製造蒸汽渦輪機中高壓轉子控制輪的方法

2023-05-03 16:30:51

專利名稱:製造蒸汽渦輪機中高壓轉子控制輪的方法
本發明涉及製造蒸氣渦輪機中高壓轉子控制輪的方法，在蒸氣渦輪機中其獨立葉片通常是以堅硬的材料，最好是耐熱的高合金鉻鉬釩鋼經機械加工而製成的，這些葉片首先排放在一起形成一個環，並在其根部平板和殼罩上加以焊接，經熱處理，機械加工和檢驗工序後，將此環焊接在轉子的相應圓盤上。本發明還涉及按照下面方式製造的控制輪，即控制輪包含著由獨立葉片配成的一個環，在這些葉片的殼罩和根部平板上有對接接頭。
為了在一部蒸氣渦輪機上獲得良好的另件負載性能，常用一衝動級做為控制級裝在渦輪機的高壓部分的反動級的上遊。由於其設計是用較低反動度，故衝動級亦可用部分進氣操作。通過渦輪機中的蒸氣流(因而也是它的功率)是由在控制級中部分進氣來進行控制的。另一方面，其後的反動級是在各種負載狀態下以全開進氣操作的。
控制級通常包含著一個導柵和一個動柵。前者可稱做噴咀，而後者與轉子的相關部分稱做轉動輪。
此轉動輪是將預製的控制輪在轉子的相應位置上進行焊接而製成的。而控制輪本身亦是一件焊接結構物體。焊接工序幾乎是各種機械接合中最強和最均勻的一種。如在葉片與軸用焊接法的接合中則可保證因離心力而致葉片上受到的靜力以及由於間歇蒸汽流(雖在最高溫時)所引起的動力也能被此種葉片/軸接合所吸收而不致造成具有危險性的事故。
前敘之控制輪及其製造方法是已知的。製造控制輪的過程中，其葉片包括它的外廓、根部(root)及殼罩(shroud)部分，是從棒狀物料加出來的。各種獨立葉片是在根部和殼罩上將之進行焊接因而製成一個完整的環。此環是用埋弧焊的方法以較大的鐘形焊縫焊接在轉子上。經消除應力熱處理後將整個輪的部分加以車削，同時鐘形焊縫的根部中它有產生裂縫的傾向，則可以加以清除。
所有殼罩用此方法加以焊接成組。這些組合的裝配須避免由於噴咀射出的汽流而在其上產生振蕩激發現象。這些組合每個均由三個，四個或更多的獨立葉片構成的。但他們前不是在殼罩焊接在一起的。
為獲得一個閉合的環，每個葉片或每組葉片必須在它們的根部區域中焊接在一起。為此，使根部平臺(root platform)之徑向尺寸大於殼罩的尺寸。焊縫不可超出形成流線邊界的根部平臺的壁。因此葉片根部上的焊縫的根部區域通過鑽鑿其園盤的邊緣而消除掉。如此獲得經焊接的控制輪的外貌特徵。
現所使用的材料(例如X22 Cr Mo V121)是難以進行焊接的。然而，具有與母材相同強度及韌性之焊接接頭仍須加以生產。為此，焊接材料須可加以熱處理。所使用的焊接材料，它是具高含碳量，因而不致變為二相性的，然而與低合金鋼一樣，在預熱至300℃左右時，它不會有緩慢的相變的性能故仍然是奧氏化的且只能用冷卻法進行相變。基此原因，控制輪通常是在焊接完畢後加以冷卻以便所需的變相過程發生。易脆的馬丁體結果可用退火的方法使之更可延伸且增加韌性。
這種解決方法的缺陷是在上述的冷卻階段中焊接接頭上可能出現裂縫，雖然用更低的溫度來冷卻會使變相進行的更好，同時使繼而進行的退火處理可大大改進其伸延性。但發生裂縫的危險性卻顯著地增加。基於此理由，至今日為止尚未能將殼罩焊接在一起而形成封閉式的環。
另一缺陷，實事上可以見到在根部板上的焊縫根是無法加以檢驗的。為安全計至少須對可能有裂縫的焊縫根進行鑽鑿工作。
本發明的目的是提供一種製造蒸氣渦輪機中高壓轉子控制輪的方法，在該方法中，蒸氣渦輪機中的獨立葉片通常是從堅硬的材料，最好是耐熱的高合金鉻鉬釩鋼，經機加工而製成的，這些葉片首先排好在一起，形成一個環，並在其根部平板及殼罩上加以焊接，經熱處理，機械加工和檢驗工序後，將此環焊接在轉子的相應圓盤上。所有獨立葉片是在根部平板和殼罩上和其鄰近的葉片焊接，以形成一個各邊閉合的環。在該控制輪中，包含著由獨立葉片裝配成的一個環，在這些葉片的殼罩和根部平板上有對接接頭，為避免成組，把每一獨立葉片在殼罩和根部平板上與其鄰近的葉片焊在一起。因此，這種生產方法，甚至在此控制輪中有槽口出現的情況下但出現裂縫的危險性可以降至最低。因而可以生產出能同時最好地承受因蒸氣壓力和離心力以及因其葉片的幾伺形狀和數量所造成的極高的負荷的一種控制輪。
而易於對葉片根部上的焊縫進行檢驗的事實，可認為是一個獨有的優點。
根據本發明的控制輪的三個實施例在附圖中用圖樣加以顯示出來，其中圖1表示包含著四個葉片的環段之透視圖。
圖2表示第一種焊接之形式的側視圖。
圖3表示待焊接的環的局部視圖。
圖4表示焊接於轉子上的一個環的局部視圖。
圖5表示經機械加工後的轉動輪之局部視圖。
圖6表示第二種焊接的形式的側視圖。
圖7表示經第三種焊接的形式的焊接環的局部視圖。
在各圖中，只有那些對了解本發明有主要意義的部分對相同的元件是採用相同的符號來表示的。因此以整個蒸氣渦輪機中的高壓轉子的全貌為例，沒有在圖中顯示出來。
在圖1中控制輪是部分地顯示出來。它包含著一個各向都閉合的、由獨立葉片焊接在一起的環。這些獨立的葉片各具有葉片翼1、殼罩2和根部平板3，它們通常是用堅硬的材料進行機械加工而製成的。在目前的情況下，這些材料是可以加以熱處理並具耐熱性能的高合金鉻鉬釩鋼，例如屬DIN17240的X22Cr Mo V121。
殼罩2及根部平板3各有兩個焊接坡口4。此坡口將用橫向焊縫5來進行填補。
焊縫的製備在圖2中是可以看到的。焊接坡口4的側面6是V型的。當然，同樣也可用U型或其他適用形狀的側面。各側面6延伸到焊接鈍邊7形成一種對接接頭13。此焊接鈍邊7的位置是在殼罩2的底部8而面向葉片翼1的位置上，或在根部平板上的，則在其頂部12的位置上。(圖1)底焊縫9為一種由鎢極惰性氣體保護焊方法(TIG)加上添加材料焊成的焊縫。為使附圖更易於理解，圖中焊接鈍邊7是在底焊縫未加以焊接前的狀態下顯示來的。很明顯，在焊接過程中這些鈍邊會至少發生部分熔化而凝固後形成焊縫根部。因各焊接鈍邊的位置是在平板之最外末端。因此，所形成的焊縫根部是易於相繼對之進行機械加工和檢驗。
填充焊縫11是用塗藥皮焊條用手工焊接法進行焊接的。這是由於焊道是從一個向另一個側面6交替塗敷上去因此最後是彼此連接起來了。
圖3概括地顯示出將獨立葉片焊接成一整體的方法。各葉片是裝配起來以形成一個環。利用定位焊接14。把焊接環15在葉片的兩側上氣密地焊接起來，這是因為底焊縫的焊接是在有保護氣體之情況下進行的。
然後用圖2中所述，將底焊縫及整個焊縫進行焊接，各葉片與其相鄰的葉片在殼罩2與根部平板3之間被焊接起來，從而形成一個閉合環。然後對經完全焊接後的控制輪進行熱處理。
一旦焊接工序結束後，此控制輪須即刻從其焊接溫度加溫到其退火溫度(約700℃)。在退火階段等溫變相發生在焊縫及熱影響區域內。在這階段中產生的顆粒結構並無技術上的應用價值。然而，由於轉相應力在700℃時是較低。因此在此階段是沒有出現裂縫的危險性;焊接應力下降了;其延伸性也較馬丁體的為好。退火過程完畢後，將控制制輪在空氣中進行冷卻。
包括著將控制輪焊接到轉子17的園盤16上所需要的一切必要的準備工作的機械加工工序即可進行。焊接環15被切斷從而可使輪之端面加工至其尺寸。在圖2中箭頭10所指是一種值得提出的操作，即在箭頭10所指出的，消除在殼罩上及根部平板上焊接接頭的焊縫根部。這些焊縫根部和例如可能出現的任何隙縫則需進行諸如銑削而後磨光。這之後，就易於對它們進行常規的超聲和磁粉檢驗。
待檢驗工作進行完畢後，緊接著就是進行熱處理的階段。為完成此要求，焊接環15需重新加以焊接以使達到氣密。因為熱處理過程中淨化工作是進行在用諸如氬氣作為保護氣體中的。熱處理過程本身包含著首先是增硬過程，即在加熱至1000℃以上後用壓縮氣體或噴霧方法進行冷卻。其次是在大約700℃範圍的熱處理溫度下的退火工序，繼之將它與熱處理爐一起冷卻使其溫度降低到室溫為止。
熱處理工序完成之後，將控制輪之根部部分全部車削以便將它焊接到轉子17的園盤16之上。圖4所示的焊接法是和用埋弧焊接法在一個大鐘形縫槽上進行焊接的。
經完全機械加工的輪的部分如圖5所示，在此輪上由轉子向著葉片的過渡處其兩邊都加以磨光。須注意具有出現裂縫傾向的鐘形焊縫18的焊縫根應先加以清除。如此控制輪與轉子就可構成不可分割的單元了。
圖6所示的焊接形式其優點在於用來連接殼罩與根部平臺板的橫向接頭可保持到較小程度。
在這情況下，由坯料經機械加工後的葉片相對而言是比較薄的，其厚度可達4mm，各根部平板和殼罩經焊接在一起後形成狹窄的帶環。這情況顯示，此橫向接縫是由一個用TIG方法焊接的底焊縫9和一個用手工進行的具在幾個層面的填充焊縫而構成的。焊接層面19是用埋弧焊接法在控制輪的周界的方向上，對平板的整個寬度的範圍內進行堆焊而獲得的。此時如用自動焊接則最好。故此獲得使殼罩和根部平板之高度可以任意增加的一種方法。由於手工焊接的工序減少了，其結果將允許取得更佳的質量。
在一定情況下，甚至可以無需先得到以手工及用塗藥皮焊條焊接而成的焊層11，意即可以將邊緣焊層19直接焊接在用TIG法焊接的底焊縫9上。
當然，本發明並不將其解決辦法局限在這一點上。除了按圖2和6安排的用TIG法焊接的底焊縫，將殼罩和/或根部平板連接起來的方法，第一步裡是可以使用電子束，等離子體束或雷射束焊接方法進行的。但在這樣做時，其待焊的對接接頭會有相應的不同狀態。
圖7顯示出一個變型的實施方案。在此形式中殼罩2及根部平臺3′是用電子束焊接法在對接接頭13的整個徑向範圍內進行焊接。此情況下，根部平臺3′雖具有極大的厚度，但與圖6中的殼罩2′一樣也形成一個狹窄的帶環，也是用埋弧焊接法取得了一個周界上的復蓋層19。
權利要求
1.一個製造蒸氣渦輪機中高壓轉子的控制輪的方法，在此蒸氣渦輪機中其獨立葉片通常是從硬的材料，最好是耐熱的，高合金鉻鉬釩鋼經機械加工而製成的，這些葉片首先是排放在一起形成一個環，並在其根部平板(3)及其殼罩上加以焊接，經熱處理，機械加工檢驗工序後，將此環焊接在轉子(17)的相應圓盤(16)上，其特徵在於所有獨立葉片是在根部平板(3)和殼罩(2)上和其鄰近的葉片焊接，以形成一個各邊閉合的環。
2.一個權利要求
1所要求的方法，其特徵在於該環焊接好之後，不經冷卻而加熱至退火溫度，使焊接材料和熱影響區發生等溫相變。經機械加工和檢驗後，將該環進行熱處理，由此方法獲得的焊接接頭與其母材有相同的性質。
3.一個權利要求
1所要求的方法，其特徵在於其葉片是在其對接接頭(13)上用電子束，等離子體束、雷射束或氬弧焊等焊接方法用或不用添加材料的情況來焊接底焊縫(9)。然後在焊接坡口(4)的側面(6)上焊接，例如使用塗藥皮焊條的手工焊接，焊接坡口是由兩側面的多層焊道交替疊加形成的填充焊縫(11)連接在一起的。
4.一個由權利要求
1所要求的方法，其特徵在於其葉片是在其對接接頭上(13)用電子束等離子體束或雷射束等焊接方法，在用或不用添加材料的情況下進行焊接。
5.一個由權利要求
3或權利要求
4所要求的方法，其特徵在於將根部平臺和殼罩焊接完畢後，對後者用埋弧焊接法在控制輪的周界方向上焊上幾層焊道層，用以增加後者的徑向區域。
6.一個準備焊接在蒸氣渦輪機中的高壓轉子上的控制輪包含著由獨立葉片裝配成的一個環，而在這些葉片的殼罩(2)和根部平板(3)上提供著對接接頭，其特徵在於為避免成組把每一獨立葉片的在殼罩(2)上和根部平板(3)上與其他鄰近的葉片焊接在一起。
7.一個準備焊接在一部蒸氣渦輪機中的高壓轉子上的控制輪，包含著由獨立葉片裝配成的一個環，而在這些葉片的殼罩(2)和根部平板(3)上提供著焊接坡口(4)。殼罩(2)上的焊縫製備包含著一個V形坡口或U形坡口，並延伸到焊接鈍邊(7)以形成對接接頭(13)。此接頭的焊接鈍邊直接位於殼罩(2)的一個面(8)上面向葉片翼(1)的，其特徵在於在根部平臺(3)上的焊縫的製備也包含著一個V形坡口或U形坡口，並延伸到焊接邊緣(7)以形成對接接頭(13)，此接頭的焊接鈍邊直接位於根部平臺(3)的一個邊(12)上，面向葉片翼(1)的。為避免成組把每個獨立葉片在殼罩(2)上和在根部平臺(3)上，與其鄰近的葉片焊接在一起。
8.一個由權利要求
6或權利7所要求的控制輪，其特徵在於其各獨立葉片殼罩(2)和/或根部平臺(3′)在其徑向上包括狹窄的帶環，它是由堅硬材料構成的，通常和葉片翼一起以機械加工法製成一個狹窄的帶環，並在這狹窄的帶環(焊接成一個環)上堆焊一層任意厚度的焊層(19)。
專利摘要
一個準備焊接在一部蒸汽渦輪機中的高壓轉子上的控制輪是由通過各獨立葉片焊接在一起形成的一個環而製成的。為此目的，各獨立葉片的殼罩(2)和根部平板(3)均提供著焊接坡口(4)。經焊接在一起而形成一個各邊閉合的環後，將此控制輪進行退火處理，並加以機械加工，最後再進行熱處理。
文檔編號B23K33/00GK86101204SQ86101204
公開日1986年9月10日 申請日期1986年2月26日
發明者桑蒂洛·巴塞拉, 曼弗雷德·貝費爾德, 蓋伊·費伯, 保羅·斯萊普塞維克 申請人:Bbc勃朗勃威力有限公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan