转子轴和用于制造转子轴的方法技术

本发明专利技术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。

Rotor Shaft and Method for Manufacturing Rotor Shaft

The present invention relates to a rotor shaft (1) for a turbine, especially a steam turbine rotor, which has a shaft base (2) composed of a first material and at least one annular member (15, 16) applied to the shaft base made of a second material, wherein the second material has the same or higher strength and/or higher corrosion resistance as the first material, in which the first material is used. At least one blade groove (18) is formed on the annular part (15, 16), and the annular part is connected in coordination with the material of the shaft base (2) by means of narrow gap welding.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】转子轴和用于制造转子轴的方法
本专利技术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，本专利技术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。
技术介绍
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，所述转子叶片根部插入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。
技术实现思路
本专利技术的目的是，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。所述目的通过独立权利要求来实现。在下面的说明书、从属权利要求和附图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专利技术的改进的、尤其是优选的或有利的方面。根据本专利技术的用于涡轮机的、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。根据本专利技术，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专利技术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。根据本专利技术，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。通过本专利技术，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。根据本专利技术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。根据本专利技术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、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于涡轮机的、尤其是蒸汽轮机的涡轮转子的转子轴(1)，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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.07.14 EP 16179383.11.一种用于涡轮机的、尤其是蒸汽轮机的涡轮转子的转子轴(1)，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。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)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。3.根据权利要求1或2所述的转子轴(1)，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。4.根据权利要求1、2或3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。5.根据权利要求1至4中任一项所述的转子轴(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)。6.一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，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)。7.根据权利要求6所述的用于制造转子轴(1)的方法，其中在焊接之前，使所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：斯特凡·布吕斯克，托尔斯滕乌尔夫·克恩，亚历山大·卢伊特勒，
申请(专利权)人：西门子股份公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE