專利名稱：透平軸及其制造技術(shù)
本發(fā)明涉及一種用于蒸汽輪機的沿軸向定向的透平軸，它具有一第一流動區(qū)和沿軸向與該第一流動區(qū)相鄰的一第二流動區(qū)，其中，所述透平軸在第一流動區(qū)中具有一第一種材料，在第二流動區(qū)中具有一第二種材料。本發(fā)明還涉及一種用于制造一包括兩種材料并沿一軸向定向的透平軸的方法。
透平軸通常應用于流體機械中。蒸汽輪機可看作是流體機械的一種例子。為了提高效率，蒸汽輪機被構(gòu)造成所謂的組合式蒸汽輪機。這種蒸汽輪機具有一個入流區(qū)和兩個或更多個帶有動葉片和靜葉片的流動區(qū)。一種流動介質(zhì)通過入流區(qū)流向一第一流動區(qū)和隨后流向另一流動區(qū)。作為流動介質(zhì)的示例可以是蒸汽。
溫度超過400℃的蒸汽例如被導入所述入流區(qū)中并從那兒又流到第一流動區(qū)中。在此，在第一流動區(qū)中的各種構(gòu)件尤其是透平軸承受熱負荷。在流過第一流動區(qū)之后，蒸汽又流到第二流動區(qū)中。在第二流動區(qū)中的蒸汽通常具有更低的溫度和更低的壓力。在該區(qū)域中，透平軸應具有低溫韌性。
為了將透平軸的兩種必備的特性結(jié)合在一起，迄今業(yè)已公知有各種解決方法。一種解決方法是，將透平軸的耐熱特性和所述低溫韌性相互結(jié)合起來。為此采用一種所謂的整體軸(Monoblockwelle)。它使兩種必要的特性受到一定限制地結(jié)合起來。然而在此進行了相應的妥協(xié)，而這種妥協(xié)對于蒸汽輪機的設(shè)計構(gòu)造和運行來說形成相應的限制。
另外也公開了可通過焊接來制造透平軸。就迄今業(yè)已公知的材料和對其所提出的要求來說，必須將一種必須在一定的溫度下退火的緩沖焊接層涂敷在其中一種材料上。在該緩沖焊接層在該第一種材料上退火后，通過一種結(jié)構(gòu)焊以及在低于前述緩沖焊接層的退火溫度的溫度下最終進行的回火處理，將分別由第一種材料和第二種材料制成的透平軸的兩段相互連接起來。作為用于制造透平軸第一區(qū)域的必須具有耐熱特性的材料，迄今一直采用1％的CrMoV。而作為用于制造透平軸第二區(qū)域的必須具有低溫韌性的材料，迄今一直采用3.5％的NiCrMoV。
用于制造這類透平軸的方法也十分復雜和麻煩。
本發(fā)明的目的在于提供一種既具有低溫韌性又具有耐熱性的透平軸。本發(fā)明的另一目的在于提供一種用于制造這類透平軸的方法。
按照本發(fā)明的針對透平軸提出的第一個目的通過權(quán)利要求1特征部分特征來實現(xiàn)。
其他有利的擴展設(shè)計記載在權(quán)利要求1的從屬權(quán)利要求中。
按照本發(fā)明的針對制造方法提出的第二個目的通過權(quán)利要求4特征部分的特征來實現(xiàn)。
本發(fā)明基于如下認識通過有針對性地選擇材料和恰當?shù)臒崽幚?，可放棄附加的緩沖層焊接和附加的中間退火。
另外有一個優(yōu)點在于，可更快并因而更廉價地制造透平軸。
下面借助附圖對本發(fā)明的實施方式予以詳細說明。各圖中相互對應的部件用相同的附圖標記來表示。附圖中

圖1是屬于現(xiàn)有技術(shù)的由一種材料制成的透平軸的示圖；圖2是屬于現(xiàn)有技術(shù)的由兩種材料制成的透平軸的示圖；圖3是按照本發(fā)明的一根透平軸的示圖；圖4是按照本發(fā)明的一根透平軸的示圖。
在極為簡化的圖1-4中僅僅示出了那些對于理解本發(fā)明的作用而言有意義的部件。
在一個未示出的組合式中壓和低壓蒸汽輪機中，新鮮蒸汽在一個第一區(qū)段中沿著一根透平軸流動，并在那兒膨脹且同時冷卻下來。因此，在該第一區(qū)段中，對透平軸的用材提出了耐熱的要求。該新鮮蒸汽的溫度可高達565℃。膨脹作功并冷卻后的新鮮蒸汽流入一個第二區(qū)段中。在該第二區(qū)段中必須要求透平軸有低溫韌性。
圖1中示出的透平軸1作為整體軸早就為公眾所知。其制造材料為23CrMoNiWV8-8并沿軸向19定向。這種透平軸1屬于現(xiàn)有技術(shù)。
這種透平軸1常常被用于組合式蒸汽輪機中。該蒸汽輪機在按回流結(jié)構(gòu)設(shè)計且設(shè)計用于產(chǎn)生50赫茲的電流時具有10至12.5m2的流出斷面。在這種回流結(jié)構(gòu)設(shè)計中，蒸汽在流過中壓段13后又轉(zhuǎn)向到基本上在相反的方向上流動，開隨后流過低壓段14。透平軸用材23CrMoNiWV8-8包括重量百分比為0.20-0.24％的碳，小于等于0.20％的硅，0.60-0.80％的錳，小于等于0.010％的磷，小于等于0.007％的硫，2.05-2.20％的鉻，0.80-0.90％的鉬，0.70-0.80％的鎳，0.25-0.35％的釩和0.60-0.70％的鎢。所必需的耐熱性和低溫韌性迄今因為使用圖1中所示的透平軸1而受到一定程度的限制。當對于邊緣區(qū)域18提出的靜態(tài)強度(RP0.2)要求大于650兆帕時，用給定材料23CrMoNiWV8-8制造的透平軸1在大直徑的低壓段14中就會超過強度極限和韌性極限。
圖2中示出的透平軸7也屬于現(xiàn)有技術(shù)并具有一承受高溫的中壓段13。該透平軸7同樣具有一低壓段14，后者所承受的熱負荷低于中壓段13并沿軸向定向。為此低壓段14所承受的機械負荷高于中壓段13。通常低壓段14和中壓段13用不同的材料制成。中壓段13用1％的CrMoV(30CrMoNiV5-11)制成，而低壓段14則用3.5NiCrMoV(26NiCrMoV14-5)制成。所述材料30CrMoNiV5-11包括重量百分比為0.27-0.34％的碳，小于等于0.15％的硅，0.30-0.80％的錳，小于等于0.010％的磷，小于等于0.007％的硫，1.10-1.40％的鉻，1.0-1.20％的鉬，0.50-0.75％的鎳，0.25-0.35％的釩。所述第一種材料基本上由一種耐熱的材料制成，而第二種材料則用一種低溫韌性材料制成。
所述中壓段13必須具有耐熱特性，所述低壓段14則必須具有低溫韌性。所述透平軸7具有一緩沖焊接層9，它首先被涂覆在中壓段13上并在溫度T1下退火。隨后該中壓段13和低壓段14通過一焊縫相互連接起來。在此焊接過程之后在溫度T2下實施退火處理。采用不同的退火溫度T1和T2(即T1＞T2)的原因是所述材料有不同的化學組成和結(jié)晶構(gòu)造以及由此引起的不同的回火穩(wěn)定性。必須通過盡可能高的回火溫度來避免在熱影響區(qū)域中的高硬度和內(nèi)應力，同時不會對已經(jīng)制好的并通過檢測的單根軸的強度造成消極影響。
在圖3中可看到一根按照本發(fā)明的回流結(jié)構(gòu)形式的透平軸2。該透平軸2具有一個設(shè)計成第一流動區(qū)5的中壓段5和一個設(shè)計成第二流動區(qū)的低壓段6。該低壓段6借助一結(jié)構(gòu)焊層4與中壓段5相互直接連接起來。所述由兩種不同材料制成的低壓段6和中壓段5的焊接無需附加的緩沖焊接層并因此也無需附加進行中間退火地完成。在倒數(shù)第二的低壓級之前的所述中壓段5所用材料為2CrMoNiWV(23CrMoNiWV8-8)，位于最后一級低壓級中的透平軸低壓段則由材料3.5NiCrMoV(26NiCrMoV14-5)制成。所述材料23CrMoNiWV8-8包括重量百分比為0.20-0.24％的碳，小于等于0.20％的硅，0.60-0.80％的錳，小于等于0.010％的磷，小于等于0.007％的硫，2.05-2.20％的鉻，0.80-0.90％的鉬，0.70-0.80％的鎳，0.25-0.35％的釩和0.60-0.70％的鎢。所述材料26NiCrMoV14-5具有重量百分比為0.22-0.32％的碳，小于等于0.15％的硅，0.15-0.40％的錳，小于等于0.010％的磷，小于等于0.007％的硫，1.20-1.80％的鉻，0.25-0.45％的鉬，3.40-4.00％的鎳，0.05-0.15％的釩。
所述焊接被設(shè)計成結(jié)構(gòu)焊。在進行結(jié)構(gòu)焊接時要輸入一種焊接填充料。該焊接填充料應包括例如2％的鎳。
在焊接完成后，將焊接好的透平軸在600℃至640℃之間的一個溫度進行足夠長時間的在2至20小時之間的回火處理。
所述3.5NiCrMoV材料的優(yōu)點尤其在于，該材料沒有韌性問題并具有一個大于760兆帕的靜態(tài)強度RP0.2。通過在前述溫度下進行回火，焊接縫的強度很少受影響。通過減小熱影響區(qū)中的內(nèi)應力和硬度，可避免因潮濕介質(zhì)引起的應力裂縫被腐蝕的危險。維氏硬度HV則小于360。這樣就得到這樣一根焊接制成的軸，它的前部區(qū)段具有必要的耐熱強度，而其后部區(qū)段則可滿足由大的葉片離心力所提出的高強度和高韌性要求。所述兩區(qū)段之間的連接必須僅僅一次就完成焊接并僅僅進行一次退火處理。
圖4中示出的透平軸8是一根沿軸向19定向的用于直流結(jié)構(gòu)類型(Straight-Flow-Bauart)透平機的透平軸8。該透平軸8具有一個設(shè)計成第一流動區(qū)13的中壓段13和一個設(shè)計成第二流動區(qū)14的低壓段14。所述中壓段13和所述低壓段14通過一結(jié)構(gòu)焊縫15相互連接。這一用于直流結(jié)構(gòu)類型汽輪機的透平軸實施方式相對于圖2所示實施方式的優(yōu)點主要在于，通過以具有相似的耐熱強度、但通過選擇回火參數(shù)同時具有更低回火穩(wěn)定性的2CrMoNiWV鋼來代替所述具有回火穩(wěn)定性的1CrMoV鋼，可將所述2CrMoNiWV鋼和3.5NiCrMoV鋼材的熱影響區(qū)中的硬度和內(nèi)應力降低到所需的水平。這樣通過焊接制成的透平軸8既在中壓段13具有必需的耐熱強度，又在低壓段14能滿足必需的高強度和高韌性要求。
本發(fā)明的其他優(yōu)點在于所述透平軸只需進行一次焊接和接受一次回火處理。由此縮短加工流程的時間。要求在中壓段14具有高的強度和韌性以及在中壓段13具有高的耐熱強度的用于新型汽輪機結(jié)構(gòu)系列的其他結(jié)構(gòu)設(shè)計方案也可以實現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種沿軸向(19)定向的透平軸(2，8)，其具有一第一流動區(qū)(5，13)和沿軸向(19)與該第一流動區(qū)(5，13)相鄰的一第二流動區(qū)(6，14)，其中，所述透平軸(2，8)在第一流動區(qū)(5，13)中具有一第一種材料，在第二流動區(qū)(6，14)中具有一第二種材料，其特征在于，所述第一種材料包括一種耐熱鋼，所述第二種材料包括一種低溫韌性鋼。
2.如權(quán)利要求1所述的透平軸(2，8)，其特征在于，所述第一種材料包括一種2CrMoNiWV鋼，所述第二種材料包括一種3.5NiCrMoV鋼。
3.如權(quán)利要求1所述的透平軸(2，8)，其特征在于，所述第一種材料具有重量百分比為0.20-0.24％的碳，小于等于0.20％的硅，0.60-0.80％的錳，小于等于0.010％的磷，小于等于0.007％的硫，2.05-2.20％的鉻，0.80-0.90％的鉬，0.70-0.80％的鎳，0.25-0.35％的釩和0.60-0.70％的鎢，其中，所述第二種材料具有重量百分比為0.22-0.32％的碳，小于等于0.15％的硅，0.15-0.40％的錳，小于等于0.010％的磷，小于等于0.007％的硫，1.20-1.80％的鉻，0.25-0.45％的鉬，3.40-4.00％的鎳，0.05-0.15％的釩。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項所述的透平軸(2，8)，其特征在于，在所述第一材料與所述第二材料之間設(shè)有一結(jié)構(gòu)焊縫(4)。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項所述的透平軸(2，8)，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)焊縫(4)具有一種焊接填充料。
6.如權(quán)利要求5所述的透平軸(2，8)，其特征在于，所述焊接填充料具有重量百分比為2％的鎳。
7.一種用于制造一包括兩種材料并沿一軸向(19)定向的透平軸(2，8)的方法，其特征在于，所述第一種材料和第二種材料借助一種結(jié)構(gòu)焊相互直接相連。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，采用一種2CrMoNiWV鋼作為所述第一種材料，以及采用一種3.5NiCrMoV鋼作為所述第二種材料。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一種材料中采用重量百分比為0.20-0.24％的碳，小于等于0.20％的硅，0.60-0.80％的錳，小于等于0.010％的磷，小于等于0.007％的硫，2.05-2.20％的鉻，0.80-0.90％的鉬，0.70-0.80％的鎳，0.25-0.35％的釩和0.60-0.70％的鎢，所述第二種材料中則采用重量百分比為0.22-0.32％的碳，小于等于0.15％的硅，0.15-0.40％的錳，小于等于0.010％的磷，小于等于0.007％的硫，1.20-1.80％的鉻，0.25-0.45％的鉬，3.40-4.00％的鎳，0.05-0.15％的釩。
10.如權(quán)利要求7至9中任一項所述的方法，其特征在于，向所述結(jié)構(gòu)焊縫(4)中輸入一種焊接填充料。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，采用具有重量百分比為2％的鎳的一種材料作為所述焊接填充料。
12.在一蒸汽輪機中應用如權(quán)利要求1至11中任一項所述的透平軸(4)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種沿軸向(19)定向的蒸汽輪機用透平軸(2，8)，其具有一第一流動區(qū)(5，13)和一第二流動區(qū)(6，14)，其中，所述透平軸(2，8)在第一流動區(qū)(5，13)中具有一第一種材料，在第二流動區(qū)(6，14)中具有一第二種材料，其中，所述第一種材料具有耐熱特性，所述第二種材料則具有低溫韌性，所述透平軸(2，8)借助一結(jié)構(gòu)焊縫(4)制成，而不用事先在這兩種材料的其中一種上進行緩沖層焊接。
文檔編號F01D5/28GK1720387SQ200380105289
公開日2006年1月11日 申請日期2003年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月5日
發(fā)明者沃爾夫?qū)ふ采? 托斯滕－烏爾夫·克恩, 海因茨·克洛克納 申請人:西門子公司