CN103459779A - 涡轮转子及涡轮转子的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明的涡轮转子（10）具备：第一构件；以及与所述第一构件接合的第二构件，所述第一、第二构件沿着涡轮转子的轴向延伸，所述涡轮转子（10）中，在所述第一、第二构件的边界形成焊接用的坡口部（16），贯通所述坡口部（16）的底部且用于向所述涡轮转子（10）的内部导入气体的气体导入用孔（18）通过焊接而被密封。

Description

涡轮转子及涡轮转子的制造方法

技术领域

本发明涉及一种通过利用焊接将不同的两个构件沿着涡轮转子的轴向接合而形成的涡轮转子。

本申请基于2011年3月23日向日本提出申请的日本特愿2011-064657号而主张优先权，并将其内容援引于此。

背景技术

构成蒸气涡轮等涡轮的涡轮转子根据沿着涡轮转子的轴向的位置而通过的蒸气的温度不同。因此，作为该涡轮转子，以往使用使不同的多个构件沿着轴向抵接并利用焊接进行了接合的被称为异材焊接转子的结构。

并且，在该异材焊接转子中，作为将两个构件焊接的方法，可列举出将前端彼此抵接的两个构件的表面以未贯通至背面的方式进行焊接的方法（例如，参照专利文献1）。然而，在这样的仅一面的焊接中，龟裂可能从残存于背面的两个构件的接缝向焊接部进展。因此，为了防止这样的问题的发生，需要实施贯通至所抵接的两个构件的背面的所谓根部焊接。

在此，在异材焊接转子的制造一般使用的TIG焊接中，接近焊炬的一侧的构件的表面通过从焊炬喷射的惰性气体来防止其氧化。然而，在实施根部焊接时，关于形成在两个构件的背侧的根部焊道，也需要防止氧化。

然而，并不局限于涡轮转子，在一般的根部焊接中，作为防止根部焊道的氧化的方法，以往使用向构件的背侧喷射惰性气体，或者以包围根部焊道的方式在构件的背侧形成空间，并向该空间的内部填充惰性气体的方法（例如，参照专利文献2）。

并且，在涡轮转子的情况下，在涡轮转子的内部，在焊接部的背侧形成空洞部，在该空洞部的内部预先填充有惰性气体。在此，作为从外部向空洞部的内部送入惰性气体的方法，使用以从构件的表面到达空洞部的方式形成的检查孔。该检查孔是为了在焊接作业中或其完成后使光纤镜等插通于检查孔从而检查构件的背侧的精加工状态而使用。并且，经由该检查孔而向空洞部的内部送入惰性气体。

【在先技术文献】

【专利文献】

【专利文献1】日本特开2010-31812号公报

【专利文献2】日本特开平8-206830号公报

发明内容

发明要解决的课题

在以往的涡轮转子中，在涡轮转子的内部形成的检查孔的周边可能会产生应力集中，存在在强度设计上不优选的问题。因此，需要不形成检查孔而向空洞部填充惰性气体的涡轮转子及其制造方法。

本发明考虑了这样的情况而作出，其目的是提供一种在将不同的两个构件以两个构件的前端彼此沿着涡轮转子的轴向抵接而进行焊接的涡轮转子中，不使焊接后的涡轮转子的品质下降而向内部填充惰性气体的装置。

用于解决课题的手段

本发明的涡轮转子具备：第一构件；以及与所述第一构件接合的第二构件，所述第一、第二构件沿着涡轮转子的轴向延伸，所述涡轮转子的特征在于，在所述第一、第二构件的边界形成焊接用的坡口部，贯通所述坡口部的底部且用于向所述涡轮转子的内部导入气体的气体导入用孔通过焊接而被密封。

在本发明的涡轮转子中，在将第一、第二构件焊接时，为了防止在构件产生的根部焊道的氧化，通过气体导入用孔而向涡轮转子内部的空洞导入惰性气体。根据本发明，在第一、第二构件的焊接后，向气体导入用孔填充焊接金属，因此在气体导入用孔曾经存在的周边部分难以引起应力集中。因此，能够防止涡轮转子的强度下降。

在本发明的涡轮转子中，也可以是，所述第一构件的材质与所述第二构件不同，所述坡口部中所述第一、第二构件的边界靠近两构件中的任一方而存在。

在本发明的涡轮转子中，所述坡口部中所述第一、第二构件的边界靠近两构件中的任一方而存在，因此能够将气体导入用孔形成在从坡口部的底部的所述边界离开的位置。如此，若将气体导入用孔形成在从所述边界离开的位置，则不会产生对孔进行加工的钻头在边界移动而降低孔的位置精度，从而能够在所希望的位置形成气体导入用孔。此外，由于孔的位置精度高，因此能够在规定的开孔位置准确地开设孔。由此，在将第一构件与第二构件焊接时会可靠地将该孔闭塞。

另外，本发明的涡轮转子中，所述第一构件的材质与所述第二构件不同，所述边界靠近所述第一、第二构件中的硬度高的一方的构件而存在。

根据这样的结构，能够将钻头被硬度高的构件弹开而向硬度低的构件侧移动的情况防患于未然，能够仅贯通硬度低的构件而形成孔。

另外，本发明的涡轮转子中，所述两个构件的接合面分别形成为相互嵌合的形状。

根据这样的结构，在接合面嵌合了的状态的两个构件的位置被固定。由此，能够高精度地进行开孔作业、焊接作业，因此能够在规定的开孔位置准确地形成孔。而且，能够在焊接作业时使孔熔化而可靠地闭塞。

另外，本发明的涡轮转子的制造方法中，将第一构件和与所述第一构件的热传导度不同的第二构件焊接而制造涡轮转子，所述涡轮转子的制造方法具备如下工序：将所述第一、第二构件配置成两构件沿着涡轮转子的轴向延伸且所述第一、第二构件中的热传导度高的一方的构件比另一方的构件靠上方的工序；在所述第一、第二构件的边界形成的焊接用的坡口部的底部，以贯通所述底部的方式形成有用于向所述涡轮转子的内部导入气体的气体导入用孔的工序；以及在所述坡口部将所述第二构件焊接于所述第一构件的工序。

根据这样的制造方法，在使第一构件和第二构件这两个构件上下面对而进行了焊接时，由于在从横向的焊接作业时产生的热气上升，配置在上侧的构件比配置在下侧的构件更强地被加热。然而，配置在上侧的构件比配置在下侧的构件的热传导度高，发散更多的热量。因此，在上侧的构件和下侧的构件不会产生较大的温度差，能够在焊接作业时可靠地将气体导入用孔的整体闭塞。

发明效果

根据本发明的涡轮转子，在将不同的两个构件沿着轴向抵接而焊接的涡轮转子中，能够不使焊接后的涡轮转子的品质下降而向内部填充惰性气体。

附图说明

图1是表示具备本发明的第一实施方式的涡轮转子的蒸气涡轮的整体结构图。

图2是表示第一实施方式的涡轮转子的一部分的简要侧视图。

图3是表示第一实施方式的涡轮转子中的坡口部的周边的简要剖视图。

图4是表示第二实施方式的涡轮转子中的坡口部的周边的简要剖视图。

图5是表示第三实施方式的涡轮转子中的坡口部的周边的简要剖视图。

图6是用于说明两个构件的边界位于坡口部的中心位置时产生的问题的图。

具体实施方式

（第一实施方式）

以下，参照附图，说明本发明的实施方式。首先，说明本发明的第一实施方式的涡轮转子的结构。图1是表示具备第一实施方式的涡轮转子10的蒸气涡轮1的整体结构图。蒸气涡轮1具备壳体2、调整阀3、涡轮转子10、多个静叶片4、多个动叶片5、及轴承部6。调整阀3调整向壳体2流入的蒸气S的量和压力。涡轮转子10以能够旋转的方式设置在壳体2的内部，并向未图示的发电机等机械传递动力。多个静叶片4设置在壳体2的内周面。多个动叶片5设置在涡轮转子10的外周面。轴承部6将涡轮转子10支承为能够绕轴旋转。

图2是表示涡轮转子10的一部分的简要侧视图。涡轮转子10具备转子主体11、焊接部12、及空洞部13。转子主体11沿着涡轮转子10的轴向延伸。焊接部12设置在转子主体11的轴向的规定位置。空洞部13形成在转子主体11的内部。

如图2所示，转子主体11具有高硬度构件（第一构件）14和低硬度构件（第二构件）15。高硬度构件14具有大致圆柱形状并沿着轴向延伸。低硬度构件15具有与低硬度构件15相同的大致圆柱形状，且沿着轴向延伸。

高硬度构件14是与低硬度构件15相比而硬度相对高的构件。如图2所示，在该高硬度构件14上，通过在高硬度构件14的长度方向上将端部的一端部沿着径向切口而形成第一切口部141。

低硬度构件15是与高硬度构件14相比而硬度相对低的构件。在该低硬度构件15上，如图2所示，通过在低硬度构件15的长度方向上将端部的一端部沿着径向切口而形成第二切口部151。并且，如图2及图3所示，该第二切口部151形成为第二切口部151的外径与高硬度构件14的第一切口部141的外径大致相等且第二切口部151的向轴向的长度L1比第一切口部141的向轴向的长度L2长。

在此，作为高硬度构件14与低硬度构件15的组合，例如，可以使用9%铬钢（含有9%的铬的钢材，以下相同）作为高硬度构件14，另一方面使用2.25%铬钢、3.5%镍钢作为低硬度构件15。而且，除此以外，也可以使用12%铬钢作为高硬度构件14，另一方面使用2.25%铬钢、3.5%镍钢作为低硬度构件15。此外，也可以使用镍基超合金作为高硬度构件14，另一方面使用2.25%铬钢、9%铬钢、12%铬钢作为低硬度构件15。而且，也可以使用不锈钢作为高硬度构件14，另一方面使用2.25%铬钢、9%铬钢、12%铬钢作为低硬度构件15。需要说明的是，高硬度构件14与低硬度构件15的组合并未限定于此，只要是硬度相对不同的构件即可，可以采用任意的组合。

并且，如图2所示，将高硬度构件14的第一切口部141与低硬度构件15的第二切口部151对合而形成坡口部16。图3是表示坡口部16的周边的简要剖视图。如图3（a）所示，高硬度构件14与低硬度构件15的边界17朝向坡口部16的槽宽方向，位于比中心位置C（图3所示的单点划线）向高硬度构件14侧靠近规定距离X的位置。

焊接部12将高硬度构件14与低硬度构件15连接。如图2所示，在将第一切口部141与第二切口部151对合而形成的坡口部16，使用焊炬T将高硬度构件14与低硬度构件15焊接，由此形成该焊接部12。

空洞部13是用于填充在焊接作业时防止根部焊道19的氧化的惰性气体的空间。如图2的虚线所示，该空洞部13通过将形成于高硬度构件14的第一凹部131与形成于低硬度构件15的第二凹部132对合而形成。

接着，说明第一实施方式的涡轮转子10的制造方法。首先，作业者使高硬度构件14与低硬度构件15抵接。即，作业者如图3（a）所示，使第一切口部141与第二切口部151面对，使高硬度构件14的一端部与低硬度构件15的一端部抵接。由此，通过第一切口部141和第二切口部151而形成坡口部16。而且，如前述那样，第二切口部151的向轴向的长度L1比第一切口部141的向轴向的长度L2形成得长。由此，高硬度构件14与低硬度构件15的边界17存在于比坡口部16的向槽宽方向的中心位置C靠近高硬度构件14侧。

接着，作业者在坡口部16的底部形成气体导入用孔18。即作业者如图3（a）所示，朝向坡口部16的槽宽方向在中心位置C设置钻头D，如图3（b）所示贯通坡口部16的底部。此时，高硬度构件14与低硬度构件15的边界17存在于比坡口部16的中心位置C靠近高硬度构件14侧。由此，钻头D通过从边界17偏离的位置，贯通低硬度构件15而形成气体导入用孔18。

如此，钻头D通过从边界17偏离的位置，由此能够将气体导入用孔18形成在从本来的开孔位置偏离的位置上的问题防患于未然。在此，图6是用于说明边界17位于坡口部16的中心位置C时产生的问题的图。在两个构件14、15的边界17位于坡口部16的中心位置C时，如图6（a）所示，若利用钻头D在边界17开孔，则钻头D在边界17顺畅地移动。由此，存在有如图6（b）所示形成在从本来的开孔位置偏离的位置的情况。这种情况下，如图6（c）所示，即使进行两个构件14、15的焊接作业，气体导入用孔18的一部分也未被闭塞地残留。如此，当气体导入用孔18的一部分残留时，空洞部13的内部的惰性气体从气体导入用孔18向外部漏出，由此，在焊接时产生根部焊道19发生氧化的问题及焊接部的强度不足的问题。尤其是坡口部16的槽宽较窄时，气体导入用孔18的开孔位置与两个构件14、15的边界17容易在坡口部16的槽宽方向中心位置处一致，因此容易产生该问题。

另外，这样的问题在由焊接而接合的两个构件14、15的硬度不同时特别明显。这是因为，为了开设气体导入用孔18而向坡口部16插入的钻头D的前端到达两个构件14、15的边界17时，由于被高硬度构件14弹开而向低硬度构件15侧移动。

接着，作业者向空洞部13导入惰性气体。即作业者经由向气体导入用孔18插通的管（未图示）等而向形成在转子主体11的内部的空洞部13填充氩气等惰性气体。

接着，作业者将高硬度构件14与低硬度构件15焊接。即，作业者如图2所示，将焊炬T的前端从横向向坡口部16插入，对高硬度构件14与低硬度构件15的边界17实施例如TIG焊接。由此，如图3（c）所示，边界17的周边熔化而形成焊接部12，通过该焊接部12而将高硬度构件14与低硬度构件15相互接合。而且，此时，由于靠近边界17的气体导入用孔18的周边熔化，而将气体导入用孔18密封。而且，焊接部12中的形成在转子主体11的外部的部分通过从焊炬T喷射的惰性气体（未图示），防止焊接部12中的形成在转子主体11的外部的部分的氧化。另一方面，焊接部12中的形成在转子主体11的内部的根部焊道19通过填充到空洞部13的惰性气体，防止焊接部12中的转子主体11的内部形成有根部焊道19的部分的氧化。需要说明的是，在图3（c）中，为了便于说明，仅对于坡口部16的底部图示了焊接部12，但是在焊接作业结束时，焊接部12如图中双点划线所示那样形成至将坡口部16的整体填埋的位置。通过以上所述，涡轮转子10完成。

（第二实施方式）

接着，说明本发明的第二实施方式的涡轮转子20的结构。本实施方式的涡轮转子20与第一实施方式的涡轮转子10相比时，仅转子主体21的结构不同。除此以外的结构及制造方法与第一实施方式相同，因此使用与第一实施方式相同的标号，在此省略说明。

图4是表示第二实施方式的涡轮转子20的坡口部16的周边的简要剖视图。本实施方式的转子主体21在具有高硬度构件14和低硬度构件15的点上与第一实施方式的转子主体21相同，但高硬度构件14与低硬度构件15的接合面的形状不同。即，如图4（a）所示，在高硬度构件14的一端部形成有台阶形状的台阶部22。而且，在低硬度构件15的一端部也形成有台阶形状的台阶部23。并且，高硬度构件14的台阶部22与低硬度构件15的台阶部23相互嵌合。根据这样的结构，如图3（c）所示，在将高硬度构件14与低硬度构件15焊接时，在边界17的位置处，两构件14、15在相互沿着径向未位移而相互的轴线彼此一致的状态下被固定。因此，能够使气体导入用孔18的周边可靠地熔化而可靠地将气体导入用孔18密封。而且，同样地，在利用钻头D在坡口部16的底部开设气体导入用孔18时，也能将两构件14、15在相互的轴线彼此一致的状态下固定。因此，能够在坡口部16的中心位置C准确地形成气体导入用孔18。

图4（b）是表示第二实施方式的变形例的图。在该变形例中，在高硬度构件14的一端部形成凸部24，另一方面在低硬度构件15的一端部形成与高硬度构件14的凸部24嵌合的形状的凹部25。需要说明的是，关于其作用效果，与图4（a）所示的基于台阶部22、23的嵌合相同。

图4（c）是表示第二实施方式的另一变形例的图。在该变形例中，在高硬度构件14的一端部形成凹部26，另一方面在低硬度构件15的一端部形成与高硬度构件14的凹部26嵌合的形状的凸部27。需要说明的是，关于其作用效果，与图4（a）所示的基于台阶部22、23的嵌合相同。

（第三实施方式）

接着，说明本发明的第三实施方式的涡轮转子30的结构。本实施方式的涡轮转子30与第一实施方式的涡轮转子10相比时，转子主体31的结构及其制造方法不同。关于除此以外的点，由于与第一实施方式相同，因此使用与第一实施方式相同的标号，在此省略说明。

图5是表示第三实施方式的涡轮转子30的坡口部16的周边的简要剖视图。本实施方式的转子主体31在具有高硬度构件14和低硬度构件15的点上与第一实施方式的转子主体31相同。然而，在高硬度构件14与低硬度构件15的热传导度不同的点上不同于第一实施方式。更详细而言，高硬度构件14的热传导度相对高，低硬度构件15的热传导度相对低。

在如此构成的涡轮转子30的制造时，如图5所示，作业者以热传导度低的低硬度构件15位于下侧且热传导度高的高硬度构件14位于上侧的方式使两构件14、15的前端彼此抵接。并且，作业者与第一实施方式同样地，通过依次进行在坡口部16的底部的气体导入用孔18的形成、惰性气体向空洞部13的充填、及高硬度构件14与低硬度构件15的焊接，而制造涡轮转子30。

根据这样的制造方法，如图5所示，由于在从横向的焊接作业时产生的热气上升，而配置在上侧的高硬度构件14比配置在下侧的低硬度构件15被更强地加热。然而，高硬度构件14比低硬度构件15的热传导度高，在图5中如箭头Y1和箭头Y2所示，发散更多的热量，因此在高硬度构件14与低硬度构件15之间不会产生大的温度差。由此，在进行高硬度构件14与低硬度构件15的焊接作业时，能够使高硬度构件14与低硬度构件15均匀地熔化，因此能够可靠地将气体导入用孔18密封。

需要说明的是，在本实施方式中，相对性地提升高硬度构件14的热传导度，并相对性地降低低硬度构件15的热传导度，但也可以与之相反，相对性地降低高硬度构件14的热传导度，并相对性地提升低硬度构件15的热传导度。这种情况下，在涡轮转子30的制造时，将热传导度低的高硬度构件14配置在下侧，并将热传导度高的低硬度构件15配置在上侧，由此能得到与前述同样的效果。

另外，在以上说明的各实施方式中，作为钻头D特别容易移动的结构，以构成转子主体11、21、31的不同的两个构件为硬度不同的构件的情况为例进行了说明，但并不局限于此，不同的两个构件也可以是硬度相等的构件。

需要说明的是，在上述的实施方式中示出的各结构构件的各形状、组合、或动作次序等是一例，在不脱离本发明的主旨的范围内基于设计要求等能够进行各种变更。

【标号说明】

1  蒸气涡轮

2  壳体

3  调整阀

4  静叶片

5  动叶片

6  轴承部

10 涡轮转子

11 转子主体

12   焊接部

13   空洞部

14   高硬度构件

15   低硬度构件

16   坡口部

17   边界

18   气体导入用孔

19   根部焊道

20   涡轮转子

21   转子主体

22   台阶部

23   台阶部

24   凸部

25   凹部

26   凹部

27   凸部

30   涡轮转子

31   转子主体

131  第一凹部

132  第二凹部

141  第一切口部

151  第二切口部

C    中心位置

D    钻头

L1   长度（第一切口部）

L2   长度（第二切口部）

S    蒸气

T    焊炬

X    规定距离

Y1   箭头

Y2   箭头

Claims (5)

1.一种涡轮转子，具备：第一构件；以及与所述第一构件接合的第二构件，所述第一、第二构件沿着轴向延伸，其中，

在所述第一、第二构件的边界形成焊接用的坡口部，贯通所述坡口部的底部且用于向所述涡轮转子的内部导入气体的气体导入用孔通过焊接而被密封。

2.根据权利要求1所述的涡轮转子，其中，

所述第一构件的材质与所述第二构件不同，

所述坡口部中所述第一、第二构件的边界靠近两构件中的任一方而存在。

3.根据权利要求2所述的涡轮转子，其中，

所述第一构件的材质与所述第二构件不同，

所述边界靠近所述第一、第二构件中的硬度高的一方的构件而存在。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的涡轮转子，其中，

所述两个构件的接合面分别形成为相互嵌合的形状。

5.一种涡轮转子的制造方法，将第一构件和与所述第一构件的热传导度不同的第二构件焊接而制造涡轮转子，所述涡轮转子的制造方法具备如下工序：

将所述第一、第二构件配置成两构件沿着涡轮转子的轴向延伸且所述第一、第二构件中的热传导度高的一方的构件比另一方的构件靠上方的工序；

在所述第一、第二构件的边界形成的焊接用的坡口部的底部，以贯通所述底部的方式形成有用于向所述涡轮转子的内部导入气体的气体导入用孔的工序；以及

在所述坡口部将所述第二构件焊接于所述第一构件的工序。

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