渦輪轉(zhuǎn)子葉片根部附件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種渦輪轉(zhuǎn)子葉片根部附件。一種由低合金制成的軸向流動蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子盤的銷式根部固定布置，其不易受應力腐蝕裂紋(SCC)。這種布置具有在大約0.4至大約0.6的范圍內(nèi)的第一比率，并且還具有在4至6之間的第二比率，該第一比率限定為盤指狀物的軸向?qū)挾扰c軸向?qū)挾群拖噜彽谋P指狀物之間的間隙的軸向?qū)挾菺之和的比率，該第二比率限定為盤指狀物和葉片指狀物的長度與直徑的比率。
【專利說明】渦輪轉(zhuǎn)子葉片根部附件
【技術領域】
[0001]本公開涉及用于軸向流動蒸汽渦輪的渦輪轉(zhuǎn)子葉片，并且特別地，涉及使用具有對應力腐蝕裂紋(SCC)的改進抵抗的銷式根部固定件將轉(zhuǎn)子葉片根部附接于渦輪轉(zhuǎn)子盤或鼓。
【背景技術】
[0002]如德國專利申請DE 10 2008 031 780 Al中描述的、眾所周知的將渦輪葉片安裝在渦輪轉(zhuǎn)子的周邊周圍的方式包括所謂的“銷式根部固定”，其中，渦輪轉(zhuǎn)子盤的周邊上的、被稱為“盤指狀物(disc finger)”的徑向且周向地延伸的凸緣以及渦輪葉片根部上的對應“葉片指狀物”與彼此互相交錯，并且借助于被稱為“銷”的柱形金屬桿固定在一起，該柱形金屬桿軸向地穿過葉片指狀物和盤指狀物。這些布置特別地已知用于在濕蒸汽條件下在沖動式葉片組上使用。這種葉片的實例在圖1和圖2中示出。圖1是在轉(zhuǎn)子葉片單元10的壓力側的三維透視圖，而圖2是穿過渦輪轉(zhuǎn)子盤20的周邊的徑向截面，示出了盤如何適合于附接圖1的渦輪葉片。
[0003]首先參考圖1，當葉片單元10定向用于在渦輪中操作時，其翼型件11在徑向外護罩12與徑向內(nèi)平臺13之間延伸。從平臺13徑向向內(nèi)延伸的是葉片根部14，其被分成許多(在該特定情況下，四個)相同葉片指狀物141，指狀物具有長度L，與彼此軸向地間隔開，并且互相平行。每個葉片指狀物141具有寬度為“bl”的徑向外部分142和寬度為“b2”的徑向內(nèi)部分143，其中，bl >b2，并且內(nèi)部分與外部分之間的過渡部由臺肩144標記。葉片指狀物的每個外部分142具有直徑為“D1”的通孔145，而每個內(nèi)葉片指狀物部分143具有直徑為“D2”的通孔146。外葉片指狀物部分142中的孔145相同地定尺寸，并且布置成與彼此軸向地成一直線。相似地，內(nèi)葉片指狀物部分143中的孔146相同地定尺寸，并且布置成與彼此軸向地成一直線。一般而言，D1=D2。
[0004]轉(zhuǎn)向圖2，轉(zhuǎn)子盤20的周邊被分成許多徑向且周向地延伸的互相平行的盤指狀物201，其通過徑向且周向地延伸的相同凹槽202與彼此軸向地間隔開。葉片指狀物容納在盤指狀物之間的凹槽202中；因此，盤指狀物的數(shù)量(在該特定情況下，五個)比葉片指狀物的數(shù)量多一個。凹槽具有與LI相同的徑向深度L2，除了凹槽底部處用以防止與葉片指狀物141的端部接觸的浮凸部之外。凹槽定尺寸為具有適當?shù)墓钜园凑栈瑒娱g隙配合接收葉片根部14的指狀物141。因此，葉片根部14的徑向內(nèi)指狀物部分143配合到具有標稱寬度b2的凹槽202的徑向內(nèi)部分203中，而葉片根部14的徑向外指狀物部分142配合到具有標稱寬度bl的凹槽202的徑向外部分204中。因此，盤指狀物201以與葉片指狀物141互補的方式成形，因為它們具有寬度相對于它們的徑向外部分206增大的徑向內(nèi)部分205，內(nèi)部分與外部分之間的過渡部以臺肩207標記。通常，葉片指狀物的寬度bl名義上與盤指狀物的寬度bl相同。每個內(nèi)盤指狀物部分205具有直徑為“D2”的通孔208，而每個外盤指狀物部分206具有直徑為“D1”的通孔209?？?08和209分別與內(nèi)葉片指狀物部分143和外葉片指狀物部分142中的孔146和145匹配。盤指狀物201和葉片指狀物141的徑向尺寸緊密地匹配，以使當葉片指狀物141插入到凹槽202中時，葉片指狀物141上的臺肩144緊靠盤指狀物201上的臺肩207，孔146與孔208軸向地成一直線，并且孔145與孔209軸向地成一直線。適當?shù)囟ǔ叽绲闹武N(未示出)因此可以以滑動間隙配合穿過葉片指狀物141和盤指狀物201中的孔以便將葉片附接于盤。
[0005]出于經(jīng)濟和制造原因，盤由包括大約Iwt.%至大約3wt.%鎳的低合金鋼制成，然而必要的是，由包括例如大約12wt.%鉻的高合金鋼制造葉片，以便確保它們具有對水滴腐蝕和高蒸汽溫度的足夠抵抗。眾所周知的是，支撐移動葉片的根部的區(qū)域可易于SCC，當蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子利用接近飽和的蒸汽操作時，SCC由在高離心負載下根部部分之間的接觸誘發(fā)的高峰值應力引起。當蒸汽包含加速腐蝕的雜質(zhì)時，問題進一步增加。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]在其最寬泛的方面，本公開提供一種軸向流動蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子盤的銷式根部固定布置，該軸向流動蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子盤由低合金制成，并且具有帶有降低的應力腐蝕裂紋(SCC)易感性的、安裝在其上的一排高合金渦輪轉(zhuǎn)子葉片，其中，銷式根部固定件包括:
(a)渦輪轉(zhuǎn)子盤的周邊上的徑向且周向地延伸的盤指狀物，每個盤指狀物具有長度L和寬度b，并且相鄰的盤指狀物通過寬度為G的間隙分離；
(b)從轉(zhuǎn)子葉片的根部延伸并與盤指狀物互相交錯的葉片指狀物；以及
c)至少一排直徑為D的柱形銷，其軸向地穿過葉片指狀物和盤指狀物中的對應孔，以將盤指狀物和葉片指狀物固定在一起；
銷式根部固定布置具有在大約0.4至大約0.6的范圍內(nèi)的第一比率，并且還具有在4至6之間的第二比率，該第一比率限定為盤指狀物的軸向?qū)挾?b)與軸向?qū)挾群拖噜彽谋P指狀物之間的間隙的軸向?qū)挾菺之和的比率，該第二比率限定為盤指狀物和葉片指狀物的長度與直徑的比率。
[0007]應當根據(jù)具體情況來評估使盤指狀物的孔中的峰值應力減小到減少或消除SCC的值所需的銷的直徑D的增大。然而，我們迄今為止的調(diào)查顯示，給定百分比的直徑D的增大導致相似百分比的峰值應力的減小。例如，10%的D的增大使峰值應力減小10%。
[0008]在上面使用比率b/M，以便避免渦輪盤的總尺寸的改變，其將導致不需要的設計、開發(fā)和制造費用。具體地，比率b/M的增大意味著盤指狀物的寬度以與盤指狀物之間的間隙的減小相同的量增大，由此使渦輪盤的軸向?qū)挾缺３趾愣ā?br> [0009]葉片指狀物的寬度減小，這是因為它們必須在盤指狀物之間的間隙中滑動配合。因此，除了使盤指狀物中的峰值應力減小到不可能促進低合金盤指狀物中的SCC的值之夕卜，以上方法增大了高合金葉片指狀物的孔中的峰值應力。然而，因為高合金葉片指狀物比低合金葉片指狀物更抵抗SCC，所以可以確保葉片指狀物中的峰值應力保持低于可能促進SCC的值。
[0010]b/M的值在以上提到的上限至下限之間的狹窄范圍內(nèi)。b/M的范圍內(nèi)的上限由葉片指狀物峰值應力的增大指定，該增大因葉片指狀物隨著b/M增大而減小的厚度引起，而b/M的下限由盤指狀物峰值應力的增大指定，該增大因盤指狀物隨著b/M減小而減小的厚度引起。我們發(fā)現(xiàn)，對于顯著高于大約0.6的值而言，葉片指狀物應力變得過高，而對于顯著低于大約0.4的值而言，盤指狀物應力變得過高。[0011]通常，銷式根部固定件具有多于一排銷。例如，通常使用徑向地間隔開的兩排銷。在存在兩排或更多排銷和孔的情況下，我們發(fā)現(xiàn)，為了實現(xiàn)盤指狀物中的至少外部的一排孔的直徑的充分增大而不使盤指狀物承受過大應力，可必要的是增大盤指狀物的長度，葉片指狀物的長度也增大對應的量。這是因為增大盤指狀物中的一排孔的直徑而不增大徑向相鄰的成排孔之間的徑向距離將增大相鄰的成排孔之間的低合金盤材料經(jīng)歷的峰值應力。增大盤指狀物和葉片指狀物的長度允許增大相鄰的成排孔之間的徑向距離，這因此減小了在相鄰的成排孔之間延伸的盤指狀物(和葉片指狀物)材料中的峰值應力。
[0012]因此，以上方法還可包括使比率L/D增大足以避免使盤指狀物承受過大應力的量的步驟。注意，盤指狀物的長度L存在上限，并且因此L/D存在上限，L/D的上限由可以精確地制造的相鄰盤指狀物之間的凹槽的最大深度確定。我們設想L/D的允許值將在4的上限至6的下限之間的范圍內(nèi)。
[0013]在存在徑向地間隔的兩排或更多排孔的所有情形中，將不必增大盤指狀物的長度以便允許使用較大直徑的銷和孔。必須根據(jù)具體情況來估計和計算是否必須延長盤指狀物以允許相鄰的成排孔之間的增大的徑向間距和盤材料中減小的應力。
[0014]在以上SCC緩解方法的實例(其中，采用用于現(xiàn)有易于SCC的渦輪盤和葉片組合的銷式根部固定件作為比較基礎，并且其中，存在徑向地間隔開的兩排銷和孔)中，試驗顯示，盤指狀物中的SCC通過下列措施的組合而消除或至少減少至可接受的水平:
使b/M的值從0.45的標準值增大至0.54的SCC緩解值；
增大徑向外部的一排孔的直徑D，以獲得盤指狀物孔中的峰值應力的值的20%的減??； 通過使L/D的值從5的標準值增大至5.8的SCC緩解值而實現(xiàn)D的完全增大。
[0015]本公開的另外的方面將從下列描述和所附權利要求的學習變得顯而易見。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]現(xiàn)在將參考附圖描述本文中公開的構思的實施例，該附圖未按比例繪制，其中:
圖1是在準備借助于銷式根部固定件附接于軸向流動蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子的周邊的已知轉(zhuǎn)子葉片單元的壓力側的三維透視圖；
圖2是穿過已知軸向流動渦輪轉(zhuǎn)子盤的周邊的徑向截面，示出了盤如何適合于附接圖1的渦輪葉片；
圖3示出了如何根據(jù)本文中公開的構思改變圖2的渦輪轉(zhuǎn)子盤的某些尺寸以便修改銷式根部固定件；以及
圖4是示出了渦輪轉(zhuǎn)子盤指狀物中的峰值應力如何隨著圖3中示出的轉(zhuǎn)子盤的改變的尺寸特征而變化的曲線圖。
【具體實施方式】
[0017]圖1和圖2表示現(xiàn)有技術，并且在標題“【背景技術】”下在上面被描述。在該設計中，盤指狀物和葉片指狀物中的應力水平由于盤指狀物厚度與葉片指狀物厚度的近似一致的比率而沿著外部的一排銷的線為相等的。在旋轉(zhuǎn)期間，渦輪轉(zhuǎn)子葉片經(jīng)受非常大的離心地誘發(fā)的負載，該負載通過葉片指狀物和銷抵靠盤指狀物反作用。如先前提到的，與由高合金鋼制成的葉片指狀物141相比，轉(zhuǎn)子盤指狀物201至少沿著外部的一排孔209更易受SCC損壞，這是因為轉(zhuǎn)子盤由低合金鋼制成。本文中公開的構思通過改變銷式根部固定件的一些尺寸而降低SCC的風險，由此減小在盤旋轉(zhuǎn)期間由銷施加在盤指狀物上的峰值應力。圖3和圖4示出了由于本構思的實施而引起的尺寸變化。
[0018]在圖3中，渦輪轉(zhuǎn)子盤的周邊上的、徑向且周向地延伸的盤指狀物301的徑向外部分均具有長度L和寬度b，并且相鄰的盤指狀物通過寬度為G的間隙或凹槽302分離。b+G之和被稱為M，其可被認為是盤指狀物的軸向間距的模量。雖然出于制圖清楚的原因而不在圖3中示出它們，但是葉片指狀物從轉(zhuǎn)子葉片的內(nèi)平臺延伸并且與盤指狀物301互相交錯(即，交叉)，以使葉片指狀物和盤指狀物為徑向同延的，除了葉片指狀物的徑向內(nèi)端部與凹槽302的徑向內(nèi)端部之間的小空隙之外。如由虛線概略地示出的，存在徑向地間隔開的兩排柱形銷303、304，其軸向地穿過盤指狀物301中的相應孔305、306，但是在示出的實施例中，僅外部的一排銷303和孔305經(jīng)受SCC緩解。
[0019]在SCC緩解過程中，盤指狀物中的外部的一排孔303中的峰值應力可通過如下組合減小:
使比率b/M的值增大在大約0.4至大約0.6的范圍內(nèi)的量，由此使盤指狀物301的寬度b增大量δ并且使盤指狀物之間的間隙302的寬度G減小相同的量δ，以及
只要實現(xiàn)盤指狀物301的增大的寬度b，則針對在渦輪的操作期間經(jīng)歷的溫度和蒸汽條件，使銷303和孔305的直徑D增大足以使孔中的峰值應力減小到SCC初始水平以下的量。
[0020]當然，葉片指狀物的寬度也減小量δ，以使它們保持在凹槽302中滑動配合。通過使用有限元分析的反復計算，可發(fā)現(xiàn)用于所需的應力減小的寬度b和直徑D的必要增大。
[0021]比率b/M用于控制盤指狀物的寬度b的修改，以便使渦輪盤的軸向?qū)挾缺３趾愣ú⒁虼吮苊鉁u輪盤的總尺寸的變化。
[0022]以葉片指狀物為代價增大盤指狀物301的厚度b便于使用較大直徑的銷和孔來減小盤指狀物孔中的峰值應力。較大直徑的銷和孔還可減小葉片指狀物孔中的峰值應力，但是葉片指狀物中的平均應力增大，這是因為葉片指狀物的減小的厚度和孔的增大的直徑減小了葉片指狀物中用于銷303依靠并在渦輪操作期間抵抗施加在葉片指狀物上的彎曲和扭轉(zhuǎn)力的材料量。然而，葉片由其制成的高合金比盤的低合金更耐SCC，因此應力的合理增大不提聞葉片指狀物中的SCC的風險。
[0023]根據(jù)具體情況來應用SCC緩解過程。可能是，增大盤指狀物301的寬度不允許充分增大外部的一排孔305的直徑以實現(xiàn)它們的峰值應力水平的所需降低，同時不具有使徑向外部的一排孔305和徑向內(nèi)部的一排孔306之間的盤指狀物材料307承受過大應力的風險。因此，SCC緩解構思還可包括通過使比率L/D增大足以實現(xiàn)內(nèi)部的一排孔和外部的一排孔之間的應力的所需減小的量而增大盤指狀物301的長度。L/D的上限由可以精確地制造的相鄰盤指狀物之間的凹槽302的最大深度L確定。目前，設想L/D的允許值將在4的上限至6的下限之間的范圍內(nèi)。
[0024]采用現(xiàn)有的易于SCC的渦輪盤和葉片銷式根部構造作為標準，現(xiàn)在將說明SCC緩解過程的實例。參考圖4，虛曲線示意性地示出，在徑向外部的一排銷中以MPa為單位的盤指狀物峰值應力可如何隨用于現(xiàn)有銷直徑Ds的無因次值b/M變化，而實曲線示出，盤指狀物峰值應力可如何隨用于SCC緩解銷直徑Dm的b/M變化，其中，Dm大于Ds。[0025]在現(xiàn)有的銷式根部構造中，在銷直徑為Ds的情況下，測得b/M為0.45，并且測得L/D為5。為了使盤指狀物中的SCC減少至不顯著的水平，如在試驗臺上測量的，發(fā)現(xiàn)必要的是使b/M的值增大至0.54的SCC緩解值，并且使L/D的值增大至5.8的SCC緩解值。b/M和L/D的這些增大的值允許銷和孔的直徑增大至Dm的SCC緩解值，在該SCC緩解值處，盤指狀物的孔中的峰值應力減小大約20%。
[0026]采取本文中提出的構思賦予了對SCC的更多抵抗并且因此延長了渦輪的使用壽命O
[0027]以上實施例僅經(jīng)由實例在上面描述，并且可在所附權利要求的范圍內(nèi)作出修改。因此，權利要求的幅度和范圍不應當受限于以上描述的示例性實施例。包括權利要求和附圖的說明書中公開的每個特征可由用于相同、等同或相似的目的的可選特征替代，除非另外確切地指出。除非上下文另外清楚地要求，否則遍及說明書和權利要求，用詞“包括”、“包括”等將在與獨占或窮舉相反的包含的意義上被解釋；也就是說，在“包括但不受限于”的意義上。
【權利要求】
1.一種用于軸向流動蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子盤的銷式根部固定布置，其包括軸向地穿過互相交錯的葉片根部指狀物(141)和盤指狀物(301)中的孔(305)的銷(303)，其中，限定為所述盤指狀物(301)的軸向?qū)挾?b)與所述軸向?qū)挾?b)和相鄰的盤指狀物之間的間隙的軸向?qū)挾菺之和(M)的比率的第一比率(b/M)在大約0.4至大約0.6的范圍內(nèi)，并且限定為所述盤指狀物和所述葉片指狀物的長度(L)與直徑(D)的比率的第二比率在4至6之間。
2.根據(jù)權利要求1所述的布置，其特征在于，所述第一比率為0.54。
3.根據(jù)權利要求1或權利要求2所述的布置，其特征在于，所述第二比率為5.8。
【文檔編號】F01D5/30GK103573299SQ201310318656
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年7月26日 優(yōu)先權日:2012年7月27日
【發(fā)明者】A.布古恩, M.弗洛奇, J.勒邁雷 申請人:阿爾斯通技術有限公司