专利名称：焊接转子、具有焊接转子的蒸汽轮机及焊接转子制造方法
技术领域：
本发明大体涉及蒸汽轮机，并且更具体而言，涉及具有焊接转子轴的蒸汽轮机。
背景技术：
典型的蒸汽轮机装置可配备有高压蒸汽轮机、中压蒸汽轮机和低压蒸汽轮机。各个蒸汽轮机由适于经受那个特定的涡轮的运行状况、压力、温度、流率等的材料形成。近来，已经设计出针对较大容量和较高效率的蒸汽轮机装置设计，其包括在一定压力和温度范围上运行的蒸汽轮机。设计包括了高压-低压一体化蒸汽轮机转子、高压-中压-低压一体化蒸汽轮机转子和中压-低压一体化蒸汽轮机转子，它们结合成一体且对各个蒸汽轮机使用了相同的金属材料。通常，使用能够在那个涡轮的最高运行状况中运行的金属，从而提高了涡轮的总成本。蒸汽轮机传统上包括转子和外壳套。转子包括可旋转地安装的涡轮轴，涡轮轴包括叶片。当受加热和加压的蒸汽流过外壳套和转子之间的流动空间时，随着能量从蒸汽传递到转子，涡轮轴开始旋转。转子以及具体而言转子轴通常由涡轮的金属的锭块形成。因而，形成转子的金属显著地增加了涡轮的成本。如果转子由高成本的高温金属形成，则甚至更进一步地提高了成本。因此，提供由最少量的高温材料形成的蒸汽轮机转子将是合乎需要的。
发明内容
根据本公开的示例性一个实施例，公开了一种转子，其包括具有第一端和第二端的高压区段，以及连结到高压区段的第二端上的中压区段。高压区段和/或低压区段中的一个或两者包括由高温材料形成的高温材料区段，以及由低温材料形成的低温材料区段。 低温材料区段连结到高温材料区段的端部上。根据本公开的另一个示例性实施例，公开了一种包括转子的蒸汽轮机。转子包括具有第一端和第二端的高压区段，以及连结到高压区段的第二端上的中压区段。高压区段和/或低压区段中的一个或两者包括由高温材料形成的高温材料区段，以及由低温材料形成的低温材料区段。低温材料区段连结到高温材料区段的端部上。根据本公开的另一个示例性实施例，公开了一种制造转子的方法，其包括提供轴高压区段，以及将轴中压区段连结到轴高压区段上。高压区段和/或中压区段中的一个或两者包括由高温材料形成的高温材料区段，以及由低温材料形成的低温材料区段。低温材料区段连结到高温材料区段的端部上。本公开的一个实施例的一个优点包括提供较低成本的蒸汽轮机转子。本公开的一个实施例的另一个优点包括提供具有减少量的高温材料的较低成本的蒸汽轮机转子。本公开的一个实施例的另一个优点包括提供较低成本的蒸汽轮机。本公开的一个实施例的另一个优点包括提供具有减少量的高温材料的较低成本的蒸汽轮机。本公开的一个实施例的另一个优点包括提供使用减少量的不可大量获得的高温材料的较低成本的蒸汽轮机转子。本公开的一个实施例的另一个优点包括提供使用较小的高温材料锭来进行制造的较低成本的蒸汽轮机转子。根据结合附图得到的优选实施例的以下更加详细的描述，本发明的其它特征和优点将是显而易见的，附图以实例的方式示出了本发明的原理。
图I是根据本公开的蒸汽轮机的截面图
图2是根据本发明的蒸汽轮机转子的一个实施例的局部横截面图。
图3是图I的蒸汽轮机的一部分的局部横截面图。
图4是图I的蒸汽轮机的一部分的另一个局部横截面图。
在可能的情况下，将在所有图中使用相同的参考标号来表示相同部件。
部件列表
10蒸汽轮机
12外壳
12aHP外壳
12bIP外壳
13转子
14旋转轴线
16涡轮HP区段
18涡轮IP区段
20壳体
22导向静叶
24轴
25叶片
26主蒸汽流径
28HP流入区
30HP主蒸汽流径
32HP蒸汽流出区
34IP蒸汽流入区
36IP蒸汽流径
38IP蒸汽流出区
210转子HP区段
212转子IP区段
220轴HP区段
222轴IP区段
230栓接接头
232轴的第一端234轴的第二端236 第一轴承238 第二轴承240HP LTM 区段242HPHTM 区段242a 第一端242b 第二端250 第一焊缝260IP HTM 区段260a 第一端260b 第二端262IP LTM 区段264第三轴承266 第二焊缝A 位置 “A”B 位置 “B”
具体实施例方式现在将在下文参照附图来更充分地描述本公开，在附图中显示了本公开的一个示例性实施例。但是，此公开可体现为许多不同的形式，而不应理解为限于本文阐述的实施例。图1、3和4示出了根据本公开的一个实施例的蒸汽轮机10的截面图。蒸汽轮机 10包括外壳12，在外壳12中，涡轮转子13安装成可绕着旋转轴线14旋转。蒸汽轮机10进一步包括涡轮高压(HP)区段16和涡轮中压(IP)区段18。蒸汽轮机10在亚临界运行状况下运行。在一个实施例中，蒸汽轮机10接收处于低于大约230巴的压力的蒸汽。在另一个实施例中，蒸汽轮机10接收处于介于大约100巴至大约230巴之间的压力的蒸汽。在另一个实施例中，蒸汽轮机10接收处于介于大约125巴至175巴之间的压力的蒸汽。另外，蒸汽轮机10接收处于介于大约525°C和大约600°C之间的温度的蒸汽。在另一个实施例中， 蒸汽轮机10接收处于介于大约565°C和大约600°C之间的温度的蒸汽。外壳12包括HP外壳12a和IP外壳12b。在另一个实施例中，外壳12可为单个一体化HP/IP外壳。在这个示例性实施例中，外壳12是双壁外壳。在另一个实施例中，外壳可为单壁外壳。外壳12包括壳体20和附连到壳体上的多个导向静叶22。转子13包括轴 24和固定到轴24上的多个叶片25。轴24由第一轴承236、第二轴承238和第三轴承264 可旋转地支承。主蒸汽流径26限定在外壳12和转子13之间。主蒸汽流径26包括位于涡轮HP区段16中的HP主蒸汽流径30和位于涡轮IP区段18中的IP主蒸汽流径36。如本文所用， 用语“主蒸汽流径”意味着产生动力的蒸汽的一次流径。将蒸汽提供给主蒸汽流径26的HP流入区28。蒸汽在静叶22和叶片25之间流过主蒸汽流径26的HP主蒸汽流径区段30，在此期间，蒸汽膨胀且冷却。在蒸汽使转子13绕着轴线14旋转时，蒸汽的热能转化成机械式旋转能。在流过HP主蒸汽流径区段30之后， 蒸汽流出HP蒸汽流出区32，进入中间过热器(未显示)中，在其中，蒸汽被加热到较高的温度。蒸汽通过线路(未显示)而引进到IP蒸汽流入区34。蒸汽在静叶22和叶片25之间流过主蒸汽流径26的IP主蒸汽流径区段36，在此期间，蒸汽膨胀且冷却。在蒸汽使转子 13绕着轴线14旋转时，蒸汽的另外的热能转化成机械式旋转能。在流过IP主蒸汽流径区段36之后，蒸汽流出IP蒸汽流出区38，流出蒸汽轮机10。可在未进行任何更加详细地示出的其它操作中使用该蒸汽。图2示出了转子13的截面图。转子13包括轴24。如在图2中可看到的那样，转子13包括位于涡轮HP区段16(图I)中的转子HP区段210和位于涡轮IP区段18(图I) 中的转子IP区段212。对应地，轴24包括位于涡轮HP区段16中的轴HP区段220和位于涡轮IP区段18中的轴IP区段222。轴HP区段220可通过栓接接头、焊缝或其它连结技术来在轴24的第一端232处连结到另一个构件(未显示)上。在另一个实施例中，轴HP区段220可在轴24的第一端 232处栓接到发电机上。轴IP区段222可通过栓接接头、焊缝或其它连结技术来在轴24的第二端234处连结到另一个构件(未显示)上。在另一个实施例中，轴IP区段222可在轴 24的第二端234处连结到低压区段上。在一个实施例中，低压区段可包括低压涡轮。轴HP区段220接收处于低于230巴的压力的蒸汽。在另一个实施例中，轴HP区段220可接收处于介于大约100巴至大约230巴之间的压力的蒸汽。在另一个实施例中，轴 HP区段220可接收处于介于大约125巴至大约175巴之间的压力的蒸汽。轴HP区段220 接收处于介于大约525°C和大约600°C之间的温度的蒸汽。在另一个实施例中，轴HP区段 220可接收处于介于大约565°C和大约600°C之间的温度的蒸汽。轴HP区段220包括HP低温材料(LTM)区段240和HP高温材料(HTM)区段242。 轴HP区段220由第一轴承236 (图I)和第二轴承238 (图I)可旋转地支承。在一个实施例中，第一轴承236可为轴颈轴承。在一个实施例中,第二轴承238可为推力轴承/轴颈轴承。第一轴承236支承HP LTM区段240，而第二轴承238支承HP HTM区段242。在另一个实施例中，可使用不同的支承轴承构造。在另一个实施例中，轴HP区段220可由一个或多个HTM区段形成，而不使用LTM区段。在其中使用两个或更多个HTM区段来形成轴HP区段 220的一个实施例中，可通过栓接、焊接或其它金属连结技术来连结该两个或更多个HTM区段。HP LTM区段240通过第一焊缝250来连结到HP HTM区段242上。在这个示例性实施例中，第一焊缝250沿着HP主蒸汽流径30 (图3)定位。在另一个实施例中，第一焊缝 250可沿着其中蒸汽温度低于455°C的HP主蒸汽流径30定位。在另一个实施例中，第一焊缝250可位于HP蒸汽流径30的外部或不与HP蒸汽流径30接触。在一个实施例中，第一焊缝250可位于HP蒸汽流径30的外部的位置“A”处(图I和2)，并且不接触HP蒸汽流径 30，但是接触密封蒸汽泄漏物。HP HTM区段242至少部分地限定HP主蒸汽流径30 (图3)。HPLTM区段240进一步至少部分地限定HP主蒸汽主流径30。如上面论述的那样，在另一个实施例中，可将焊缝 250移动到例如位置A，使得HP LTM区段240不会至少部分地限定HP主蒸汽流径30。
HP HTM区段242由单个整体式耐高温材料区段或块形成。HPHTM区段242具有第一端242a和第二端242b。在另一个实施例中，HP HTM区段242可由通过诸如(但不限于) 焊接的金属连结技术而连结在一起的高温材料的两个或更多个HP HTM区段或块形成。高温材料可为锻钢。在一个实施例中，高温材料可为包含一定量的铬(Cr)、钥 (Mo)、钒(V)和镍(Ni)的钢。在一个实施例中，耐高温材料可为包含介于大约10. O重量百分比(重量％)至大约13. O重量％的量的Cr的高铬合金锻钢。在另一个实施例中，Cr的量可包括在介于大约10. O重量％和大约10. 6重量％之间的量中。在一个实施例中，高铬合金锻钢可具有介于大约O. 5重量％和大约2. 2重量％之间的量的Mo。在一个实施例中， 高铬合金锻钢可具有介于大约O. 5重量％和大约2. O重量％之间的量的Mo。在另一个实施例中,Mo的量可包括在介于大约I. O重量％和大约I. 2重量％之间的量中。在一个实施例中，高铬合金锻钢可包含介于大约O. I重量％和大约0.3重量％之间的量的V。在另一个实施例中，可包含介于大约O. 15重量％和大约O. 25重量％之间的量的V。在一个实施例中， 高铬合金锻钢可包含介于大约O. 5重量％至大约I. O重量％之间的量的Ni。在另一个实施例中，可包含介于大约O. 6重量％和大约O. 8重量％之间的量的Ni。与形成HP HTM区段242的HTM相比，HP LTM区段240由较不耐热的材料形成。较不耐热的材料可称为低温材料。低温材料可为锻制合金钢。在一个实施例中，低温材料可为CrMoVNi。在一个实施例中，可包含介于大约O. 5重量％和大约2. 2重量％之间的量的 Cr。在另一个实施例中，可包含介于大约O. 5重量％和大约2. O重量％之间的量的Cr。在另一个实施例中，可包含介于大约O. 9重量％和大约I. 3重量％之间的量的Cr。在一个实施例中，可包含介于大约O. 5重量％和大约2. O重量％之间的量的Mo。在另一个实施例中， 可包含介于大约I. O重量％和大约I. 5重量％之间的量的Mo。在一个实施例中，可包含介于大约O. I重量％和大约O. 5重量％之间的量的V。在另一个实施例中，可包含介于大约 O. 2重量％和大约O. 3重量％之间的量的V。在一个实施例中，可包含介于大约O. 2重量％ 至大约I. O重量％之间的量的Ni。在另一个实施例中，可包含介于大约O. 3重量％和大约 O. 6重量％之间的量的Ni。在这个实施例中，HP LTM区段240由LTM的单个整体式块或区段形成。在另一个实施例中，HP LTM区段240可由连结在一起的两个或更多个HP LTM区段或块形成。例如该两个或更多个HP LTM区段或块可以机械的方式或以材料的方式连结在一起，例如(但不限于)栓接或焊接。轴IP区段222由轴承264 (图I)可旋转地支承。在一个实施例中，轴承264可为轴颈轴承。在另一个实施例中，轴IP区段222可由一个或多个轴承可旋转地支承。轴IP 区段222接收处于低于大约70巴的压力的蒸汽。在另一个实施例中，轴IP区段222可接收处于介于大约20巴至大约70巴之间的压力的蒸汽。在又一个实施例中，轴IP区段222 可接收处于介于大约20巴至大约40巴之间的压力的蒸汽。另外，轴IP区段222接收处于介于大约525°C和大约600°C之间的温度的蒸汽。在另一个实施例中，轴IP区段222可接收处于介于大约565°C和大约600°C之间的温度的蒸汽。轴IP 区段 222 包括 IP HTM 区段 260 和 IP LTM 区段 262。轴 IPHTM 260 和 IP LTM 区段262由第二焊缝266连结。第二焊缝266沿着IP蒸汽流径36定位。在一个实施例中， 第二焊缝266可沿着其中蒸汽温度低于455°C的IP蒸汽流径36定位。在另一个实施例中，第二焊缝266可位于IP蒸汽流径36的外部或不与IP蒸汽流径36接触。例如，第二焊缝 266可位于处于IP蒸汽流径36的外部的位置“B” (图I)处，并且不接触IP蒸汽流径36。 在另一个实施例中，轴IP区段222可由一个或多个IP HTM区段形成。在另一个实施例中， IP区段222可由单个整体式高温材料块或区段形成。在另一个实施例中，轴IP区段222可由一个或多个HTM区段形成，而不使用LTM区段。在其中使用两个或更多个HTM区段来形成轴IP区段222的一个实施例中，可通过栓接、焊接或其它金属连结技术来连结该两个或更多个HTM区段。IP HTM区段260至少部分地限定IP蒸汽流入区34和IP主蒸汽流径36 (图4)。 IP LTM区段262进一步至少部分地限定IP主蒸汽流径36。在另一个实施例中，可将第二焊缝266移动到例如位置“B”，使得IP LTM区段262不会至少部分地限定IP主蒸汽流径36， 或者换句话说，IP LTM区段262在IP主蒸汽流径36的外部，并且不接触蒸汽的主流径。IP HTM区段260由高温材料形成。该高温材料可为如上面参照HP HTM区段242 所论述的高温材料。在这个实施例中，IP HTM区段260由具有第一端260a和第二端260b 的单个整体式高温材料区段或块形成。在另一个实施例中，IP HTM区段260可由通过诸如 (但不限于)焊接的金属连结技术而连结在一起的两个或更多个IP HTM区段形成。与IP HTM区段260相比，IP LTM区段262由较不耐热的材料形成。较不耐热的材料区段可称为低温材料。低温材料可为如上面参照HP LTM区段240所论述的低温材料。 在这个实施例中，IP LTM区段262由单个整体式低温材料区段或块形成。在另一个实施例中，IP LTM区段262可由连结在一起的两个或更多个IP LTM区段形成。例如该两个或更多个IP LTM区段可以机械的方式或以材料的方式连结在一起，例如(但不限于)栓接或焊接。在一个实施例中，IP LTM区段262由与HP LTM区段240相同的低温材料形成。在另一个实施例中，IPLTM区段262由与HP LTM区段240不同的低温材料形成。轴HP区段220和轴IP区段222在接头230处连结。具体而言，通过将HP HTM区段242栓接到IP HTM区段260上来连结轴HP区段220和轴IP区段222。在另一个实施例中，可通过栓接、焊接或其它金属连结技术来连结轴HP区段220和轴IP区段222。可通过下面描述的制造方法的一个实施例来制造轴24。可通过提供高温材料块或区段来制造轴HP区段220，高温材料块或区段形成具有第一端242a和第二端242b的HP HTM区段242。将由低温材料块形成的HP LTM区段240焊接到HP HTM区段242的第一端 242a上。在另一个实施例中，可通过提供一个或多个高温材料块或区段来制造轴24，该一个或多个高温材料块或区段形成具有第一端242a和第二端242b的HP HTM区段242。将由一个或多个低温材料块形成的HP LTM区段240焊接到HP HTM区段242的第一端242a上， 以形成轴HP区段220。可通过提供高温材料块来制造轴IP区段222，高温材料块形成具有第一端260a和第二端260b的IP HTM区段260。将由一种低温材料形成的IP LTM区段262焊接到第一端242a上，以形成轴IP区段222。在另一个实施例中，可通过提供一个或多个高温材料块来制造轴IP区段222，该一个或多个高温材料块形成具有第一端260a和第二端260b的IP HTM区段260。将由一个或多个低温材料区段形成的IP LTM区段262焊接到IP HTM区段 260的第一端260a上，以形成轴IP区段222。通过将轴HP区段220连结到轴IP区段222上来进一步制造轴24。通过将轴HP区段220的HTM区段242栓接到IP HTM区段260上来将轴HP区段220连结到轴IP区段 222上。在另一个实施例中，轴HP区段220可通过栓接、焊接或其它金属连结技术来连结到轴IP区段222上。虽然显示和描述了本发明的仅某些特征和实施例，但是本领域技术人员可想到许多修改和改变(例如各种元件的大小、尺寸、结构、形状和比例、参数(例如温度、压力等) 的值、安装布置、材料的使用、颜色、定向等的变化)，而不会在实质上偏离权利要求中叙述的主题的新颖教导和优点。任何工艺或方法步骤的顺序或序列可根据备选实施例而改变或重新排序。因此，将理解，所附权利要求意图覆盖落在本发明的真实精神内的所有这样的修改和改变。此外，为了致力于提供示例性实施例的简洁描述，可能没有描述实际实现的所有特征(即与目前所构想的执行本发明的最佳模式无关那些，或与使得声明的发明能够实施无关的那些)。应当理解，如在任何工程或设计项目中开发任何这种实际实现时，可作出许多对实现而言专有的决定。这种开发工作可能是复杂和耗时的，但尽管如此，对具有本公开的益处的普通技术人员来说，这种开发工作将是设计、生产和制造的例行任务，而不需要过度的实验。
权利要求
1.一种转子，包括具有第一端和第二端的高压区段；以及连结到所述高压区段的所述第二端上的中压区段；其中，所述高压区段和/或所述低压区段中的一个或两者包括由高温材料形成的高温材料区段；以及由低温材料形成的低温材料区段，所述低温材料区段连结到所述高温材料区段的端部上。
2.根据权利要求I所述的转子，其特征在于，所述高压区段包括所述高温材料区段和所述低压材料区段。
3.根据权利要求I所述的转子，其特征在于，所述中压区段包括所述高温材料区段和所述低压材料区段两者。
4.根据权利要求I所述的转子，其特征在于，所述高压区段和所述中压区段两者包括高温材料区段和低压材料区段。
5.根据权利要求I所述的转子，其特征在于，所述中压区段包括中压高温材料区段和中压低温材料区段。
6.根据权利要求I所述的转子，其特征在于，所述高温材料是高铬合金锻钢。
7.根据权利要求I所述的转子，其特征在于，所述低温材料是锻制合金钢。
8.根据权利要求6所述的转子，其特征在于，所述高铬合金锻钢包含大约10. O重量％至大约13. O重量％的Cr ；大约O. 5重量％至大约2. O重量％的Mo ；大约O. I重量％至大约O. 3重量％的V ;以及大约O. 5重量％至大约I. O重量％的Ni。
9.根据权利要求7所述的转子，其特征在于，所述锻制合金钢包含大约O. 5重量％至大约2. 2重量％的Cr ；大约O. 5重量％至大约2. O重量％的Mo ；大约O. I重量％至大约O. 5重量％的V ;以及大约O. 2重量％至大约I. O重量％的Ni。
10.一种包括权利要求I所述的转子的蒸汽轮机。
全文摘要
本发明涉及焊接转子、具有焊接转子的蒸汽轮机及焊接转子制造方法。公开了一种焊接转子、具有焊接转子的蒸汽轮机和制造焊接转子的方法。焊接转子包括高压区段和中压区段。高压区段和/或中压区段中的任一个或两者包括连结到低温材料区段上的高温材料区段。
文档编号F01D5/02GK102606218SQ20121002601
公开日2012年7月25日 申请日期2012年1月29日 优先权日2011年1月21日
发明者M·J·G·费尔南德斯, R·G·贝兰, T·J·法里诺 申请人:通用电气公司