專利名稱：渦輪盤預制件、其制成的焊接渦輪轉子及制造它們的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及渦輪盤預制件、其制成的焊接渦輪轉子及制造它們的方法。
背景技術：
如眾所周知的，工業(yè)渦輪，特別是蒸汽渦輪，通過采用在一系列渦輪級中圍繞轉子的周邊設置的渦輪葉片而將熱氣(例如蒸汽)的能量轉化為旋轉機械能。為了提高渦輪的轉化效率，期望增加渦輪的各個級中的葉片的長度。為了增加葉片的長度，特別是在渦輪的末級或“L-0”級，通常有必要采用輕質材料，例如鈦，以便避免必須在轉子合金上做出顯著改變，轉子合金典型地為NiCrMoV鋼合金，因為在長葉片構造中較重葉片材料(例如高強度鋼)的使用通常形成超過這些轉子合金的工作極限的應力。雖然在渦輪轉子中可使用較高
強度的材料，但它通常是不期望的，因為較高強度的材料典型地對于合金材料本身和由這些材料制備轉子所需的工藝而言均具有顯著更高的成本。因此，期望開發(fā)構造成在末級渦輪中采用高強度鋼葉片而不需要改變典型地用于形成渦輪轉子的NiCrMoV鋼合金的渦輪。

發(fā)明內容
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，公開了一種制造渦輪轉子的方法。該方法包括形成具有盤軸線的末級盤預制件，該預制件具有轉子面和相反的軸面，轉子面具有從其伸出的周向的、軸向延伸的轉子肋部，軸面具有從其伸出的周向的、軸向延伸的軸肋部，該盤預制件包括盤預制件材料。該方法還包括將轉子肋部連接到轉子預制件以形成轉子接合處，該轉子預制件包括轉子預制件材料，其具有比盤預制件材料更低的強度。該方法還包括將軸肋部連接到軸以形成軸接合處，該軸包括軸材料，其中，預制件材料不同于轉子預制件材料和軸材料。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，公開了一種用于渦輪的末級盤預制件。該末級盤預制件具有盤軸線。該預制件還具有轉子面和相反的軸面，轉子面具有從其伸出的周向的、軸向延伸的轉子肋部，該轉子肋部構造成用于形成轉子接合處，軸面具有從其伸出的周向的、軸向延伸的軸肋部，該軸肋部構造成用于形成軸接合處。該盤預制件包括盤預制件材料。根據(jù)結合了附圖的下列描述，這些和其它的優(yōu)勢和特征將變得更加顯而易見。


作為說明書的結論，在權利要求書中特別地指出并清楚地主張了被視為本發(fā)明的主題。根據(jù)結合了附圖的下列詳細描述，本發(fā)明的前述和其它的特征及優(yōu)勢是顯而易見的，在附圖中圖I是包括由本文公開的末級渦輪盤預制件(preform)連接的渦輪轉子和軸的渦輪的示意截面圖；圖2是本文公開的末級盤預制件的示意橫截面圖3是示出了制造本文公開的渦輪轉子的方法的示例性實施例的流程圖；圖4是本文公開的轉子接合處的示例性實施例的示意橫截面圖；以及圖5是本文公開的軸接合處的示例性實施例的示意橫截面圖；詳細的描述參照附圖以示例的方式解釋了本發(fā)明的實施例，以及優(yōu)勢和特征。附圖標記10渦輪12轉子13轉子預制件14盤段16盤段18盤段20盤段22合金鋼盤24葉片26葉片28葉片30葉片32葉片34(L-O)級盤36盤預制件38端部40伸出肋部42轉子材料44軸線46轉子面48軸面50轉子肋部52轉子接合處54焊縫56軸肋部58軸接合處60軸62軸焊縫64鋼葉片66周邊68鋼葉片70肋部72端部74軸材料
76盤預制件材料78轉子接合材料80軸接合材料82壓應力層84壓應力層100包括將相異合金、末級轉子盤預制件36焊接到轉子預制件的端部38的方法110形成110具有盤軸線的末級盤預制件36120將轉子肋部50連接到轉子預制件130將軸肋部56連接到軸60以形成軸接合處140在轉子接合處的表面上形成壓應力層82(圖4)150在軸接合處58的表面上形成壓應力層84 (圖5)160將多個高強度鋼合金葉片64附接至周邊
具體實施例方式參照圖I-圖5，公開了一種渦輪10，其具有焊接的相異合金低壓(LP)轉子12。LP轉子12包括使用盤預制件36制成的末級(L-O)盤34，盤預制件36由高合金、高強度鋼(例如各種馬氏體鋼)制成，其焊接于可包括NiCrMoV低合金鋼盤22的轉子預制件13或轉子區(qū)段。該轉子12的構造有利地使得能夠用較低成本的高強度鋼葉片64來代替鈦末級葉片。這在制造中提供了顯著的成本節(jié)省，并且也使得能夠在末級渦輪中使用高強度鋼葉片64，其具有比當前用于該應用中的那些葉片更長的長度，包括具有大約40到大約80英寸的長度的那些，這增加了工作效率并擴展了渦輪10的設計靈活性。轉子12的構造使得能夠使用較長的鋼葉片，同時它還有利地將可用于末級渦輪的鈦葉片的尺寸擴展到大于約80英寸，從而進一步擴展了渦輪10的設計靈活性。所公開的焊接的相異合金LP轉子12可通過以下方式制造由高合金、高強度鋼制備鍛造的、熱處理的且機械制造的L-O級預制件36，然后在一個面上將盤預制件36焊接到NiCrMoV鋼轉子預制件13，其可包括單個渦輪級或多個渦輪級，以及將另一個面焊接到軸或軸頸60，其也可包括NiCrMoV鋼合金。所使用的焊接工藝可包括任何已知的絲焊工藝，包括鎢極惰性氣體(TIG)、金屬惰性氣體(MIG)、子弧和電子束(EB)焊接工藝，并且可利用冷絲焊接技術、熱絲焊接技術或兩者。此外，可使用單絲或雙絲焊接工藝來實現(xiàn)焊接。單絲材料可為與NiCrMoV鋼轉子或軸60相容的各種強度水平的合金鋼，或者可包括與高合金、高強度L-O盤預制件材料76相容的高合金、高強度鋼。雙絲工藝可利用兩種焊絲類型，即低合金鋼和高合金鋼，其中低強度低合金絲可熔化到低合金鋼接合面上，而高合金高強度絲可以靠著盤預制件材料76的高合金高強度材料熔化。所描述的兩種絲焊方法提供了避免越過該焊接的急劇化學梯度的優(yōu)勢。所使用的焊絲還可為NiCrMoV低合金鋼轉子材料42和高合金高強度鋼盤預制件材料76之間的中間化學性質之一。高合金高強度鋼盤預制件36可在完全熱處理和硬化狀態(tài)下或在固溶退火狀態(tài)下焊接，緊接著焊接后老化熱處理，或者可在鍛后(as-forged)狀態(tài)下焊接，緊接著焊接后固溶和老化熱處理。焊接后應力釋放處理可在爐子中或經由局部加熱(例如感應加熱)進行。將高合金高強度鋼盤預制件連接到轉子12或軸60的完成的焊縫可通過在它們的表面中通過諸如噴丸加工、滾光等的過程賦予相對較深的壓應力層而被進一步保護。參照圖I和圖2，公開了一種具有焊接的相異金屬轉子12的渦輪10。轉子12可用于任何類型的渦輪發(fā)動機中，并且特別好地適用于發(fā)電渦輪(例如蒸汽渦輪)中。渦輪10可具有任何合適的單渦輪構造，或者可具有如圖I所示的雙渦輪結構，其具有在共用轉子預制件13的相反端連接的兩個末級轉子盤預制件36。轉子預制件13可包括單件轉子或者可包括多個盤段(例如盤段14、16、18、20、22)的組件，這些盤段彼此組裝在一起而形成轉子預制件13，并且限定出多個渦輪級。在結合到轉子12中后，轉子預制件13適于接納與各個渦輪級和盤區(qū)段相關聯(lián)的多個周向間隔開的葉片，例如分別設置在盤或轉子段14、16、18、20、22上的葉片24、26、28、30、32。轉子12還包括末級(L-O)盤34，其由焊接于轉子預制件13的端部38的盤預制件36形成。轉子盤預制件36可通過任何合適的機械連接而連接到轉子預制件13，包括通過將盤預制件36焊接到從轉子預制件13的端部38伸出的環(huán)狀伸出肋部40。轉子預制件13可由任何合適的轉子材料42形成。轉子材料42可包括各種等級的鋼，特別是各種等級的NiCrMoV鋼，例如頻繁地用作轉子材料42的3. 5% NiCrMoV鋼，并且更特別地包括表I中所描述的3. 5% NiCrMoV鋼成分。表I
權利要求
1.一種制造渦輪轉子(10)的方法(100)，包括 形成(110)具有盤軸線(44)的末級盤預制件(36)，所述預制件具有轉子面(46)和相反的軸面(48)，所述轉子面(46)具有從其伸出的周向的、軸向延伸的轉子肋部(50)，所述軸面(48)具有從其伸出的周向的、軸向延伸的軸肋部(56)，所述盤預制件包括盤預制件材料(76)； 連接(110)所述轉子肋部(50)到轉子預制件(13)以形成轉子接合處(52)，所述轉子預制件包括轉子預制件材料(42);以及 連接(130)所述軸肋部(56)到軸￠0)以形成軸接合處(58)，所述軸包括軸材料(74)，其中，所述盤預制件材料(76)不同于所述轉子預制件材料(42)和所述軸材料(74)。
2.根據(jù)權利要求I所述的方法，其特征在于，連接所述轉子肋部(50)到所述轉子預制件以形成所述轉子接合處包括焊接。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，焊接包括使用焊絲的單絲焊接，所述焊絲包括所述盤預制件材料(76)、所述轉子預制件材料(42)或者具有介于所述盤預制件材料(76)的成分和所述轉子預制件材料(42)的成分之間的成分的轉子接合材料(78)。
4.根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，焊接包括使用第一焊絲和第二焊絲的雙絲焊接，所述第一焊絲包括位于所述盤預制件附近的所述盤預制件材料(76)，所述第二焊絲包括位于所述轉子預制件附近的所述轉子預制件材料(42)。
5.根據(jù)權利要求I所述的方法，其特征在于，連接所述軸肋部(56)到所述軸￠0)以形成所述軸接合處(58)包括焊接。
6.根據(jù)權利要求5所述的方法，其特征在于，焊接包括使用焊絲的單絲焊接，所述焊絲包括所述盤預制件材料(76)、所述軸材料(74)或者具有介于所述盤預制件材料的成分和所述軸材料的成分之間的成分的軸接合材料(80)。
7.根據(jù)權利要求5所述的方法，其特征在于，焊接包括使用第一焊絲和第二焊絲的雙絲焊接，所述第一焊絲包括位于所述盤預制件附近的所述盤預制件材料(76)，所述第二焊絲包括位于所述軸附近的所述軸材料(74)。
8.根據(jù)權利要求I所述的方法，其特征在于，形成包括在連接所述轉子肋部(50)到所述轉子預制件或者連接所述軸肋部(56)到所述軸￠0)之前將所述盤預制件(36)鍛造成鍛后狀態(tài)；并且該方法還包括，在連接所述轉子肋部到所述轉子預制件且連接所述軸肋部到所述軸之后 所述盤預制件、轉子接合處以及軸接合處的固溶熱處理；和 所述盤預制件、轉子接合處以及軸接合處的老化熱處理。
9.一種用于渦輪(10)的末級盤預制件(36)，包括 具有盤軸線(44)的末級盤預制件(36)，所述預制件具有轉子面(46)和相反的軸面(48)，所述轉子面具有從其伸出的周向的、軸向延伸的的轉子肋部(50)，所述轉子肋部(50)構造成用于形成轉子接合處(52)，所述軸面(48)具有從其伸出的周向的、軸向延伸的軸肋部(56)，所述軸肋部(56)構造成用于形成軸接合處(58);所述盤預制件包括盤預制件材料(76)。
10.根據(jù)權利要求9所述的盤預制件(36)，其特征在于，所述渦輪(10)包括蒸汽渦輪，其具有由轉子接合處(52)連接到所述盤預制件的渦輪轉子預制件(13)和由軸接合處(58)連接 到所述盤預制件的軸(60)。
全文摘要
本發(fā)明涉及渦輪盤預制件、其制成的焊接渦輪轉子及制造它們的方法。具體而言，公開了一種制造渦輪轉子的方法。該方法包括形成具有盤軸線的末級盤預制件，該預制件具有轉子面和相反的軸面，轉子面具有從其伸出的周向的、軸向延伸的轉子肋部，軸面具有從其伸出的周向的、軸向延伸的軸肋部，該盤預制件包括盤預制件材料。該方法還包括連接轉子肋部到轉子預制件以形成轉子接合處，該轉子預制件包括轉子預制件材料。該方法還包括連接軸肋部到軸以形成軸接合處，該軸包括軸材料，其中，盤預制件材料不同于轉子預制件材料和軸材料。
文檔編號F01D5/02GK102852559SQ201210296458
公開日2013年1月2日 申請日期2012年6月29日 優(yōu)先權日2011年6月30日
發(fā)明者S·甘什, S·L·布雷滕巴赫, R·C·施萬特 申請人:通用電氣公司