CN102852559A - 涡轮盘预制件、其制成的焊接涡轮转子及制造它们的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及涡轮盘预制件、其制成的焊接涡轮转子及制造它们的方法。具体而言，公开了一种制造涡轮转子的方法。该方法包括：形成具有盘轴线的末级盘预制件，该预制件具有转子面和相反的轴面，转子面具有从其伸出的周向的、轴向延伸的转子肋部，轴面具有从其伸出的周向的、轴向延伸的轴肋部，该盘预制件包括盘预制件材料。该方法还包括连接转子肋部到转子预制件以形成转子接合处，该转子预制件包括转子预制件材料。该方法还包括连接轴肋部到轴以形成轴接合处，该轴包括轴材料，其中，盘预制件材料不同于转子预制件材料和轴材料。

Description

涡轮盘预制件、其制成的焊接涡轮转子及制造它们的方法
技术领域
本发明涉及涡轮盘预制件、其制成的焊接涡轮转子及制造它们的方法。 
背景技术
如众所周知的，工业涡轮，特别是蒸汽涡轮，通过采用在一系列涡轮级中围绕转子的周边设置的涡轮叶片而将热气(例如蒸汽)的能量转化为旋转机械能。为了提高涡轮的转化效率，期望增加涡轮的各个级中的叶片的长度。为了增加叶片的长度，特别是在涡轮的末级或“L-0”级，通常有必要采用轻质材料，例如钛，以便避免必须在转子合金上做出显著改变，转子合金典型地为NiCrMoV钢合金，因为在长叶片构造中较重叶片材料(例如高强度钢)的使用通常形成超过这些转子合金的工作极限的应力。虽然在涡轮转子中可使用较高强度的材料，但它通常是不期望的，因为较高强度的材料典型地对于合金材料本身和由这些材料制备转子所需的工艺而言均具有显著更高的成本。 
因此，期望开发构造成在末级涡轮中采用高强度钢叶片而不需要改变典型地用于形成涡轮转子的NiCrMoV钢合金的涡轮。 
发明内容
根据本发明的一个方面，公开了一种制造涡轮转子的方法。该方法包括形成具有盘轴线的末级盘预制件，该预制件具有转子面和相反的轴面，转子面具有从其伸出的周向的、轴向延伸的转子肋部，轴面具有从其伸出的周向的、轴向延伸的轴肋部，该盘预制件包括盘预制件材料。该方法还包括将转子肋部连接到转子预制件以形成转子接合 处，该转子预制件包括转子预制件材料，其具有比盘预制件材料更低的强度。该方法还包括将轴肋部连接到轴以形成轴接合处，该轴包括轴材料，其中，预制件材料不同于转子预制件材料和轴材料。 
根据本发明的另一方面，公开了一种用于涡轮的末级盘预制件。该末级盘预制件具有盘轴线。该预制件还具有转子面和相反的轴面，转子面具有从其伸出的周向的、轴向延伸的转子肋部，该转子肋部构造成用于形成转子接合处，轴面具有从其伸出的周向的、轴向延伸的轴肋部，该轴肋部构造成用于形成轴接合处。该盘预制件包括盘预制件材料。 
根据结合了附图的下列描述，这些和其它的优势和特征将变得更加显而易见。 
附图说明
作为说明书的结论，在权利要求书中特别地指出并清楚地主张了被视为本发明的主题。根据结合了附图的下列详细描述，本发明的前述和其它的特征及优势是显而易见的，在附图中： 
图1是包括由本文公开的末级涡轮盘预制件(preform)连接的涡轮转子和轴的涡轮的示意截面图； 
图2是本文公开的末级盘预制件的示意横截面图； 
图3是示出了制造本文公开的涡轮转子的方法的示例性实施例的流程图； 
图4是本文公开的转子接合处的示例性实施例的示意横截面图；以及 
图5是本文公开的轴接合处的示例性实施例的示意横截面图； 
详细的描述参照附图以示例的方式解释了本发明的实施例，以及优势和特征。 
附图标记： 
10    涡轮 
12    转子 
13    转子预制件 
14    盘段 
16    盘段 
18    盘段 
20    盘段 
22    合金钢盘 
24    叶片 
26    叶片 
28    叶片 
30    叶片 
32    叶片 
34    (L-0)级盘 
36    盘预制件 
38    端部 
40    伸出肋部 
42    转子材料 
44    轴线 
46    转子面 
48    轴面 
50    转子肋部 
52    转子接合处 
54    焊缝 
56    轴肋部 
58    轴接合处 
60    轴 
62    轴焊缝 
64    钢叶片 
66    周边 
68    钢叶片 
70    肋部 
72    端部 
74    轴材料 
76    盘预制件材料 
78    转子接合材料 
80    轴接合材料 
82    压应力层 
84    压应力层 
100   包括将相异合金、末级转子盘预制件36焊接到转子预制件的端部38的方法 
110   形成110具有盘轴线的末级盘预制件36 
120   将转子肋部50连接到转子预制件 
130   将轴肋部56连接到轴60以形成轴接合处 
140   在转子接合处的表面上形成压应力层82(图4)
150   在轴接合处58的表面上形成压应力层84(图5) 
160   将多个高强度钢合金叶片64附接至周边 
具体实施方式
参照图1-图5，公开了一种涡轮10，其具有焊接的相异合金低压(LP)转子12。LP转子12包括使用盘预制件36制成的末级(L-0)盘34，盘预制件36由高合金、高强度钢(例如各种马氏体钢)制成，其焊接于可包括NiCrMoV低合金钢盘22的转子预制件13或转子区段。该转子12的构造有利地使得能够用较低成本的高强度钢叶片64来代替钛末级叶片。这在制造中提供了显著的成本节省，并且也使得能够在末级涡轮中使用高强度钢叶片64，其具有比当前用于该应用中的那些叶 片更长的长度，包括具有大约40到大约80英寸的长度的那些，这增加了工作效率并扩展了涡轮10的设计灵活性。转子12的构造使得能够使用较长的钢叶片，同时它还有利地将可用于末级涡轮的钛叶片的尺寸扩展到大于约80英寸，从而进一步扩展了涡轮10的设计灵活性。所公开的焊接的相异合金LP转子12可通过以下方式制造：由高合金、高强度钢制备锻造的、热处理的且机械制造的L-0级预制件36，然后在一个面上将盘预制件36焊接到NiCrMoV钢转子预制件13，其可包括单个涡轮级或多个涡轮级，以及将另一个面焊接到轴或轴颈60，其也可包括NiCrMoV钢合金。所使用的焊接工艺可包括任何已知的丝焊工艺，包括钨极惰性气体(TIG)、金属惰性气体(MIG)、子弧和电子束(EB)焊接工艺，并且可利用冷丝焊接技术、热丝焊接技术或两者。此外，可使用单丝或双丝焊接工艺来实现焊接。单丝材料可为与NiCrMoV钢转子或轴60相容的各种强度水平的合金钢，或者可包括与高合金、高强度L-0盘预制件材料76相容的高合金、高强度钢。双丝工艺可利用两种焊丝类型，即低合金钢和高合金钢，其中低强度低合金丝可熔化到低合金钢接合面上，而高合金高强度丝可以靠着盘预制件材料76的高合金高强度材料熔化。所描述的两种丝焊方法提供了避免越过该焊接的急剧化学梯度的优势。所使用的焊丝还可为NiCrMoV低合金钢转子材料42和高合金高强度钢盘预制件材料76之间的中间化学性质之一。高合金高强度钢盘预制件36可在完全热处理和硬化状态下或在固溶退火状态下焊接，紧接着焊接后老化热处理，或者可在锻后(as-forged)状态下焊接，紧接着焊接后固溶和老化热处理。焊接后应力释放处理可在炉子中或经由局部加热(例如感应加热)进行。将高合金高强度钢盘预制件连接到转子12或轴60的完成的焊缝可通过在它们的表面中通过诸如喷丸加工、滚光等的过程赋予相对较深的压应力层而被进一步保护。 
参照图1和图2，公开了一种具有焊接的相异金属转子12的涡轮10。转子12可用于任何类型的涡轮发动机中，并且特别好地适用于 发电涡轮(例如蒸汽涡轮)中。涡轮10可具有任何合适的单涡轮构造，或者可具有如图1所示的双涡轮结构，其具有在共用转子预制件13的相反端连接的两个末级转子盘预制件36。转子预制件13可包括单件转子或者可包括多个盘段(例如盘段14、16、18、20、22)的组件，这些盘段彼此组装在一起而形成转子预制件13，并且限定出多个涡轮级。在结合到转子12中后，转子预制件13适于接纳与各个涡轮级和盘区段相关联的多个周向间隔开的叶片，例如分别设置在盘或转子段14、16、18、20、22上的叶片24、26、28、30、32。转子12还包括末级(L-0)盘34，其由焊接于转子预制件13的端部38的盘预制件36形成。转子盘预制件36可通过任何合适的机械连接而连接到转子预制件13，包括通过将盘预制件36焊接到从转子预制件13的端部38伸出的环状伸出肋部40。转子预制件13可由任何合适的转子材料42形成。转子材料42可包括各种等级的钢，特别是各种等级的NiCrMoV钢，例如频繁地用作转子材料42的3.5％NiCrMoV钢，并且更特别地包括表1中所描述的3.5％NiCrMoV钢成分。 
表1 
Figure BSA00000765717300071
参照图2，末级盘预制件36具有盘轴线44，其对应于转子12的纵向轴线44。盘预制件36包括圆柱形盘。盘预制件36具有面向转子12的转子面46和背向转子预制件13且朝向轴60的相反轴面48。转子面46具有从该转子面46伸出的周向的、轴向延伸的转子肋部50。转子肋部50构造成例如与从转子预制件13的端部38延伸的环状端肋40对准，使得转子接合处52可形成于它们之间。转子接合处52可包括转子预制件13和盘预制件36之间的任何合适的机械连接，并 且特别适于形成为连接转子预制件13和转子盘预制件36的转子焊缝54。轴面50具有从其伸出的周向的、轴向延伸的轴肋部56。轴肋部56构造成用于形成到轴60的轴接合处58。轴接合处58可为用于连接盘预制件36和轴60的任何合适的机械连接，并且特别好地适于形成为轴焊缝62，其通过将轴肋部56焊接到轴60且特别是到从轴60的端部72伸出的周向的、轴向延伸的环状肋部70而形成。转子盘预制件36构造成接纳围绕其周边66设置的周向间隔开的叶片64。叶片64可包括由合适的高强度钢叶片材料形成的任何钢叶片68。 
转子盘预制件36可由任何合适的盘预制件材料76制成。合适的材料包括各种等级的高强度钢，特别是具有比转子材料42更大的抗张强度的高强度钢，包括马氏体钢。在一个示例性实施例中，转子盘预制件材料76可包括各种等级的析出硬化钢，例如17-4PH，17-7PH和A286，或者马氏体时效钢，如表1中所描述的。 
轴60可具有任何合适的尺寸和形状，并且可包括设置在面向转子盘预制件36的端部72上的周向、轴向延伸的轴肋部70。轴60可由任何合适的轴材料74形成，并且更特别地可由与转子材料42相同的材料形成，所述材料包括各种不同等级的钢，并且更特别地各种NiCrMoV钢。 
参照图1-图3，涡轮转子12可通过方法100制成，该方法包括将相异合金、末级转子盘预制件36焊接到转子预制件13的端部38。该方法100包括：形成110具有盘轴线44的末级盘预制件36，该盘预制件36具有转子面46和相反的轴面48，转子面46具有从其伸出的周向的、轴向延伸的转子肋部50，轴面48具有从其伸出的周向的、轴向延伸的轴肋部56，该盘预制件36包括盘预制件材料76；例如在盘段22处连接120转子肋部50到转子预制件13以形成转子接合处52，转子预制件13包括转子预制件材料42；以及连接130轴肋部56到轴60以形成轴接合处58，轴60包括轴材料74，其中，盘预制件材料76不同于转子预制件材料42和轴材料74。 
形成110末级盘预制件36可通过任何合适的成形方法来进行，例如在将转子肋部50连接到转子预制件13或将轴肋部56连接到轴60之前将盘预制件36锻造为锻后状态。锻后状态可为近净形(near-net shape)或者可为可另外通过各种完工操作(例如机械加工、研磨等)成形为最终形状的形状。锻后状态是指在热处理操作以实现最终的冶金和机械性能并通过固溶热处理释放由锻造操作引入微观结构中的应力或通过老化或析出热处理使微观结构变硬之前所锻造的微观结构的状态。转子肋部50、轴肋部56或两者可在形成110期间通过如本文所述的锻造或后续完工操作来形成。转子肋部50的连接120和轴肋部56的连接130可在转子盘预制件36处于锻后状态的同时或者在该预制件已被热处理而获得最终的机械和冶金性能之后进行。本文中描述的热处理，包括固溶热处理和老化热处理，可通过任何合适的热处理方法来进行，包括将所述构件(例如盘预制件36、转子接合处52或轴接合处58)放置在合适的炉子中或通过局部加热(例如感应加热)来进行。 
在方法100的一个实施例中，形成110包括在将转予肋部50连接到转子预制件13或将轴肋部56连接到轴60之前锻造盘预制件36到锻后状态。在该实施例中，方法100还包括在连接120转子肋部50到转子预制件且连接130轴肋部56到轴60之后对盘预制件36、转子接合处52以及轴接合处58的固溶热处理，紧接着对盘预制件36、转子接合处52以及轴接合处58的老化热处理。 
在方法100的另一个实施例中，形成100包括：在连接120转子肋部50到转子预制件13或连接120轴肋部56到轴60之前，锻造盘预制件36以提供锻后盘预制件，固熔退火该锻后盘预制件以提供固熔退火的盘预制件，以及老化该固熔退火的盘预制件以提供老化且硬化的盘预制件。在该实施例中，方法100还包括：在连接120转子肋部50到转子预制件13且连接130轴肋部56到轴60之后，进行盘预制件36、转子接合处52以及轴接合处58的老化热处理。 
在方法100的又一个实施例中，形成110包括：在连接转子肋部到转子预制件或连接轴肋部到轴段之前，锻造盘预制件36以提供锻后盘预制件，以及固熔退火该锻后盘预制件以提供固熔退火的盘预制件。在该实施例中，方法100还包括在连接120转子肋部50到转子预制件13且连接130轴肋部56到轴60之后对盘预制件、转子接合处以及轴接合处的老化热处理。 
方法100还可包括附接160多个高强度钢合金叶片64到盘预制件36的周边以形成转子12。由用于末级盘的转子盘预制件36的高合金、高强度钢组成的相异合金焊接转子的使用也使得能够使用高强度钢叶片64来代替常规的钛末级叶片。带有等于或大于钛的比强度(强度/密度)的长的高强度钢叶片可代替钛叶片。然而，由于钢相比钛更大的密度，长的实心钢叶片将显著地增加支承该长钢叶片的盘预制件36上的应力。低合金NiCrMoV钢转子材料在其通常使用状态下将不会满足长钢叶片的强度要求；因此，盘预制件材料76被选择为具有比转子材料42更高的强度。为了满足盘预制件36的高强度、韧性以及耐蚀性的组合，盘预制件材料可包括具有比钢转子材料(例如低合金NiCrMoV钢转子材料)的强度更大的强度的高合金钢，例如析出硬化(PH)钢或马氏体时效钢。然而，由于制备这种高强度、高合金钢的单块转子通常是不实际的或不具成本效益的，因而本文公开的转子12的焊接构造使用高合金、高强度钢仅仅用于高应力的末级盘，即转子盘预制件36，并且使用较低成本的低合金NiCrMoV钢材料用于转子12的剩余部分。与盘预制件36一起使用的叶片64也可由高强度钢合金制成，包括析出硬化的钢合金或马氏体时效钢合金，如本文所描述的。 
连接120转子肋部50到转子预制件13以形成转子接合处52可包括任何合适的焊接形式，例如本文公开的TIG、MIG、子弧和EB焊接工艺，并且可利用冷丝焊接技术、热丝焊接技术或两者。此外，转子接合处焊接可使用单丝或双丝焊接工艺来实现。 
在一个示例性实施例中，连接120可包括使用焊丝的单丝焊接，该焊丝包括盘预制件材料76、转子材料42或者具有介于盘预制件材料76的成分和转子材料42的成分之间的成分的转子接合材料78(图4)。如本文使用的，中间成分将包括一种或两种材料的组成，其是这些材料的中间物，在组成量上介于这些材料的组成量之间。使用低合金钢填料的单丝焊接提供了通过具有比基底金属和热影响区(HAZ)更软的焊接区而在热影响区中避免狭窄软层的应变异常的优势。 
在另一个示例性实施例中，连接120可包括使用第一焊丝和第二焊丝的双丝焊接，第一焊丝包括位于盘预制件36附近的盘预制件材料76，第二焊丝包括位于转子22附近的转子预制件材料42。双丝焊接是有利的，因为它通过熔化高合金焊丝靠着化学性能相似的高合金盘接合面以及熔化低合金钢焊丝靠着低合金钢接合面而避免了急剧化学梯度的形成和不期望的冶金相和微观结构的可能性。 
连接130轴肋部56到轴60以形成轴接合处58也可包括任何合适的焊接形式，例如本文公开的TIG、MIG、子弧和EB焊接工艺，并且可利用冷丝焊接技术、热丝焊接技术或两者。此外，轴接合处焊接可使用单丝或双丝焊接工艺来实现。 
在一个示例性实施例中，连接130是使用焊丝的单丝焊接，该焊丝包括盘预制件材料76、轴材料74或者轴接合材料80(图5)，该轴接合材料80具有介于盘预制件材料76的成分和轴材料74的成分之间的成分。 
在另一个示例性实施例中，连接130可包括使用第一焊丝和第二焊丝的双丝焊接，第一焊丝包括位于盘预制件36附近的盘预制件材料76，第二焊丝包括位于轴60附近的轴材料74。 
如图3-图5所示，在一个实施例中，方法100还可包括在转子接合处52的表面上形成140压应力层82(图4)，或者在轴接合处58的表面上形成150压应力层84(图5)，或两者。压应力层82的形成140和压应力层84的形成150可通过喷丸加工或滚光或者它们的组合来 进行。 
根据本文公开的方法100，使用高合金、高强度钢转子盘预制件36的相异合金转子12是有利的，因为它通过选择对冷却速率有较低敏感度的合金和经由模制改进工艺条件而允许制备具有高合金、高强度末级盘的转子和具有高于当前工业实践的尺寸的叶片。方法100包括具有不同热膨胀和机械性能的相异合金钢焊缝的焊接。该焊接可通过改进焊丝成分和焊接后热处理来进行，以提供高的抗损伤性并避免应变异常(狭窄软点)的形成。焊接后热处理可用于实现焊缝及HAZ中的期望的应力释放和硬度而不危及L-0盘的强度，包括使用局部加热(例如感应加热)用于焊接后应力释放。 
虽然已结合仅仅有限数量的实施例描述了本发明，但是应当容易理解，本发明并不限于这种公开的实施例。而是，可修改本发明，以并入迄今未描述但与本发明的精神和范围一致的任何数量的变形、变更、代替或者等同布置。此外，虽然已描述了本发明的各种实施例，但是将会理解，本发明的方面可包括仅仅其中一些所描述的实施例。因此，该发明不应视为由前述描述限定，而是仅由所附权利要求的范围限定。 

Claims (10)

1.一种制造涡轮转子(10)的方法(100)，包括：
形成(110)具有盘轴线(44)的末级盘预制件(36)，所述预制件具有转子面(46)和相反的轴面(48)，所述转子面(46)具有从其伸出的周向的、轴向延伸的转子肋部(50)，所述轴面(48)具有从其伸出的周向的、轴向延伸的轴肋部(56)，所述盘预制件包括盘预制件材料(76)；
连接(110)所述转子肋部(50)到转子预制件(13)以形成转子接合处(52)，所述转子预制件包括转子预制件材料(42)；以及
连接(130)所述轴肋部(56)到轴(60)以形成轴接合处(58)，所述轴包括轴材料(74)，其中，所述盘预制件材料(76)不同于所述转子预制件材料(42)和所述轴材料(74)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，连接所述转子肋部(50)到所述转子预制件以形成所述转子接合处包括焊接。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，焊接包括使用焊丝的单丝焊接，所述焊丝包括所述盘预制件材料(76)、所述转子预制件材料(42)或者具有介于所述盘预制件材料(76)的成分和所述转子预制件材料(42)的成分之间的成分的转子接合材料(78)。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，焊接包括使用第一焊丝和第二焊丝的双丝焊接，所述第一焊丝包括位于所述盘预制件附近的所述盘预制件材料(76)，所述第二焊丝包括位于所述转子预制件附近的所述转子预制件材料(42)。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，连接所述轴肋部(56)到所述轴(60)以形成所述轴接合处(58)包括焊接。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，焊接包括使用焊丝的单丝焊接，所述焊丝包括所述盘预制件材料(76)、所述轴材料(74)或者具有介于所述盘预制件材料的成分和所述轴材料的成分之间的成分的轴接合材料(80)。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，焊接包括使用第一焊丝和第二焊丝的双丝焊接，所述第一焊丝包括位于所述盘预制件附近的所述盘预制件材料(76)，所述第二焊丝包括位于所述轴附近的所述轴材料(74)。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，形成包括在连接所述转子肋部(50)到所述转子预制件或者连接所述轴肋部(56)到所述轴(60)之前将所述盘预制件(36)锻造成锻后状态；并且该方法还包括，在连接所述转子肋部到所述转子预制件且连接所述轴肋部到所述轴之后：
所述盘预制件、转子接合处以及轴接合处的固溶热处理；和
所述盘预制件、转子接合处以及轴接合处的老化热处理。
9.一种用于涡轮(10)的末级盘预制件(36)，包括：
具有盘轴线(44)的末级盘预制件(36)，所述预制件具有转子面(46)和相反的轴面(48)，所述转子面具有从其伸出的周向的、轴向延伸的的转子肋部(50)，所述转子肋部(50)构造成用于形成转子接合处(52)，所述轴面(48)具有从其伸出的周向的、轴向延伸的轴肋部(56)，所述轴肋部(56)构造成用于形成轴接合处(58)；所述盘预制件包括盘预制件材料(76)。
10.根据权利要求9所述的盘预制件(36)，其特征在于，所述涡轮(10)包括蒸汽涡轮，其具有由转子接合处(52)连接到所述盘预制件的涡轮转子预制件(13)和由轴接合处(58)连接到所述盘预制件的轴(60)。
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