TW202227796A - 用於全尺寸取樣以對蒸汽渦輪機轉子進行材料測試之系統及方法 - Google Patents

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Abstract

一種產生用於進行一傳統蒸汽渦輪機轉子的材料測試的材料測試樣本的方法，該傳統蒸汽渦輪機轉子具有一葉片間區域轉子表面及一入口區域轉子表面，該入口區域轉子表面鄰接該葉片間區域轉子表面。該方法包括：形成在該樣本區域中之轉子材料的一環狀環；及自該環狀環的一部分形成一材料測試樣本。亦描述的是一傳統蒸汽渦輪機轉子，其包括一葉片間區域轉子表面及一入口區域轉子表面，該入口區域轉子表面鄰接該葉片間區域轉子表面。該蒸汽渦輪機轉子具有形成於其中的一溝槽，且其中該溝槽經機械加工以實現自該蒸汽渦輪機轉子移除材料以形成樣本，該等樣本經組態以實現以下中之至少一者：進行材料性質測試；及在相較於該傳統蒸汽渦輪機轉子而言擴大的熱應力下操作該改良的蒸汽渦輪機轉子。

Description

用於全尺寸取樣以對蒸汽渦輪機轉子進行材料測試之系統及方法
本揭露大致上係關於用於蒸汽渦輪機的轉子，且更具體而言，係關於對傳統轉子構形的改良，其允許全尺寸取樣以進行材料測試以評估此類轉子的熱老化與疲勞。
蒸汽渦輪機可包括具有推力平衡活塞的轉子，該轉子具有用於釋放在活蒸汽流動路徑之區域外之熱應力的一釋放槽。此釋放槽係在與通過葉片流動路徑之操作蒸汽流相對的方向上軸向地位移。
隨著再生能源使用的增加，越來越需要電網路以與增加的發電廠及蒸汽渦輪機循環進行操作。操作的彈性需求可受限於蒸汽渦輪機的壽命，因為對於頻繁的熱瞬態的暴露增加會提升在冷、溫及熱起動期間以及在負載轉變及停機期間發生熱疲勞裂縫形成的風險。此外，在具有多個階段或渦輪機（例如一高壓渦輪機及一中壓渦輪機）的蒸汽渦輪機中，在各蒸汽渦輪機/區段中的不同熱條件導致各蒸汽渦輪機/區段之轉子部分的低週疲勞壽命不同。因此，維護計畫需求可不同步，其可導致維護停電增加。雖然藉由選擇轉子材料來改善韌性及延展性以平衡轉子部分的低週疲勞壽命係可能的，但是僅靠選擇轉子材料來達成目標具有實際上的限制。這些措施並未克服熱瞬態對轉子的低週疲勞壽命所產生的潛在負面影響。
因此，蒸汽渦輪機的壽命狀態需要受監控。一般而言，理論上的評估係基於最小材料性質而以實際但概括性的操作資料來進行。為此，對於在熱段中之轉子的實際機械行為的研究會是有益的。在一些情況下，使用小量測試取樣方法來執行脆性轉變溫度(fracture appearance transition temperature, FATT)評估。不幸地，此類方法通常展現因為小的樣本大小所導致之大的不準確性。此外，對於反應鼓輪型轉子而言，經老化之服勤中蒸汽渦輪機之FATT資料的資料庫係一般係不可取用的。這即是由於缺乏方便移除之材料的緣故，測試樣本可從該材料取得。相反地，對於脈衝轉子蒸汽渦輪機而言，因為蒸汽渦輪機之轉子所包括的圓盤沒有跨各別階段的壓降，所以可允許將鑽孔鑽入圓盤中（只要該等鑽孔係平衡的）且可允許視需要提取用於進一步調查的樣本材料。
因此，需要改善轉子的取樣，以評估熱老化對於潛變破裂性質所產生的影響。此外，需要改善蒸汽渦輪機轉子部分之低週疲勞壽命及調整該蒸汽渦輪機轉子的不同部分的低週疲勞壽命以使轉子部分的維護週期同步。
一種產生用於進行一傳統蒸汽渦輪機轉子的一或多個材料測試的一材料測試樣本的方法，該傳統蒸汽渦輪機轉子具有一葉片間區域轉子表面及一入口區域轉子表面，該入口區域轉子表面鄰接該葉片間區域轉子表面。該方法包括：移除在一樣本區域中的轉子材料的一環狀環，該樣本區域選自該葉片間區域轉子表面及該入口區域轉子表面；該環狀環之該移除產生一改善的傳統蒸汽渦輪機轉子；及從該環狀環的一部分形成一材料測試樣本。
一種提取用於進行一或多個材料測試的一材料測試樣本的系統，該材料測試樣本係提取自一傳統蒸汽渦輪機轉子，該傳統蒸汽渦輪機轉子具有一葉片間區域轉子表面及一入口區域轉子表面，該入口區域轉子表面鄰接該葉片間區域轉子表面。該系統包括來自該傳統蒸汽渦輪機轉子之轉子材料的一環狀環的一經分割區段，該環狀環係經機械加工自形成於該傳統蒸汽渦輪機轉子中的一溝槽，其中該溝槽經機械加工以實現該環狀環之移除及實現該材料測試樣本之形成。
一種改良的蒸汽渦輪機轉子。該改良的蒸汽轉子包括一傳統蒸汽渦輪機轉子，該傳統蒸汽渦輪機轉子具有：一葉片間區域轉子表面及一入口區域轉子表面，該入口區域轉子表面鄰接該葉片間區域轉子表面；及一溝槽，其形成於該傳統蒸汽渦輪機轉子的該入口區域轉子表面或該葉片間區域轉子表面的任一者中。該溝槽經機械加工以實現自該傳統蒸汽渦輪機轉子移除材料，以實現以下中之至少一者：進行材料性質測試；及至少部分地基於該材料性質測試在相較於該傳統蒸汽渦輪機轉子而言擴大的熱應力下操作該改良的蒸汽渦輪機轉子。 經由本揭露之技術實現了額外特徵及優點。本文中詳細描述了本揭露之其他實施例及態樣。為了更好地理解本揭露的優點及特徵，參照說明及圖式。
現在參照圖式描述本揭露之例示性實施例，其中相似元件符號係用於指稱全文的類似元件。在以下說明中，為了解釋之目的，闡述許多具體細節以提供對本揭露之徹底理解。然而，本揭露可在沒有這些具體細節的情況下實行，且不限於本文所揭示之例示性實施例。
雖然本文所述的各種實施例適用於與利用蒸汽渦輪機之蒸汽產生系統的應用搭配使用以及在該應用中使用，但僅為了清楚說明起見，已選擇及描述一反應鼓輪蒸汽渦輪機。其他類型的蒸汽渦輪機構造（諸如具有一或多個區段的蒸汽渦輪機、鼓輪型渦輪機、及脈衝渦輪機）同樣適用。
圖1繪示一般包含在一內殼11中的一高壓蒸汽渦輪機轉子10的實例。高壓蒸汽渦輪機轉子10包括一葉片間區域轉子表面12、一入口區域轉子表面14，及一活塞區域轉子表面16。葉片間區域轉子表面12係一區域，其中軸向間隔的旋轉葉片列（其中一者顯示於圖4A中）圍繞高壓蒸汽渦輪機轉子10周向延伸。這些葉片藉由葉片溝槽13附接至高壓蒸汽渦輪機轉子10。通過葉片間區域轉子表面12的第一列葉片溝槽經常標記為BG1並表示為13a，第二列葉片溝槽標記為BG2並表示為13b，依此類推，取決於該蒸汽渦輪機的一給定區段所採用之葉片階段的數目。因此，葉片間區域轉子表面12可被界定為葉片溝槽13所在的高壓蒸汽渦輪機轉子10的表面區域。
入口區域轉子表面14在葉片間區域轉子表面12的上游且緊鄰於該葉片間區域轉子表面。在操作中，當蒸汽經饋入至蒸汽渦輪機中時，轉子的此部分暴露於該蒸汽。一般而言，入口區域轉子表面14經定形以藉由具有延伸至第一上游葉片溝槽13a的一徑向至軸向變遷面而直接徑向地饋送蒸汽至一軸向方向。在一實施例中，使用入口區域轉子表面14及/或葉片間區域12中的其他區域來提供一樣本區域15，其用於根據需要而移除材料以提供如本文所述的用於材料測試的材料。例如，雖然本揭露的一些實施例將入口區域轉子表面14描述為用於採取樣本，但其他實施例涉及的則是包括無葉片溝槽13之區域及葉片間區域轉子表面12可用於採取樣本的蒸汽渦輪機轉子10。
活塞區域轉子表面16經定位緊鄰於入口區域轉子表面14，使得入口區域轉子表面14係軸向地定位於活塞區域轉子表面16與葉片間區域轉子表面12之間。活塞區域的目的在於在所有操作條件下，抵銷典型反應式蒸汽渦輪機的軸端推力以及朝向該渦輪機的高壓端產生轉子的推力。活塞可與固體轉子一體成型，或可經套裝並鍵入至位置。活塞區域轉子表面16可包括位於入口區域轉子表面14上游且緊密鄰近於該入口區域轉子表面的應力釋放槽轉子表面18。
在一或多個實施例中，葉片間區域轉子表面12、入口區域轉子表面14、活塞區域轉子表面16及/或應力釋放槽轉子表面18之各者具有一接合的熱障塗層19。熱障塗層19可係部分或完全覆蓋表面12、14及16（包括表面18），且熱障塗層19之徑向厚度可係均勻或可變化。
經組合之高壓蒸汽渦輪機轉子10及中壓蒸汽渦輪機轉子20的例示性實施例顯示於圖2A中。圖2A也繪示一葉片間區域轉子表面22及一入口區域轉子表面24。葉片間區域轉子表面22係軸向地介於藉由延伸穿過轉子表面的葉片溝槽23而在周向分布於中壓蒸汽渦輪機轉子20上的旋轉葉片（未圖示）之間。
入口區域轉子表面24在葉片間區域轉子表面22的上游且緊鄰於該葉片間區域轉子表面。當蒸汽經饋入至蒸汽渦輪機中時，轉子20的此區域曝露於該蒸汽。一般而言，該區域經定形以藉由具有延伸至第一上游葉片溝槽23a的一徑向至軸向變遷面而直接徑向地饋送蒸汽至一軸向方向。在一些實施例中，饋送至中壓蒸汽渦輪機轉子20的蒸汽可不被再加熱，並可導自高壓區段。同樣地，在一實施例中，使用入口區域轉子表面24及/或葉片間區域22中的其他區域來提供一樣本區域25，其用於根據需要而移除材料以提供如本文所述的用於材料測試的材料。
活塞區域轉子（未圖示）可經定位緊鄰於入口區域轉子表面24，使得入口區域轉子表面24係定位於活塞區域轉子表面與葉片間區域轉子表面22之間，如之前針對該高壓區段所描述地。在例示性實施例中，葉片間區域轉子表面22、入口區域轉子表面24、及活塞區域轉子表面之各者具有接合至各別表面的一熱障塗層。
雙流蒸汽渦輪機轉子30的例示性實施例係顯示於圖2B中。轉子30包括雙葉片間區域轉子表面32與入口區域轉子表面34。葉片間區域轉子表面32係軸向地設置介於藉由延伸進入轉子30之表面的葉片溝槽33而在周向分布於雙流蒸汽渦輪機轉子30上的旋轉葉片（未圖示）之間。
入口區域轉子表面34在葉片間區域轉子表面32的上游且緊鄰於該葉片間區域轉子表面。當蒸汽經饋入至蒸汽渦輪機中時，轉子30的此區域曝露於該蒸汽。一般而言，該區域經定形以藉由具有延伸至第一上游葉片溝槽33a的一徑向至軸向變遷面而直接徑向地饋送蒸汽至一軸向方向。在一實施例中，使用葉片間區域表面32來提供一樣本區域35，其用於根據需要而移除材料以提供如本文所述的用於材料測試的材料。在此圖中獨特地，葉片間區域轉子表面32包括第二（或替代的）取樣位置35，該等取樣位置位於可表示為BG2及BG3處之間，其等亦可用於移除材料以提供用於材料測試。
金屬材料（諸如不鏽鋼、鈦合金、鎳基合金及類似者）廣泛地用於在石化、熱電、化石及核能、汽車、及航空工業中的蒸汽渦輪機轉子。例如，低合金CrMoV鋼（即含有鉻、鉬及釩的鋼）常在高達565℃的溫度下使用。對於超臨界應用，使用具有9%Cr的鋼合金。對於在甚至更高的溫度（例如在700℃的區域中）操作的發電廠應用，可將鎳基合金用於該轉子。這些材料係經製造以在高溫、高壓、振動、及動力之嚴格條件下長時間操作。因此，這些組件將不可避免地受到高溫、潛變、及疲勞損害，其會導致材料性質劣化，且最終可導致材料失效。因此，進行週期性測試及評量以評估該劣化，特別是針對關鍵或昂貴的組件。然而，健康監控及評估可係困難的且勞力密集的，特別是對於大型蒸汽渦輪而言，並且可導致代價高昂的工廠停機與延遲。因此，促進準確測試的方法是高度有利的。
傳統的切劈測試係標準化的高應變率測試，其判定在破裂期間一材料所吸收能量的量。所吸收能量係對於材料之凹口軔性的度量。此係廣泛地使用於產業中作為材料整體性的指標，因為其容易準備及執行，且可快速且相對便宜地獲得結果。切劈測試的缺點在於一些結果僅為比較性的，傳統的破裂測試在設備上需要相當大的樣本，且在取樣後，在取樣點處一般需要藉由焊接的修復。此外，當體心立方或鐵磁體合金在一溫度範圍內接受衝擊測試時，該等合金展現顯著的行為差異。在高於轉移溫度的溫度下，衝擊測試樣品傾向於以延性機制（通常係微孔聚結）破裂，從而吸收相對大量的能量。在較低的溫度下，相同的衝擊測試樣品傾向於以脆性（通常為劈裂）的方式破裂，吸收明顯較少的能量。在轉移溫度範圍內，測試樣品將通常展現出具有延性破裂與脆性斷裂之混合者的區域。
從一種行為類型轉移至其他行為類型的溫度範圍會根據所測試的材料而改變。此轉移行為可出於規範目的而以各種方式定義，例如，在指定的測試溫度下的所吸收能量、斷裂形貌、側向膨脹、或其組合之最小測試結果。在一些情形中，當測試係在一溫度範圍內進行時，轉移溫度係所吸收能量或斷裂形貌達到一特定位準時的溫度。替代地，可能所欲是判定樣品的脆性轉變溫度(FATT)，其中FATT係獲得所需之最小百分比的剪切斷裂(n)的溫度。FATT係熱老化、材料疲勞、及抗裂能力之定量目標，亦即結構完整性的評估。其提供組件壽命之材料結構的重要評估。FATT使轉子的評估能夠建立疲勞的位準，或者換個方式說，對於該組件之預期的預期壽命。因此，組件的實際取樣有助於疲勞及預期壽命的評估，特別是關於對蒸汽渦輪機轉子10的給定操作輪廓的預期結果。
現在轉向圖3，蒸汽渦輪機轉子10、20、30的一部分100描繪葉片間區域轉子表面12（或22、32）及入口區域轉子表面14的一部分。雖然繪示一蒸汽渦輪機轉子10，但所描繪的部分同樣適用於如上述的中壓轉子20或雙流轉子30。從此處起，為了簡化，將使用此後應用於各類型轉子的描述來共同地指稱用於高壓轉子10、中壓轉子20、及雙流轉子30之各者的組件。在一實施例中，將葉片溝槽13的一部分描繪為延伸穿過鄰近於入口區域轉子表面14的葉片間區域轉子表面12的一部分。如本文所述，入口區域轉子表面14經定形以藉由具有延伸至第一上游葉片溝槽13a的一徑向至軸向變遷面而直接徑向地饋送蒸汽至一軸向方向。
然而，在一實施例中，使用入口區域轉子表面14及/或葉片間區域12中的其他區域來提供一樣本區域15，其用於移除用於測試及FATT判定之材料。例如，材料測試可包括以下之一或多者：切劈測試、拉伸測試、硬度測試、潛變測試、低週疲勞測試、微結構測試、及類似者。
在一實施例中，引入額外的初始葉片溝槽13i（亦表示為BG0）。初始葉片溝槽BG0、13i具有與其他葉片溝槽13（例如，13a、13b等）實質上類似的尺寸及形狀，但不必然類似。例如，初始葉片溝槽13i可在選定寬度W1下在轉子表面中切割至第一深度D1，且隨後可在表示為W2之較大的選定寬度下切割至進一步的深度D2，以形成遠離入口區域轉子表面14的擴展部分17。擴展部分17之特定輪廓係經有利地選擇以在轉子10、20及/或30中提供熱及動態應力釋放。例如，可能所欲是將初始葉片溝槽BG0、13i之擴展部分17切割以在其寬度W2處具有圓化隅角及邊緣。
在一些實施例中，擴展部分17可具有展現出彼此不同幾何形狀及/或曲率的圓化隅角，此類幾何形狀包括但不限於圓形、橢圓形、拋物線、或多項式函數、及類似者。在一實施例中，初始葉片溝槽BG0、13i展現一擴展部分17，該擴展部分具有在一軸向方向及一徑向方向中之至少一者上對稱的一剖面。在另一實施例中，初始葉片溝槽BG0、13i展現一擴展部分17，該擴展部分在軸向或徑向方向中之至少一者上不對稱。在一實施例中，初始葉片溝槽BG0、13i展現一擴展部分17的截面，該擴展部分實質上係圓形、橢圓形、或卵形的。在另一實施例中，初始葉片溝槽BG0、13i展現出與其他葉片溝槽13實質上相同的截面形狀，特別是第一葉片溝槽13a（亦表示為BG1）。在又另一實施例中，初始葉片溝槽BG0可比第一葉片溝槽BG1、13a更大且更深。在其他實施例中，初始葉片溝槽BG0可比第一葉片溝槽BG1、13a更小且更淺。
初始(BG0)葉片溝槽目前被實施於新建的蒸汽渦輪機轉子中。在現代的應用中，未使用的葉片溝槽（即沒有安裝葉片的葉片溝槽）通常用於減少新施用之轉子的熱段處的疲勞及熱應力。然而，初始葉片溝槽BG0、13i並未在傳統轉子10、20、30上實施。傳統轉子10、20、30亦由於其使用時間而經受疲勞及損害。傳統轉子特別需要疲勞評估及評量以測量其等持續使用的適合性。所描述的實施例首先善用此特徵以提供用於取樣，同時實施轉子的熱應力釋放中的潛在增強。因此，基於取得用於進行此處所述之測試的樣品的好處，在轉子10、20、30的改善的新葉片幾何形狀中實施應力的減少（或應力釋放）。經改善的應力釋放可允許藉由減少經改良之傳統轉子10、20、30中的熱應力來實現更快啟動並增加循環。
有利的是，移除材料以形成葉片溝槽BG0、13i係經機械加工成有助於提取足夠大小之測試樣本50以進行評估FATT之測試。只要該材料以與進行測試一致的方式移除，所採用之特定機械加工及/或切割方案並不重要。在一實施例中，如本文所述且如圖4A至圖4F所描繪，可藉由例如在車床上機械加工該轉子來輕易達成大致用於標準切劈測試的樣本，其一般為矩形且具有10毫米(mm)的寬度、10 mm的高度、及10 mm或20 mm或50 mm的長度。
圖4A至圖4F描繪轉子10之示例性截面及用於機械加工及形成在轉子10中的初始葉片溝槽BG0、13i的例示性程序，以及獲取及製造用於進行疲勞及切劈測試的樣本50。圖5係根據一實施例繪示之從一傳統蒸汽渦輪機轉子10獲取測試樣本的一實例程序200的流程圖。在一實施例中，如在圖4A所描繪的，所欲之初始葉片溝槽BG0、13i的輪廓繪示為具有經設計為一區段，該區段供樣本50從轉子10的入口區域表面14受到機械加工。
現轉向圖4B，在程序205的第一步驟中，採用車床60及刀片62以可選地移除第一槽70且將入口區域轉子表面14之彎曲表面的頂部部分平坦化，以開始初始葉片溝槽BG0、13i的形成。在程序步驟210，該車床60及一刀片62（可具有與步驟205中所採用之刀片62不同的輪廓）係用以移除一接入槽72（從左到右向下交叉），將其切割成足以實現用於材料之移除的間隙以形成一底切槽74（水平交叉）的寬度W2及深度D2，如本文所描述。應理解的是，寬度W2經組態以提供必要間隙而不會太寬以至於到更遠的上游處（如所描繪的左邊）而自樣本50之區域移除任何材料，亦不會到更遠的下游處（如所描繪的右邊）而移除所描繪之初始葉片溝槽13i的輪廓以外的材料。繼續參照圖4B，在程序步驟215，採用車床60及直角刀片62以在樣本50之區域下切割，從而形成底切槽74，如所描繪。
現轉向圖4C，方法200在可選的程序步驟220繼續，其中依需要將複數個緊固件80安裝在底切槽74中，以將轉子10的材料穩定並固持在樣本50之區域中，以準備用於後續的移除步驟。在程序200之下一步驟225中，可使用一車床60及刀片62以將與接入槽72軸向地隔開的一最終槽76（垂直交叉）移除。最終槽76徑向地向內朝底切槽74延伸，且最終槽76的切割導致配置為繞轉子10之圓周具有矩形截面的環狀環52（包括樣本50）的形成。若需要，在程序步驟230移除可選的緊固件80，將去除材料之環狀環52釋放以形成一或多個樣本50，如所描繪者。
現轉向圖4D，如在可選的程序步驟235中所描繪，可使用一楔82來固定環狀環52以從轉子10及初始葉片溝槽BG0、13i移除。繼續方法200，在程序步驟240，該環狀環52係在至少兩個地方橫跨其截面受切割，產生複數個具有矩形截面之弧狀段或區段54，可自其等取得複數個樣本50。
現轉向圖4E，繪示環狀環52之一實例弧狀區段54。在程序步驟245，可輕易將弧狀區段54切割並機械加工至所需尺寸，以形成用於衝擊測試的標準化樣本50。經機械加工之樣本50的所得形狀可係矩形的或圓的（亦即圓形的）。亦應理解的是，可進行使用樣本（諸如微區段）的其他調查，來調查材料的微結構、評估硬度、判定拉伸強度、及類似者。在一實施例中，形成複數個樣本50，各具有本文先前所述之尺寸，但其他尺寸係可能的。如在程序步驟250所描繪，接著可使用樣本50以進行衝擊及切劈測試，以促進用於傳統轉子10之FATT的評估。
最終轉向圖4F，且如在圖5之程序步驟255所描繪，可經由類似於本文所述之機械加工技術完成初始葉片溝槽BG0、13i之輪廓的機械加工。可將具有與葉片溝槽BG0、13i互補之形狀的填料材料51安裝至葉片溝槽BG0、13i中，以有助於蒸汽渦輪機的操作。填料材料51的徑向外部表面可與入口區域轉子表面14齊平，以確保流動進入入口區域的蒸汽不受葉片溝槽BG0干擾。
在一實施例中，形成初始葉片溝槽BG0、13i以為轉子10提供熱及動態應力釋放。經由初始葉片溝槽BG0、13i提供此類熱應力釋放，使得一傳統轉子10能夠以較先前所允許的更大的溫度梯度使用。因此，亦改善了蒸汽渦輪機之暖機時間、起動時間、及起動頻率。如在程序步驟260所描繪，當與無初始葉片溝槽BG0、13i的傳統轉子相較時，該蒸汽渦輪機可以較高的熱應力（諸如較大的熱梯度）來操作。例如，對於具有指定熱梯度限制的蒸汽渦輪機及給定轉子10，採用新的初始葉片溝槽BG0、13i允許該指定熱梯度限制以約1.6的倍數增加。熱梯度的性能改善取決於蒸汽渦輪機轉子10的負載狀態及未來壽命。對於高壓渦輪機轉子10，每典型起動的熱機械損壞將以高達300%的倍數減少，而雙流IP渦輪機轉子則以約200%減少。
應理解的是，雖然以特定次序來描繪方法200之各種步驟，但是該等步驟不需要嚴格地依此次序進行，且以此類次序來描述該等步驟僅係出說明實施例之實例的目的。一些步驟可輕易地以不同的次序進行。亦應理解，方法200之程序步驟之一或多者可係自動化及受控的。例如，藉由一控制器或控制單元來自動化用於移除轉子的材料之機械加工以及處理。
除了節省操作外，所述實施例之取樣系統及方法藉由評估蒸汽渦輪機的預期壽命及實現較長期的操作來提供改良的測試及操作能力。具體而言，利用本文中所揭示之本系統及方法，設計/計劃用於進行疲勞測試的設備以及至少部分地基於該疲勞測試之結果來自動化FATT之評估係可能的。此外，所述實施例之蒸汽渦輪機轉子提供了現有的經改裝之工廠或鍋爐的設計及構造在資本及續生成本上的節省。具體而言，在使用本文所揭示之系統及方法的情況下，修改現有設備以減少再啟動限制同時達成更快且更頻繁的渦流機再啟動係可能的。最後，儘管根據一些實施例描述切割溝槽及形成環狀環的特定方法，但應理解，其他技術可係可能的。例如，利用如本文所描述之溝槽切割以外的各種切割技術來形成該環狀環可係可行的。
改良的蒸汽渦輪機轉子包括一傳統蒸汽渦輪機轉子，該傳統蒸汽渦輪機轉子具有：一葉片間區域轉子表面及一入口區域轉子表面，該入口區域轉子表面鄰接該葉片間區域轉子表面；及一溝槽，其形成於該傳統蒸汽渦輪機轉子的該入口區域轉子表面或該葉片間區域轉子表面的任一者中。該溝槽經機械加工以實現從該傳統蒸汽渦輪機轉子移除材料，以實現以下中之至少一者：進行材料性質測試；及在相較於該傳統蒸汽渦輪機轉子而言擴大的熱應力下操作該改良的蒸汽渦輪機轉子。
除了上述特徵的一或多者，或作為替代，該改良的蒸汽渦輪機轉子的進一步實施例可包括：該溝槽係在該入口區域轉子表面中經機械加工至一第一選定寬度及一第一選定深度。
除了上述特徵的一或多者，或作為替代，該改良的蒸汽渦輪機轉子的進一步實施例可包括：該溝槽包括在遠離入口區域轉子表面或其中該溝槽經機械加工的葉片間區轉子表面的溝槽末端處的膨脹部分。
除了上述特徵的一或多者，或作為替代，該改良的蒸汽渦輪機轉子的進一步實施例可包括：該溝槽的擴展部分包括圓化隅角或圓化邊緣中之至少一者。
除了上述特徵的一或多者，或作為替代，該改良的蒸汽渦輪機轉子的進一步實施例可包括：該等圓化隅角及圓化邊緣展現不同的幾何形狀。
除了上述特徵的一或多者，或作為替代，該改良的蒸汽渦輪機轉子的進一步實施例可包括：該擴展部分實質上係圓形、卵形、及橢圓形中之至少一者。
除了上述特徵的一或多者，或作為替代，該改良的蒸汽渦輪機轉子的進一步實施例可包括：該擴展部分在軸向方向及徑向方向中之至少一者上係對稱及不對稱中之至少一者。
除了上述特徵的一或多者，或作為替代，該改良的蒸汽渦輪機轉子的進一步實施例可包括：該入口區域轉子表面界定一蒸汽入口區域，且該溝槽延伸通過該入口區域轉子表面，以在該改良的蒸汽渦輪機轉子中提供額外應力釋放。
除了上述特徵的一或多者，或作為替代，該改良的蒸汽渦輪機轉子的進一步實施例可包括：該傳統轉子經組態作為一中壓蒸汽渦輪機轉子、一高壓蒸汽渦輪機轉子、及一雙流轉子中之至少一者。
根據本揭露的另一態樣，提供一種提取用於進行材料測試的一材料測試樣本的系統，該材料測試樣本係來自一傳統蒸汽渦輪機轉子。該傳統蒸汽渦輪機轉子具有一葉片間區域轉子表面及一入口區域轉子表面，該入口區域轉子表面鄰接該葉片間區域轉子表面。該材料測試樣本係自該傳統蒸汽渦輪機轉子移除之轉子材料的環狀環的弧狀區段的一部分。該環狀環係由一溝槽經機械加工而成，該溝槽形成於該傳統蒸汽渦輪機轉子的該入口區域轉子表面。該溝槽經機械加工以實現該環狀環的移除以及實現該材料測試樣本的形成。
除了上述特徵的一或多者，或作為替代，該系統的進一步實施例可包括：該材料測試樣本係複數個材料測試樣本中之一者，且該複數個材料測試樣本具有由該弧狀區段之機械加工所產生的一標準化尺寸。
除了上述特徵的一或多者，或作為替代，該系統的進一步實施例可包括：該材料測試樣本係複數個材料測試樣本之一者，且該複數個材料測試樣本具有適於進行以下中之至少一者的標準化大小：切劈衝擊測試、微結構測試、硬度測試、潛變測試、低週疲勞測試、及拉伸測試。
除了上述特徵的一或多者，或作為替代，該系統的進一步實施例可包括：該材料測試樣本實質上係矩形的，而在另一實施例中，該材料測試樣本實質上係圓形的。
除了上述特徵的一或多者，或作為替代，該系統的進一步實施例可包括：該材料測試樣本具有10 mm之寬度、10 mm之高度、及選自由10 mm、20 mm及50 mm所組成之群組的長度。
提供一種產生用於進行一傳統蒸汽渦輪機轉子的材料測試的材料測試樣本的方法，該傳統蒸汽渦輪機轉子具有一葉片間區域轉子表面及一入口區域轉子表面，該入口區域轉子表面鄰接該葉片間區域轉子表面。該方法包括：形成在該傳統蒸汽渦輪機轉子中之轉子材料的一環狀環；將該環狀環從該傳統蒸汽渦輪機轉子移除；及自該環狀環的一弧狀區段形成一材料測試樣本。
除了上述特徵的一或多者，或作為替代，該方法的進一步實施例可包括：在一徑向方向上形成具有一第一選定寬度及一第一選定深度的一第一槽，以在該入口區域轉子表面的一部分中從該傳統蒸汽渦輪機轉子移除材料；在一軸向方向上形成一第二槽，該第二槽鄰接且垂直於該第一槽，以底切該環狀環；及在該徑向方向上形成具有一第二寬度及一第二深度的一第三槽，其與該第一槽軸向地隔開，其中該第三槽與該第二槽相交以釋放該轉子材料的該環狀環。
除了上述特徵的一或多者，或作為替代，該方法的進一步實施例可包括：對材料測試樣本進行材料測試。
除了上述特徵的一或多者，或作為替代，該方法的進一步實施例可包括：評估該材料測試的結果，以評估該傳統蒸汽渦輪機轉子的脆性轉變溫度(FATT)。
除了上述特徵的一或多者，或作為替代，該方法的進一步實施例可包括：至少部分地基於所評估的FATT來預測該改善的傳統蒸汽渦輪機轉子的延長壽命輪廓。
除了上述特徵的一或多者，或作為替代，該方法的進一步實施例可包括：在形成該第一槽之前，在一徑向方向上形成具有一選定寬度及一選定深度的一第一切削，以在該入口區域轉子表面處自該傳統蒸汽渦輪機轉子移除材料，以將其一彎曲表面平坦化。
除了上述特徵的一或多者，或作為替代，該方法的進一步實施例可包括：在一徑向方向上形成具有一選定寬度及一選定深度的一初始槽，以在該入口區域轉子表面處自該傳統蒸汽渦輪機轉子移除材料，以將其一彎曲表面平坦化。
除了上述特徵的一或多者，或作為替代，該方法的進一步實施例可包括：在形成該第三槽之前，將該環狀環以在該第二槽中之緊固件固定。
除了上述特徵的一或多者，或作為替代，該方法的進一步實施例可包括：在將環狀環分割成二或更多個弧狀區段之前，將該環狀環固定。
最後，亦應理解，系統及任何控制單元（例如用於車床60及刀片62的操作）可包括必要電子器件、軟體、記憶體、儲存器、資料庫、韌體、邏輯/狀態機、微處理器、通訊鏈路、顯示器或其他視覺或音訊使用者介面、印刷裝置、及任何其他輸入/輸出介面，以執行本文所述之功能及/或達成在本文中描述之結果。例如，如先前所提及，該系統可包括至少一處理器及系統記憶體/資料儲存結構，其可包括隨機存取記憶體(RAM)及唯讀記憶體(ROM)。系統的至少一個處理器可包括一或多個習知微處理器及一或多個附加的協同處理器，諸如數學協同處理器或類似者。本文所討論之資料儲存結構可包括磁性、光學及/或半導體記憶體的適當組合，且可包括例如RAM、ROM、隨身碟、光學磁碟（諸如光碟）及/或硬式磁碟或驅動機。
此外，可自一電腦可讀取媒體將使該控制器適應以執行本文所揭示之方法的軟體應用程式讀入該至少一個處理器之一主記憶體中。因此，本系統之實施例可即時執行本文所揭示的方法。如本文中所使用，用語「電腦可讀媒體(computer-readable medium)」係指提供或參與提供指令給系統之至少一處理器（或本文所述之裝置的任何其他處理器）以供執行之任何媒體。此一媒體可採取許多形式，包括但不限於非揮發性媒體及揮發性媒體。非揮發性媒體包括例如光學、磁性、或光磁的磁碟，諸如記憶體。揮發性媒體包括動態隨機存取記憶體(dynamic random-access memory, DRAM)，其一般構成主記憶體。電腦可讀媒體的常見形式包括例如軟碟(floppy disk)、軟性磁碟(flexible disk)、硬碟、固態硬碟(solid state drive, SSD)、磁帶、任何其他磁性媒體、CD-ROM、DVD、任何其他光學媒體、RAM、PROM、EPROM或EEPROM（電子抹除式可程式化唯讀記憶體）、FLASH-EEPROM、任何其他記憶體晶片或記憶卡匣、或任何其他電腦可自其讀取的媒體。
雖然在實施例中，在該軟體應用程式中執行指令序列使至少一個處理器執行本文所述之方法/程序，但可使用硬佈線電路系統(hard-wired circuitry)取代或結合軟體指令，以執行所述之方法/程序。因此，如本文所述之實施例不限於硬體及/或軟體的任何特定組合。
如本文中所使用，以單數引用並繼續字詞「一(a/an)」的元件或步驟，應理解為不排除所述元件或步驟之複數，除非明確說明此類排除。再者，對於所述實施例之「一實施例(one embodiment)」的參照並非意圖被解讀為排除亦合併所引述之特徵的額外實施例之存在。此外，除非有明確相反說明，否則「包含(comprising)」、「包括(including)」、或「具有(having)」具有一特定性質的一元件或複數個元件之實施例，可包括不具有彼性質的額外此類元件。
此外，雖然本文中所描述之尺寸及材料類型意欲界定與所述實施例相關聯之參數，但其等應被理解作為例示性實施例，且因此不具限制性。對於所屬技術領域中具有通常知識者而言，在檢視上述說明後，許多其他實施例可係顯而易見的。因此，本揭露之範疇應參照隨附申請專利範圍來判定。此類描述可包括所屬技術領域中具有通常知識者所想到之其他實例，並且若此類其他實例具有不同於申請專利範圍之字面用語的結構元件，或若此類其他實例包括與申請專利範圍之字面用語無實質差異的等效結構元件，則其等係意欲在申請專利範圍之範疇內。
在隨附申請專利範圍中，用語「包括(including)」及「其中(in which)」係用來作為相對用語「包含(comprising)」與「其中(comprise)」之簡明英語(plain-English)等效詞。此外，在下列申請專利範圍中，用語諸如「第一(first)」、「第二(second)」、「第三(third)」、「上(upper)」、「下(lower)」、「底部(bottom)」、「頂部(top)」等僅用作標示，且並非意欲對其對象賦予數字或位置要求。再者，除非及直到下列申請專利範圍的限制明確使用用語「用於...的手段(means for)」並隨後接著不具有進一步結構的功能說明為止，否則此類以手段加上功能形式所書寫之申請專利範圍的限制不意欲被如此解讀。
10,20,30:轉子 11:內殼 12,22:葉片間區域轉子表面 13,13a,13b,13i,BG0,BG1,BG2:葉片溝槽 14,24,34:入口區域轉子表面 15:樣本區域 16:活塞區域轉子表面 17:擴展部分 18:應力釋放槽轉子表面 19:熱障塗層 23,23a,33,33a:葉片溝槽 25,35:樣本區域 32:雙葉片間區域轉子表面 50:樣本 51:填料材料 52:環狀環 54:弧狀區段 60:車床 62:刀片 70:第一槽 72:接入槽 74:底切槽 76:最終槽 80:緊固件 82:楔 100:部分 200:方法 205,210,215,220,225,230,235,240,245,250,255,260:步驟 D1,D2:深度 W1,W2:寬度
由閱讀下列非限制性實施例之說明，參照本文的隨附圖式，將更瞭解本文所述的實施例，其中： ［圖1］係根據本揭露之實施例的包括一高壓蒸汽渦輪機內殼之一高壓蒸汽渦輪機轉子的截面圖； ［圖2A］係根據本揭露之實施例的一高壓蒸汽渦輪機轉子及一中壓蒸汽渦輪機轉子的部分截面圖； ［圖2B］係根據本揭露之實施例的雙流蒸汽渦輪機轉子的部分截面圖； ［圖3］係根據一實施例的一蒸汽渦輪機轉子之一部分的放大截面圖，其描繪在葉片溝槽BG1前之葉片溝槽BG0的形成以及經由葉片溝槽BG0進行的樣本採取； ［圖4A］係根據一實施例的一蒸汽渦輪機轉子之一部分的截面圖，其描繪用於從蒸汽渦輪機轉子採取樣本的葉片溝槽BG0的位置； ［圖4B］係根據一實施例的一蒸汽渦輪機轉子之一部分的截面圖，其描繪形成用於樣本採取之葉片溝槽BG0的初始步驟； ［圖4C］係根據一實施例的一蒸汽渦輪機轉子之一部分的截面圖，其描繪形成用於樣本採取之葉片溝槽BG0的額外步驟； ［圖4D］係根據一實施例的一蒸汽渦輪機轉子之一部分的截面圖，其描繪從葉片溝槽BG0移除材料環狀環以用於樣本之製備； ［圖4E］係根據一實施例的得自從該蒸汽渦輪機轉子移除之環狀環的一測試樣本以及圖4D之環狀環的一弧狀區段之一部份的截面圖； ［圖4F］係根據一實施例的一蒸汽渦輪機轉子之一部分的截面圖，其描繪具有填充物以促使渦輪機運作的葉片溝槽BG0；及 ［圖5］係根據一實施例的描述樣本採取之程序流程圖的方塊圖。
10:轉子
11:內殼
12:葉片間區域轉子表面
13,13a,13b,BG1,BG2:葉片溝槽
14:入口區域轉子表面
15:樣本區域
16:活塞區域轉子表面
18:應力釋放槽轉子表面
19:熱障塗層
100:部分

Claims (15)

  1. 一種產生用於進行一傳統蒸汽渦輪機轉子(10)的一或多個材料測試的一材料測試樣本(50)的方法(200)，該傳統蒸汽渦輪機轉子具有一葉片間區域轉子表面(12)及一入口區域轉子表面(14)，該入口區域轉子表面鄰接該葉片間區域轉子表面(12)，該方法(200)包含： 移除在一樣本區域(15)中的轉子材料的一環狀環(52)，該樣本區域選自該葉片間區域轉子表面(12)及該入口區域轉子表面(12)，該環狀環(52)之該移除產生一改善的傳統蒸汽渦輪機轉子；及 從該環狀環(52)的一部分形成一材料測試樣本(50)。
  2. 如請求項1之方法(200)，其進一步包含：形成包括該材料測試樣本(50)的複數個材料測試樣本(50)；及對該複數個材料測試樣本(50)之一或多個材料測試樣本(50)進行該一或多個材料測試。
  3. 如請求項1之方法，其進一步包含評估該一或多個材料測試的結果，以評估該傳統蒸汽渦輪機轉子(10)的脆性轉變溫度(FATT)。
  4. 如請求項3之方法，其進一步包含至少部分地基於該FATT來預測該改良的傳統蒸汽渦輪機轉子(10)的延長壽命輪廓。
  5. 如請求項1之方法，其中移除該環狀環(52)包含： 在一徑向方向上形成具有一第一選定寬度及一第一選定深度的一第一槽(70)，以自該傳統蒸汽渦輪機轉子(10)移除材料，其中該第一槽係形成於該入口區域轉子表面(14)之一第一部分中； 在一軸向方向上形成一第二槽，該第二槽鄰接且垂直於該第一槽，以底切在該樣本區域中的樣本材料以自該傳統蒸汽渦輪機轉子移除材料；及 在該徑向方向上形成具有一第二選定寬度及一第二選定深度的一第三槽，以在該入口區域轉子表面的一第二部分中自該傳統蒸汽渦輪機轉子移除材料，其相鄰於該樣本區域且與該第一槽軸向地隔開，其中該第三槽與該第二槽相交以釋放在該樣本區域中之該轉子材料的該環狀環。
  6. 如請求項5之方法，其進一步包含在形成該第三槽之前，將該樣本區域以定位在該第二槽中之緊固件固定。
  7. 如請求項1之方法，其進一步包含： 將轉子材料的該環狀環分割；及 自該轉子移除該經分割的環狀環；及 其中自該環狀環之一部分形成該材料測試樣本包含機械加工該經分割的環狀環之該部分，以產生複數個材料測試樣本。
  8. 如請求項7之方法，其進一步包含在該分割之前將該環狀環固定。
  9. 如請求項1之方法，其進一步包含：在移除轉子材料的該環狀環之前，在一徑向方向上形成具有一選定寬度及一選定深度的一初始槽，以在該入口區域轉子表面處自該傳統蒸汽渦輪機轉子移除材料，以將其彎曲表面平坦化。
  10. 一種提取用於進行一或多個材料測試的一材料測試樣本的系統，該材料測試樣本係提取自一傳統蒸汽渦輪機轉子，該傳統蒸汽渦輪機轉子具有一葉片間區域轉子表面及一入口區域轉子表面，該入口區域轉子表面鄰接該葉片間區域轉子表面，該系統包含： 來自該傳統蒸汽渦輪機轉子之轉子材料的一環狀環的一經分割區段，該環狀環係經機械加工自形成於該傳統蒸汽渦輪機轉子中的一溝槽，其中該溝槽經機械加工以實現該環狀環之移除及實現該材料測試樣本之形成。
  11. 如請求項10之系統，其中該環狀環係藉由在該入口區域轉子表面中形成該溝槽來機械加工。
  12. 如請求項10之系統，其中該經分割區段係經機械加工以產生用於進行該一或多個材料測試之一標準化尺寸之複數個材料測試樣本。
  13. 如請求項12之系統，其中該一或多個材料測試包括以下之至少一者：切劈衝擊測試、微結構測試、硬度測試、潛變測試、低週疲勞測試、及拉伸測試。
  14. 如請求項10之系統，其中該材料測試樣本係實質上矩形及實質上圓形中之至少一者。
  15. 如請求項10之系統，其中該材料測試樣本具有10 mm之一寬度、10 mm之一高度、及選自由10 mm、20 mm及50 mm所組成之群組的一長度。
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