CS274273B2 - Regulating wheel for welding on steam turbine's high-pressure rotor and method of its production - Google Patents

Description

(57) Regulační kolo k přivaření na vysokotlaký rotor parní turbiny sestává z prstence vzájemně svařených jednotlivých lopatek, opatřených každá na hlavové desce (2) a patní desce (3) svarovými drážkami (4). Boky (6) svarových drážek (4), vyplněných svarem ve tvaru U nebo V, vybíhají ve svarový okraj (7) , tvořící styčnou spáru (13) na straně hlavové desky (2) i patní desky (3) přivrácené k listu (1) lopatky. Lopatky se nejprve sestaví do prstence a svaří se spolu na patních deskách (3) i hlavových deskách (2) do prstence, který se bez ochlazení zahřeje na teplotu měkkého žíhání za účelem isothermické přeměny, poté mechanicky obrobí, podrobí zkoušení svarů a zušlechtí tepelným zpracováním. Prtenec se pak navaří na rotor.

(Π)
(13)	B2
(51)	Int.	ci.5
	B 23	K 31/02

Vynález se týká regulačního kola k přivaření na vysokotlaký rotor parní turbiny a způsobu jeho výroby.

Aby parní turbina měla dobrý výkon při částečném zatížení, předřazuje se před reakčni stupně vysokotlaké části turbiny často rovnotlaký stupeň, tvořící regulační stupeň. Rovnotlaký stupeň může pracovat v důsledku svého dimenzování s malým stupněm reakce i s částečným ostřikem. Částečným ostřikem regulačního stupně se reguluje proud páry turbinou a tedy i její výkon. Následující reakčni stupně pracují naproti tomu při všech velikostech zatížení s plným ostřikem.

Regulační stupeň sestává normálně z řady rozváděčích lopatek a z řady oběžných lupatek, přičemž první se označují jako dýzy a druhé spolu s příslušným dílem rotoru jako oběžné kolo.

Oběžné kolo vzniká privařením předem vyrobeného oběžného věnce neboli regulačního kola na příslušnou část rotoru. Samotné regulační kolo je rovněž svařovaná konstrukce. Svařování je totiž oproti všem mechanickým spojům nejpevnější a nejhomogennější. Svar dává záruku, že spojení lopatek s hřídelem snáší i při nejvyšších teplotách bez nebezpečí působení statických sil, vyvolávaných odstředivou silou, a dynamických sil, vyvolávaných přetržitým prouděním páry.

Regulační kolo uvedeného druhu a jeho způsob výroby jsou známé. Při výrobě regulačního kola se lopatky vyfrézují s profilem, patní deskou a hlavovou deskou z tyčového materiálu. U patky a hlavové desky se jednotlivé lopatky spolu svaří a vytvoří tak celistvý prstenec, který se pak navaří hlubokým svarovým švem U pod tavidlem na rotor. Po žíhání k odstranění pnutí se celá část kola přesoustruží a tím se odstraní kořen svaru, který je náchylný na vznik trhlin.

Při tomto způsobu výroby se hlavové desky svařují do skupin zvolených tak, aby nedocházelo ke kmitání vyvolanému proudem páry z dýz. Tyto skupiny sestávají obvykle ze tří, čtyř nebo několika jednotlivých lopatek a nejsou na bandážích spolu spojeny.

Aby se vytvořil uzavřený prstenec, musejí se jednotlivé lopatky případně skupiny lopatek vzájemně spojit v oblasti patek. K tomuto účelu mají patní desky podstatně větší radiální rozměr než hlavové desky. Svary nesahají až ke stěně patní desky, která omezuje proudění. Následkem toho se kořeny svarů v patkách lopatek odstraňují pomocí vývrtů v obvodu kotouče, což propůjčuje svařenému regulačnímu kolu jeho charakteristický vzhled.

Použité materiály jsou těžko svařitelné, například jde o ocel Χ₂2^^Γ^°^ΐ21· Nicméně je třeba vytvořit svarové spoje, které by měly stejnou pevnost a houževnatost jako základní materiál. K tomuto účelu se musí svařenec podrobit zušlechtění. Použitý materiál, který musí mít vysoký obsah uhlíku, aby se nerozděloval do dvou fází, má však tu speciální vlastnost, že se při předehřívacích teplotách kolem 300 °C nepřeměňuje pomalu jako nízkolegované ocele, rýbrž zůstává austenitický a jeho přeměnu může vyvolat pouze ochlazení. Normálně se proto svařené regulační kolo chladí, aby došlo k požadované strukturní přeměně. Křehký martensit, který při tom vzniká, se následně žíhá, takže je měkčí a houževnatější.

Nevýhodou tohoto řešení je skutečnost, že během chladicí fáze mohou vznikat ve svarech trhliny. Při silnějším ochlazení na nižší teploty je sice přeměna lepší a po následujícím popouštění se dosahuje vyšší houževnatosti, ale nebezpečí vzniku trhlin vzrůstá zcela znatelně. Z tohoto důvodu nebylo až dosud možné svařit hlavové desky v uzavřený prstenec .

Další nevýhoda je v tom, že kořeny svarů v patních deskách nejsou kontrolovatelné, takže z bezpečnostních důvodů se musí odvrtat alespoň kořen svaru, náchylný ke tvorbě trhlin.

Vynález odstraňuje tyto nedostatky a jeho předmětem je regulační kolo k přivaření na vysokotlaký rotor parní turbiny, sestávající z prstence sestavených jednotlivých lopaCS 274273 B2 tek, opatřených na hlavových deskách a patních deskách svarovými drážkami, přičemž svar na hlavových deskách má tvar U nebo V a boky svarové drážky vybíhají ve svarový okraj, tvořící styčnou spáru a uspořádaný přímo na straně hlavové desky přivrácené k listu lopatky. Podstata vynálezu spočívá v tom, že svar na patních deskách rovněž sestává ze svaru V nebo svaru U a boky svarové drážky vybíhají ve svarový okraj, tvořící styčnou spáru uspořádanou bezprostředně na straně patní desky přivrácené k listu lopatky, a že s vyloučením tvorby skupin je každá jednotlivá lopatka svařena se sousední lopatkou jak na hlavové desce tak na patní-desce. Hlavové a/nebo patní desky jednotlivých lopatek sestávají v radiálním směru z úzkého věnce vyrobeného zpravidla společně s listem lopatky z plného materiálu, na němž je po svaření do prstence nanesena svarová vrstva libovolné tlouštky.

Předmětem vynálezu je rovněž způsob výroby regulačního kola, při kterém se jednotlivé lopatky, vyrobené zpravidla z plného materiálu, s výhodou z tepelně odolné, vysoce legované CrMoV oceli, nejprve sestaví do prstence a na svých patních a hlavových deskách se spolu svaří, načež se prstenec po tepelném zpracování, mechanickém obrobení a přezkoušení navaří na kotouč rotoru. Podstata tohoto způsobu spočívá v tom, že všechny jednotlivé lopatky se svaří se sousedními lopatkami na patních deskách a hlavových deskách do prstence uzavřeného ze všech stran, který se po svaření bez ochlazení zahřeje na teplotu měkkého žíhání, přičemž svařenec a oblast vystavená působení tepla se isothermicky přemění, a po mechanickém obrobení a.zkoušení se prstenec zušlechtí a svarové spoje získají stejné vlastnosti jako základní materiál. Účelně se lopatky spolu svaří ve styčných spárách základním svarem, provedeným elektronovým paprskem, laserovým paprskem, svařením v plasmatu nebo svařením v argonu s přídavným materiálem nebo bez něho, načež se boky svarové drážky spojí svarovou housenkou, přiléhající střídavě k jednomu a druhému boku a tvořící výplňový svar, např. ručně obalenou elektrodou. S výhodou se po svaření patních a hlavových desek jejich radiální rozměr zvětší nanesením svarových housenek ve směru obvodu regulačního kola v několika vrstvách pod tavidlem.

Vynález snižuje na minimum nebezpečí vzniku trhlinek i při existenci vrubů a umožňuje vyrobit regulační kolo optimalizované jak pokud jde o vysoká namáhání vyvolaná prouděním páry a odstředivými silami, tak co do geometrie a počtu lopatek.

Vynález bude vysvětlen v souvislosti s výkresem, kde značí obr. 1 axonometrický pohled na segment prstence, sestávající ze čtyř lopatek, obr, 2 nárys první varianty svaru, obr.

výřez prstence připraveného ke svaření, obr. 4 výřez prstence navařeného na rotor, obr.

výřez oběžného kola po úplném mechanickém opracování, obr. 6 nárys druhého provedení svaru a obr. 7 výřez svařeného prstence podle třetí varianty svařování.

Na výkresech, kde jsou stejné součástky označeny stejnými vztahovými značkami, jsou zakresleny pouze ty díly, které jsou nezbytné pro pochopení vynálezu. Například není znázorněn vysokotlaký rotor parní turbiny jako celek.

Regulační kolo, které je na obr. 1 znázorněno pouze zčásti, sestává z prstence sestavených jednotlivých lopatek, který je uzavřen ze všech stran. Jednotlivé lopatky, které mají list 2> hlavovou desku 2 θ patní desku 2, ^se zpravidla vyrábějí z plného materiálu.

Ve znázorněném případě jde o zušlechtitelnou, tepelně odolnou, vysoce legovanou CrMoV ocel, například ocel X22CrMoV^₂^ podle DIN 17240.

Hlavové desky 2 a patní desky 3_ jsou každá opatřena dvěma svarovými drážkami které jsou vyplněny příčnými svary 5_.

Příprava svarů je patrná z obr. 2. Boky svarové drážky 4 mají tvar písmene V, samozřejmě mohou mít i tvar písmene U nebo jiný vhodný tvar. Boky £ vybíhají va svarový okraj 7 a dva proti sobě ležící svarové okraje ]_ tvoří styčnou spáru 22· Svarové okraje 2 jsou uspořádány přímo na spodní straně 2 hlavové desky 2_, případně na horní straně 12 patní desky 3 přivrácené k listu 1 lopatky.

Základní svar 9. όθ vyroben wolframovou elektrodou v netečném plynu (svařování WIG) s přídavným materiálem. Pro lepší přehlednost jsou svarové okraje 7_ nakresleny ve tvaru před vytvořením základního svaru 2- Οθ samozřejmé, že se při svařování alespoň částečně roztaví a ztuhnou v kořen svaru. Tím, že svarové okraje T_ jsou umístěny vždycky na vnějším konci patních desek 2 a hlavových desek jsou vzniklé kořeny svaru přístupné pro následující obrábění a zkoušení.

Výplňový svar 11 je vyroben ručně opláštovanou elektrodou střídavým kladením svarových housenek na jeden a druhý bok £, kterým se boky spolu spojí.

Na obr. 3 je schematicky znázorněno, jak probíhá svařování jednotlivých lopatek k sobě. Lopatky se sestaví v prstenec a k nim se z obou stran přivaří stehovými svary 14 svařovací prstence 15 tak, aby vznikl plynotěsný spoj, protože výroba základního svaru 9 probíhá v ochranné atmosféře.

Potom se vytvoří základní svar 9_ a výplňový svar 11 způsobem popsaným v souvislosti s obr. Ϊ, takže každá lopatka se spojí se sousedními lopatkami v uzavřený prstenec jak na hlavových deskách Ϊ, tak na patních deskách 2· Potom se svařené regulační kolo podrobí tepelnému zpracování.

Přímo po svaření ₍^e regulační kolo zahřívá ze svařovací teploty na měkkou žíhací teplotu asi 700 °C. Během žíhání probíhá ve svařovacím materiálu, ve svařenci a v oblasti, na kterou působí teplo, isothermická přeměna. Struktura, která přitom vzniká, je technicky nepoužitelná. Naproti tomu nevzniká v této výrobní fázi nebezpečí vzniku trhlin, protože napětí vyvolaná přeměnou jsou při teplotě 700 °C nepatrná, napětí způsobená svěřováním jsou odbourána a houževnatost materiálu je větší než houževnatost martensitu. Po dokončení měkkého žíhání se regulační kolo ochladí na vzduchu.

Nyní lze provádět mechanické obrobení, které zahrnuje všechny operace nezbytné k tomu, aby vzniklo regulační kolo vhodné pro přivaření na kotouč 16 rotoru 17.

Svařovací prstence 15 se srazí a čelní strany kola se mohou osoustružit na míru; zejména se odstraní kořen svarů u hlavových desek 2 ^a patních desek 2> jak je naznačeno šipkou 10 na obr. 2. Tyto kořeny a případně ještě existující zbytky spár se například vyfrézují a potom leští. Po této operaci jsou svary přístupné pro obvyklé ultrazvukové a magnetické zkoušení.

Po provedených zkouškách následuje důležitý krok zušlechtování. K tomuto účelu se znovu vzduchotěsně přivaří svařovací prstence 15, protože regulační kolo se během žíhání omývá proudem ochranného plynu, například argonu. Samotné zušlechíování spočívá nejprve v kalicím pochodu, to znamená zahřátí na teplotu převyšující 1 000 °C s následujícím ochla zením tlakovým vzduchem nebo rozprašovanou mlhou, a za druhé v popouštění při žíhací teplo tě kolem 700 °C s následujícím ochlazením na okolní teplotu v peci.

Po skončeném zušlechtování se patní partie regulačního kola osoustruží k přivaření na kotouč 16 rotoru 17. Navařování, které je schematicky naznačeno na obr. 4, se provádí hlubokým U-svarem 18, prováděným pod tavidlem.

Opracovaná partie kola, ve které je přechod mezi rotorem a lopatkami z obou stran hladce osoustružen, je zakreslena na obr. 5. Je třeba si všimnout, že kořen svaru 10 (obr.

4), který má sklon k tvorbě trhlinek, je osoustružen. Regulační kolo a rotor tedy tvoří nerozbornou jednotku.

Varianta znázorněná na obr. 6 má tu výhodu, že příčné svary, spojující hlavové i patní desky, jsou krátké.

Jednotlivé lopatky, vyrobené z plotovarů, mají poměrně tenké patní desky 3' a hlavové desky 2 , například o tloušíce 4 mm, které po svaření tvoří úzký věnec. Ve znázorněném pro vedení sestává příčný svar ze základního svaru 2, vyrobeného wolframovou elektrodou,v netečném plynu, a z výplňového svaru 11který má, je vyroben ručně a má jen několik vrstev.

Přes celou šířku desky se potom s výhodou automaticky nanese v obvodovém směru regulačního kula svarová vrstva 19 pod tavidlem. Tím je možné libovolně zvětšovat výšku hlavového a patního pásu. Vzhledem k malému množství ručních svařovacích pochodů je toto řešení veli ce výhodné a má vysokou jakost.

Za jistých okolností lze úplně vynechat výplňový svar 11 , ktorý se musí vyrábět opláštovanou elektrodou ručně, a svarová vrstva 19 po celém obvodu regulačního kola se může nanést na základní svar 2) vyrobený svařováním WIG.

Je samozřejmé, že vynález není omezen na popsaná a znázorněná řešení. Místo základního svaru vyrobeného wolframovou elektrodou v netečném plynu podle provedení z obr. 2 a 6 mohou být hlavové desky a patní desky spojeny v prvním pracovním kroku svařováním elektronovým paprskem, laserovým paprskem nebo v plasmatu. Samozřejmě se pak musejí styčné spáry vytvořit odpovídajícím způsobem.

Obr. 7 ukazuje obměnu provedení, kde hlavové desky Ϊ a patní desky 3' jsou spojeny po celé radiální délce na styčných spárách 13 svařením elektronovým paprskem. Patní desky 3', které mají značně velkou tlouštku, avšak mohly by stejně dobře tvořit úzký věnec jako hlavové desky 2_’podle obr. 6, jsou opatřeny po celém obvodu svarovou vrstvou 19 vyrobenou pod tavidlem.

Claims (6)

1. PŘEDMĚT VYNÁLEZU

   1. Regulační kolo k privaření na vysokotlaký rotor parní turbiny, sestávající z prstence sestavených jednotlivých lopatek, opatřených na hlavových deskách a patních deskách svarovými drážkami, přičemž svar na hlavových deskách má tvar U nebo V a boky svarové drážky vybíhají ve svarový okraj, tvořící styčnou spáru a uspořádaný přímo na straně hlavové desky přivrácené k listu lopatky, vyznačené tím, že svar na patních deskách (3) rovněž sestává ze svaru V nebo svaru U a boky (6) svarové drážky (4) vybíhají ve svarový okraj (7), tvořící styčnou spáru (13) uspořádanou bezprostředně na straně (12) patní desky (3) přivrácené k listu (1) lopatky, a že s vyloučením tvorby skupin je každá jednotlivá lopatka svařena se sousední lopatkou jak na hlavové desce (2) tak na patní desce (3).
2. 2. Regulační kolo podle bodu 1, vyznačené tím, že hlavové desky (2) a/nebo patní desky (3) jednotlivých lopatek sestávají v radiálním směru z úzkého věnce vyrobeného zpravidla společně s listem (1) lopatky z plného materiálu, na němž je po svaření do prstence nanesena svarová vrstva (19) libovolné tlouštky.
3. 3. Způsob výroby regulačního kola podle bodů 1 a 2, pro vysokotlaký rotor parní turbi ny, při kterém se jednotlivé lopatky, vyrobené zpravidla z plného materiálu, s výhodou z tepelně odolné, vysoce legované CrMoV oceli, nejprve sestaví do prstence a na svých patních a hlavových deskách se spolu svaří, načež se prstenec po tepelném zpracování, mechanickém obrobení a přezkoušení navaří na kotouč rotoru, vyznačený tím, že všechny jednotlivé lopatky se svaří se sousedními lopatkami na patních deskách a hlavových deskách do prstence uzavřeného ze všech stran, který se po svaření bez ochlazení zahřeje na teplotu měkkého žíhání, přičemž svařenec a oblast vystavená působení tepla se isothermicky přemění, a po mechanickém obrobení a zkoušení se prstenec zušlechtí a svarové spoje získají stejné vlastnosti jako základní materiál.
4. 4. Způsob podle bodu 3, vyznačený tím, že lopatky se spolu svaří ve styčných spárách základním svarem, provedeným elektronovým paprskem, laserovým paprskem, svařením v plasmatu nebo svařením v argonu s přídavným materiálem nebo bez něho, načež se boky svarové drážky spojí svarovou housenkou, přiléhající střídavě k jednomu a druhému boku a tvořící výplňový svar, např. ručně obalenou elektrodou.
5. 5. Způsob podle bodu 3, vyznačený tím, že lopatky se ve styčných spárách spojí svařením elektronovým paprskem, laserovým paprskem nebo svařením v plasmatu s přídavným materiálem nebo bez něho.
6. 6. Způsob podle bodu 4 nebo 5, vyznačený tím, že po svaření patních a hlavových desek se jejich radiální rozměr zvětší nanesením svarových housenek ve směru obvodu regulačního kola v několika vrstvách pod tavidlem.