专利名称：涡轮盘预制件、其制成的焊接涡轮转子及制造它们的方法
技术领域：
本发明涉及涡轮盘预制件、其制成的焊接涡轮转子及制造它们的方法。
背景技术：
如众所周知的，工业涡轮，特别是蒸汽涡轮，通过采用在一系列涡轮级中围绕转子的周边设置的涡轮叶片而将热气(例如蒸汽)的能量转化为旋转机械能。为了提高涡轮的转化效率，期望增加涡轮的各个级中的叶片的长度。为了增加叶片的长度，特别是在涡轮的末级或“L-0”级，通常有必要采用轻质材料，例如钛，以便避免必须在转子合金上做出显著改变，转子合金典型地为NiCrMoV钢合金，因为在长叶片构造中较重叶片材料(例如高强度钢)的使用通常形成超过这些转子合金的工作极限的应力。虽然在涡轮转子中可使用较高
强度的材料，但它通常是不期望的，因为较高强度的材料典型地对于合金材料本身和由这些材料制备转子所需的工艺而言均具有显著更高的成本。因此，期望开发构造成在末级涡轮中采用高强度钢叶片而不需要改变典型地用于形成涡轮转子的NiCrMoV钢合金的涡轮。
发明内容
根据本发明的一个方面，公开了一种制造涡轮转子的方法。该方法包括形成具有盘轴线的末级盘预制件，该预制件具有转子面和相反的轴面，转子面具有从其伸出的周向的、轴向延伸的转子肋部，轴面具有从其伸出的周向的、轴向延伸的轴肋部，该盘预制件包括盘预制件材料。该方法还包括将转子肋部连接到转子预制件以形成转子接合处，该转子预制件包括转子预制件材料，其具有比盘预制件材料更低的强度。该方法还包括将轴肋部连接到轴以形成轴接合处，该轴包括轴材料，其中，预制件材料不同于转子预制件材料和轴材料。根据本发明的另一方面，公开了一种用于涡轮的末级盘预制件。该末级盘预制件具有盘轴线。该预制件还具有转子面和相反的轴面，转子面具有从其伸出的周向的、轴向延伸的转子肋部，该转子肋部构造成用于形成转子接合处，轴面具有从其伸出的周向的、轴向延伸的轴肋部，该轴肋部构造成用于形成轴接合处。该盘预制件包括盘预制件材料。根据结合了附图的下列描述，这些和其它的优势和特征将变得更加显而易见。
作为说明书的结论，在权利要求书中特别地指出并清楚地主张了被视为本发明的主题。根据结合了附图的下列详细描述，本发明的前述和其它的特征及优势是显而易见的，在附图中图I是包括由本文公开的末级涡轮盘预制件(preform)连接的涡轮转子和轴的涡轮的示意截面图；图2是本文公开的末级盘预制件的示意横截面图3是示出了制造本文公开的涡轮转子的方法的示例性实施例的流程图；图4是本文公开的转子接合处的示例性实施例的示意横截面图；以及图5是本文公开的轴接合处的示例性实施例的示意横截面图；详细的描述参照附图以示例的方式解释了本发明的实施例，以及优势和特征。附图标记10涡轮12转子13转子预制件14盘段16盘段18盘段20盘段22合金钢盘24叶片26叶片28叶片30叶片32叶片34(L-O)级盘36盘预制件38端部40伸出肋部42转子材料44轴线46转子面48轴面50转子肋部52转子接合处54焊缝56轴肋部58轴接合处60轴62轴焊缝64钢叶片66周边68钢叶片70肋部72端部74轴材料
76盘预制件材料78转子接合材料80轴接合材料82压应力层84压应力层100包括将相异合金、末级转子盘预制件36焊接到转子预制件的端部38的方法110形成110具有盘轴线的末级盘预制件36120将转子肋部50连接到转子预制件130将轴肋部56连接到轴60以形成轴接合处140在转子接合处的表面上形成压应力层82(图4)150在轴接合处58的表面上形成压应力层84 (图5)160将多个高强度钢合金叶片64附接至周边
具体实施例方式参照图I-图5，公开了一种涡轮10，其具有焊接的相异合金低压(LP)转子12。LP转子12包括使用盘预制件36制成的末级(L-O)盘34，盘预制件36由高合金、高强度钢(例如各种马氏体钢)制成，其焊接于可包括NiCrMoV低合金钢盘22的转子预制件13或转子区段。该转子12的构造有利地使得能够用较低成本的高强度钢叶片64来代替钛末级叶片。这在制造中提供了显著的成本节省，并且也使得能够在末级涡轮中使用高强度钢叶片64，其具有比当前用于该应用中的那些叶片更长的长度，包括具有大约40到大约80英寸的长度的那些，这增加了工作效率并扩展了涡轮10的设计灵活性。转子12的构造使得能够使用较长的钢叶片，同时它还有利地将可用于末级涡轮的钛叶片的尺寸扩展到大于约80英寸，从而进一步扩展了涡轮10的设计灵活性。所公开的焊接的相异合金LP转子12可通过以下方式制造由高合金、高强度钢制备锻造的、热处理的且机械制造的L-O级预制件36，然后在一个面上将盘预制件36焊接到NiCrMoV钢转子预制件13，其可包括单个涡轮级或多个涡轮级，以及将另一个面焊接到轴或轴颈60，其也可包括NiCrMoV钢合金。所使用的焊接工艺可包括任何已知的丝焊工艺，包括钨极惰性气体(TIG)、金属惰性气体(MIG)、子弧和电子束(EB)焊接工艺，并且可利用冷丝焊接技术、热丝焊接技术或两者。此外，可使用单丝或双丝焊接工艺来实现焊接。单丝材料可为与NiCrMoV钢转子或轴60相容的各种强度水平的合金钢，或者可包括与高合金、高强度L-O盘预制件材料76相容的高合金、高强度钢。双丝工艺可利用两种焊丝类型，即低合金钢和高合金钢，其中低强度低合金丝可熔化到低合金钢接合面上，而高合金高强度丝可以靠着盘预制件材料76的高合金高强度材料熔化。所描述的两种丝焊方法提供了避免越过该焊接的急剧化学梯度的优势。所使用的焊丝还可为NiCrMoV低合金钢转子材料42和高合金高强度钢盘预制件材料76之间的中间化学性质之一。高合金高强度钢盘预制件36可在完全热处理和硬化状态下或在固溶退火状态下焊接，紧接着焊接后老化热处理，或者可在锻后(as-forged)状态下焊接，紧接着焊接后固溶和老化热处理。焊接后应力释放处理可在炉子中或经由局部加热(例如感应加热)进行。将高合金高强度钢盘预制件连接到转子12或轴60的完成的焊缝可通过在它们的表面中通过诸如喷丸加工、滚光等的过程赋予相对较深的压应力层而被进一步保护。参照图I和图2，公开了一种具有焊接的相异金属转子12的涡轮10。转子12可用于任何类型的涡轮发动机中，并且特别好地适用于发电涡轮(例如蒸汽涡轮)中。涡轮10可具有任何合适的单涡轮构造，或者可具有如图I所示的双涡轮结构，其具有在共用转子预制件13的相反端连接的两个末级转子盘预制件36。转子预制件13可包括单件转子或者可包括多个盘段(例如盘段14、16、18、20、22)的组件，这些盘段彼此组装在一起而形成转子预制件13，并且限定出多个涡轮级。在结合到转子12中后，转子预制件13适于接纳与各个涡轮级和盘区段相关联的多个周向间隔开的叶片，例如分别设置在盘或转子段14、16、18、20、22上的叶片24、26、28、30、32。转子12还包括末级(L-O)盘34，其由焊接于转子预制件13的端部38的盘预制件36形成。转子盘预制件36可通过任何合适的机械连接而连接到转子预制件13，包括通过将盘预制件36焊接到从转子预制件13的端部38伸出的环状伸出肋部40。转子预制件13可由任何合适的转子材料42形成。转子材料42可包括各种等级的钢，特别是各种等级的NiCrMoV钢，例如频繁地用作转子材料42的3. 5% NiCrMoV钢，并且更特别地包括表I中所描述的3. 5% NiCrMoV钢成分。表I
权利要求
1.一种制造涡轮转子(10)的方法(100)，包括 形成(110)具有盘轴线(44)的末级盘预制件(36)，所述预制件具有转子面(46)和相反的轴面(48)，所述转子面(46)具有从其伸出的周向的、轴向延伸的转子肋部(50)，所述轴面(48)具有从其伸出的周向的、轴向延伸的轴肋部(56)，所述盘预制件包括盘预制件材料(76)； 连接(110)所述转子肋部(50)到转子预制件(13)以形成转子接合处(52)，所述转子预制件包括转子预制件材料(42);以及 连接(130)所述轴肋部(56)到轴￠0)以形成轴接合处(58)，所述轴包括轴材料(74)，其中，所述盘预制件材料(76)不同于所述转子预制件材料(42)和所述轴材料(74)。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，连接所述转子肋部(50)到所述转子预制件以形成所述转子接合处包括焊接。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，焊接包括使用焊丝的单丝焊接，所述焊丝包括所述盘预制件材料(76)、所述转子预制件材料(42)或者具有介于所述盘预制件材料(76)的成分和所述转子预制件材料(42)的成分之间的成分的转子接合材料(78)。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，焊接包括使用第一焊丝和第二焊丝的双丝焊接，所述第一焊丝包括位于所述盘预制件附近的所述盘预制件材料(76)，所述第二焊丝包括位于所述转子预制件附近的所述转子预制件材料(42)。
5.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，连接所述轴肋部(56)到所述轴￠0)以形成所述轴接合处(58)包括焊接。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，焊接包括使用焊丝的单丝焊接，所述焊丝包括所述盘预制件材料(76)、所述轴材料(74)或者具有介于所述盘预制件材料的成分和所述轴材料的成分之间的成分的轴接合材料(80)。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，焊接包括使用第一焊丝和第二焊丝的双丝焊接，所述第一焊丝包括位于所述盘预制件附近的所述盘预制件材料(76)，所述第二焊丝包括位于所述轴附近的所述轴材料(74)。
8.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，形成包括在连接所述转子肋部(50)到所述转子预制件或者连接所述轴肋部(56)到所述轴￠0)之前将所述盘预制件(36)锻造成锻后状态；并且该方法还包括，在连接所述转子肋部到所述转子预制件且连接所述轴肋部到所述轴之后 所述盘预制件、转子接合处以及轴接合处的固溶热处理；和 所述盘预制件、转子接合处以及轴接合处的老化热处理。
9.一种用于涡轮(10)的末级盘预制件(36)，包括 具有盘轴线(44)的末级盘预制件(36)，所述预制件具有转子面(46)和相反的轴面(48)，所述转子面具有从其伸出的周向的、轴向延伸的的转子肋部(50)，所述转子肋部(50)构造成用于形成转子接合处(52)，所述轴面(48)具有从其伸出的周向的、轴向延伸的轴肋部(56)，所述轴肋部(56)构造成用于形成轴接合处(58);所述盘预制件包括盘预制件材料(76)。
10.根据权利要求9所述的盘预制件(36)，其特征在于，所述涡轮(10)包括蒸汽涡轮，其具有由转子接合处(52)连接到所述盘预制件的涡轮转子预制件(13)和由轴接合处(58)连接 到所述盘预制件的轴(60)。
全文摘要
本发明涉及涡轮盘预制件、其制成的焊接涡轮转子及制造它们的方法。具体而言，公开了一种制造涡轮转子的方法。该方法包括形成具有盘轴线的末级盘预制件，该预制件具有转子面和相反的轴面，转子面具有从其伸出的周向的、轴向延伸的转子肋部，轴面具有从其伸出的周向的、轴向延伸的轴肋部，该盘预制件包括盘预制件材料。该方法还包括连接转子肋部到转子预制件以形成转子接合处，该转子预制件包括转子预制件材料。该方法还包括连接轴肋部到轴以形成轴接合处，该轴包括轴材料，其中，盘预制件材料不同于转子预制件材料和轴材料。
文档编号F01D5/02GK102852559SQ201210296458
公开日2013年1月2日 申请日期2012年6月29日 优先权日2011年6月30日
发明者S·甘什, S·L·布雷滕巴赫, R·C·施万特 申请人:通用电气公司