焊接轉子、具有焊接轉子的蒸汽輪機及焊接轉子製造方法
2023-05-18 06:16:11
專利名稱：焊接轉子、具有焊接轉子的蒸汽輪機及焊接轉子製造方法
技術領域：
本發明大體涉及蒸汽輪機，並且更具體而言，涉及具有焊接轉子軸的蒸汽輪機。
背景技術：
典型的蒸汽輪機裝置可配備有高壓蒸汽輪機、中壓蒸汽輪機和低壓蒸汽輪機。各個蒸汽輪機由適於經受那個特定的渦輪的運行狀況、壓力、溫度、流率等的材料形成。近來，已經設計出針對較大容量和較高效率的蒸汽輪機裝置設計，其包括在一定壓力和溫度範圍上運行的蒸汽輪機。設計包括了高壓-低壓一體化蒸汽輪機轉子、高壓-中壓-低壓一體化蒸汽輪機轉子和中壓-低壓一體化蒸汽輪機轉子，它們結合成一體且對各個蒸汽輪機使用了相同的金屬材料。通常，使用能夠在那個渦輪的最高運行狀況中運行的金屬，從而提高了渦輪的總成本。蒸汽輪機傳統上包括轉子和外殼套。轉子包括可旋轉地安裝的渦輪軸，渦輪軸包括葉片。當受加熱和加壓的蒸汽流過外殼套和轉子之間的流動空間時，隨著能量從蒸汽傳遞到轉子，渦輪軸開始旋轉。轉子以及具體而言轉子軸通常由渦輪的金屬的錠塊形成。因而，形成轉子的金屬顯著地增加了渦輪的成本。如果轉子由高成本的高溫金屬形成，則甚至更進一步地提高了成本。因此，提供由最少量的高溫材料形成的蒸汽輪機轉子將是合乎需要的。
發明內容
根據本公開的示例性一個實施例，公開了一種轉子，其包括具有第一端和第二端的高壓區段，以及連結到高壓區段的第二端上的中壓區段。高壓區段和/或低壓區段中的一個或兩者包括由高溫材料形成的高溫材料區段，以及由低溫材料形成的低溫材料區段。 低溫材料區段連結到高溫材料區段的端部上。根據本公開的另一個示例性實施例，公開了一種包括轉子的蒸汽輪機。轉子包括具有第一端和第二端的高壓區段，以及連結到高壓區段的第二端上的中壓區段。高壓區段和/或低壓區段中的一個或兩者包括由高溫材料形成的高溫材料區段，以及由低溫材料形成的低溫材料區段。低溫材料區段連結到高溫材料區段的端部上。根據本公開的另一個示例性實施例，公開了一種製造轉子的方法，其包括提供軸高壓區段，以及將軸中壓區段連結到軸高壓區段上。高壓區段和/或中壓區段中的一個或兩者包括由高溫材料形成的高溫材料區段，以及由低溫材料形成的低溫材料區段。低溫材料區段連結到高溫材料區段的端部上。本公開的一個實施例的一個優點包括提供較低成本的蒸汽輪機轉子。本公開的一個實施例的另一個優點包括提供具有減少量的高溫材料的較低成本的蒸汽輪機轉子。本公開的一個實施例的另一個優點包括提供較低成本的蒸汽輪機。本公開的一個實施例的另一個優點包括提供具有減少量的高溫材料的較低成本的蒸汽輪機。本公開的一個實施例的另一個優點包括提供使用減少量的不可大量獲得的高溫材料的較低成本的蒸汽輪機轉子。本公開的一個實施例的另一個優點包括提供使用較小的高溫材料錠來進行製造的較低成本的蒸汽輪機轉子。根據結合附圖得到的優選實施例的以下更加詳細的描述，本發明的其它特徵和優點將是顯而易見的，附圖以實例的方式示出了本發明的原理。
圖I是根據本公開的蒸汽輪機的截面圖
圖2是根據本發明的蒸汽輪機轉子的一個實施例的局部橫截面圖。
圖3是圖I的蒸汽輪機的一部分的局部橫截面圖。
圖4是圖I的蒸汽輪機的一部分的另一個局部橫截面圖。
在可能的情況下，將在所有圖中使用相同的參考標號來表示相同部件。
部件列表
10蒸汽輪機
12外殼
12aHP外殼
12bIP外殼
13轉子
14旋轉軸線
16渦輪HP區段
18渦輪IP區段
20殼體
22導向靜葉
24軸
25葉片
26主蒸汽流徑
28HP流入區
30HP主蒸汽流徑
32HP蒸汽流出區
34IP蒸汽流入區
36IP蒸汽流徑
38IP蒸汽流出區
210轉子HP區段
212轉子IP區段
220軸HP區段
222軸IP區段
230栓接接頭
232軸的第一端234軸的第二端236 第一軸承238 第二軸承240HP LTM 區段242HPHTM 區段242a 第一端242b 第二端250 第一焊縫260IP HTM 區段260a 第一端260b 第二端262IP LTM 區段264第三軸承266 第二焊縫A 位置 「A」B 位置 「B」
具體實施例方式現在將在下文參照附圖來更充分地描述本公開，在附圖中顯示了本公開的一個示例性實施例。但是，此公開可體現為許多不同的形式，而不應理解為限於本文闡述的實施例。圖1、3和4示出了根據本公開的一個實施例的蒸汽輪機10的截面圖。蒸汽輪機 10包括外殼12，在外殼12中，渦輪轉子13安裝成可繞著旋轉軸線14旋轉。蒸汽輪機10進一步包括渦輪高壓(HP)區段16和渦輪中壓(IP)區段18。蒸汽輪機10在亞臨界運行狀況下運行。在一個實施例中，蒸汽輪機10接收處於低於大約230巴的壓力的蒸汽。在另一個實施例中，蒸汽輪機10接收處於介於大約100巴至大約230巴之間的壓力的蒸汽。在另一個實施例中，蒸汽輪機10接收處於介於大約125巴至175巴之間的壓力的蒸汽。另外，蒸汽輪機10接收處於介於大約525°C和大約600°C之間的溫度的蒸汽。在另一個實施例中， 蒸汽輪機10接收處於介於大約565°C和大約600°C之間的溫度的蒸汽。外殼12包括HP外殼12a和IP外殼12b。在另一個實施例中，外殼12可為單個一體化HP/IP外殼。在這個示例性實施例中，外殼12是雙壁外殼。在另一個實施例中，外殼可為單壁外殼。外殼12包括殼體20和附連到殼體上的多個導向靜葉22。轉子13包括軸 24和固定到軸24上的多個葉片25。軸24由第一軸承236、第二軸承238和第三軸承264 可旋轉地支承。主蒸汽流徑26限定在外殼12和轉子13之間。主蒸汽流徑26包括位於渦輪HP區段16中的HP主蒸汽流徑30和位於渦輪IP區段18中的IP主蒸汽流徑36。如本文所用， 用語「主蒸汽流徑」意味著產生動力的蒸汽的一次流徑。將蒸汽提供給主蒸汽流徑26的HP流入區28。蒸汽在靜葉22和葉片25之間流過主蒸汽流徑26的HP主蒸汽流徑區段30，在此期間，蒸汽膨脹且冷卻。在蒸汽使轉子13繞著軸線14旋轉時，蒸汽的熱能轉化成機械式旋轉能。在流過HP主蒸汽流徑區段30之後， 蒸汽流出HP蒸汽流出區32，進入中間過熱器(未顯示)中，在其中，蒸汽被加熱到較高的溫度。蒸汽通過線路(未顯示)而引進到IP蒸汽流入區34。蒸汽在靜葉22和葉片25之間流過主蒸汽流徑26的IP主蒸汽流徑區段36，在此期間，蒸汽膨脹且冷卻。在蒸汽使轉子 13繞著軸線14旋轉時，蒸汽的另外的熱能轉化成機械式旋轉能。在流過IP主蒸汽流徑區段36之後，蒸汽流出IP蒸汽流出區38，流出蒸汽輪機10。可在未進行任何更加詳細地示出的其它操作中使用該蒸汽。圖2示出了轉子13的截面圖。轉子13包括軸24。如在圖2中可看到的那樣，轉子13包括位於渦輪HP區段16(圖I)中的轉子HP區段210和位於渦輪IP區段18(圖I) 中的轉子IP區段212。對應地，軸24包括位於渦輪HP區段16中的軸HP區段220和位於渦輪IP區段18中的軸IP區段222。軸HP區段220可通過栓接接頭、焊縫或其它連結技術來在軸24的第一端232處連結到另一個構件(未顯示)上。在另一個實施例中，軸HP區段220可在軸24的第一端 232處栓接到發電機上。軸IP區段222可通過栓接接頭、焊縫或其它連結技術來在軸24的第二端234處連結到另一個構件(未顯示)上。在另一個實施例中，軸IP區段222可在軸 24的第二端234處連結到低壓區段上。在一個實施例中，低壓區段可包括低壓渦輪。軸HP區段220接收處於低於230巴的壓力的蒸汽。在另一個實施例中，軸HP區段220可接收處於介於大約100巴至大約230巴之間的壓力的蒸汽。在另一個實施例中，軸 HP區段220可接收處於介於大約125巴至大約175巴之間的壓力的蒸汽。軸HP區段220 接收處於介於大約525°C和大約600°C之間的溫度的蒸汽。在另一個實施例中，軸HP區段 220可接收處於介於大約565°C和大約600°C之間的溫度的蒸汽。軸HP區段220包括HP低溫材料(LTM)區段240和HP高溫材料(HTM)區段242。 軸HP區段220由第一軸承236 (圖I)和第二軸承238 (圖I)可旋轉地支承。在一個實施例中，第一軸承236可為軸頸軸承。在一個實施例中,第二軸承238可為推力軸承/軸頸軸承。第一軸承236支承HP LTM區段240，而第二軸承238支承HP HTM區段242。在另一個實施例中，可使用不同的支承軸承構造。在另一個實施例中，軸HP區段220可由一個或多個HTM區段形成，而不使用LTM區段。在其中使用兩個或更多個HTM區段來形成軸HP區段 220的一個實施例中，可通過栓接、焊接或其它金屬連結技術來連結該兩個或更多個HTM區段。HP LTM區段240通過第一焊縫250來連結到HP HTM區段242上。在這個示例性實施例中，第一焊縫250沿著HP主蒸汽流徑30 (圖3)定位。在另一個實施例中，第一焊縫 250可沿著其中蒸汽溫度低於455°C的HP主蒸汽流徑30定位。在另一個實施例中，第一焊縫250可位於HP蒸汽流徑30的外部或不與HP蒸汽流徑30接觸。在一個實施例中，第一焊縫250可位於HP蒸汽流徑30的外部的位置「A」處(圖I和2)，並且不接觸HP蒸汽流徑 30，但是接觸密封蒸汽洩漏物。HP HTM區段242至少部分地限定HP主蒸汽流徑30 (圖3)。HPLTM區段240進一步至少部分地限定HP主蒸汽主流徑30。如上面論述的那樣，在另一個實施例中，可將焊縫 250移動到例如位置A，使得HP LTM區段240不會至少部分地限定HP主蒸汽流徑30。
HP HTM區段242由單個整體式耐高溫材料區段或塊形成。HPHTM區段242具有第一端242a和第二端242b。在另一個實施例中，HP HTM區段242可由通過諸如(但不限於) 焊接的金屬連結技術而連結在一起的高溫材料的兩個或更多個HP HTM區段或塊形成。高溫材料可為鍛鋼。在一個實施例中，高溫材料可為包含一定量的鉻(Cr)、鑰 (Mo)、釩(V)和鎳(Ni)的鋼。在一個實施例中，耐高溫材料可為包含介於大約10. O重量百分比(重量％)至大約13. O重量％的量的Cr的高鉻合金鍛鋼。在另一個實施例中，Cr的量可包括在介於大約10. O重量％和大約10. 6重量％之間的量中。在一個實施例中，高鉻合金鍛鋼可具有介於大約O. 5重量％和大約2. 2重量％之間的量的Mo。在一個實施例中， 高鉻合金鍛鋼可具有介於大約O. 5重量％和大約2. O重量％之間的量的Mo。在另一個實施例中,Mo的量可包括在介於大約I. O重量％和大約I. 2重量％之間的量中。在一個實施例中，高鉻合金鍛鋼可包含介於大約O. I重量％和大約0.3重量％之間的量的V。在另一個實施例中，可包含介於大約O. 15重量％和大約O. 25重量％之間的量的V。在一個實施例中， 高鉻合金鍛鋼可包含介於大約O. 5重量％至大約I. O重量％之間的量的Ni。在另一個實施例中，可包含介於大約O. 6重量％和大約O. 8重量％之間的量的Ni。與形成HP HTM區段242的HTM相比，HP LTM區段240由較不耐熱的材料形成。較不耐熱的材料可稱為低溫材料。低溫材料可為鍛制合金鋼。在一個實施例中，低溫材料可為CrMoVNi。在一個實施例中，可包含介於大約O. 5重量％和大約2. 2重量％之間的量的 Cr。在另一個實施例中，可包含介於大約O. 5重量％和大約2. O重量％之間的量的Cr。在另一個實施例中，可包含介於大約O. 9重量％和大約I. 3重量％之間的量的Cr。在一個實施例中，可包含介於大約O. 5重量％和大約2. O重量％之間的量的Mo。在另一個實施例中， 可包含介於大約I. O重量％和大約I. 5重量％之間的量的Mo。在一個實施例中，可包含介於大約O. I重量％和大約O. 5重量％之間的量的V。在另一個實施例中，可包含介於大約 O. 2重量％和大約O. 3重量％之間的量的V。在一個實施例中，可包含介於大約O. 2重量％ 至大約I. O重量％之間的量的Ni。在另一個實施例中，可包含介於大約O. 3重量％和大約 O. 6重量％之間的量的Ni。在這個實施例中，HP LTM區段240由LTM的單個整體式塊或區段形成。在另一個實施例中，HP LTM區段240可由連結在一起的兩個或更多個HP LTM區段或塊形成。例如該兩個或更多個HP LTM區段或塊可以機械的方式或以材料的方式連結在一起，例如(但不限於)栓接或焊接。軸IP區段222由軸承264 (圖I)可旋轉地支承。在一個實施例中，軸承264可為軸頸軸承。在另一個實施例中，軸IP區段222可由一個或多個軸承可旋轉地支承。軸IP 區段222接收處於低於大約70巴的壓力的蒸汽。在另一個實施例中，軸IP區段222可接收處於介於大約20巴至大約70巴之間的壓力的蒸汽。在又一個實施例中，軸IP區段222 可接收處於介於大約20巴至大約40巴之間的壓力的蒸汽。另外，軸IP區段222接收處於介於大約525°C和大約600°C之間的溫度的蒸汽。在另一個實施例中，軸IP區段222可接收處於介於大約565°C和大約600°C之間的溫度的蒸汽。軸IP 區段 222 包括 IP HTM 區段 260 和 IP LTM 區段 262。軸 IPHTM 260 和 IP LTM 區段262由第二焊縫266連結。第二焊縫266沿著IP蒸汽流徑36定位。在一個實施例中， 第二焊縫266可沿著其中蒸汽溫度低於455°C的IP蒸汽流徑36定位。在另一個實施例中，第二焊縫266可位於IP蒸汽流徑36的外部或不與IP蒸汽流徑36接觸。例如，第二焊縫 266可位於處於IP蒸汽流徑36的外部的位置「B」 (圖I)處，並且不接觸IP蒸汽流徑36。 在另一個實施例中，軸IP區段222可由一個或多個IP HTM區段形成。在另一個實施例中， IP區段222可由單個整體式高溫材料塊或區段形成。在另一個實施例中，軸IP區段222可由一個或多個HTM區段形成，而不使用LTM區段。在其中使用兩個或更多個HTM區段來形成軸IP區段222的一個實施例中，可通過栓接、焊接或其它金屬連結技術來連結該兩個或更多個HTM區段。IP HTM區段260至少部分地限定IP蒸汽流入區34和IP主蒸汽流徑36 (圖4)。 IP LTM區段262進一步至少部分地限定IP主蒸汽流徑36。在另一個實施例中，可將第二焊縫266移動到例如位置「B」，使得IP LTM區段262不會至少部分地限定IP主蒸汽流徑36， 或者換句話說，IP LTM區段262在IP主蒸汽流徑36的外部，並且不接觸蒸汽的主流徑。IP HTM區段260由高溫材料形成。該高溫材料可為如上面參照HP HTM區段242 所論述的高溫材料。在這個實施例中，IP HTM區段260由具有第一端260a和第二端260b 的單個整體式高溫材料區段或塊形成。在另一個實施例中，IP HTM區段260可由通過諸如 (但不限於)焊接的金屬連結技術而連結在一起的兩個或更多個IP HTM區段形成。與IP HTM區段260相比，IP LTM區段262由較不耐熱的材料形成。較不耐熱的材料區段可稱為低溫材料。低溫材料可為如上面參照HP LTM區段240所論述的低溫材料。 在這個實施例中，IP LTM區段262由單個整體式低溫材料區段或塊形成。在另一個實施例中，IP LTM區段262可由連結在一起的兩個或更多個IP LTM區段形成。例如該兩個或更多個IP LTM區段可以機械的方式或以材料的方式連結在一起，例如(但不限於)栓接或焊接。在一個實施例中，IP LTM區段262由與HP LTM區段240相同的低溫材料形成。在另一個實施例中，IPLTM區段262由與HP LTM區段240不同的低溫材料形成。軸HP區段220和軸IP區段222在接頭230處連結。具體而言，通過將HP HTM區段242栓接到IP HTM區段260上來連結軸HP區段220和軸IP區段222。在另一個實施例中，可通過栓接、焊接或其它金屬連結技術來連結軸HP區段220和軸IP區段222。可通過下面描述的製造方法的一個實施例來製造軸24。可通過提供高溫材料塊或區段來製造軸HP區段220，高溫材料塊或區段形成具有第一端242a和第二端242b的HP HTM區段242。將由低溫材料塊形成的HP LTM區段240焊接到HP HTM區段242的第一端 242a上。在另一個實施例中，可通過提供一個或多個高溫材料塊或區段來製造軸24，該一個或多個高溫材料塊或區段形成具有第一端242a和第二端242b的HP HTM區段242。將由一個或多個低溫材料塊形成的HP LTM區段240焊接到HP HTM區段242的第一端242a上， 以形成軸HP區段220。可通過提供高溫材料塊來製造軸IP區段222，高溫材料塊形成具有第一端260a和第二端260b的IP HTM區段260。將由一種低溫材料形成的IP LTM區段262焊接到第一端242a上，以形成軸IP區段222。在另一個實施例中，可通過提供一個或多個高溫材料塊來製造軸IP區段222，該一個或多個高溫材料塊形成具有第一端260a和第二端260b的IP HTM區段260。將由一個或多個低溫材料區段形成的IP LTM區段262焊接到IP HTM區段 260的第一端260a上，以形成軸IP區段222。通過將軸HP區段220連結到軸IP區段222上來進一步製造軸24。通過將軸HP區段220的HTM區段242栓接到IP HTM區段260上來將軸HP區段220連結到軸IP區段 222上。在另一個實施例中，軸HP區段220可通過栓接、焊接或其它金屬連結技術來連結到軸IP區段222上。雖然顯示和描述了本發明的僅某些特徵和實施例，但是本領域技術人員可想到許多修改和改變(例如各種元件的大小、尺寸、結構、形狀和比例、參數(例如溫度、壓力等) 的值、安裝布置、材料的使用、顏色、定向等的變化)，而不會在實質上偏離權利要求中敘述的主題的新穎教導和優點。任何工藝或方法步驟的順序或序列可根據備選實施例而改變或重新排序。因此，將理解，所附權利要求意圖覆蓋落在本發明的真實精神內的所有這樣的修改和改變。此外，為了致力於提供示例性實施例的簡潔描述，可能沒有描述實際實現的所有特徵(即與目前所構想的執行本發明的最佳模式無關那些，或與使得聲明的發明能夠實施無關的那些)。應當理解，如在任何工程或設計項目中開發任何這種實際實現時，可作出許多對實現而言專有的決定。這種開發工作可能是複雜和耗時的，但儘管如此，對具有本公開的益處的普通技術人員來說，這種開發工作將是設計、生產和製造的例行任務，而不需要過度的實驗。
權利要求
1.一種轉子，包括具有第一端和第二端的高壓區段；以及連結到所述高壓區段的所述第二端上的中壓區段；其中，所述高壓區段和/或所述低壓區段中的一個或兩者包括由高溫材料形成的高溫材料區段；以及由低溫材料形成的低溫材料區段，所述低溫材料區段連結到所述高溫材料區段的端部上。
2.根據權利要求I所述的轉子，其特徵在於，所述高壓區段包括所述高溫材料區段和所述低壓材料區段。
3.根據權利要求I所述的轉子，其特徵在於，所述中壓區段包括所述高溫材料區段和所述低壓材料區段兩者。
4.根據權利要求I所述的轉子，其特徵在於，所述高壓區段和所述中壓區段兩者包括高溫材料區段和低壓材料區段。
5.根據權利要求I所述的轉子，其特徵在於，所述中壓區段包括中壓高溫材料區段和中壓低溫材料區段。
6.根據權利要求I所述的轉子，其特徵在於，所述高溫材料是高鉻合金鍛鋼。
7.根據權利要求I所述的轉子，其特徵在於，所述低溫材料是鍛制合金鋼。
8.根據權利要求6所述的轉子，其特徵在於，所述高鉻合金鍛鋼包含大約10. O重量％至大約13. O重量％的Cr ；大約O. 5重量％至大約2. O重量％的Mo ；大約O. I重量％至大約O. 3重量％的V ;以及大約O. 5重量％至大約I. O重量％的Ni。
9.根據權利要求7所述的轉子，其特徵在於，所述鍛制合金鋼包含大約O. 5重量％至大約2. 2重量％的Cr ；大約O. 5重量％至大約2. O重量％的Mo ；大約O. I重量％至大約O. 5重量％的V ;以及大約O. 2重量％至大約I. O重量％的Ni。
10.一種包括權利要求I所述的轉子的蒸汽輪機。
全文摘要
本發明涉及焊接轉子、具有焊接轉子的蒸汽輪機及焊接轉子製造方法。公開了一種焊接轉子、具有焊接轉子的蒸汽輪機和製造焊接轉子的方法。焊接轉子包括高壓區段和中壓區段。高壓區段和/或中壓區段中的任一個或兩者包括連結到低溫材料區段上的高溫材料區段。
文檔編號F01D5/02GK102606218SQ20121002601
公開日2012年7月25日 申請日期2012年1月29日 優先權日2011年1月21日
發明者M·J·G·費爾南德斯, R·G·貝蘭, T·J·法裡諾 申請人:通用電氣公司