CN103573299B - 涡轮转子叶片根部附件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涡轮转子叶片根部附件。一种由低合金制成的轴向流动蒸汽涡轮转子盘的销式根部固定布置，其不易受应力腐蚀裂纹(SCC)。这种布置具有在大约0.4至大约0.6的范围内的第一比率，并且还具有在4至6之间的第二比率，该第一比率限定为盘指状物的轴向宽度与轴向宽度和相邻的盘指状物之间的间隙的轴向宽度G之和的比率，该第二比率限定为盘指状物和叶片指状物的长度与直径的比率。

Description

涡轮转子叶片根部附件

技术领域

本公开涉及用于轴向流动蒸汽涡轮的涡轮转子叶片，并且特别地，涉及使用具有对应力腐蚀裂纹(SCC)的改进抵抗的销式根部固定件将转子叶片根部附接于涡轮转子盘或鼓。

背景技术

如德国专利申请DE 10 2008 031 780 A1中描述的、众所周知的将涡轮叶片安装在涡轮转子的周边周围的方式包括所谓的“销式根部固定”，其中，涡轮转子盘的周边上的、被称为“盘指状物(disc finger)”的径向且周向地延伸的凸缘以及涡轮叶片根部上的对应“叶片指状物”与彼此互相交错，并且借助于被称为“销”的柱形金属杆固定在一起，该柱形金属杆轴向地穿过叶片指状物和盘指状物。这些布置特别地已知用于在湿蒸汽条件下在冲动式叶片组上使用。这种叶片的实例在图1和图2中示出。图1是在转子叶片单元10的压力侧的三维透视图，而图2是穿过涡轮转子盘20的周边的径向截面，示出了盘如何适合于附接图1的涡轮叶片。

首先参考图1，当叶片单元10定向用于在涡轮中操作时，其翼型件11在径向外护罩12与径向内平台13之间延伸。从平台13径向向内延伸的是叶片根部14，其被分成许多(在该特定情况下，四个)相同叶片指状物141，指状物具有长度L，与彼此轴向地间隔开，并且互相平行。每个叶片指状物141具有宽度为“b1”的径向外部分142和宽度为“b2”的径向内部分143，其中，b1＞b2，并且内部分与外部分之间的过渡部由台肩144标记。叶片指状物的每个外部分142具有直径为“D1”的通孔145，而每个内叶片指状物部分143具有直径为“D2”的通孔146。外叶片指状物部分142中的孔145相同地定尺寸，并且布置成与彼此轴向地成一直线。相似地，内叶片指状物部分143中的孔146相同地定尺寸，并且布置成与彼此轴向地成一直线。一般而言，D1=D2。

转向图2，转子盘20的周边被分成许多径向且周向地延伸的互相平行的盘指状物201，其通过径向且周向地延伸的相同凹槽202与彼此轴向地间隔开。叶片指状物容纳在盘指状物之间的凹槽202中；因此，盘指状物的数量(在该特定情况下，五个)比叶片指状物的数量多一个。凹槽具有与L1相同的径向深度L2，除了凹槽底部处用以防止与叶片指状物141的端部接触的浮凸部之外。凹槽定尺寸为具有适当的公差以按照滑动间隙配合接收叶片根部14的指状物141。因此，叶片根部14的径向内指状物部分143配合到具有标称宽度b2的凹槽202的径向内部分203中，而叶片根部14的径向外指状物部分142配合到具有标称宽度b1的凹槽202的径向外部分204中。因此，盘指状物201以与叶片指状物141互补的方式成形，因为它们具有宽度相对于它们的径向外部分206增大的径向内部分205，内部分与外部分之间的过渡部以台肩207标记。通常，叶片指状物的宽度b1名义上与盘指状物的宽度b1相同。每个内盘指状物部分205具有直径为“D2”的通孔208，而每个外盘指状物部分206具有直径为“D1”的通孔209。孔208和209分别与内叶片指状物部分143和外叶片指状物部分142中的孔146和145匹配。盘指状物201和叶片指状物141的径向尺寸紧密地匹配，以使当叶片指状物141插入到凹槽202中时，叶片指状物141上的台肩144紧靠盘指状物201上的台肩207，孔146与孔208轴向地成一直线，并且孔145与孔209轴向地成一直线。适当地定尺寸的柱形销(未示出)因此可以以滑动间隙配合穿过叶片指状物141和盘指状物201中的孔以便将叶片附接于盘。

出于经济和制造原因，盘由包括大约1wt.%至大约3wt.%镍的低合金钢制成，然而必要的是，由包括例如大约12wt.%铬的高合金钢制造叶片，以便确保它们具有对水滴腐蚀和高蒸汽温度的足够抵抗。众所周知的是，支撑移动叶片的根部的区域可易于SCC，当蒸汽涡轮转子利用接近饱和的蒸汽操作时，SCC由在高离心负载下根部部分之间的接触诱发的高峰值应力引起。当蒸汽包含加速腐蚀的杂质时，问题进一步增加。

发明内容

在其最宽泛的方面，本公开提供一种轴向流动蒸汽涡轮转子盘的销式根部固定布置，该轴向流动蒸汽涡轮转子盘由低合金制成，并且具有带有降低的应力腐蚀裂纹(SCC)易感性的、安装在其上的一排高合金涡轮转子叶片，其中，销式根部固定件包括：

(a) 涡轮转子盘的周边上的径向且周向地延伸的盘指状物，每个盘指状物具有长度L和宽度b，并且相邻的盘指状物通过宽度为G的间隙分离；

(b) 从转子叶片的根部延伸并与盘指状物互相交错的叶片指状物；以及

c) 至少一排直径为D的柱形销，其轴向地穿过叶片指状物和盘指状物中的对应孔，以将盘指状物和叶片指状物固定在一起；

销式根部固定布置具有在大约0.4至大约0.6的范围内的第一比率，并且还具有在4至6之间的第二比率，该第一比率限定为盘指状物的轴向宽度(b)与轴向宽度和相邻的盘指状物之间的间隙的轴向宽度G之和的比率，该第二比率限定为盘指状物和叶片指状物的长度与直径的比率。

应当根据具体情况来评估使盘指状物的孔中的峰值应力减小到减少或消除SCC的值所需的销的直径D的增大。然而，我们迄今为止的调查显示，给定百分比的直径D的增大导致相似百分比的峰值应力的减小。例如，10%的D的增大使峰值应力减小10%。

在上面使用比率b/M，以便避免涡轮盘的总尺寸的改变，其将导致不需要的设计、开发和制造费用。具体地，比率b/M的增大意味着盘指状物的宽度以与盘指状物之间的间隙的减小相同的量增大，由此使涡轮盘的轴向宽度保持恒定。

叶片指状物的宽度减小，这是因为它们必须在盘指状物之间的间隙中滑动配合。因此，除了使盘指状物中的峰值应力减小到不可能促进低合金盘指状物中的SCC的值之外，以上方法增大了高合金叶片指状物的孔中的峰值应力。然而，因为高合金叶片指状物比低合金叶片指状物更抵抗SCC，所以可以确保叶片指状物中的峰值应力保持低于可能促进SCC的值。

b/M的值在以上提到的上限至下限之间的狭窄范围内。b/M的范围内的上限由叶片指状物峰值应力的增大指定，该增大因叶片指状物随着b/M增大而减小的厚度引起，而b/M的下限由盘指状物峰值应力的增大指定，该增大因盘指状物随着b/M减小而减小的厚度引起。我们发现，对于显著高于大约0.6的值而言，叶片指状物应力变得过高，而对于显著低于大约0.4的值而言，盘指状物应力变得过高。

通常，销式根部固定件具有多于一排销。例如，通常使用径向地间隔开的两排销。在存在两排或更多排销和孔的情况下，我们发现，为了实现盘指状物中的至少外部的一排孔的直径的充分增大而不使盘指状物承受过大应力，可必要的是增大盘指状物的长度，叶片指状物的长度也增大对应的量。这是因为增大盘指状物中的一排孔的直径而不增大径向相邻的成排孔之间的径向距离将增大相邻的成排孔之间的低合金盘材料经历的峰值应力。增大盘指状物和叶片指状物的长度允许增大相邻的成排孔之间的径向距离，这因此减小了在相邻的成排孔之间延伸的盘指状物(和叶片指状物)材料中的峰值应力。

因此，以上方法还可包括使比率L/D增大足以避免使盘指状物承受过大应力的量的步骤。注意，盘指状物的长度L存在上限，并且因此L/D存在上限，L/D的上限由可以精确地制造的相邻盘指状物之间的凹槽的最大深度确定。我们设想L/D的允许值将在4的上限至6的下限之间的范围内。

在存在径向地间隔的两排或更多排孔的所有情形中，将不必增大盘指状物的长度以便允许使用较大直径的销和孔。必须根据具体情况来估计和计算是否必须延长盘指状物以允许相邻的成排孔之间的增大的径向间距和盘材料中减小的应力。

在以上SCC缓解方法的实例(其中，采用用于现有易于SCC的涡轮盘和叶片组合的销式根部固定件作为比较基础，并且其中，存在径向地间隔开的两排销和孔)中，试验显示，盘指状物中的SCC通过下列措施的组合而消除或至少减少至可接受的水平：

使b/M的值从0.45的标准值增大至0.54的SCC缓解值；

增大径向外部的一排孔的直径D，以获得盘指状物孔中的峰值应力的值的20%的减小；

通过使L/D的值从5的标准值增大至5.8的SCC缓解值而实现D的完全增大。

本公开的另外的方面将从下列描述和所附权利要求的学习变得显而易见。

附图说明

现在将参考附图描述本文中公开的构思的实施例，该附图未按比例绘制，其中：

图1是在准备借助于销式根部固定件附接于轴向流动蒸汽涡轮转子的周边的已知转子叶片单元的压力侧的三维透视图；

图2是穿过已知轴向流动涡轮转子盘的周边的径向截面，示出了盘如何适合于附接图1的涡轮叶片；

图3示出了如何根据本文中公开的构思改变图2的涡轮转子盘的某些尺寸以便修改销式根部固定件；以及

图4是示出了涡轮转子盘指状物中的峰值应力如何随着图3中示出的转子盘的改变的尺寸特征而变化的曲线图。

具体实施方式

图1和图2表示现有技术，并且在标题“背景技术”下在上面被描述。在该设计中，盘指状物和叶片指状物中的应力水平由于盘指状物厚度与叶片指状物厚度的近似一致的比率而沿着外部的一排销的线为相等的。在旋转期间，涡轮转子叶片经受非常大的离心地诱发的负载，该负载通过叶片指状物和销抵靠盘指状物反作用。如先前提到的，与由高合金钢制成的叶片指状物141相比，转子盘指状物201至少沿着外部的一排孔209更易受SCC损坏，这是因为转子盘由低合金钢制成。本文中公开的构思通过改变销式根部固定件的一些尺寸而降低SCC的风险，由此减小在盘旋转期间由销施加在盘指状物上的峰值应力。图3和图4示出了由于本构思的实施而引起的尺寸变化。

在图3中，涡轮转子盘的周边上的、径向且周向地延伸的盘指状物301的径向外部分均具有长度L和宽度b，并且相邻的盘指状物通过宽度为G的间隙或凹槽302分离。b+G之和被称为M，其可被认为是盘指状物的轴向间距的模量。虽然出于制图清楚的原因而不在图3中示出它们，但是叶片指状物从转子叶片的内平台延伸并且与盘指状物301互相交错(即，交叉)，以使叶片指状物和盘指状物为径向同延的，除了叶片指状物的径向内端部与凹槽302的径向内端部之间的小空隙之外。如由虚线概略地示出的，存在径向地间隔开的两排柱形销303、304，其轴向地穿过盘指状物301中的相应孔305、306，但是在示出的实施例中，仅外部的一排销303和孔305经受SCC缓解。

在SCC缓解过程中，盘指状物中的外部的一排孔303中的峰值应力可通过如下组合减小：

使比率b/M的值增大在大约0.4至大约0.6的范围内的量，由此使盘指状物301的宽度b增大量δ并且使盘指状物之间的间隙302的宽度G减小相同的量δ，以及

只要实现盘指状物301的增大的宽度b，则针对在涡轮的操作期间经历的温度和蒸汽条件，使销303和孔305的直径D增大足以使孔中的峰值应力减小到SCC初始水平以下的量。

当然，叶片指状物的宽度也减小量δ，以使它们保持在凹槽302中滑动配合。通过使用有限元分析的反复计算，可发现用于所需的应力减小的宽度b和直径D的必要增大。

比率b/M用于控制盘指状物的宽度b的修改，以便使涡轮盘的轴向宽度保持恒定并因此避免涡轮盘的总尺寸的变化。

以叶片指状物为代价增大盘指状物301的厚度b便于使用较大直径的销和孔来减小盘指状物孔中的峰值应力。较大直径的销和孔还可减小叶片指状物孔中的峰值应力，但是叶片指状物中的平均应力增大，这是因为叶片指状物的减小的厚度和孔的增大的直径减小了叶片指状物中用于销303依靠并在涡轮操作期间抵抗施加在叶片指状物上的弯曲和扭转力的材料量。然而，叶片由其制成的高合金比盘的低合金更耐SCC，因此应力的合理增大不提高叶片指状物中的SCC的风险。

根据具体情况来应用SCC缓解过程。可能是，增大盘指状物301的宽度不允许充分增大外部的一排孔305的直径以实现它们的峰值应力水平的所需降低，同时不具有使径向外部的一排孔305和径向内部的一排孔306之间的盘指状物材料307承受过大应力的风险。因此，SCC缓解构思还可包括通过使比率L/D增大足以实现内部的一排孔和外部的一排孔之间的应力的所需减小的量而增大盘指状物301的长度。L/D的上限由可以精确地制造的相邻盘指状物之间的凹槽302的最大深度L确定。目前，设想L/D的允许值将在4的上限至6的下限之间的范围内。

采用现有的易于SCC的涡轮盘和叶片销式根部构造作为标准，现在将说明SCC缓解过程的实例。参考图4，虚曲线示意性地示出，在径向外部的一排销中以MPa为单位的盘指状物峰值应力可如何随用于现有销直径Ds的无因次值b/M变化，而实曲线示出，盘指状物峰值应力可如何随用于SCC缓解销直径Dm的b/M变化，其中，Dm大于Ds。

在现有的销式根部构造中，在销直径为Ds的情况下，测得b/M为0.45，并且测得L/D为5。为了使盘指状物中的SCC减少至不显著的水平，如在试验台上测量的，发现必要的是使b/M的值增大至0.54的SCC缓解值，并且使L/D的值增大至5.8的SCC缓解值。b/M和L/D的这些增大的值允许销和孔的直径增大至Dm的SCC缓解值，在该SCC缓解值处，盘指状物的孔中的峰值应力减小大约20%。

采取本文中提出的构思赋予了对SCC的更多抵抗并且因此延长了涡轮的使用寿命。

以上实施例仅经由实例在上面描述，并且可在所附权利要求的范围内作出修改。因此，权利要求的幅度和范围不应当受限于以上描述的示例性实施例。包括权利要求和附图的说明书中公开的每个特征可由用于相同、等同或相似的目的的可选特征替代，除非另外确切地指出。除非上下文另外清楚地要求，否则遍及说明书和权利要求，用词“包括”、“包括”等将在与独占或穷举相反的包含的意义上被解释；也就是说，在“包括但不受限于”的意义上。

Claims (3)

1.一种用于轴向流动蒸汽涡轮转子盘的销式根部固定布置，其包括轴向地穿过互相交错的叶片根部指状物(141)和盘指状物(301)中的孔(305)的销(303)，其中，限定为所述盘指状物(301)的轴向宽度(b)与所述轴向宽度(b)和相邻的盘指状物之间的间隙的轴向宽度G之和(M)的比率的第一比率(b/M)在0.4至0.6的范围内，并且限定为所述盘指状物和所述叶片根部指状物的长度(L)与直径(D)的比率的第二比率在4至6之间。

2.根据权利要求1所述的布置，其特征在于，所述第一比率为0.54。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的布置，其特征在于，所述第二比率为5.8。