CN109477387B - 转子轴和用于制造转子轴的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于涡轮机的、尤其是蒸汽轮机的涡轮转子的转子轴(1)，其具有由第一材料构成的轴基体(2)和由第二材料构成的施加到所述轴基体上的至少一个环形件(15，16)，其中所述第二材料具有与第一材料相比相同的或更高的强度和/或更高的耐蚀性，其中在所述环形件(15，16)上构成至少一个叶片槽(18)，并且其中所述环形件借助于窄间隙焊接与所述轴基体(2)材料配合地连接。

Description

转子轴和用于制造转子轴的方法
技术领域
本发明涉及一种用于涡轮机的、尤其是蒸汽轮机的涡轮转子的转子轴。
此外，本发明涉及一种用于制造涡轮机的、尤其是蒸汽轮机的涡轮转子的转子轴的方法。
背景技术
蒸汽轮机包括可转动地支承的涡轮转子，所述涡轮转子具有转子轴，多个转子叶片排彼此轴向间隔开地设置在所述转子轴上。转子叶片分别包括转子叶片根部，所述转子叶片根部***在转子轴上与相应的转子叶片排之一相关联的叶片槽中，以将相应的转子叶片固定在转子轴上。为此，转子叶片根部通常具有根部部段，所述根部部段的横截面圣诞树状地构成，其中叶片槽的横截面与根部部段互补地构成。
蒸汽轮机的涡轮转子，尤其是低压蒸汽轮机的涡轮转子，在蒸汽轮机运行时受到不同的应力。例如，在轴向靠外的叶片排的叶片槽中出现非常高的拉应力。此外，由于流过蒸汽轮机的潮湿的蒸汽产生腐蚀应力，所述腐蚀应力能够在涡轮转子的高负荷区域中促使应力裂纹腐蚀。
附加地重要的是，以具有相应的材料技术特性的相应所需的尺寸确保呈单块的或轴模块的形式的整体式转子轴的可制造性，所述轴模块可相互连接以构成转子轴。因此，对于完整的转子轴或轴模块的材料选择首要遵循转子轴的受最高应力的区域的要求。这种区域应使用尽可能高品质的进而也是高成本的材料制造。转子轴的或轴模块的受到较小程度应力的区域不需要使用这种高品质的材料。因此，对于完整的转子轴或轴模块的材料选择通常表示在成本较高的材料和匹配于相应的要求的成本较低的材料之间的折衷。
至今为止，转子轴一件式地作为单块制成或者由彼此焊接的盘状或圆柱形的轴模块制成。用于低压转子区域的典型材料是(2.8-3.5)NiCrMoV-钢或者也为1CrMoV钢或2CrMoWV-钢。这种钢用于组合式中压-低压转子轴，但是作为转子轴直径的功能可实现的特性方面受到限制。
3.5NiCrMoV钢在最佳韧性的情况下提供最高强度。但是，由于相应的单块的或轴模块的大的质量和大的直径，由于所使用的制造技术的制造方法，例如用于淬透的锻造和热处理，所述材料也产生其可实现的强度和在单块或轴模块的横截面上的均匀性的限制。3.5NiCrMoV转子轴材料的另一扩展阶段是“Superclean(超净)”变体，然而，由于所需的纯度和增加的制造耗费，其是明显成本更高的(约10％-20％)。此外，限制因素是该材料的受限的供应商基础。
在对长期受到运行应力的低压-转子轴或在轴向的叶片排阶梯的叶片槽中具有裂纹的转子轴重新加工时，以3.5NiCrMoV材料的原始设计的特性对受腐蚀应力的转子轴关于静态强度、振荡强度(低周期疲劳裂纹载荷频率)、周期性流动曲线和无缺陷性方面进行加强或重构至今为止是不可行的。叶片槽的整个阶梯的构造焊接的非常高成本的可能性不能提供锻造材料的通常的性能并且带来焊接缺陷的风险。在此，仅保持持续运行直至达到临界的裂纹深度或者完全更换转子轴锻造部件。
发明内容
本发明的目的是，提供一种用于涡轮机的涡轮转子的转子轴，其特性以低成本的方式个体地匹配于相应的要求。
所述目的通过一种用于涡轮机的、尤其是蒸汽轮机的涡轮转子的转子轴和一种用于制造涡轮机的、尤其是蒸汽轮机的涡轮转子的转子轴的方法来实现。在本文中给出有利的设计方案，所述设计方案能够分别以本身或者以至少两个设计方案彼此不同的组合构成本发明的改进的、尤其是优选的或有利的方面。
根据本发明的用于涡轮机的、尤其是蒸汽轮机的涡轮转子的转子轴包括由第一材料构成的轴基体和由第二材料构成的施加到所述轴基体上的至少一个环形件，其中第二材料具有与第一材料相比相同的或更高的强度和/或更高的耐蚀性，其中在所述环形件上构成至少一个叶片槽，并且其中所述环形件借助于窄间隙焊接与轴基体材料配合地连接。
根据本发明，转子轴的特性能够部分地，尤其在低压范围中，例如在轴向外部的叶片槽的区域中，匹配于相应的要求和出现的负载，其方式为：至少一个环形件设置在轴基体上，所述环形件的材料特性不同于轴基体的材料特性，并且尤其在较高的机械负荷和/或腐蚀负荷方面进行优化。尤其，环形件的材料特性能够基本上与轴基体的材料特性在机械特性和/或腐蚀特性方面进行优化。因为高强度的和/或更耐蚀的进而通常更高成本的第二材料的使用仅限于所述环形件，因此轴基体能够被优化并且必要时由更低成本的第一材料制成，这与常规的整块制造相比能够伴随着成本降低。更耐蚀的或更抗蚀的和/或更坚固的第二材料的根据本发明的使用尤其在具有低压出流中高湿度比例的涡轮机的叶片槽的区域中是有利的。
根据本发明，环形件能够用于构成冷的低压-端部叶片槽，所述冷的低压-端部叶片槽具有匹配于相应的应用情况的材料特性。为此，借助于窄间隙焊接将环形件以材料配合的方式固定在轴基体的环周上。所述环形件提供下述可能性：在构成在环形件上的转子槽的区域中转子轴的材料匹配于相应的要求，例如高的静态强度、最佳的LCF(材料低周疲劳)特性和/或高的耐蚀性。
由于环形件的较小的体积或较小的横截面，能够利用常规的锻造方法或辊压方法更均匀地且具有更高的强度地，例如具有更细粒度的结构、更好的纯度、改进的LCF特性等，制造所述环形件，这在常规的单块或轴模块的情况下由于对此使用的制造方式和物理边缘条件是不可能的。
通过本发明，在环形件的区域中能够产生在转子轴上的材料特性的径向梯度。例如，能够从转子轴的表面到转子轴的纵向中轴线产生梯度。这也能够将中压-低压转子轴或高压-中压-低压转子轴构成为由(1-2)CrMoV制成的单块，并且将第0叶片排的爪材料作为环形件施加。
根据本发明将至少一个环形件施加到轴基体上此外提供了下述可能性：将转子轴标准化，其方式为：根据应用情况，将不同厚度和/或宽度的环形件针对相应的端部阶梯大小施加到统一尺寸的轴基体上。
轴基体能够在重新制造期间制造。替选地，轴基体能够通过加工，尤其通过车削现有的、尤其用过的转子轴构成，其中去除待修复的部段，在所述部段上构成有损坏的叶片槽。在修复已经使用过的具有裂纹的转子轴的情况下，能够通过将环形件施加到通过加工转子轴制造的轴基体上重构所述转子轴。轴基体能够作为单块制造或者由彼此焊接的轴模块制造。与堆焊相比，所述环形件至少具有与原始的转子轴相同的特性。因此，低成本地修复常规的转子轴的腐蚀性损坏的或具有裂纹的叶片槽是可能的。
根据本发明的转子轴还能够具有两个或更多个环形件，所述环形件相应地施加到轴基体上，在所述环形件上分别构成有至少一个叶片槽。
所述环形件优选经由至少一个借助于窄间隙焊接产生的焊缝与轴基体连接，其中所述焊缝具有由第一焊料构成的轴向靠外的外部部段和由第二焊料构成的位于外部部段之间的中间部段，并且其中第一焊料具有比第二焊料更高的耐蚀性。因此，能够首先制造由第一焊料构成的焊缝根部，所述焊缝根部形成焊缝的外部部段。随后，能够利用第二焊料制造焊缝的中间部段。最后，能够制造由第一焊料构成的覆盖层，所述覆盖层形成焊缝的另外的外部部段。第二焊料能够具有比第一焊料更高的强度。因此，在转子轴的该设计方案中可行的是，产生焊缝特性的符合要求的轴向梯度。所述焊缝能够径向地延伸直至转子轴的深度或经受较低载荷的相应的深度区域。焊缝能够从径向位置无损坏地例如借助于超声波来检查，因为有利的声束取向提供用于在焊缝中可能的显示(例如，侧面熔合缺陷)。
所述环形件优选由下述组成成分构成：0.10重量％至0.30重量％的C、1.0重量％至6.0重量％的Cr、3.0重量％至6.0重量％的Ni。
优选的是，所述环形件通过辊压或锻造制造。尤其，所述环形件能够通过环形辊压来制造。
转子轴优选包括至少两个环形件，所述环形件朝向轴基体的轴端部错开地设置并且施加到轴基体上，其中轴基体的靠近轴端部设置的、承载环形件的施加部段的外径小于轴基体的远离轴端部设置的、承载另外的环形件的施加部段的外径。相应地，施加到靠近轴端部设置的施加部段上的环形件的内径小于施加到远离轴端部设置的施加部段上的环形件的内径。由此确保：具有较大内径的环形件能够以距轴端更远的距离串在轴基体上。
根据本发明的用于制造涡轮机的、尤其是蒸汽轮机的涡轮转子的转子轴的方法包括下述步骤：
-制造由第一材料构成的轴基体；
-制造由第二材料构成的至少一个环形件，其中第二材料具有与第一材料相比相同的或更高的强度和/或更高的耐蚀性；
-将环形件施加到轴基体上；
-借助于窄间隙焊接将环形件与轴基体材料配合地连接；和
-在环形件上构成至少一个叶片槽。
上述关于转子轴提及的优点与该方法相应地相结合。尤其，能够根据上述设计方案之一或者这些设计方案中的至少两个彼此的任意组合，利用所述方法制造转子轴。窄间隙焊接能够在竖直定向的轴基体和PA焊接位置中或者在水平定向的轴基体和PC焊接位置中执行。在窄间隙焊接期间，所述环形件能够通过滚道支撑。
优选在焊接之前，使所述环形件在550℃和630℃之间的温度下经受热处理。在焊接所述环形件之后，使转子轴优选在580℃和650℃之间的温度下经受热处理。
环形件优选经由至少一个借助于窄间隙焊接产生的焊缝与轴基体材料配合地连接，其中焊缝制造为，使得焊缝具有由第一焊料构成的轴向靠外的外部部段和由第二焊料构成的位于所述外部部段之间的中间部段，其中所述第一焊料具有比所述第二焊料更高的耐蚀性。上述关于转子轴的相应的设计方案提及的优点与该设计方案相应地相结合。
焊缝的焊缝根部优选至少部分地构成在位于环形件和轴基体之间的间隙之外。由此，焊缝根部部分地或完全地设置在转子轴的最终轮廓之外。通过随后将轴向的焊缝端部进而焊缝根部至少部分地去除，沿着焊缝产生均匀的机械特性。
窄间隙焊接优选利用电子束焊接执行。电子束焊接优选在减小的真空下执行。替选地，能够利用WIG焊接(钨极惰性气体保护焊)或MAG焊接(熔化极活性气体保护焊)执行窄间隙焊接。
窄间隙焊接优选从朝向轴基体的最靠近所述环形件设置的轴端部的一侧开始执行。尤其，所述环形件能够从轴基体的靠近所述环形件的联接侧开始不间断地与轴基体焊接。
在窄间隙焊接之前，所述环形件优选经由至少一个定心机构与轴基体同轴地定向。尤其，根部区域能够设有适合的定心装置。必要时，能够利用临时的收缩连接。
优选地，在结束窄间隙焊接之后，至少对所述环形件进行后续的热处理。由于这种局部的后续热处理，能够有针对性地调节所述环形件的机械特性。在此将所述环形件的热处理状态选择为，使得所述环形件在热处理之后具有所需的机械特性，在热处理中也能够进行焊接连接的热处理。
环形件优选通过辊压或锻造制造。
所述环形件优选地制造为具有下述宽度，所述宽度大于环形件的期望宽度，其中在结束窄间隙焊接之后和在检查所述环形件之后通过材料去除将环形件的宽度减小到期望宽度。因此，最初产生的环形件的宽度大于在该区域中转子轴的期望的最终轮廓。紧接着在热处理后检查所述环形件之后，能够将环形件的与转子轴的最终轮廓不同的材料区域去除，以将环形件减小到期望宽度。
优选地，至少两个环形件朝向轴基体的轴端部错开地施加到轴基体上，其中，轴基体制造为，使得轴基体的靠近轴端部设置的、承载环形件的施加部段的外径小于轴基体的远离轴端部设置的、承载另外的环形件的施加部段的外径。上述关于转子轴的相应的设计方案的优点与该设计方案相应地相结合。
附图说明
下面参考所附的附图借助一个优选的实施形式示例性地产生本发明，其中下文中示出的特征能够分别以本身或者以彼此不同的组合示出本发明的改进的或有利的方面。附图示出：
图1示出在初始制造状态下穿过根据本发明的转子轴的一个实施例的示意纵剖面；
图2示出在另一制造状态下穿过在图1中示出的转子轴的示意纵剖面；
图3示出在另一制造状态下穿过在图1中示出的转子轴的示意纵剖面。
具体实施方式
图1示出在初始制造状态下根据本发明的用于涡轮机的涡轮转子的转子轴1的实施例的示意纵剖面。
转子轴1包括由第一材料构成的轴基体2。在所述轴基体2上构成有多个环绕的叶片槽3，所述叶片槽彼此轴向间隔开。短的转子叶片4设置在中间的叶片槽3上。
四个施加部段5至8构成在轴基体2上，其中施加部段5和6靠近轴基体2的左侧示出的轴端部9设置，而施加部段7和8靠近轴基体2的右侧示出的轴端部10设置。靠近轴端部9设置的施加部段5的外径11小于远离轴端部9设置的施加部段6的外径12。靠近轴端部10设置的施加部段8的外径13小于远离轴端部10设置的施加部段7的外径14。外径11和13或12和14能够是相同或不同的。施加部段5至8能够在重新制造轴基体2期间构成，或者通过对常规的转子轴进行加工构成，其方式为：通过去除移除相对于相应的施加部段5、6、7或8存在于径向外部的、未示出的、构成有损坏的转子槽的材料部段，以便修复常规的转子轴。四个环形件设置在轴基体2上，如其在图2和3中示出并且在下文中描述。
图2示出在另一制造状态下穿过在图1中示出的转子轴1的示意纵剖面。所述制造状态与图1中示出的制造状态的区别在于，由第二材料构成的两个环形件15和16已施加到轴基体2上，其中第二材料具有与第一材料相比相同或更高的强度和/或更高的耐蚀性。每个环形件15或16通过辊压或锻造制造。
环形件15已经借助于窄间隙焊接与轴基体2材料配合地连接。尤其，环形件15经由借助于窄间隙焊接产生的焊缝17与轴基体2连接。焊缝17能够具有由第一焊料构成的轴向靠外的、未示出的外部部段和由第二焊料构成的位于外部部段之间的、未示出的中间部段，其中第一焊料具有比第二焊料更高的耐蚀性。窄间隙焊接能够利用电子束焊接或WIG焊接或MAG焊接来执行。至少一个叶片槽18构成在环形件15上，以设置未示出的转子叶片排。
环形件16尚未借助于窄间隙焊接与轴基体2或施加部段7材料配合地连接。这尤其从放大的细节19中得知。放大的细节19示出：环形件16在窄间隙焊接之前经由定心机构与轴基体2同轴地定向。定心机构包括构成在环形件16上并且指向施加部段7的方向的肩部21，所述肩部径向地接触构成在施加部段7上并且指向环形件16的方向的凸起22。肩部21和凸起22设置在环形件16的或施加部段7的背离轴端部10的端部上。窄间隙焊接根据箭头20从朝向轴基体2的最靠近环形件16设置的轴端部10的一侧开始执行。
在相应的窄间隙焊接结束之后，环形件15和16能够经受后续的热处理。每个环形件15或16能够制造成具有下述宽度，所述宽度大于环形件15或16的期望宽度，其中环形件15或16的宽度在结束窄间隙焊接之后并且在检查环形件15或16之后通过材料去除减小到期望宽度。
图3示出在另一制造状态下穿过在图1中示出的转子轴1的示意纵向剖面。所述制造状态与在图2中示出的制造状态的区别在于，由第二材料构成的两个另外的环形件23和24已经施加到轴基体2上，其中第二材料具有与第一材料相比相同或更高的强度和/或更高的耐蚀性。此外，叶片槽18也构成在环形件16上。每个环形件23或24通过辊压或锻造制造。
环形件23和24借助于窄间隙焊接与轴基体2材料配合地连接。尤其，每个环形件23或24经由借助于窄间隙焊接产生的焊缝17与轴基体2连接。每个焊缝17能够具有由第一焊料构成的轴向靠外的、未示出的外部部段和由第二焊料构成的位于外部部段之间的、未示出的中间部段，其中第一焊料具有与第二焊料相比更高的耐蚀性。窄间隙焊接能够利用电子束焊接或WIG焊接或MAG焊接来执行。窄间隙焊接根据箭头20从朝向轴基体2的最靠近相应的环形件23或24设置的轴端部9或10的一侧开始执行。各一个叶片槽18构成在环形件23和24上，以设置未示出的转子叶片。
在结束相应的窄间隙焊接之后，环形件23和24能够经受后续的热处理。每个环形件23或24能够制造成具有下述宽度，所述宽度大于环形件23或24的期望宽度，其中环形件23或24的宽度在结束窄间隙焊接之后和在检查环形件23或24之后通过材料去除减小到期望宽度。
因此，转子轴1包括两个朝向轴基体2的轴端部9错开地设置的、施加到轴基体2上的环形件15和23以及两个朝向轴基体2的轴端部10错开地设置的、施加到轴基体2上的环形件16和24。
环形件15、16、23、24构成为具有较高Ni含量的钢环，其组成成分为0.10重量％至0.30重量％的C，1.0重量％至6.0重量％的Cr，3.0重量％至6.0重量％的Ni。
环形件15、16、23、24的和连接部的强度能够在两步式工艺中调节，其中第一步骤的温度是T1，第二步骤的温度是T2，其中适用：T1<T2。
在第二步骤中，执行PWHT(焊后热处理)，所述PWHT是对被焊接上的环形件中LCF特性的调节的整体组成部分。在第一步骤中，进行环形件的质量热处理。在第二步骤中，在焊接之后连同所施加的环形件进行基体的(PWHT)热处理。在第一步骤中的温度在T1＝550℃至630℃之间。在第二步骤中的温度在T2＝580℃至650℃之间。
热处理的顺序产生：
a)在环形件中相对于轴基体材料的竖直可调的强度，进而具有更好的LCF特性，
b)在轴基体材料中的和在环形件中的充分回火的热影响区，以避免冶金缺口和对于应力裂纹腐蚀SCC的易受影响性。
虽然已经通过优选的实施例详细地说明和描述了本发明的细节，但是本发明不局限于所公开的示例，并且本领域技术人员能够从中推导出其它变型形式，而不会脱离本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种用于涡轮机的涡轮转子的转子轴(1)，
具有由第一材料构成的轴基体(2)和由第二材料构成的施加到所述轴基体(2)上的至少一个环形件(15，16，23，24)，其中所述第二材料具有与所述第一材料相比相同的或更高的强度和/或更高的耐蚀性，
其中在所述环形件(15，16，23，24)上构成至少一个叶片槽(18)，并且其中所述环形件(15，16，23，24)借助于窄间隙焊接与所述轴基体(2)材料配合地连接，其中所述环形件(15，16，23，24)具有下述组成成分：0.10重量％至0.30重量％的C、1.0重量％至6.0重量％的Cr、3.0重量％至6.0重量％的Ni，并且
其中所述环形件(15，16，23，24)经由至少一个借助于窄间隙焊接产生的焊缝(17)与所述轴基体(2)连接，其中所述焊缝(17)具有由第一焊料构成的轴向靠外的外部部段和由第二焊料构成的位于外部部段之间的中间部段，并且其中所述第一焊料具有比所述第二焊料更高的耐蚀性。
2.根据权利要求1所述的转子轴(1)，
其中所述环形件(15，16，23，24)通过辊压或锻造制造。
3.根据权利要求1或2所述的转子轴(1)，
具有至少两个环形件(15，16，23，24)，所述环形件朝向所述轴基体(2)的轴端部(9，10)错开地设置并且施加到所述轴基体(2)上，其中所述轴基体(2)的靠近所述轴端部(9，10)设置的、承载环形件(15，16)的施加部段(5，8)的外径(11，13)小于所述轴基体(2)的远离所述轴端部(9，10)设置的、承载另外的环形件(23，24)的施加部段(6，7)的外径(12，14)。
4.根据权利要求1所述的转子轴(1)，其中所述涡轮机是蒸汽轮机。
5.一种用于制造涡轮机的涡轮转子的转子轴(1)的方法，所述方法具有下述步骤：
-制造由第一材料构成的轴基体(2)；
-制造由第二材料构成的至少一个环形件(15，16，23，24)，其中所述第二材料具有与所述第一材料相比相同的或更高的强度和/或更高的耐蚀性；
-将所述环形件(15，16，23，24)施加到所述轴基体(2)上；
-借助于窄间隙焊接将所述环形件(15，16，23，24)与所述轴基体(2)材料配合地连接；和
-在所述环形件(15，16，23，24)上构成至少一个叶片槽(18)，
其中在焊接之前，使所述环形件(15，16，23，24)在550℃和630℃之间的温度下经受热处理，
其中在焊接所述环形件(15，16，23，24)之后，在580℃和650℃之间的温度下执行热处理，
其中将所述环形件(15，16，23，24)经由至少一个借助于窄间隙焊接产生的焊缝(17)与所述轴基体(2)材料配合地连接，
其中所述焊缝(17)制造为，使得所述焊缝(17)具有由第一焊料构成的轴向靠外的外部部段和由第二焊料构成的位于所述外部部段之间的中间部段，
其中所述第一焊料具有比所述第二焊料更高的耐蚀性。
6.根据权利要求5所述的方法，
其中所述焊缝(17)的焊缝根部至少部分地构成在位于所述环形件(15，16，23，24)和所述轴基体(2)之间的间隙之外。
7.根据权利要求5或6所述的方法，
其中利用电子束焊接或WIG焊接或MAG焊接执行所述窄间隙焊接。
8.根据权利要求5或6所述的方法，
其中从朝向所述轴基体(2)的最靠近所述环形件(15，16，23，24)设置的轴端部(9，10)的一侧开始执行所述窄间隙焊接。
9.根据权利要求5或6所述的方法，
其中在所述窄间隙焊接之前，经由至少一个定心机构与所述轴基体(2)同轴地定向所述环形件(15，16，23，24)。
10.根据权利要求5或6所述的方法，
其中在结束所述窄间隙焊接之后，至少使所述环形件(15，16，23，24)经受后续的热处理。
11.根据权利要求5或6所述的方法，
其中所述环形件(15，16，23，24)通过辊压或锻造制造。
12.根据权利要求5或6所述的方法，
其中所述环形件(15，16，23，24)制造为具有下述宽度，所述宽度大于所述环形件(15，16，23，24)的期望宽度，
其中在结束所述窄间隙焊接之后和在检查所述环形件(15，16，23，24)之后，通过材料去除将所述环形件(15，16，23，24)的宽度减小到期望宽度。
13.根据权利要求5或6所述的方法，
其中将至少两个环形件(15，16，23，24)朝向所述轴基体(2)的轴端部(9，10)错开地施加到所述轴基体(2)上，
其中，所述轴基体(2)制造为，使得所述轴基体(2)的靠近所述轴端部(9，10)设置的、承载环形件(23，24)的施加部段(5，8)的外径(11，13)小于所述轴基体(2)的远离所述轴端部(9，10)设置的、承载另外的环形件(15，16)的施加部段(6，7)的外径(12，14)。
14.根据权利要求5所述的方法，其中所述涡轮机是蒸汽轮机。
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