旋转机械的转子及旋转机械的制作方法
【专利摘要】本发明的旋转机械（T1）的转子（10）具有在轴线（P）延伸的轴向上彼此接合的多个转子部件（20）、（30）、（40），这多个转子部件（20）、（30）、（40）中，流路（3）的工作流体导入部（3a）、（3b）处的第一转子部件（30）由Ni基合金构成且内部在轴向全长上是中空的。
【专利说明】旋转机械的转子及旋转机械
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及旋转机械的转子及旋转机械。
【背景技术】
[0002]当前，在使用蒸汽涡轮机进行的火力发电时，通常在600°C级以下的蒸汽条件下进行发电。在该蒸汽条件下，在构成蒸汽涡轮机的涡轮转子、动叶片等主要部件中多使用例如12Cr钢等闻Cr钢(闻络钢、铁氧体系耐热钢)。
[0003]然而，近年来，为了应对削减CO2排出量、进一步提高热效率的要求，期望在700°C级以上的蒸汽条件下进行发电。然而，当在该蒸汽条件下使用铁氧体系耐热钢时，主要部件的高温强度发生不足。
[0004]因此，为了确保更高的高温强度，在主要部件中使用Ni基合金(镍基合金)。然而，当使用该Ni基合金时，存在难以使主要部件大型化而且成本增加的缺点。
[0005]在下述专利文献I中，为了实现涡轮转子的大型化和成本抑制，通过焊接将由Ni基合金形成的第一部件与由高Cr钢形成的第二部件接合而构成涡轮转子。并且，通过使用特定组成的Ni基合金来确保接合部的强度。
[0006]专利文献1:国际公开第2009/154243号
【发明内容】
[0007]然而，通常Ni基合金具有热传导率低且线膨胀系数大的性质。因此，在蒸汽涡轮起动时，涡轮转子(Ni基合金)的外侧比内侧温度高而大幅度地热膨胀，因此具有在涡轮转子的内部产生过大的应力的问题。
[0008]而且，当花费时间进行预热以使涡轮转子整体逐渐升温时，虽然能够抑制热应力的产生，但存在蒸汽涡轮机的迅速起动受到妨碍的问题。
[0009]本发明考虑到这种情况而作出，目的在于容许旋转机械的迅速起动，并抑制在转子处产生的热应力。
[0010]S卩，本发明的旋转机械的转子中，绕着轴线延伸的外周部的周围由定子包围，工作流体在上述定子与上述外周部之间划定的流路中流通，具有在上述轴线延伸的轴向上彼此接合的多个转子部件，这多个转子部件中，上述流路的工作流体导入部处的第一转子部件由Ni基合金构成且内部在上述轴向全长上是中空的。
[0011]这样一来，与将内部形成为实心的情况相比，第一转子部件的热容减小。由此，在进行旋转机械的迅速起动时，可抑制在第一转子部件内部的外侧和内侧产生的温度差而使第一转子部件整体性地升温。由此，能够抑制在第一转子部件的内部产生的热应力。因此，能够容许旋转机械的迅速起动，并能够抑制在转子处产生的热应力。
[0012]而且，可以是，上述多个转子部件包含第二转子部件，该第二转子部件沿着上述轴向与上述第一转子部件邻接且由高Cr钢构成。
[0013]这样一来，与利用Ni基合金形成转子整体的情况相比，能够抑制转子的成本。而且，利用与Ni基合金相比具有优异的易成型性的高Cr钢来形成转子的一部分，由此能够容易地进行转子的制造。
[0014]而且，可以是，上述第一转子部件形成为，上述轴向中央侧的壁厚为上述轴向的端部的壁厚以上，且在上述轴向的中央部的内径与外径之比为1/2以上。
[0015]这样一来，能够进一步抑制在第一转子部件的内部的外侧与内侧产生的温度差，能够进一步抑制在第一转子部件的内部产生的热应力。而且，能够确保第一转子部件所需的强度。
[0016]而且，可以是，上述工作流体导入部形成有多个，上述第一转子部件在多个上述工作流体导入部中的至少两个以上上述工作流体导入部处的各个内径互不相同。
[0017]这样一来，能够按照各工作流体导入部来调整温度分布。
[0018]而且，可以是，上述第一转子部件在上述轴向上的多个部位处的各个内径互不相同。
[0019]这样一来，能够在上述轴向上的多个部位调整温度分布。
[0020]而且，可以是，上述第一转子部件至少在上述轴向的一部分按照内径从一侧朝向另一侧逐渐减小的方式以锥形形成有孔。
[0021]这样一来，能够在第一转子部件中沿着轴向进行温度调整。
[0022]而且，可以是，对于上述Ni基合金，以重量％计，C为0.15%以下，Si为1%以下，Mn为1%以下，Cr为5?15%，Mo、W及Re中的一种或两种以上的Mo+ (ff+Re) /2为17?25%，Al为0.2?2%，Ti为0.5?4.5%, Fe为10%以下，含有B及Zr中的一种或两种、其中B为
0.02%以下、Zr为0.2%以下，Al+Ti的原子％为2.5?7.0%，其余部分由Ni和不可避免的杂质构成。
[0023]而且，可以是，对于上述Ni基合金，以重量％计，C为0.15%以下，Si为1%以下，Mn 为 1% 以下，Cr 为 5 ?20%，Mo 为 17 ?26%，且 Mo+ (ff+Re) /2 为 17 ?27%，Al 为 0.1 ?2%, Ti为0.1?2%，Fe为10%以下，B为0.02%以下及Zr为0.2%以下，Al+Ti的原子％为I?5.5%，其余部分由Ni和不可避免的杂质构成。
[0024]而且，可以是，对于上述Ni基合金，以重量％计，C为0.15%以下，Si为1%以下，Mn为1%以下，Cr为5?20%，Mo、W及Re中的一种或两种以上的Mo+ (ff+Re) /2为17?27%, Al 为 0.1 ?2%，Ti 为 0.1 ?2%，Fe 为 10% 以下，B 为 0.001 ?0.02% 及 Zr 为 0.001 ?
0.2%，Nb+Ta/2为1.5%以下，Co为5%以下，其余部分由Ni和不可避免的杂质构成。
[0025]而且，可以是，对于上述Ni基合金，以重量％计，C为0.15%以下，Si为1%以下，Mn为1%以下，Cr为5?20%，W为10%以下，Mo、W及Re中的一种或两种以上的Mo+ (ff+Re)/2 为 5 ?20%，Al 为 0.1 ?2.5%, Ti 为 0.10 ?0.95%, Fe 为 4% 以下，B 为 0.001 ?0.02%及 Zr 为 0.001 ?0.2%, Nb+Ta/2 为 1.5% 以下，Al+Ti+Nb+Ta 的原子 ％ 为 2.0 ?6.5%,其余部分由Ni和不可避免的杂质构成。
[0026]而且，可以是，对于上述Ni基合金，以重量％计，C为0.005?0.1%，Cr为8?15%，W为5?20%，Mo为I?7%，Al为0.5?1.0%, Ti为1.0?2.5%,其余部分由Ni和不可避免的杂质构成。
[0027]而且，可以是，对于上述Ni基合金，以重量％计，C为0.005?0.15%，Cr为8?22%, Co 为 5 ?30%，W 为 5 ?20%，Mo 为 I ?9%，Al 为 0.1 ?2.0%, Ti 为 0.3 ?2.5%, B 为0.015%以下，Mg为0.01%以下，其余部分由Ni和不可避免的杂质构成。
[0028]S卩，若分别利用由上述各组成所构成的Ni基合金来形成第一转子部件，则能够确保该第一转子部件与由高Cr钢形成的第二转子部件之间的接合部的强度。
[0029]而且，本发明的旋转机械具有:上述转子；及定子，包围上述转子的周围，且向该定子与上述转子之间划定的流路导入工作流体。
[0030]这样一来，即使在工作流体的温度变得比较高的条件下使用了 Ni基合金，也容许旋转机械的迅速起动，并抑制在转子处产生的热应力。由此，能够获得良好的运转性能并能够防止转子的破损。并且，通过将工作流体的温度设定得比较高，能够充分应对削减CO2排出量、进一步提高热效率的要求。
[0031]发明效果
[0032]根据本发明的旋转机械的转子，能够容许旋转机械的迅速起动，并抑制在转子处产生的热应力。
[0033]而且，根据本发明的旋转机械，能够获得良好的运转性能并能够防止转子的破损。【专利附图】
【附图说明】
[0034]图1是本发明的第一实施方式的高中压涡轮Tl的概略结构剖面图，是高中压涡轮Tl的包含轴线P的子午剖面图。
[0035]图2是本发明的实施方式的轴体11的放大剖面图。
[0036]图3是本发明的第二实施方式的高中压涡轮T2的轴体IlA的放大剖面图。
[0037]图4是本发明的第三实施方式的高中压涡轮T3的轴体IlB的放大剖面图。
[0038]图5是本发明的第四实施方式的高中压涡轮T4的轴体IlC的放大剖面图。
【具体实施方式】
[0039]以下，参照附图，说明本发明的实施方式。
[0040](第一实施方式)
[0041]图1是本发明的第一实施方式的高中压涡轮(旋转机械)Tl的概略结构剖面图，是高中压涡轮Tl的包括轴线P的子午剖面图。另外，在以下的说明中，将轴线P的延伸方向称为“涡轮轴向(轴向)”、将轴线P的周向称为“涡轮周向”、将轴线P的径向称为“涡轮径向”。
[0042]如图1所示，高中压涡轮Tl在涡轮轴向的一侧构成高压涡轮(旋转机械)1A，在涡轮轴向的另一侧构成中压涡轮(旋转机械)1B。
[0043]高中压涡轮Tl具有转子10和定子50。
[0044]转子10具有被支承为能够旋转的轴体11和在轴体11构成多个的动叶片列12(12A、12B)。
[0045]轴体11沿着涡轮轴向贯通定子50，通过在定子50的外部配设的轴承装置91、92来支承涡轮轴向的两端。关于该轴体11的其他结构，在后面详述。
[0046]多个动叶片列12 (12A、12B)分别通过将限制在轴体11外周的多个动叶片沿着涡轮周向排列而构成。多个动叶片列12A配设于高压涡轮1A，多个动叶片列12B配设于中压涡轮IB。
[0047]定子50具有外部机室壳体60、内部机室壳体70 (70A、70B)及静叶片列52 (52A、52B)。
[0048]外部机室壳体60具有从外部划分内部空间61的机室壁60a和将内部空间61沿着涡轮轴向分隔成两部分的隔壁60b。隔壁60b在内部空间61中配设于涡轮轴向的大致中央，将内部空间61分隔成涡轮轴向的一侧的高压涡轮室61A和涡轮轴向的另一侧的中压涡轮室61B。
[0049]在外部机室壳体60的机室壁60a上，在高压涡轮IA中形成有形成于涡轮轴向的另一侧的多个导入嘴63A和形成于涡轮轴向的一侧的排出嘴64A。而且，在机室壁60a上，在中压涡轮IB中形成有形成于涡轮轴向的一侧的多个导入嘴63B和形成于涡轮轴向的另一侧的排出嘴64B。
[0050]向该外部机室壳体60插通转子10,转子10(轴体11)的两端分别从机室壁60a的涡轮轴向的两端突出。
[0051]另外，形成于机室壁60a与转子10的两端之间的间隙分别由密封装置93A、93B密封。而且，形成于隔壁60b与转子10的中央侧之间的间隙由密封部件94A、94B密封。
[0052]内部机室壳体70 (70A、70B)是两端敞开型的筒状部件，在内周部包含保持静叶片列52 (52A、52B)的静叶片保持环71。
[0053]内部机室壳体70A配设于高压涡轮1A，内部机室壳体70B配设于中压涡轮1B。这些内部机室壳体70A、70B分别由外部机室壳体60的机室壁60a的内壁及隔壁60b限制。这些内部机室壳体70A、70B分别插通于转子10而包围转子10的外周IOa的周围，环形流路(流路)3 (3A、3B)在转子10的外周IOa与静叶片保持环71之间沿着涡轮轴向延伸。
[0054]内部机室壳体70A的润轮轴向的另一侧的另一端敞开部与隔壁60b对接而被封闭，并且与转子10之间由密封部件94A密封。
[0055]在内部机室壳体70A的另一端敞开部侧与密封部件94A及轴体11的外周之间划定有歧管(工作流体导入部)3a，该歧管沿着涡轮周向延伸并与环形流路3连通。该歧管3a与连接管80A连通，并经由该连接管80A从锅炉B供给高压蒸汽(工作流体)SI (约700°C )，其中该连接管80A插入于各导入嘴63A且分别与内部机室壳体70A气密地连接。该歧管3a是向环形流路3导入高压蒸汽SI的部分，是向高压涡轮IA供给的高压蒸汽SI与转子10最先接触的部分。即，在运转时的高压涡轮IA中，在转子10的各部位之中，曝露于歧管3a的部位的温度最高。
[0056]另外，内部机室壳体70A的一端敞开部朝向涡轮轴向的一侧敞开。
[0057]内部机室壳体70B的两端敞开部分别沿涡轮轴向敞开。在内部机室壳体70B的涡轮轴向的一侧形成有从内部机室壳体70的外周部呈凸缘状延伸的凸缘部70a，该凸缘部70a与机室壁60a的内壁连接，由此在一端敞开部的周围划定有歧管3b。经由插入到各导入嘴63B的连接管80B，从锅炉B向该歧管3b供给中压蒸汽(工作流体)S2 (约700°C )。
[0058]而且，在该内部机室壳体70B中，轴体11的涡轮轴向的一侧由密封部件94B覆盖。即，向歧管3b供给的中压蒸汽S2沿着密封部件94B向环形流路3B导入，转子10中的从密封部件94B露出的露出部(工作流体导入部)3c成为中压蒸汽S2最先接触的部分。即，在运转时的中压涡轮IB中，在转子10的各部位之中，从密封部件94B露出的露出部3c的温度最闻。
[0059]多个静叶片列52 (52A、52B)分别通过将由内部机室壳体70 (70A、70B)的静叶片保持环71限制的静叶片沿着涡轮周向排列而构成。
[0060]静叶片列52A在高压涡轮IA的环形流路3A中以从涡轮轴向的另一侧朝向一侧地与动叶片列12A交替的方式配设。静叶片列52B在中压涡轮IB的环形流路3B中以从涡轮轴向的一侧朝向另一侧地与动叶片列12B交替的方式配设。[0061]图2是轴体11的放大剖面图。
[0062]如图2所示，轴体11构成为转子部件20、30、40沿着涡轮轴向彼此接合。更具体而言，转子部件20、30、40在使各自的轴线与轴线P重合的状态下，按照上述的顺序被接合，由此作为整体而成为轴状。
[0063]转子部件(第二转子部件)20具有:直径形成得相对小的小径部21 ;及直径形成得相对大的大径部22。
[0064]大径部22中，涡轮轴向的一侧的一端部20a以碟状凹陷，另一端部20b例如与低压涡轮的转子&的端部连接(参照图1)。
[0065]转子部件(第二转子部件)40具有:直径形成得相对小的小径部41 ;及直径形成得相对大的大径部42。
[0066]转子部件40中，转子部件40的涡轮轴向的另一侧的另一端部40b以碟状凹陷，一端部40a例如与超高压涡轮的转子Rvh的端部连接(参照图1)。
[0067]这些转子部件20及40的材质例如使用高Cr钢，例如通过锻造而形成。作为该高Cr钢，例如，能够优选使用下述的表I所示的1-1、1_2的组成。这些组成的高Cr钢的从室温到700°C的平均线膨胀系数大致为11.2X 10_6/°C-12.4X 10_6°C。
[0068]另外，当然也可以使用表I以外的其他组成的高Cr钢。
[0069][表 I]
【权利要求】
1.一种旋转机械的转子，其绕着轴线延伸的外周部的周围由定子包围，工作流体在所述定子与所述外周部之间划定的流路中流通， 所述旋转机械的转子具有在所述轴线延伸的轴向上彼此接合的多个转子部件， 这多个转子部件中，所述流路的工作流体导入部处的第一转子部件由Ni基合金构成且内部在所述轴向全长上是中空的。
2.根据权利要求1所述的旋转机械的转子，其中， 所述多个转子部件包含第二转子部件，该第二转子部件沿着所述轴向与所述第一转子部件邻接且由高Cr钢构成。
3.根据权利要求1或2所述的旋转机械的转子，其中， 所述第一转子部件形成为，所述轴向中央侧的壁厚为所述轴向的端部的壁厚以上，且在所述轴向的中央部的内径与外径之比为1/2以上。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的旋转机械的转子，其中， 所述工作流体导入部形成有多个， 所述第一转子部件在多个所述工作流体导入部中的至少两个以上所述工作流体导入部处的各个内径互不相同。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的旋转机械的转子，其中， 所述第一转子部件在所述轴向上的多个部位处的各个内径互不相同。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的旋转机械的转子，其中， 所述第一转子部件至少在所述轴向的一部分按照内径从一侧朝向另一侧逐渐减小的方式以锥形形成有孔。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的旋转机械的转子，其中， 对于所述Ni基合金，以重量％计，C为0.15%以下，Si为1%以下，Mn为1%以下，Cr为5-15%，Mo、W及Re中的一种或两种以上的Mo+ (ff+Re) /2为17-25%，Al为0.2-2%，Ti为0.5-4.5%, Fe为10%以下，含有B及Zr中的一种或两种、其中B为0.02%以下、Zr为0.2%以下，Al+Ti的原子％为2.5-7.0%，其余部分由Ni和不可避免的杂质构成。
8.根据权利要求1-6中任一项所述的旋转机械的转子，其中， 对于所述Ni基合金，以重量％计，C为0.15%以下，Si为1%以下，Mn为1%以下，Cr为5 -20%，Mo 为 17 -26%，且 Mo+ (ff+Re) /2 为 17 -27%，Al 为 0.1 -2%，Ti 为 0.1 -2%，Fe为10%以下，B为0.02%以下及Zr为0.2%以下，Al+Ti的原子％为I-5.5%，其余部分由Ni和不可避免的杂质构成。
9.根据权利要求1-6中任一项所述的旋转机械的转子，其中， 对于所述Ni基合金，以重量％计，C为0.15%以下，Si为1%以下，Mn为1%以下，Cr为5-20%，Mo、W及Re中的一种或两种以上的Mo+ (ff+Re)/2为17-27%，A1为0.1-2%，Ti为 0.1 -2%，Fe 为 10% 以下，B 为 0.001 -0.02% 及 Zr 为 0.001 -0.2%, Nb+Ta/2 为 1.5%以下，Co为5%以下，其余部分由Ni和不可避免的杂质构成。
10.根据权利要求1-6中任一项所述的旋转机械的转子，其中， 对于所述Ni基合金，以重量％计，C为0.15%以下，Si为1%以下，Mn为1%以下，Cr为5-20%，W为10%以下，且Mo、W及Re中的一种或两种以上的Mo+ (ff+Re)/2为5-20%，A1为 0.1 -2.5%, Ti 为 0.10 -0.95%, Fe 为 4% 以下，B 为 0.001 -0.02% 及 Zr 为 0.001 -.0.2%, Nb+Ta/2为1.5%以下，Al+Ti+Nb+Ta的原子％为2.0-6.5%，其余部分由Ni和不可避免的杂质构成。
11.根据权利要求1-6中任一项所述的旋转机械的转子，其中， 对于所述Ni基合金，以重量％计，C为0.005-0.1%，Cr为8-15%，W为5-20%，Mo为I-7%，Al为0.5-1.0%，Ti为1.0-2.5%，其余部分由Ni和不可避免的杂质构成。
12.根据权利要求1-6中任一项所述的旋转机械的转子，其中， 对于所述Ni基合金，以重量％计，C为0.005-0.15%, Cr为8-22%，Co为5-30%，W 为 5 -20%，Mo 为 I -9%，Al 为 0.1 -2.0%, Ti 为 0.3 -2.5%, B 为 0.015% 以下，Mg 为.0.01%以下，其余部分由Ni和不可避免的杂质构成。
13.一种旋转机械，具有: 权利要求1-12中任一项所述的旋转机械的转子 '及 定子，包围所述转子的周围，且向该定子与所述转子之间划定的流路导入工作流体。
【文档编号】F01D25/00GK103459773SQ201280015162
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2012年1月26日 优先权日:2011年3月30日
【发明者】西本慎, 田中良典, 中野隆, 川崎宪治, 山本隆一 申请人:三菱重工业株式会社