CN1052168A - 高-低温透平转子 - Google Patents

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Abstract

由两个转子部分(3、5)组成的透平转子(1)，这两 个转子部分是由不同的低合金钢组成的，其中一个为 高温合金钢，另一个为低温合金钢。两转子部分在相 对表面(27、39)上有凹窝(29、41)，以便在外表面 (33、45)上形成一环形凸缘(35、47)，使两转子部分 通过凸缘(35、47)焊在一起，首先将包复层(51)焊到 一个凸缘(35)上，用填料将该包复层(51)与另一凸缘 (47)焊在一起，以组成一组合透平转子。

Description

本发明涉及高一低压蒸汽透平，特别涉及那种依靠将不同合金钢制作的转子部分焊在一起来制作高温相容合金钢和低温相容合金钢透平转子的方法。
通常，将透平转子合金设计成或具有最佳的高温性能或具有最佳的低温性能，但高温合金的低温性能很差，而低温合金的高温性能又很差。
在制造100至200MW的透平时，转子材料变得非常重要，转子高压端在1000°F（538℃）范围内必须具有足够的蠕变和疲劳性能;而转子低压端必须具有最低为100千磅/英寸2的屈服强度、耐应力腐蚀强度、疲劳强度和断裂韧性。高温、高压转子合金钢通常为含有铬、钼、钒（CrMoV）的低合金钢，其蠕变性能优良，但75°F（24℃）左右时的断裂韧性极差。低温低压转子合金钢通常为含有镍、铬、钼、钒（NiCrMoV）的低合金钢，在大约800°F（427℃）以上其蠕变性能差。
本发明的目的是提供一种制造高一低压蒸汽透平转子的方法，这种转子在透平的高、低温区内均具有所需的性能。
透平转子是通过将由高温合金钢（CrMoV）制成的第一转子部分和由低温合金钢（NiCrMoV）制成的第二转子部分焊接在一起来制成的。这些转子部分的端面备有凹窝，该凹窝从这些部分的中轴线径向延伸到离该部分的外表面留有一定间隔的某一位置，以便在每个待焊接在一起的转子部分上形成一轴向延伸的环形凸缘。
高温转子部分的环形凸缘有一层焊在该表面上的包复层，先检验包复层，然后将其加工成光滑表面，并进行热处理，再检查焊缝。通过使两转子部分的端面彼此平行地对置和使它们的环形凸缘相互间隔地靠近而将第一和第二转子部分对准，以便在其间形成一个焊根开口，两转子部分可沿着此焊根开口焊在一起，形成一道焊缝。形成焊缝后，对焊缝进行热处理和机械加工，以便在与第一和第二转子部分的外表面互补的焊缝上形成光滑表面，但未作最后检验。这样就生产出一台沿转子轴向长度方向具有不同合金的转子。
从下文结合附图描述的只作为例证的最佳实施例中，将更易于理解本发明，其中
图1是包括有按照本发明制造的转子的透平的局部剖视图;
图2是本发明为焊接而对准的两个转子部分的局部剖视图;
图3是在高温合金转子部分凸缘的轴向延伸表面上形成的包复层的示意图;
图4是类似于图3的包复层机械加工后的示意剖视图;
图5是其上有包复层的第一转子部分的凸缘位于靠近第二即低温使合金转子部分的地方准备进行焊接的示意剖视图;
图6是第一和第二转子部分在形成焊缝制成转子以后的凸缘的示意剖视图。
在组合高压-高温、低压-低温透平时，一般的习惯作法是在透平的两个区域使用单独的转子，这是由于一个区域内的环境对最适于另一区域的转子材料的相反影响所致。
本发明适于制造沿转子轴向长度含有不同的低合金钢成分的蒸汽透平转子。
图1示出了通过高-低温透平转子1的典型蒸汽流通道，其中包括转子的一个高温-高压第一转子部分3和一个低温-低压第二转子部分5。如箭头所示的蒸汽流经进口喷嘴7进入之后，通过含有静叶片11的喷嘴组9，在蒸汽进入连接转子1第一高温部分3的控制级旋转叶片13并随之膨胀之前，这些叶片11控制蒸汽的膨胀并使之按所需的方向流动。
初始膨胀之后，蒸汽通过交错排列的静叶片15和旋转叶片17，以便把运动传给旋转叶片17，进而使透平转子1转动。经过初始膨胀之后，蒸汽流反向流向另一组仍然沿转子1第一高温部分3交错排列的静叶片19和旋转叶片21。通过这组叶片之后，蒸汽和转子已被冷却，在蒸汽排除之前，还要通过最后一组静叶片23和旋转叶片25。
作用于转子上的蒸汽从转子1的高温部分3到低温部分5温度下降相当大。例如在点a，注入的蒸汽与转子1接触，转子金属材料的温度约为950°F（510℃），蒸汽压力约为1800磅/英寸2;流过叶片组15和17之后，蒸汽流反向，在b点的转子金属温度仍约为950°F（510℃），但蒸汽压力约降至500磅/英寸2。蒸汽从第二组叶片19和21流出时，转子金属的温度在C点就只有300°F（149℃）左右，同时蒸汽压力降至约18磅/英寸2;蒸汽从最后一组叶片23和25流出后，转子金属的温度在点d约为90°F（32℃），同时蒸汽压力降至大气压或略低于大气压。
现参看图2至6。图中示出了本发明提出的由各转子部分组成透平转子的方法，其中各转子部分是由不同的铁合金组成的。图2表示焊接前的两个转子部分-第一部分3和第二部分5。所示的各转子部分均没有中心轴向通孔，尽管应理解为本发明可以用于各有孔的转子部分来制造具有轴向通孔的转子，但本发明最适用于各实心转子部分。
第一转子部分3是一种高温铁合金，在大约1000°F（538℃）时具有足够的蠕变强度和疲劳强度。一种特别适用的合金是合金材料含量低于6%的低合金钢。第一转子部分用的合金钢的优选成分是Cr-Mo-V合金、A470、类8及其变种。合金钢最佳成分重量含量为0.27～0.34%的C、0.70～1.0%的Mn少于0.12%的P和S、0.20～0.35%的Si、少于0.5%的Ni、1.05～1.35%Cr、1.00～1.30%Mo、0.21～0.29%的V、少于0.15%的Cu、少于0.010%的Al、少于0.0015%Sb、少于0.015%的Sn和少于0.020%的As。而这些典型高温合金的含碳量是在0.28和0.35之间，这种合金焊接时需要约375至400°F（191至204℃）的高温预热。在本发明中，为了使CrMoV转子具有良好的可焊性，该合金钢的含碳量可降至约0.20～0.25%，这种合金焊接时可采用较低的预热温度，约从375～400°F（191～204℃）至大约325～350°F（163～177℃）。
Cr-Mo-V合金的第一转子部分3设有第一端面27，其上制有凹窝29，该凹窝从第一转子部分的中轴线31起沿径向朝外延伸，在离转子部分3的外表面33有一定距离的地方终止，以便形成第一环形凸缘35，该凸缘沿轴向延伸并限定一轴向端面37。
第二转子部分5是由铁合金制成的，这是一种NiCrMoV低温合金钢，其最低屈服强度为100千磅/英寸2，具有足够的耐腐蚀应力、疲劳强度和断裂韧性。一种特别适用的合金是合金材料通常低于7%左右，镍含量为3.25～3.75%的低合金钢。最佳成分是含C最高达0.35%、Mn为0.20～0.40%、P最高达0.012%、S最高达0.012%、Si最高达0.12%、Ni为3.25～3.75%、Cr为1.50～2.00%、Mo为0.30～0.60%、V为0.07～0.15%、Cu为0.20%、Al为0.015%、Sb最高达0.0015%、Sn最高达0.015%和As为0.020%的合金钢。
NiCrMoV合金的第二转子部分5设有第二端面39，其上有一个从第二转子部分中轴线43朝外延伸的凹窝41，该凹窝在离转子部分5的外表面45处有一定距离的地方终止，以便形成第二环形凸缘47，该凸缘沿轴向延伸并限定一轴向端面49。
为了将转子部分3和5焊接在一起，可沿环形凸缘35和47进行缝焊，但必须先用能与高温转子合金和低温转子合金相容的填充材料设置一层包复层。如图3所示，将包复层51焊到高温CrMoV合金制成的转子部分3的第一环形凸缘35的轴向端面37上。支承环53的材料可使用铜或NiCrMoV一类合金钢，包复层51的部分55伸出第一转子部分3的外表面33。如图所示，轴向端面37最好从环形凸缘35的外表面33向中轴线倾斜一角度，复于其上的包复材料层51相对转子部分3的中轴线也形成一倾斜面。为适应CrMoV转子的要求，焊接前要预热，例如预热温度约为350°F（117℃），以避免焊接热效应区域破裂。将包复层51焊到环形凸缘35的轴向端面37上后，把包复层机械加工成光滑表面57，该表面也是倾斜的。对该包复焊接层要进行无损检验，例如用磁粉和超声检验，以确保焊接质量。如图4所示，最好在离高温合金转子部分3的表面27上的凹窝29有一定距离的包复层51上机械加工出一个沿轴向延伸的第一圆环59。
然后对施加的包复层51和转子部分3的环形凸缘35与包复层接触的部分在1125～1225°F（607～663℃）左右，最好在1175°F（635℃）左右进行热处理。包复层及环形凸缘与包复层接触的部分或热效应区的焊后热处理的温度选择要足以使CrMoV转子部分的热效应区回火软化，以避免过硬，防止蠕变强度、疲劳强度和断裂韧性等性能的降低。如果转子部分3和转子部分5一起采用这种热处理，可能会使低压材料性能严重降低。然后再对焊接包复层进行磁粉和超声检验。
在环形凸缘35端面37上施加包复层51并对之进行检验和机械加工之后，在使第一转子部分3的中轴线31与第二转子部分5的中轴线43共轴且端面27、39相对的条件下，使第一转子部分3和第二转子部分5对准。对准后，第一转子部分3的第一环形凸缘35与第二转子部分5的第二环形凸缘47相靠近并留有一定间隔形成根部开口61。如图5所示，第二转子部分5的第二环形凸缘47的端面49也是倾斜的，并且最好被机械加工出第二圆环63，其上加工有台阶65。在凸缘35和37靠近并留有一定间隔的情况下，第一圆环59搭接在第二圆环63上并坐落在台阶65中。通过在凸缘轴向端面上设置倾斜面的方法，使这些表面从转子部分3和5的外表面33和45向这二个转子部分的共用中轴线汇聚，以形成V形焊根开口61（图5）。
然后，用与两个不同转子材料相容的填料将第一和第二转子部分3和5沿着凸缘35和47之间的焊根开口61焊在一起，形成焊缝67。焊缝67最好有一部分69超过外表面33和35（图6）。当焊完焊缝时，该焊缝就将包复层金属与NiCrMoV转子部分即第二部分5连接在一起。这种焊接只需要很低的预热温度，约为100-125°F（38～52℃）。如果采用气体保护钨极弧焊或气体保护金属极弧焊工艺，如此低的预热温度可使由于预热气流破坏惰性气体保护层而形成焊接气孔的机会减至最低限度。金属填充材料与NiCrMoV转子部分连接的性能对根部（起始）焊道来说是特别重要的。如果CrMoV与NiCrMoV在强约束和熔融材料相结合的条件下以较薄的焊缝连接，在焊道处可能出现裂纹，使焊道破裂。
焊缝使用的填料是一种适用于熔接低压NiCrMoV转子的填料，在可能的焊后热处理温度下具有满意的韧性、强度，并具有足够的屈服强度。一种非常适用的填料是现已放弃的1985年4月25日提交的申请号为727，175（W·E·52，192）的美国专利申请中所描述的材料，该申请已参考结合在1987年1月6日公布的美国专利4，633，544（W·E·52，618）中，本文参照结合了上述申请和上述专利。其中所述填料成分的重量百分比为：0.090～0.110C、1.25～1.80Mn、最高达0.010P、最高达0.010S、0.20～0.50Si、1.40～2.10Ni、最高达0.30Cr、0.25～0.55Mo、最高达0.05V、最高达0.10Ti、最高达0.10Zr、最高达0.10Al、最高达0.20Cu、最高达0.0015Sb、最高达0.015Sn、最高达0.020As、以及最高达百万分之35的0、25的N和10的H，其余为铁。
然后，在1075～1175°F（580～635℃）的温度下，最好在1125°F（607℃）左右对焊缝进行焊后热处理。对焊缝67焊后热处理的温度应低于包复层焊接温度，其选择依据要使焊缝具有最佳的性能，且不影响包复层51或环形凸缘35与其接触的部分的性能。热处理后，将焊缝加工成光滑表面，使其与第一转子部分3的外表面33和第二转子部分5的外表面45呈互补形状。
如图1和2所示，两个转子部分之间的焊接部位是一个重要点。这个部分能确保在直圆柱位置上自由地进行焊接，这个圆柱部位不会由于叶片槽引起的直径变化而中断。这个部位如图1直线W所示，位于第二组叶片19和21之后，处于该转子的低温端。此处允许使用上述的焊接低压NiCrMoV转子用的填料。预计典型高温-低温转子两轴段之间的长度约为130.5英寸（331.5cm），在图示焊接位置W处的直径约为53至55英寸（135～140Cm）之间，凸缘和焊缝径向长度约为3至4英寸（7.6至10Cm）之间，使用厚度约为0.5英寸（1.27Cm）的包复层就足以形成由两个转子部分组成的一个牢固的转子。
焊接工艺规程最好采用气体保护钨极弧焊或气体保护金属弧焊。气体保护钨极弧焊以前一直用于修补转子，能提供较高的超声质量，要求的预热温度，即使需要也很低。所生产的焊件的抗拉、抗冲击性能超过转子材料的技术要求。使用气体保护钨极弧焊接工艺生产的低合金钢焊件屈服强度典型的约为90至115千磅/英寸2（621～793兆帕），室温摆锤式冲击韧性约为160至210英尺一磅（217-286焦耳）。气体保护金属弧焊也用于修补转子。对于CrMoV转子修补焊接，气体保护金属弧焊工艺加工出的焊件的屈服强度，典型的约为85-100千磅/英寸2（586-689兆帕），室温摆锤式冲击韧性约为110-130英尺-磅（150至117焦耳）。第三种焊接工艺-埋弧焊接也是适用的，但试验表明这种工艺有几个问题，即焊接超声质量低，热效应区的机械性能低和裂纹等问题。
本发明提供了一种由各转子部分制造高-低温转子的方法。遵循本发明方法的顺序步骤，用低压填充材料焊接可获得最佳的质量和性能，而不必兼顾各转子部分的材料和组合转子的性能。

Claims (10)

1、一种由不同合金材料构成的分立的转子部分(3、5)制造透平转子(1)的方法，本发明的特征在于：
一个由第一合金材料构成的并具有第一端面(27)的第一转子部分(3)在所述的第一端面(27)上备有凹窝(29)，该凹窝从所述的第一转子部分(3)的中轴线(31)径向延伸到离该转子部分的外表面(33)留有一定间隔的某一位置上，以便形成一具有轴向端面(37)的轴向延伸的第一环形凸缘(35)。
一个由另一种合金材料构成的并具有第二端面(39)的第二转子部分(5)在所述的第二端面(39)上备有凹窝(41)，该凹窝从所述第二转子部分(5)的中轴线径向延伸到离该转子部分的外表面(45)留有一定间隔的某一位置上，以便形成一具有轴向端面(49)的轴向延伸的第二环形凸缘(47)，
一层填充材料的包复层(51)焊在第一端面(27)的环形凸缘(35)的轴向端面(37)上，包复层的一部分(55)伸出所述第一转子部分(3)的外表面(33)，
在所述的包复层(51)上加工出一个光滑表面(57)，
对所述的包复层(51)和所述第一转子部分(3)的环形凸缘(35)与该包复层相接触的部分进行热处理，
通过使所述端面(27、39)彼此对置和使所述环形凸缘(35、47)相互间隔地靠近而将第一和第二转子部分(3、5)对准，以便在其间形成焊根开口(61)，
所述第一和第二转子部分(3、5)通过所述焊根开口(61)焊在一起，形成一道焊缝(67)，所述焊缝的一部分(69)伸出所述外表面(33、45)，
对所述焊缝进行热处理，和
在所述焊缝(67)上加工出与第一和第二转子部分(3、5)的外表面(33、45)互补的光滑表面。
2、按权利要求1所限定的方法，其特征在于所述轴向延伸凸缘（35、47）的轴向端面（37、49）是倾斜面，这二个倾斜面从转子部分（3、5）的外表面（33、45）向所述第一和第二转子部分（3、5）的相应中轴线（31、43）汇集。
3、按权利要求1或2所限定的方法，其特征在于所述第一转子部分（3）的合金材料基本由含有Cr、Mo和V的铁合金组成，所述第二转子部分（5）的合金材料基本由含Ni、Cr、Mo和V的铁合金组成。
4、按照权利要求1或2或3所限定的方法，其特征在于对所述的包复层（51）和所述第一转子部分（3）的环形凸缘（35）与该包复层相接触的部分在温度为607至663℃之间进行热处理。
5、按照权利要求1至4之一所限定的方法，其特征在于对所述的包复层（51）和所述第一转子部分（3）的环形凸缘（35）与该包复层相接触的部分在温度为635℃左右进行热处理，
6、按照权利要求1至5之一所限定的方法，其特征在于对所述的焊缝（67）在温度为580至635℃之间进行热处理。
7、按照权利要求6所限定的方法，其特征在于对所述的焊缝（67）在温度为607℃左右进行热处理。
8、按照权利要求1至7之一所限定的方法，其特征在于对包复层（51）进行机械加工，以便在靠近并离开所述第一转子部分（3）的端面（27）上的凹窝（29）有一定距离的包复层（51）上形成轴向延伸的第一圆环（59），在第二环形凸缘（47）的轴向端面（49）内靠近所述第二转子部分（5）的端面（39）上凹窝（41）的地方加工出轴向延伸的第二圆环（63），所述的第一和第二圆环（59、63）在焊接所述第一和第二转子部分（3、5）形成所述焊缝（67）之前以搭接的形式定位。
9、一种由分立的转子部分（3、5）组成的透平转子（1），其特征在于所述的转子具有：
由含有Cr、Mo、V的铁合金制成的第一转子部分（3），
由含有Ni、Cr、Mo、V的铁合金制成的第二转子部分（5），
第一和第二转子部分（3、5）具有相对的表面（27、39），其上有自两个转子部分的中轴线（31、43）开始延伸并在离两个转子部分的外表面（33、45）有一定距离的地方终止的凹窝（29、41），以便形成环形凸缘（35、47），该环形凸缘沿轴向延伸，并终止于一轴向端面，
焊在所述第一转子部分（3）环形凸缘（35）的轴向端面上的包复层（51），
在第一转子部分（3）的环形凸缘（35）上的所述包复层（51）和所述第二转子部分（5）的环形凸缘（47）的轴向端面之间形成焊缝的填料。
10、如权利要求9限定的透平转子（1），其特征在于所述填料成分的重量百分比为：0.090～0.110C、1.25～1.80Mn、最高达0.010P、最高达0.010S、0.20～0.50Si、1.40～2.10Ni、最高达0.30Cr、0.25～0.55Mo、最高达0.05V、最高达0.10Ti、最高达0.10Zr、最高达0.10Al、最高达0.20Cu、最高达0.0015Sb、最高达0.015Sn、最高达0.020As、以及最高达百万分之35的0、25的N和10的H，其余为铁。
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