合到高压部段的第二端的中压部段。高压部段包括由高温材料形成的高温材料部段。高压部段具有第一端和与第一端相对的第二端。由第一低温材料形成的第一低温材料部段接合到高温材料部段的第一端，而由第二低温材料形成的第二低温材料部段接合到高温材料部段的第二端。
根据本公开内容的另一示例性实施例，公开了一种蒸汽涡轮，其包括转子。该转子包括：具有第一端和第二端的高压部段，和接合到高压部段的第二端的中压部段。高压部段包括：高温材料部段，其由高温材料形成且具有第一端和与第一端相对的第二端；以及，由第一低温材料形成的第一低温材料部段，其接合到高温材料部段的第一端；以及，由第二低温材料形成的第二低温材料部段，其接合到高温材料部段的第二端。
根据本公开内容的另一示例性实施例，公开一种制造转子的方法，其包括提供轴杆高压部段和将轴杆中压部段接合到轴杆高压部段。轴杆高压部段包括第一端和第二端，且第一低温材料部段接合到高温材料部段的第一端，且第二低温材料部段接合到高温材料部段的第二端。
本公开内容的一实施例的一个优点包括提供更低成本的蒸汽涡轮转子。
本公开内容的实施例的另一优点包括提供更低成本的蒸汽涡轮转子，其具有减少量的高温材料。
本公开内容的一实施例的一个优点包括提供更低成本的蒸汽涡轮。
本公开内容的一实施例的另一优点包括提供更低成本的蒸汽涡轮，其具有减少量的高温材料。
本公开内容的实施例的另一优点包括提供更低成本的蒸汽涡轮转子，其使用减少量的不能以大量供应的高温材料。
本公开内容的实施例的另一优点包括提供更低成本的蒸汽涡轮转子，其使用高温材料的更小铸锭来制造。
结合附图理解通过下文优选实施例的详细描述，本发明的其它特点和优点将会显然，附图以举例说明的方式说明本发明的原理。
附图说明
图1是根据本公开内容的蒸汽涡轮的截面图。
图2为图1的蒸汽涡轮转子的实施例的截面图。
图3为图1的蒸汽涡轮的一部分的局部截面图。
图4为图1的蒸汽涡轮的一部分的另一局部截面图。
在可能的情况下，在所有附图中使用相同的附图标记来表示相同部件。
部件清单：
10蒸汽涡轮
12壳体
12a HP壳体
12b IP壳体
13转子
14旋转轴线
16涡轮HP部段
18涡轮IP部段
20外壳
22引导轮叶
24轴杆
25叶片
26主蒸汽流动路径
28HP流入区域
30HP主蒸汽流动路径
32HP蒸汽流出区域
34IP蒸汽流入区域
36IP蒸汽流动路径
38IP蒸汽流出区域
210转子HP部段
212转子IP部段
220轴杆HP部段
222轴杆IP部段
230螺栓接头
232轴杆的第一端
234轴杆的第二端
236第一轴承
238第二轴承
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第三轴承
266第三焊接
A位置“A”
B位置“B”
具体实施方式
现将参看附图在下文中更全面地描述本公开内容，在附图中示出了本公开内容的示例性实施例。但本公开内容可体现为不同形式且不应认为限于本文所陈述的实施例。
图1、图3和图4示出根据本公开内容的实施例的蒸汽涡轮10的截面图。蒸汽涡轮10包括壳体12，其中绕旋转轴线14可旋转地安装涡轮转子13。蒸汽涡轮10还包括涡轮高压(HP)部段16和涡轮中压(IP)部段18。蒸汽涡轮10以亚临界操作条件操作。在一实施例中，蒸汽涡轮10接收低于大约230巴压力的蒸汽。在另一实施例中，蒸汽涡轮10接收在大约100巴至大约230巴之间压力的蒸汽。在另一实施例中，蒸汽涡轮10接收在大约125巴至大约175巴之间压力的蒸汽。此外，蒸汽涡轮10接收在大约525℃与大约600℃之间温度的蒸汽。在另一实施例中，蒸汽涡轮10接收在大约565℃与大约600℃之间温度的蒸汽。
壳体12包括HP壳体12a和IP壳体12b。在另一实施例中，壳体12可为单个的整合HP/IP壳体。在此示例性实施例中，壳体12为双壁壳体。在另一实施例中，壳体可为单壁壳体。壳体12包括外壳20和附连到外壳20上的多个引导轮叶22。转子13包括轴杆24和固定到轴杆24上的多个叶片25。轴杆24由第一轴承236、第二轴承238和第三轴承264可旋转地支承。
主蒸汽流动路径26限定于壳体12与转子13之间。主蒸汽流动路径26包括位于涡轮HP部段16中的HP主蒸汽流动路径30和位于涡轮IP部段18中的IP主蒸汽流动路径36。如本文所用的那样，用语“主蒸汽流动路径”表示产生动力的蒸汽的主流动路径。
向主蒸汽流动路径26的HP流入区域28提供蒸汽。蒸汽流经轮叶22与叶片25之间的主蒸汽流动路径26的HP主蒸汽流动路径部段30，在此期间蒸汽膨胀并冷却。在蒸汽使转子13绕轴线14旋转时，蒸汽热能转变成机械旋转能。在流经HP主蒸汽流动路径部段30之后，蒸汽从HP蒸汽流出区域32流出到中间过热器(未图示)，其中将蒸气加热到更高温度。经由到IP主蒸汽流入区域34的管线(未图示)引入蒸汽。蒸汽流经轮叶22与叶片25之间的主蒸汽流动路径26的IP主蒸汽流动路径部段36，在此期间蒸汽膨胀并冷却。在蒸汽使转子13绕轴线14旋转时，额外蒸汽热能转变成机械旋转能。在流经IP主蒸汽流动路径部段36之后，蒸汽从IP蒸汽流出区域38从蒸汽涡轮10出来。可在未做任何更详细描述的其它操作中使用蒸汽。
图2示出转子13的截面图。转子13包括轴杆24。如在图2中可看出的那样，转子13包括位于涡轮HP部段16(图1)中的转子HP部段210和位于涡轮IP部段18(图1)中的转子IP部段212。相对应地，轴杆24包括位于涡轮HP部段16中的轴杆HP部段220和位于涡轮IP部段18中的轴杆IP部段222。轴杆HP部段220和IP部段222在螺栓接头(bolted joint)230处接合。在另一实施例中，轴杆HP部段220和IP部段222通过焊接、栓接或其它接合技术而接合。
轴杆HP部段220可在轴杆24的第一端232通过螺栓接头、焊接或其它接合技术而接合到另一构件(未图示)。在另一实施例中，轴杆HP部段220可在轴杆24的第一端232栓接到发电机。轴杆IP部段222可在轴杆24的第二端234通过螺栓接头、焊接或其它接合技术而接合到另一构件(未图示)。在另一实施例中，轴杆IP部段222可在轴杆24的第二端234接合到低压部段。在另一实施例中，低压部段可包括低压涡轮。
轴杆HP部段220接收低于230巴压力的蒸汽。在另一实施例中，轴杆HP部段220可接收在大约100巴至大约230巴之间压力的蒸汽。在另一实施例中，轴杆HP部段220可接收在大约125巴至大约175巴之间压力的蒸汽。轴杆HP部段220接收在大约525℃与大约600℃之间温度的蒸汽。在另一实施例中，轴杆HP部段220接收在大约565℃与大约600℃之间温度的蒸汽。
轴杆HP部段220包括第一HP低温材料(LTM)部段240、HP高温材料(HTM)部段242和第二HP LTM部段244。在另一实施例中，删除了第二HP LTM部段244，且HP HTM部段242延伸到螺栓接头230。
轴杆HP部段220由第一轴承236(图1)和第二轴承238(图1)可旋转地支承。在一实施例中，第一轴承236可为轴颈轴承。在一实施例中，第二轴承238可为推力/轴颈轴承。第一轴承236支承第一HPLTM部段240且第二轴承238支承第二HP LTM部段244。在其中HP HTM部段242延伸到螺栓接头230的实施例中，第二轴承238支承HP HTM部段242。在另一实施例中，可使用不同的支承轴承构造。
第一HP LTM部段240和第二HP LTM部段244分别由第一焊接250和第二焊接252接合到HP LTM部段242。在此示例性实施例中，第一焊接250沿着HP主蒸汽流动路径30(图1)定位且第二焊接252定位于HP主蒸汽流动路径30外部或不与HP主蒸汽流动路径30接触。在一实施例中，第一焊接250可沿着HP主蒸汽流动路径30定位，其中蒸汽温度小于大约455℃。在另一实施例中，第一焊接250可位于HP蒸汽流动路径30外部或者不与HP蒸汽流动路径30接触。在一实施例中，第一焊接250可位于在HP蒸汽流动路径30外部或不与HP蒸汽流动路径30接触但与密封蒸汽泄漏接触的位置“A”(图1)处。
HP HTM部段242至少部分地限定HP流入区域28和HP主蒸汽流动路径30(图3)。第一HP LTM部段240还至少部分地限定HP主蒸汽主流动路径30。如上文所讨论的那样，在另一实施例中，可移动第一焊接250使得第一HP LTM部段240并不至少部分地限定HP主蒸汽流动路径30。第二HP LTM部段244并不至少部分地限定主蒸汽流动路径26，或者换言之，第二LTM部段244在HP主蒸汽流动路径30外部且并不接触主蒸汽流动路径26。
轴杆24的HP HTM部段242由耐高温材料的单个整体部段或块体形成。耐高温材料可被称作高温材料。HP HTM部段242具有第一端242a和第二端242b。在另一实施例中，HP HTM部段242可由高温材料的两个或两个以上的HP HTM部段或块体形成，这些部段或块体通过材料接合技术，诸如(但不限于)焊接而接合在一起。
高温材料可为锻钢。在一实施例中，高温材料可为包括一定量铬(Cr)、钼(Mo)、钒(V)和镍(Ni)的钢。在一实施例中，高温材料可为高铬合金锻钢，其包括在大约10.0重量百分比(wt.％)至大约13.0wt.％之间的量的Cr。在另一实施例中，Cr的量可以大约10.0wt.％与大约10.6wt.％之间的量包括在内。在一实施例中，高铬合金锻钢可具有在大约0.5wt.％与大约2.0wt.％之间量的Mo。在另一实施例中，Mo的量可以大约1.0wt.％与大约1.2wt.％之间的量包括在内。在一实施例中，高铬合金锻钢可具有包括在大约0.1wt.％与大约0.3wt.％之间量的V。在另一实施例中，V可以大约0.15wt.％与大约0.25wt.％之间的量包括在内。在一实施例中，高铬合金锻钢可包括在大约0.5wt.％与大约1.0wt.％之间量的Ni。在另一实施例中，Ni可以大约0.6wt.％与大约0.8wt.％之间的量包括在内。
第一HP LTM部段240和第二HP LTM部段244由比形成HPHTM部段242的高温材料具有更低耐热性的材料形成。更低耐热性的材料可被称作低温材料。低温材料可为锻造合金钢。在一实施例中，低温材料可为CrMoVNi。在一实施例中，Cr可以大约0.5wt.％与大约2.2wt.％之间的量包括在内。在另一实施例中，Cr可以大约0.5wt.％与大约2.0wt.％之间的量包括在内。在另一实施例中，Cr可以大约0.9wt.％与大约1.3wt.％之间的量包括在内。在一实施例中，Mo可以大约0.5wt.％与大约2.0wt.％之间的量包括在内。在另一实施例中，Mo可以大约1.0wt.％与大约1.5wt.％之间的量包括在内。在一实施例中，V可以大约0.1wt.％与大约0.5wt.％之间的量包括在内。在另一实施例中，V可以大约0.2wt.％与大约0.3wt.％之间的量包括在内。在一实施例中，Ni可以大约0.2wt.％与大约1.0wt.％之间的量包括在内。在另一实施例中，Ni可以大约0.3wt.％与大约0.6wt.％之间的量包括在内。
在一实施例中，第一HP LTM部段240和第二HP LTM部段244由相同低温材料形成。在另一实施例中，第一HP LTM部段240和第二HP LTM部段244由不同低温材料形成。在此实施例中，第一HPLTM部段240和第二HP LTM部段244由低温材料的单个整体块体或部段形成。在另一实施例中，第一HP LTM部段240和第二HP LTM部段244中的一个或两个可由接合在一起的两个或两个以上的HPLTM部段或块体形成。两个或两个以上的HP LTM部段或块体可机械地或以材料(materially)接合在一起，例如(但不限于)栓接或焊接。
轴杆IP部段222由轴承264(图1)可旋转地支承。在一实施例中，轴承264可为轴颈轴承。在另一实施例中，轴杆IP部段222可由一个或多个轴承可旋转地支承。轴杆IP部段222接收低于大约70巴压力的蒸汽。在另一实施例中，轴杆IP部段222可接收在大约20巴至70巴之间压力的蒸汽。在又一实施例中，轴杆IP部段222可接收在大约20巴至大约40巴之间压力的蒸汽。此外，轴杆IP部段222接收在大约525℃与大约600℃之间温度的蒸汽。在另一实施例中，轴杆IP部段222可接收在大约565℃与大约600℃之间温度的蒸汽。
轴杆IP部段222包括IP HTM部段260和IP LTM部段262。轴杆IP HTM部段260和LTM部段262由第三焊接266接合。第三焊接266沿着IP蒸汽流动路径36定位。在一实施例中，第三焊接266可沿着IP蒸汽流动路径36定位，其中蒸汽温度小于455℃。在另一实施例中，第三焊接266可位于IP蒸汽流动路径36外部或者不与HP蒸汽流动路径36接触。举例而言，第三焊接266可位于IP蒸汽流动路径36外部且不与HP蒸汽流动路径36接触的位置“B”(图1)。在另一实施例中，轴杆IP部段222可由一个或多个IP HTM部段形成。在另一实施例中，IP部段222可由高温材料的单个整体块体或部段形成。
再次参看图1，IP HTM部段260至少部分地限定IP蒸汽流入区域34和IP主蒸汽流动路径36。IP LTM部段262还至少部分地限定IP主蒸汽主流动路径36。在另一实施例中，可移动第三焊接266例如到位置“B”使得IP LTM部段262并不至少部分地限定IP主蒸汽流动路径36或换言之IP LTM部段262在IP主蒸汽流动路径36外部且并不接触蒸汽的主流动路径。
再次参看图2，IP HTM部段260由高温材料形成。高温材料可为如上文参考HP HT部段242所讨论的高温材料。在此实施例中，IPHTM部段260由具有第一端260a和第二端260b的单个整体高温材料部段或块体形成。在另一实施例中，IP HTM部段260可由焊接在一起的两个或两个以上的IP HTM部段形成。
IP LTM部段262由比IP HTM部段260具有更低耐热性的材料形成。更低耐热性的材料可被称作低温材料。低温材料可为如上文参考第一HP LTM部段240和第二HP LTM部段244所讨论的低温材料。在此实施例中，IP LTM部段262由低温材料的单个整体部段或块体形成。在另一实施例中，IP LTM部段262可由接合在一起的两个或两个以上的IP LTM部段形成。两个或两个以上的IP LTM部段或块体可机械地或以材料接合在一起，例如(但不限于)栓接或焊接。在另一实施例中，轴杆IP部段222可由一个或多个HTM部段形成，而无需使用LTM部段。在其中两个或两个以上的HTM部段用于形成轴杆IP部段222的实施例中，两个或两个以上的HTM部段可通过栓接、焊接或其它金属接合技术而接合。
轴杆24可由如下文所描述的制造方法的实施例来生产。轴杆HP部段220可通过提供形成具有第一端242a和第二端242b的HP HTM部段242的高温材料的块体或部段而生产。由低温材料块体形成的第一HP LTM部段240焊接到HP HTM部段242的第一端242a。由低温材料块体形成的第二LTM部段244焊接到HP HTM部段的第二端242b以形成轴杆HP部段220。在另一实施例中，轴杆24部段可通过提供形成具有第一端242a和第二端242b的HP HTM部段242的高温材料的一个或多个块体或部段而生产。由低温材料的一个或多个块体形成的第一HP LTM部段240焊接到HP HTM部段242的第一端242a。由低温材料块体的一个或多个块体形成的第二LTM部段244焊接到HP HTM部段242的第二端242b以形成轴杆HP部段220。
轴杆IP部段222可通过提供形成具有第一端260a和第二端260b的IP HTM部段260的耐高温材料的块体而生产。由低温材料之一形成的IP LTM部段262焊接到第一端260a以形成轴杆IP部段222。在另一实施例中，轴杆IP部段222可通过提供形成具有第一端260a和第二端260b的IP HTM部段260的耐高温材料的一个或多个块体而生产。由一个或多个低温材料部段形成的IP LTM部段262焊接到第一端260a以形成轴杆IP部段222。
通过将轴杆HP部段220接合到轴杆IP部段222来生产轴杆24。通过将轴杆HP部段220的第二LTM部段244栓接到IP HTM部段260而将轴杆HP部段220接合到轴杆IP部段222。在另一实施例中，轴杆HP部段220可通过栓接、焊接或其它材料接合技术而接合到轴杆IP部段222。
虽然示出和描述了本发明的某些特点和实施例，但本领域技术人员能想到许多修改和变化(例如，各种元件的大小、尺寸、结构、形状和性质，参数值(例如，温度、压力等)，安装布置，材料使用，颜色，方位等变化)，而不会在实质上偏离权利要求中所陈述的主题的新颖教导内容和优点。任何过程或方法步骤的次序或顺序可根据替代实施例改变或重新排序。因此，应了解所附权利要求预期涵盖属于本发明的真实精神内的所有这些修改和变化。而且，为了提供示例性实施例的简洁描述，可能未描述实际实施方式的所有特点(即，与目前设想到的本发明的最佳实施方式无关的那些或者与实行所主张的本发明无关的那些)。应了解的是，可在任何这些实施方式的发展中(如在任何工程或设计项目中)做出许多具体实施方式决策。这些开发努力可能是复杂的且耗时的，但仍受益于本公开内容的本领域普通技术人员设计、制作和制造的常规任务，而无需过度实验。

Claims (9)

1.一种转子，包括：
高压部段，其具有第一端和第二端；以及
中压部段，其接合到所述高压部段的所述第二端；
其中，所述高压部段包括：
高温材料部段，其由高温材料形成且具有第一端和与第一端相对的第二端；
由第一低温材料形成的第一低温材料部段，所述第一低温材料部段接合到所述高温材料部段的第一端；以及
由第二低温材料形成的第二低温材料部段，所述第二低温材料部段接合到所述高温材料部段的第二端。
2.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，通过将所述中压部段栓接到所述第二低温材料部段来将所述中压部段接合到所述高压部段的第二端。
3.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述中压部段包括中压高温材料部段和中压低温材料部段。
4.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述第一低温材料部段至少部分地限定高压主蒸汽流动路径。
5.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述高温材料为高铬合金锻钢。
6.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述第一低温材料和第二低温材料包括锻造合金钢。
7.根据权利要求5所述的转子，其特征在于，所述高铬合金锻钢包括：
大约10.0wt.％至大约13.0wt.％的Cr；
大约0.5wt.％至大约2.0wt.％的Mo；
大约0.1wt.％至大约0.3wt.％的V；以及
大约0.5wt.％至大约1.0wt.％的Ni。
8.根据权利要求6所述的转子，其特征在于，所述锻造合金钢包括：
大约0.5wt.％至大约2.2wt.％的Cr；
大约0.5wt.％至大约2.0wt.％的Mo；
大约0.1wt.％至大约0.5wt.％的V；以及
大约0.2wt.％至大约1.0wt.％的Ni。
9.一种蒸汽涡轮，其包括根据权利要求1所述的转子。
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