CN117404138A - 一种转子轴与调节级动叶轮的连接结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种转子轴与调节级动叶轮的连接结构及其制造方法，包括：转子轴和调节级动叶轮，调节级动叶轮包括呈环形的围带和轮毂；围带设于外圈，轮毂设于内圈，多个动叶片设于围带和轮毂之间；调节级动叶轮由环形锻坯经机加工一体成型；轮毂套在转子轴上并通过一整圈环形焊缝与转子轴固定连接。本发明通过将动轮毂和转子轴进行焊接方式取代了现有的机械连接方式，从而具有更大的刚性和更强的抗震动能力，应对更加复杂的运行工况；另外，本发明通过设置环形凹槽和环形凸起卡嵌的方式，能在焊接时转子轴能够对调节级动叶轮形成一定的向上支撑。

Description

一种转子轴与调节级动叶轮的连接结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种汽轮机叶片的技术领域，特别是涉及一种转子轴与调节级动叶轮的连接结构及制造方法的技术领域。

背景技术

在汽轮机中，转动部件的组合体被称为转子，它是由转子轴、动叶轮等组成；在喷嘴配汽后的第一级动叶轮被称为调节级动叶轮；该调节级动叶轮的工作状态一般为高温高压，而且会受到复杂的激振力作用，因此要求调节级动叶轮有足够的强度裕度，有大的刚度、高阻尼的结构特点。

现有的调节级动叶轮大多数采用双胞胎叶片或三胞胎叶片通过拼接的方式形成，如专利CN108204248B公开一种三胞胎调节级动叶片，在围带处设置有安装槽，多个调节级动叶片通过在安装槽内设置阻尼块连接成整圈动叶轮；同样地，专利CN108590775A公开了一种二胞胎动叶片，公开了一种由围带、叶身、过渡段和叶根一体成型的单个动叶片，并且通过拼装的方式将动叶片连接成整圈的动叶轮；因此现有技术中的动叶轮均为拼接结构，成圈刚度差，抗震动能力差。

另外，现有的调节级动叶片一般是通过机械连接的方式固定于转子轴上。如在专利CN108204248B中，三胞胎调节级动叶片的三叉叶根通过销钉固定于轮槽内；专利CN108590775A则公开了“叶根通过销钉固定在轮盘上，工作时，叶根和销钉接触压紧，起到定位作用。”现有转子轴与调节级动叶轮的连接结构不但连接刚度差，而且连接强度也不高，在复杂运行工况时，难以保证机组的安全运行。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明要解决的一个技术问题是提供一种转子轴与调节级动叶轮的连接结构，用于解决现有技术中调节级动叶轮自身刚度不足、以及调节级动叶轮和转子轴之间连接强度不足的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种转子轴与调节级动叶轮的连接结构，包括：转子轴和调节级动叶轮，所述调节级动叶轮包括呈环形的围带和轮毂；所述围带设于外圈，所述轮毂设于内圈，多个动叶片设于所述围带和所述轮毂之间；所述调节级动叶轮由环形锻坯经机加工一体成型；所述轮毂套在所述转子轴上并通过一整圈环形焊缝与所述转子轴固定连接。

优选地，所述环形焊缝贯穿所述轮毂的整个轴向厚度。

本发明要解决的另一个技术问题是提供一种上述连接结构的制造方法，包括以下步骤：

步骤一、使用整体环形锻件，采用机加工的方式加工出所述调节级动叶轮，并在所述轮毂的顶面和底面预留加工余量；

步骤二、将所述调节级动叶轮套在已经加工好的所述转子轴的轴肩上，使得所述轮毂内表面与所述轴肩外表面之间形成环形坡口，在所述环形坡口的底部，所述轮毂与所述轴肩之间设有过盈配合的卡口，所述轴肩的顶面和底面也预留有加工余量；

步骤三、在所述环形坡口底部的所述卡口处进行对称点焊，使所述轮毂与所述轴肩固定连接在一起；

步骤四、对所述环形坡口的底部进行打底焊；

步骤五、对所述环形坡口进行焊接填充，直至焊材填充满所述环形坡口，所述焊材形成所述环形焊缝；

步骤六、对所述调节级动叶轮和所述转子轴连接处进行局部焊后热处理；

步骤七、对所述轮毂和所述轴肩的顶面和底面进行机加工，去除所述加工余量。

优选地，在步骤二中，所述环形坡口的开口宽度w为13-16mm，坡口角度θ为1-3°。

优选地，在步骤四中，打底焊的电流为250A-300A之间；并且大于步骤五所用的电流。

优选地，所述步骤五进行逐层焊接填充，焊接过程中的层间温度不超过300℃。

优选地，在所述轴肩的底部设有一圈环形凸起，所述环形凸起与所述轮毂底部的一圈环形凹槽过盈配合形成所述卡口，所述环形凸起形成所述环形坡口的底部。

优选地，所述环形凸起的厚度t3为8～10mm，且小于所述轴肩底面的加工余量。

优选地，在步骤一中，所述轮毂的顶面预留加工余量t1为3-5mm；所述轮毂的底面预留加工余量t2为3-5mm，且大于所述环形凹槽的深度。

优选地，步骤六中通过一个上下两半式热处理工装将所述调节级动叶轮和所述转子轴的所述轴肩包在中间进行局部焊后热处理。

本发明具有以下有益效果：

本发明由环形锻件经机加工一体成型，形成整体式调节级动叶轮，极大地增强了调节级动叶轮的刚度，通过将整体式调节级动叶轮与转子轴进行整圈焊接的方式，从而获得更大的刚性和更强的连接强度，具有更好的抗震动能力，能适应更加复杂的运行工况。

附图说明

图1显示为本发明的一种汽轮机转子轴与调节级动叶轮的示意图；

图2显示为图1的调节级动叶轮和转子轴焊接后未切除加工余量的放大图；

图3显示为图1的调节级动叶轮和转子轴焊接后切除加工余量的放大图；

图4显示为调节级动叶轮和转子轴上加装有上下两半式加热工装的示意图；

图5显示为调节级动叶轮的剖面示意图；

图6显示为转子轴上轴肩的局部剖视图；

图7显示为调节级动叶轮和转子轴轴肩在焊接前的配合关系示意图；

图8显示为调节级动叶轮和转子轴轴肩在焊接后的配合关系示意图；

图9显示为切除加工余量后调节级动叶轮和转子轴的连接结构示意图。

元件标号说明

1 调节级动叶轮

11 围带

12 动叶片

13 轮毂

2 转子轴

21 轴肩

22 环形凸起

3 环形坡口

31 环形焊缝

4 上下两半式加热工装

5 卡口

6 上部加工余量

61 上部加工面

7 下部加工余量

71 下部加工面

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1至图9。须知，本说明书所附图中所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1所示，本发明提供一种转子轴与调节级动叶轮的连接结构，包括：固定连接在转子轴2上的调节级动叶轮1。

如图5所示，调节级动叶轮1包括呈环形的围带11和环形的轮毂13；围带11设于外圈，轮毂13设于内圈，多个动叶片12设于围带11和轮毂13之间；该调节级动叶轮1由环形锻坯经机加工一体成型，即在同一块材料上加工出上述围带11、动叶片12和轮毂13，形成整体式调节级动叶轮，这是本发明区别于现有拼接式结构的一个重要特点。

如图3所示，调节级动叶轮1的轮毂13套在转子轴2上，并通过一整圈环形焊缝31与转子轴2固定连接。具体地，在转子轴2上设有一个轴肩21，轴肩21比转子轴上相邻部位的直径更大一些，所述调节级动叶轮1通过环形焊缝31焊接在轴肩21的外周面上，并且环形焊缝31是贯穿轮毂13的整个轴向厚度的，即轮毂13的整个内周面都通过环形焊缝31与轴肩21的外周面连接。

本发明中的调节级动叶轮1由整体式结构取代了现有的拼接式结构，一方面提高了装配效率，另一方面这种整体式结构具有更大的刚性；另外，本发明采用将调节级动叶轮1和转子轴2进行焊接的方式取代了现有的机械连接方式，从而使两者连接处具有更大的刚性、更好的连接强度和更强的抗震动能力，使汽轮机能够适应更加复杂的运行工况。

下面介绍本发明上述转子轴与调节级动叶轮的连接结构的制造方法，具体步骤如下：

步骤一、使用整体环形锻件作为坯料，随后对坯料进行机加工形成一体成型的调节级动叶轮1；如图5所示，需要保证轮毂13的顶面和底部预留一定的加工余量t1、t2，便于焊后的再次加工。优选地，t1、t2为3-5mm。

对调节级动叶轮1和转子轴2进行焊前清洁，尽可能减少杂质和油污的存在。

步骤二、将调节级动叶轮1通过热套工艺装配至转子轴2的轴肩21上，使得轮毂13的内表面和轴肩21外表面之间形成环形坡口3，如图7所示；为了实现调节级动叶轮1在轴肩21上的准确定位及临时支撑，在环形坡口3的底部，轮毂与轴肩21之间设有过盈配合的卡口5。轴肩21的顶面和底面也预留有加工余量6、7，卡口5位于轮毂13和轴肩21底面的加工余量范围内，等焊后机加工时会被切除。

为了保证对环形坡口3焊接填充的效率，现在将其设置为深窄间隙坡口，该环形坡口3的深度与轮毂13的厚度几乎相同，即轮毂13的内表面和轴肩21外表面之间的环形间隙形成该环形坡口3。环形坡口3的开口宽度w可设置为13-16mm，坡口角度θ为1-3°，环形坡口3的根部半径r为1.5-2mm。

如图5所示，在轮毂13底部设置一圈环形凹槽132；如图6所示，在轴肩21的底部设有一圈环形凸起22，环形凸起22与轮毂13底部的环形凹槽132过盈配合形成卡口5，如图7所示。

另外，关于热套工艺具体说明如下：环形凸起22的外径被设计的略大于环形凹槽132的内径；在装配前，预先对调节级动叶轮1加热后套于转子轴2上，冷却后，实现环形凸起22与环形凹槽132的过盈配合；且该热套工艺中调节级动叶轮1的预热温度需要至少80℃以上。

步骤三、在环形坡口3底部的卡口5处进行对称点焊，使得轮毂13和轴肩21固定连接在一起。

具体的，如图7所示，通过焊接设备在环形坡口3内、卡口5的接缝处对称点焊4～8个点，起到临时固定作用。由于环形坡口3实际是环形的凹槽，因此4～8个焊点沿圆周排列在凹槽的底部。

步骤四、对环形坡口3底部进行打底焊，即在环形坡口3底部沿圆周对称地进行焊接，连成一圈，形成首道焊缝。首道焊缝将卡口5的接缝完全覆盖在其中，实现轮毂13和轴肩21的完全固定连接。优选地，在打底焊时，电流比后续填充焊的电流要稍大，在250A-300A之间，使其熔透，保证连接。

步骤五、对环形坡口3逐层地进行焊接填充，直至焊材填充满环形坡口3，形成环形焊缝31。

为了控制焊缝质量，在焊接前对调节级动叶轮1和转子轴2进行预热，避免焊后产生裂缝。调节级动叶轮1和转子轴2进行焊前预热的温度在150°以上。调节级动叶轮1及转子轴2优选为含有9-12％的Cr马氏体耐热钢，焊丝优选采用9Cr-1Mo-V型焊丝，直径Φ1.0mm。

步骤六、对调节级动叶轮1和转子轴2连接处进行局部焊后热处理；焊后热处理工艺可消除焊缝的焊接应力，改善焊接结构和综合性能；如图4所示，通过上下两半式热处理工装4将调节级动叶轮1和轴肩21包在中间对整个焊缝进行焊后热处理，并且考虑调节级动叶轮1、转子轴2以及焊材材质，将焊后热处理温度控制为680-700℃。

另外，在热处理前，需对调节级动叶轮1涂防氧化涂层，防止热处理过程中造成调节级动叶轮1的叶片氧化。

步骤七、对轮毂13和轴肩21的顶面和底面进行机加工，去除加工余量。

如图8所示，通过机加工去除轮毂13顶面预留的加工余量t1、以及轴肩21顶面预留的上部加工余量6后得到上部加工面61，去除轮毂13底面预留的加工余量t2、以及轴肩21底面预留的下部加工余量7后得到下部加工面71，此时卡口5被完全切除，得到转子轴2与调节级动叶轮1的最终连接结构，如图9所示。

除上述步骤外，本实施例的制造方法还具有如下细节：

如步骤五进行逐层焊接填充，焊接过程中的层间温度(层间温度是多道焊缝及母材在施焊下一焊道之前的瞬时温度)不超过300℃，其原因在于层间温度过高会引起热影响区晶粒粗大，使焊缝强度及低温冲击韧性下降。

在焊接之前，为了使转子轴2能够对调节级动叶轮1形成定位支撑，在轴肩21的底部设有一圈环形凸起22，环形凸起22与轮毂13底部的一圈环形凹槽132过盈配合形成卡口5；卡口5包含一道水平接缝和一道竖直接缝，并且如图7所示，只有水平接缝是与环形坡口3相通的，而竖直接缝则偏离环形坡口3所在的竖直柱面，这样能减少环形焊缝31产生开裂的可能性。原因在于，若卡口5的竖直接缝与环形坡口3直接相通，则竖直接缝处产生的竖向裂缝可能会沿环形焊缝31继续开裂。

为了保证支撑刚度，环形凸起22的厚度t3设为8～10mm。

另外，为了保证焊缝的质量，可通过无损检测的方式进行检测，若发现瑕疵则进行再次机加工，直至无损检测得到的结果合格。具体可采用超声检测、渗透检测等无损检测方法对焊缝进行无损检测。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种转子轴与调节级动叶轮的连接结构，其特征在于，包括：转子轴(2)和调节级动叶轮(1)，所述调节级动叶轮(1)包括呈环形的围带(11)和轮毂(13)；所述围带(11)设于外圈，所述轮毂(13)设于内圈，多个动叶片(12)设于所述围带(11)和所述轮毂(13)之间；所述调节级动叶轮(1)由环形锻坯经机加工一体成型；所述轮毂(13)套在所述转子轴(2)上并通过一整圈环形焊缝(31)与所述转子轴(2)固定连接。

2.根据权利要求1所述一种转子轴与调节级动叶轮的连接结构，其特征在于，所述环形焊缝(31)贯穿所述轮毂(13)的整个轴向厚度。

3.根据权利要求1所述连接结构的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、使用整体环形锻件，采用机加工的方式加工出所述调节级动叶轮(1)，并在所述轮毂(13)的顶面和底面预留加工余量；

步骤二、将所述调节级动叶轮(1)通过热套工艺安装于所述转子轴(2)的轴肩(21)上，使得所述轮毂(13)内表面与所述轴肩(21)外表面之间形成环形坡口(3)；在所述环形坡口(3)的底部，所述轮毂(13)与所述轴肩(21)之间设有过盈配合的卡口(5)，所述轴肩(21)的顶面和底面也预留有加工余量；

步骤三、在所述环形坡口(3)底部的所述卡口(5)处进行对称点焊，使所述轮毂(13)与所述轴肩(21)固定连接在一起；

步骤四、对所述环形坡口(3)的底部进行打底焊；

步骤五、对所述环形坡口(3)进行焊接填充，直至焊材填充满所述环形坡口(3)，形成所述环形焊缝(31)；

步骤六、对所述调节级动叶轮(1)和所述转子轴(2)连接处进行局部焊后热处理；

步骤七、对所述轮毂(13)和所述轴肩(21)的顶面和底面进行机加工，去除所述加工余量。

4.根据权利要求3所述制造方法，其特征在于，在步骤二中，所述环形坡口(3)的开口宽度w为13-16mm，坡口角度θ为1-3°。

5.根据权利要求3所述制造方法，其特征在于，在步骤四中，打底焊的电流为250A-300A之间；并且大于步骤五所用的电流。

6.根据权利要求3所述制造方法，所述步骤五进行逐层焊接填充，焊接过程中的层间温度不超过300℃。

7.根据权利要求3所述制造方法，其特征在于，在所述轴肩(21)的底部设有一圈环形凸起(22)，所述环形凸起(22)与所述轮毂(13)底部的一圈环形凹槽(132)过盈配合形成所述卡口(5)，所述环形凸起(22)形成所述环形坡口(3)的底部。

8.根据权利要求3所述制造方法，其特征在于，所述环形凸起(22)的厚度t3为8～10mm，且小于所述轴肩(21)底面的加工余量。

9.根据权利要求8所述制造方法，其特征在于：在步骤一中，所述轮毂(13)的顶面预留加工余量t1为3-5mm；所述轮毂(13)的底面预留加工余量t2为3-5mm，且大于所述环形凹槽(132)的深度。

10.根据权利要求3所述制造方法，其特征在于：步骤六中通过一个上下两半式热处理工装(4)将所述调节级动叶轮(1)和所述转子轴(2)的轴肩(21)包在中间进行局部焊后热处理。