СПОСОБ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТУРБИНЫ
TURBINE DESIGN AND MANUFACTURING METHOD

Область техники
Настоящее изобретение относится к способу проектирования и изготовления турбины.
Уровень техники
В последнее время появилась потребность в повышении температуры газообразного продукта горения для улучшения эффективности газотурбинной установки. Когда температура газообразного продукта горения повышается, часть турбины, подвергающаяся воздействию газообразного продукта горения, такая как ротор турбины, может изнашиваться, и ее срок службы может уменьшиться.
В качестве способа сдерживания износа турбины известен способ использования в роторе турбины материала, имеющего превосходную стойкость к высоким температурам (см., например, JP 2013-199680 A).
В случае изменения материала, используемого в роторе турбины, как в JP 2013-199680 A, тепловое расширение ротора турбины может изменяться в зависимости от изменения значений физических свойств материала. Поэтому будет необходимо заново оценить тепловое расширение ротора турбины после изменения материала и заново выполнить проектирование турбины. В качестве способа оценки теплового расширения известно использование нестационарного анализа по методу конечных элементов (МКЭ). Однако нестационарный анализ по МКЭ требует много времени на одну итерацию, и количество повторений, пока не будут получены удовлетворяющие требованиям для турбины проектные данные, является большим. Следовательно, может потребоваться много времени и трудовых затрат для проектирования и изготовления турбины в соответствии с изменением материала.
Настоящее изобретение было создано с учетом вышеизложенного, и целью настоящего изобретения является уменьшение времени, требуемого для проектирования и изготовления турбины в соответствии с изменением материала.
Сущность изобретения
Для достижения вышеуказанной цели согласно настоящему изобретению предлагается способ проектирования турбины в соответствии с изменением материала рабочего колеса ротора турбины, в котором, полагая, что время, требуемое для того, чтобы температура рабочего колеса достигла от первой температуры до второй температуры во время пуска турбины, представляет собой время повышения температуры, и полагая, что расстояние между поверхностями на верхней по потоку стороне и нижней по потоку стороне рабочего колеса представляет собой расстояние между поверхностями, способ проектирования турбины включает: определение соотношения времен повышения температуры, которое представляет собой требуемое отношение времени повышения температуры после изменения материала к времени повышения температуры до изменения материала; определение расстояния между поверхностями после изменения материала на основе определенного соотношения времен повышения температуры; определение формы рабочего колеса после изменения материала на основе определенного расстояния между поверхностями; и проектирование турбины с воспроизведением определенной формы рабочего колеса на роторе турбины.
Согласно настоящему изобретению может быть уменьшено время, требуемое для проектирования и изготовления турбины в соответствии с изменением материала.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - схематический вид, иллюстрирующий пример конфигурации газотурбинной установки, в которой используют турбину в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 2 - вид в разрезе, иллюстрирующий внутреннюю структуру турбины в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 3 - блок-схема алгоритма, иллюстрирующая процедуру проектирования и изготовления турбины в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 4 - вид в разрезе, иллюстрирующий форму рабочего колеса до и после изменения материала;
Фиг. 5 - таблица, иллюстрирующая примеры соотношений параметров до и после изменения материала рабочего колеса;
Фиг. 6 - блок-схема алгоритма, иллюстрирующая процедуру проектирования и изготовления турбины в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения; и
Фиг. 7 - таблица, иллюстрирующая примеры соотношений параметров до и после изменения материала рабочего колеса.
Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Первый вариант осуществления
Конфигурация
1. Газотурбинная установка
На фиг. 1 представлен схематический вид, иллюстрирующий пример конфигурации газотурбинной установки, в которой используют турбину в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения. Далее будет описан случай, в котором турбину в соответствии с рассматриваемым вариантом осуществления применяют в газотурбинной установке, но объект применения турбины в соответствии с рассматриваемым вариантом осуществления не ограничивается этим, и, например, турбина может использоваться в паротурбинной установке.
Как иллюстрируется на фиг. 1, газотурбинная установка 100 включает в себя компрессор 1, сжигающее устройство 2 и турбину 3. Компрессор 1 и турбина 3 соединены друг с другом с помощью вала (не показан). Компрессор 1 приводится во вращательное движение турбиной 3, сжимает воздух 6, всасываемый через впускную часть 5, генерируя воздух под высоким давлением (сжатый воздух), и подает воздух под высоким давлением в сжигающее устройство 2. Сжигающее устройство 2 смешивает воздух под высоким давлением, подаваемый из компрессора 1, и топливо, подаваемое из топливной системы (не показана) для выполнения сжигания, генерируя газообразный продукт 7 горения под высоким давлением и подавая его в турбину 3. Турбина 3 приводится во вращательное движение за счет расширения газообразного продукта 7 горения, подаваемого из сжигающего устройства 2. Нагрузка (не показана) соединена с турбиной 3 или компрессором 1. В рассматриваемом варианте осуществления генератор соединен с турбиной 3 в качестве нагрузки, и мощность, получаемая путем вычитания мощности для привода компрессора 1 из мощности от вращения турбины 3, преобразуется генератором в электрическую энергию. Газообразный продукт 7 горения, который привел в движение турбину 3, выпускают в качестве отработанного газа турбины в атмосферу.
2. Турбина
На фиг. 2 представлен вид в разрезе, иллюстрирующий внутреннюю структуру части турбины в соответствии с рассматриваемым вариантом осуществления. Как показано на фиг. 2, турбина 3 включает в себя неподвижную часть 101 и ротор 102 турбины, образующий вращающуюся часть, которая вращается относительно неподвижной части 101.
Неподвижная часть 101 в основном включает в себя корпус 8, внешнее кольцо 18, неподвижные лопатки 11 (11a. 11b), внутреннее кольцо 15, диафрагму 14 и каркасные элементы 32 (32a, 32b).
Корпус 8 представляет собой цилиндрический элемент, образующий периферийную стенку турбины 3. Внешнее кольцо 18, неподвижные лопатки 11 (11a, 11b), внутреннее кольцо 15, диафрагма 14 и ротор 102 турбины размещены в корпусе 8.
Концевая стенка 18 внешней периферийной стороны поддерживается внутренней периферийной стенкой 8a корпуса 8 с помощью каркасного элемента 32, который будет описан позднее. Концевая стенка 18 внешней периферийной стороны представляет собой цилиндрический элемент, продолжающийся в окружном направлении ротора 102 турбины.
Множество неподвижных лопаток 11b обеспечены на внутренней периферийной поверхности концевой стенки 18 внешней периферийной стороны с одинаковыми интервалами вдоль окружного направления ротора 102 турбины. Неподвижные лопатки 11b продолжаются от внутренней периферийной поверхности концевой стенки 18 внешней периферийной стороны в направлении радиально внутренней стороны ротора 102 турбины. В дальнейшем радиально внутреннюю сторону и радиально внешнюю сторону ротора 102 турбины называют просто как «радиально внутренняя сторона» и «радиально внешняя сторона». Дополнительно, неподвижные лопатки 11b расположены в множество рядов вдоль осевого направления ротора 102 турбины, и их группы с лопатками 12 ротора образуют ступени турбины. В примере на фиг. 1 показаны неподвижные лопатки 11a первой ступени и неподвижные лопатки 11b второй ступени, но количество ступеней может быть опциональным.
Концевая стенка 15b внутренней периферийной стороны обеспечена на радиально внутренней стороне неподвижных лопаток 11b. Концевая стенка 15b внутренней периферийной стороны представляет собой цилиндрический элемент, продолжающийся в окружном направлении ротора 102 турбины. Неподвижные лопатки 11b соединены с внешней периферийной поверхностью концевой стенки 15b внутренней периферийной стороны. Другими словами, неподвижные лопатки закреплены между концевой стенкой 18 внешней периферийной стороны и концевой стенкой 15b внутренней периферийной стороны. Пространство, отделенное концевой стенкой 18 внешней периферийной стороны и концевой стенкой 15b внутренней периферийно стороны, образует газовый тракт в качестве проточного канала для газообразного продукта горения во внутреннюю часть турбины 3.
Диафрагма 14 прикреплена к стороне внутренней периферийной поверхности концевой стенки 15b внутренней периферийной стороны ротора 102 турбины. Диафрагма 14 имеет ребра (не показано), продолжающиеся от внутренней периферийной поверхности (поверхности, обращенной к внешней периферийной поверхности 30 дистанцирующего диска 10a, который будет описан позднее) в направлении радиально внутренней стороны. Дополнительно, каркасные элементы 32 (32a, 32b) в качестве элементов, поддерживающих внешние кольца 18 неподвижных лопаток 11, прикреплены к внутренней периферийной стенке 8a корпуса 8. Каркасные элементы 32 представляют собой кольцевые элементы, и обеспечены в позициях напротив верхних концов лопаток 12 ротора, которые будут описаны позднее. В иллюстрируемом примере каркасный элемент 31a, расположенный напротив лопатки 12a ротора первой ступени, поддерживает нижнюю по потоку сторону концевой стенки 18 внешней периферийной стороны неподвижной лопатки 11a первой ступени и верхнюю по потоку сторону концевой стенки 18 внешней периферийной стороны неподвижной лопатки 11b второй ступени. Каркасный элемент 32b, расположенный напротив лопатки 12b ротора второй ступени, поддерживает нижнюю по потоку сторону концевой стенки 18 внешней периферийной стороны неподвижной лопатки 11b второй ступени.
Ротор 102 турбины включает в себя рабочие колеса 9a и 9b, дистанцирующий диск 10a и лопатки 12a и 12b ротора.
Рабочие колеса 9a и 9b и дистанцирующий диск 10a представляют собой дискообразные элементы, выровненные и расположенные в ряд в направлении потока газообразного продукта 7 горения. В дальнейшем верхний по потоку и нижний по потоку относительно направления потока газообразного продукта 7 горения называют просто как «верхний по потоку» и «нижний по потоку». Рабочие колеса 9a и 9b и дистанцирующий диск 10a скреплены и объединены с помощью стяжных болтов 13. Множество стяжных болтов 13 обеспечены по окружности с центральной осью 1 турбины 3 в качестве центра.
Рабочее колесо 9a включает в себя внутренний периферийный участок 21, внешний периферийный участок 22 и участок 23 для стяжного соединения. Хотя будет описана конфигурация рабочего колеса 9a, другие рабочие колеса, включая рабочее колесо 9b, имеют аналогичную конфигурацию, за исключением наличия или отсутствия центрального отверстия.
Внутренний периферийный участок 21 образует часть радиально внутренней стороны (стороны центральной оси 1) рабочего колеса 9a. Внутренний периферийный участок 21 выполнен таким образом, что на поверхности сечения рабочего колеса 9a в разрезе по плоскости, включающей в себя центральную ось 1 (в дальнейшем, поверхность сечения рабочего колеса 9a), расстояние D1 между поверхностями постепенно уменьшается при продвижении в направлении радиально внешней стороны. В рассматриваемом варианте осуществления термин «расстояние между поверхностями» относится к расстоянию между поверхностями на верхней по потоку стороне и нижней по потоку стороне рабочего колеса 9a, в частности, на поверхности сечения рабочего колеса 9a, расстояние между двумя поверхностями в опциональных радиальных позициях рабочего колеса 9a. Внутренний периферийный участок 21 расположен напротив дистанцирующего диска 10a, обеспеченного рядом с нижней по потоку стороной рабочего колеса 9a, с зазором 28 между ними.
Участок 23 для стяжного соединения представляет собой участок, расположенный между внутренним периферийным участком 21 и внешним периферийным участком 22. Участок 23 для стяжного соединения имеет множество сквозных отверстий (не показаны) в окружном направлении ротора 102 турбины, через которые могут быть вставлены и проходить стяжные болты 13. Участок 23 для стяжного соединения имеет поверхность на верхней по потоку стороне и поверхность на нижней по потоку стороне, которые параллельны плоскости, ортогональной центральной оси 1, и эти поверхности выполнены таким образом, что на поверхности сечения рабочего колеса 9a расстояние D3 между поверхностями является постоянным в радиальном направлении ротора 102 турбины. Поверхность на нижней по потоку стороне участка 23 для стяжного соединения выполнена таким образом, чтобы вступать в контакт с поверхностью на верхней по потоку стороне соседнего с ней дистанцирующего диска 10 (поверхность на нижней по потоку стороне участка 23 для стяжного соединения и поверхность на верхней по потоку стороне соединительной поверхности дистанцирующего диска 10a контактируют друг с другом). Множество рабочих колес перекрываются друг с другом через дистанцирующие диски, и скреплены стяжными болтами 13, проходящими через участок 23 для стяжного соединения.
Внешний периферийный участок 22 образует часть на радиально внешней стороне рабочего колеса 9a. Внешний периферийный участок 22 выполнен таким образом, что на поверхности сечения рабочего колеса 9a расстояние D2 между поверхностями меньше, чем расстояние D3 между поверхностями на участке 23 для стяжного соединения. Внешний периферийный участок 22 расположен напротив дистанцирующего диска 10a с зазором 29 между ними.
Кольцевое пространство, образованное между рабочими колесами 9a и 9b и внутренним кольцом 15 с одной стороны и внутренней периферийной стенкой 8a корпуса 8 и внешним кольцом 18 с другой стороны, образует проточный канал (проточный канал газообразного продукта горения) 31, через который течет газообразный продукт 7 горения. Внутренняя периферийная стенка проточного канала 31 газообразного продукта горения образована внешними периферийными стенками рабочих колес 9a и 9b и внешней периферийной поверхностью внутреннего кольца 15, а внешняя периферийная стенка образована внутренней периферийной стенкой 8a корпуса 8 и внутренней периферийной поверхностью внешнего кольца 18.
Дистанцирующий диск 10a обеспечен между рабочими колесами 9a и 9b. Дистанцирующий диск 10a включает в себя выступающий участок 27, выступающий от поверхности (внешней периферийной поверхности) 30 на радиально внешней стороне в направлении радиально внешней стороны. Выступающий участок 27 дистанцирующего диска 10a взаимодействует с ребрами диафрагмы 14, образуя участок уплотнения.
Множество лопаток 12a и 12b ротора обеспечены на внешних периферийных поверхностях рабочих колес 9a и 9b с одинаковыми интервалами вдоль окружного направления ротора 102 турбины. Лопатки 12a и 12b ротора продолжаются от внешних периферийных поверхностей рабочих колес 9a и 9b в направлении радиально внешней стороны (стороны внутренней периферийной стенки 8a корпуса 8). Зазоры 19 и 20 образованы между внешними периферийными участками (концевыми участками на радиально внешней стороне) лопаток 12a и 12b и каркасными элементами 32a и 32b, прикрепленными к корпусу 8. Лопатки 12a и 12b ротора вращаются, с центральной осью 1 в качестве центра, вместе с рабочими колесами 9a и 9b и дистанцирующим диском 10a, под действием газообразного продукта 7 горения, текущего через проточный канал 31 газообразного продукта горения.
Лопатки 12a и 12b ротора и неподвижные лопатки 11a и 11b обеспечены чередующимся образом в направлении потока газообразного продукта 7 горения. Другими словами, лопатки ротора и неподвижные лопатки обеспечены чередующимся образом, так что неподвижная лопатка 11a первой ступени, лопатка 12a ротора первой ступени, неподвижная лопатка 11b второй ступени, лопатка 12b ротора второй ступени расположены в этом порядке от впуска проточного канала 31 газообразного продукта горения в направлении нижней по потоку стороны.
Множество неподвижных лопаток 11a первой ступени обеспечены на верхней по потоку стороне относительно лопатки 12a ротора первой ступени с одинаковыми интервалами в окружном направлении ротора 102 турбины. Неподвижные лопатки 11a первой ступени соединены с внутренним периферийным опорным участком 26, обеспеченным на верхней по потоку стороне рабочего колеса 9a, и с внешним периферийным опорным участком 25, обеспеченным напротив внутреннего периферийного опорного участка 26, с проточным каналом 31 газообразного продукта горения между ними.
3. Проектирование и изготовление турбины
На фиг. 3 представлена блок-схема алгоритма, иллюстрирующая способ проектирования и изготовления в соответствии с рассматриваемым вариантом осуществления. В рассматриваемом варианте осуществления способ проектирования и изготовления турбины в соответствии с изменением материала рабочего колеса ротора турбины будет описан с помощью иллюстрации в качестве примера случая изменения на материал с более высоким термическим сопротивлением. Ниже в качестве примера будет описано рабочее колесо 9a, однако другие рабочие колеса, включая рабочее колесо 9b, могут иметь аналогичную конфигурацию.
Этап S1
Определяют соотношение времен повышения температуры, которое представляет собой требуемое отношение времени повышения температуры после изменения материала к времени повышения температуры до изменения материала. В рассматриваемом варианте осуществления «время повышения температуры» представляет собой время, требуемое для того, чтобы температура рабочего колеса достигла от первой температуры до второй температуры во время пуска турбины. Первая температура и вторая температура обе представляют собой заданные температуры. Первая температура, например, представляет собой нормальную температуру (например, 20 °C ± 15 °C), а вторая температура представляет собой среднюю температуру опционально выбранной части или каждой части рабочего колеса в номинальном режиме работы (например, 500 °C). Хотя в рассматриваемом варианте осуществления описывается случай, когда соотношение времен повышения температуры составляет 1,0, соотношение времен повышения температуры, например, может находиться в диапазоне от 0,9 до 1,1. Время повышения температуры будет описано ниже.
В рассматриваемом варианте осуществления формула удельной теплоемкости и формула тепловой проводимости определены с помощью Формул (1) и (2):
Q=c×m×ΔT    Формула (1),
где Q - теплоемкость рабочего колеса 9a, c - удельная теплоемкость рабочего колеса 9a, m- масса рабочего колеса 9a и ΔT - изменение температуры опционально выбранной части рабочего колеса 9a;
Q=k×S×t×(T1-T2)/L  Формула (2),
где k - тепловая проводимость рабочего колеса 9a, S - площадь поверхности сечения рабочего колеса 9a в разрезе по плоскости, ортогональной центральной оси 1 рабочего колеса 9a, в опциональной позиции в направлении центральной оси рабочего колеса 9a (площадь кольцевой поверхности сечения с центральной осью 1 рабочего колеса 9a в качестве центра), t - время повышения температуры в опциональной выбранной части поверхности сечения рабочего колеса 9a, T1 и T2 - температуры (T1>T2) поверхностей на верхней по потоку стороне и нижней по потоку стороне в опциональной радиальной позиции поверхности сечения рабочего колеса 9a и L - расстояние между поверхностями в опциональной радиальной позиции.
В рассматриваемом варианте осуществления полагают, что ΔT=T1-T2. Далее, из Формул (1) и (2), время t повышения температуры может быть выражено с помощью Формулы (3):
t=c×m×L/(k×S)   Формула (3).
Когда время повышения температуры до и после изменения материала является одинаковым, можно сказать, что легкость нагрева рабочего колеса является одинаковой до и после изменения материала. Когда время повышения температуры после изменения материала меньше, чем до изменения материала (соотношение времен повышения температуры составляет <1), рабочее колесо легче нагревается после изменения материала, чем до изменения материала, и когда время повышения температуры после изменения материала больше, чем до изменения материала (соотношение времен повышения температуры составляет >1), рабочее колесо труднее нагревается после изменения материала, чем до изменения материала. Следует отметить, что в рассматриваемом варианте осуществления был описан способ вычисления времени t повышения температуры из формулы удельной теплоемкости и формулы тепловой проводимости, но способ вычисления времени t повышения температуры не ограничивается этим.
Этап S2
Определяют расстояние между поверхностями после изменения материала на основе соотношения времен повышения температуры, определенного на этапе S1.
1
2
Из Формулы (3), времена t и t повышения температуры до и после изменения материала могут быть выражены, соответственно, с помощью Формул (4) и (5):
1
1
1
1
1
1
t=c×m×L/(k×S)  Формула (4);
2
2
2
2
2
2
t=c×m×L/(k×S)  Формула (5).
2
1
В рассматриваемом варианте осуществления соотношение времен повышения температуры составляет 1,0 (t/t=1,0), и тем самым из Формул (4) и (5) получают Формулу (6):
2
2
2
2
2
1
1
1
1
1
c×m×L/(k×S)=c×m×L/(k×S) Формула (6).
1
2
2
1
2
1
Для удобства в рассматриваемом варианте осуществления площадь поверхности сечения рабочего колеса 9a до и после изменения материала полагают неизменной (S=S), и соотношение масс (m/m), которое представляет собой отношение массы после изменения материала к массе до изменения материала, и соотношение расстояний между поверхностями (L/L), которое представляет собой отношение расстояния между поверхностями после изменения материала к расстоянию между поверхностями до изменения материала, полагают одинаковыми. Тем самым из Формулы (6) получают Формулу (7):
2
1
1
2)
2
1
2
(L/L)=(c×k/(c×k) Формула (7).
1
2
1
2
В общем, удельные теплоемкости c и c и тепловые проводимости k и k рабочего колеса 9a до и после изменения материала определяются значениями физических свойств материала. Тем самым расстояние L2 между поверхностями после изменения материала может быть определено из Формулы (7).
Этап S3
Определяют форму рабочего колеса 9a после изменения материала на основе расстояния между поверхностями, определенного на этапе S2.
В рассматриваемом варианте осуществления на основе расстояния между поверхностями, определенного на этапе S2, изменяют расстояние между поверхностями в опциональной радиальной позиции рабочего колеса 9a, и определяют форму рабочего колеса 9a после изменения материала с помощью формулы равных напряжений рабочего колеса. В рассматриваемом варианте осуществления термин «формула равных напряжений рабочего колеса» означает формулу для определения формы рабочего колеса таким образом, что напряжение, действующее на каждую из частей рабочего колеса, с учетом центробежной силы, будет одинаковым независимо от радиальной позиции ротора турбины.
На фиг. 4 представлен вид в разрезе, иллюстрирующий формы рабочего колеса 9a до и после изменения материала. На фиг. 4 штриховая линия указывает форму рабочего колеса 9a после изменения материала, а сплошная линия указывает форму рабочего колеса 9a до изменения материала.
Как показано на фиг. 4, в рассматриваемом варианте осуществления расстояния между поверхностями внутреннего периферийного участка 21 и внешнего периферийного участка 22 рабочего колеса 9a до изменения материала изменяются, в частности расстояние D1 между поверхностями внутреннего периферийного участка 21 до изменения материала установлено на D1’ (<D1), а расстояние D2 между поверхностями внешнего периферийного участка 22 установлено на D2’ (<D2). На фиг. 4 расстояния между поверхностями внутреннего периферийного участка 21 и внешнего периферийного участка 22 изменяются единообразно, так что соотношение (D1’/D1) изменения расстояния между поверхностями внутреннего периферийного участка 21 до и после изменения материала и соотношение (D2’/D2) изменения расстояния между поверхностями внешнего периферийного участка 22 равны друг другу, и расстояние между поверхностями на внешнем периферийном участке 22 для плоскостей C1 и C2 (штрих-пунктирная линия), соответственно включающих в себя поверхности A1’ и A2’ на верхней по потоку стороне и нижней по потоку стороне внутреннего периферийного участка 21 после изменения материала, равно расстоянию D2’ между поверхностями внешнего периферийного участка после изменения материала. Другими словами, поверхности на верхней по потоку стороне (нижней по потоку стороне) внутреннего периферийного участка 21 и внешнего периферийного участка 22 до и после изменения материала находятся в одной плоскости. Следует отметить, что форма рабочего колеса 9a после изменения материала не ограничивается описанным выше случаем. Например, расстояние между поверхностями внешнего периферийного участка 22 после изменения материала может быть установлено больше, чем расстояние D2’ между поверхностями внешнего периферийного участка 22 для случая единообразного изменения расстояний между поверхностями внутреннего периферийного участка 21 и внешнего периферийного участка 22, а расстояние между поверхностями внутреннего периферийного участка 21 после изменения материала может быть установлено меньше, чем расстояние D1’ между поверхностями внутреннего периферийного участка 21 для случая единообразного изменения расстояний между поверхностями внутреннего периферийного участка 21 и внешнего периферийного участка 22, так что расстояние между поверхностями на внешнем периферийном участке 22, когда расстояние между поверхностями внутреннего периферийного участка 21 после изменения материала продолжают до внешнего периферийного участка 22, будет больше, чем расстояние между поверхностями внешнего периферийного участка 22 после изменения материала. Так как внешний периферийный участок 22 рабочего колеса 9a расположен дальше на радиально внешней стороне (стороне проточного канала 31 газообразного продукта горения), чем внутренний периферийный участок 21, внешний периферийный участок 22 может нагреваться до более высокой температуры, чем внутренний периферийный участок 21, из-за передачи тепла от газообразного продукта 7 горения. Однако, за счет обеспечения расстояния между поверхностями внешнего периферийного участка 22 после изменения материала таким образом, чтобы оно было больше (толще), возможно повысить термическое сопротивление внешнего периферийного участка 22 и обеспечить надежность турбины 3.
Этап S4
Проектируют турбину 3 с воспроизведением формы рабочего колеса 9a, определенной на этапе S3, на роторе 102 турбины. В рассматриваемом варианте осуществления ротор 102 турбины проектируют, задавая рабочее колесо 9a в форме, определенной на этапе S3, и задавая дистанцирующий диск 10a и лопатки 12a ротора в формах до изменения материла. Турбину 3 проектируют с использованием спроектированного ротора 102 турбины и задавая составные элементы неподвижной части 101 (корпус 8, концевая стенка 18 внешней периферийной стороны, неподвижные лопатки 11b, концевая стенка 15a внутренней периферийной стороны, диафрагма 14 и т.п.) в формах до изменения материала.
Этап S5
Турбину 3, спроектированную на этапе S4, подвергают нестационарному анализу по МКЭ. В рассматриваемом варианте осуществления термин «нестационарный анализ по МКЭ» означает метод анализа с виртуальным разделением турбины на конечные элементы, и, в окружающей среде, в которой температура может изменяться в зависимости от времени и позиции, проверкой, присутствует или нет в рабочем колесе 9a часть, в которой в процессе повышения температуры во время пуска турбины генерируется большое напряжение, превышающее заданную величину или т.п.
Если результатом нестационарного анализа по МКЭ является «ДА», процедура переходит с этапа S5 на этап S6. В рассматриваемом варианте осуществления, результат «ДА» нестационарного анализа по МКЭ означает, что часть, в которой в процессе повышения температуры от первой температуры до второй температуры во время пуска турбины генерируется большое напряжение, превышающее заданную величину, отсутствует в рабочем колесе 9a. В противном случае, если результатом нестационарного анализа по МКЭ является «НЕТ», выполняется возврат на этап S2. В рассматриваемом варианте осуществления, результат «НЕТ» нестационарного анализа по МКЭ означает, что часть, в которой в процессе повышения температуры от первой температуры до второй температуры во время пуска турбины генерируется большое напряжение, превышающее заданную величину, присутствует в рабочем колесе 9a. Когда результатом нестационарного анализа по МКЭ является «НЕТ», на этапе S2 регулируют расстояние между поверхностями, определенное в предыдущий раз (например, расстояния между поверхностями внутреннего периферийного участка 21 и внешнего периферийного участка 22 изменяют на основе результата нестационарного анализа по МКЭ), чтобы переопределить расстояние между поверхностями. Затем на этапе S3 определяют форму рабочего колеса 9a, снова проектируют турбину 3 на этапе S4, и выполняют нестационарный анализ по МКЭ на этапе S5. Далее этапы с S2 по S5 повторяют до тех пор, пока результатом нестационарного анализа по МКЭ не станет «ДА».
Этап 6
Изготавливают турбину на основе проектирования на этапе S4. В рассматриваемом варианте осуществления рабочее колесо 9a изготавливают из материала после изменения материала в форме, определенной на этапе S3, при этом составные элементы дистанцирующего диска 10a, лопатки 12a ротора и неподвижной части 101 изготавливают из материала до изменения материала, тем самым изготавливая турбину 3. В случае изготовления (модернизации) турбины на основе существующей турбины, например, рабочее колесо 9a изготавливают из материала после изменения материала в форме, определенной на этапе S3, при этом составные элементы дистанцирующего диска 10a, лопатки 12a ротора и неподвижной части 101 обеспечивают путем использования таких частей от существующей турбины, тем самым изготавливая турбину 3.
Полезные эффекты
(1) В рассматриваемом варианте осуществления турбину 3 проектируют путем определения соотношения времен повышения температуры, и определения расстояний между поверхностями после изменения материала на основе определенного соотношения времен повышения температуры. За счет определения расстояний между поверхностями на основе соотношения времен повышения температуры возможно легко определить форму рабочего колеса 9a таким образом, что время повышения температуры рабочего колеса 9a до и после изменения материала, или легкость нагрева рабочего колеса 9a, будет требуемой величины, определяемой соотношением времен повышения температуры. Тем самым, рабочее колесо 9a после изменения материала с самого начала может быть выполнено с термодинамически очень подходящей конструкцией, так что результат нестационарного анализа по МКЭ может быть «ДА». В результате количество повторений нестационарного анализа по МКЭ при проектировании турбины 3 в соответствии с изменением материала может быть уменьшено, и, соответственно, может быть уменьшено время, требуемое для проектирования и изготовления турбины 3. В частности, в рассматриваемом варианте осуществления, так как соотношение времен повышения температуры задано величиной 1,0, легкость нагрева рабочего колеса 9a может быть одинаковой до и после изменения материала, и время, требуемое для проектирования и изготовления турбины 3, может быть дополнительно уменьшено.
(2) В рассматриваемом варианте осуществления форму рабочего колеса 9a после изменения материла определяют путем изменения расстояний между поверхностями внутреннего периферийного участка 21 и внешнего периферийного участка 22 рабочего колеса 9a. Так как зазоры 28 и 29 образованы между внутренним периферийным участком 21 и внешним периферийным участком 22 рабочего колеса 9a с одной стороны и дистанцирующим диском 10a с другой стороны, нет необходимости изменять форму дистанцирующего диска 10a в соответствии с изменением расстояний между поверхностями внутреннего периферийного участка 21 и внешнего периферийного участка 22. Тем самым, можно уменьшить трудовые затраты, необходимые для проектирования и изготовления турбины 3 в соответствии с изменением материала. Дополнительно, можно использовать форму дистанцирующего диска 10a до изменения материала, и, соответственно, возможно подавить увеличение времени, требуемого для проектирования и изготовления турбины 3 в соответствии с изменением материала.
Пример 1
На фиг. 5 представлена таблица, иллюстрирующая примеры соотношений параметров до и после изменения материала рабочего колеса. В рассматриваемом варианте осуществления в качестве примера иллюстрируется случай, когда материал рабочего колеса 9a изменяют с высокохромистой стали на сплав на основе никеля.
Как показано на фиг. 5, в рассматриваемом варианте осуществления соотношение cr удельных теплоемкостей, которое представляет собой отношение удельной теплоемкости после изменения материала к удельной теплоемкости до изменения материала рабочего колеса 9a, составляет 0,8. Соотношение kr тепловых проводимостей, которое представляет собой отношение тепловой проводимости после изменения материала к тепловой проводимости до изменения материала рабочего колеса 9a, составляет 0,6. Соотношение tr времен повышения температуры составляет 1,0. Дополнительно, аналогично первому варианту осуществления, для удобства площадь поверхности сечения рабочего колеса 9a полагают неизменной до и после изменения материала (соотношение Sr площадей поверхностей сечения, которое представляет собой отношение площади поверхности сечения после изменения материала к площади поверхности сечения до изменения материала, составляет 1,0), и соотношение mr масс и соотношение Lr расстояний между поверхностями рабочего диска 9a полагают равными.
При вышеописанных условиях, соотношение Lr расстояний между поверхностями составляет 0,87 из Формулы (7). Следовательно, в рассматриваемом варианте осуществления форму рабочего колеса после изменения материала определяют таким образом, что соотношение Lr расстояний между поверхностями составляет 0,87, и проектируют и изготавливают турбину, в результате чего могут быть полученные приведенные выше полезные эффекты.
Второй вариант осуществления
Рассматриваемый вариант осуществления отличается от первого варианта осуществления тем, что соотношение времен повышения температуры определяют на основе зазора между ротором турбины и корпусом. Другие моменты аналогичны первому варианту осуществления.
В общем, между ротором турбины в качестве вращающейся части и корпусом в качестве неподвижной части обеспечен зазор таким образом, чтобы вращение ротора турбины было беспрепятственным. Для обеспечения расхода газообразного продукта горения, который способствует вращению ротора турбины, желательно уменьшить зазор. С другой стороны, во время пуска турбины ротор турбины нагревается имеющим высокую температуру газообразным продуктом горения и расширяется в радиальном направлении из-за теплового расширения. Когда это тепловое расширение становится больше, чем вышеуказанный зазор, ротор турбины и корпус могут вступить в контакт друг с другом. Исходя из вышеизложенного, при проектировании и изготовлении турбины в соответствии с изменением материала ротора турбины желательно учитывать зазор между ротором турбины и корпусом.
На фиг. 6 представлена блок-схема алгоритма, иллюстрирующая процедуру проектирования и изготовления турбины в соответствии с рассматриваемым вариантом осуществления.
Этап S200
Определяют соотношение зазоров, которое представляет собой требуемое отношение зазора после изменения материала к зазору до изменения материала рабочего колеса 9a во время пуска турбины 3. В рассматриваемом варианте осуществления термин «зазор» означает расстояние в радиальном направлении между обращенными друг к другу ротором 102 турбины (рабочим колесом 9a) и внутренней периферийной стенкой корпуса 8.
В рассматриваемом варианте осуществления зазор D определяется с помощью Формулы (8):
D=α×t    Формула (8),
где α - коэффициент линейного расширения рабочего колеса 9a.
Хотя в рассматриваемом варианте осуществления соотношение зазоров составляет 1,0, соотношение зазоров может находиться в диапазоне от 0,9 до 1,1.
Этап S201
Определяют соотношение времен повышения температуры на основе соотношения зазоров, определенного на этапе S200. Процедура определения соотношения времен повышения температуры на основе соотношения зазоров описывается ниже.
1
2
Из Формулы (8) зазоры D и D до и после изменения материала могут быть выражены с помощью Формул (9) и (10):
1
1
1
D=α×t    Формула (9);
2
2
2
D=α×t    Формула (10).
2
1
Так как соотношение зазоров составляет 1,0 (D/D=1,0) в рассматриваемом варианте осуществления, из Формул (9) и (10) получают Формулу (11):
1
1
2
2
α×t=α×t.
2
1
Из Формулы (11) может быть определено соотношение (t/t) времен повышения температуры.
Этапы S202 и S206
Этапы S202 и S206 аналогичны этапам S2 и S6 в первом варианте осуществления. В частности, на этапе S202 определяют расстояние между поверхностями после изменения материала с использованием соотношения времен повышения температуры, определенного на этапе S201. На этапе S203 определяют форму рабочего колеса 9a после изменения материала на основе расстояния между поверхностями, определенного на этапе S202. На этапе S204 проектируют турбину 3 с воспроизведением формы рабочего колеса 9a, определенной на этапе S203, на роторе турбины. На этапе S205 турбину 3, спроектированную на этапе S204, подвергают нестационарному анализу по МКЭ. Если результатом нестационарного анализа по МКЭ является «ДА», процедура переходит с этапа S205 на этап S206. В противном случае, если результатом анализа по МКЭ является «НЕТ», выполняют возврат на этап S202. На этапе S206 изготавливают турбину 3 на основе проектирования на этапе S204.
Полезные эффекты
В рассматриваемом варианте осуществления турбину 3 проектируют путем определения соотношения зазоров, и определения соотношения времен повышения температуры на основе определенного соотношения зазоров. В рассматриваемом варианте осуществления, также, расстояние между поверхностями после изменения материала определяют на основе соотношения времен повышения температуры, и, тем самым, форма рабочего колеса 9a может быть легко определена таким образом, что время повышения температуры рабочего колеса 9a до и после изменения материала, или легкость нагрева рабочего колеса 9a, становится требуемой величины, определяемой соотношением времен повышения температуры, и получают полезные эффекты, аналогичные первому варианту осуществления. Дополнительно, в рассматриваемом варианте осуществления, так как соотношение времен повышения температуры определяют на основе соотношения зазоров, форма рабочего колеса 9a может быть легко определена таким образом, что зазор до и после изменения материала становится требуемой величины, определяемой соотношением зазоров. Тем самым в турбине 3 после изменения материала может быть исключен контакт между ротором 102 турбины и корпусом 8, и может быть обеспечена надежность турбины 3. В частности, в рассматриваемом варианте осуществления, так как соотношение зазоров составляет 1,0, зазор может быть выполнен одинаковым до и после изменения материала, и может быть дополнительно обеспечена надежность турбины 3.
Пример 2
На фиг. 7 представлена таблица, иллюстрирующая соотношения параметров до и после изменения материала рабочего колеса. В рассматриваемом примере иллюстрируется случай, когда материал рабочего колеса 9a изменяют с высокохромистой стали на сплав на основе никеля.
Как показано на фиг. 7, в рассматриваемом примере соотношение αr коэффициентов линейного расширения, которое представляет собой отношение коэффициента линейного расширения после изменения материала к коэффициенту линейного расширения до изменения материала, составляет 1,2, и соотношение Dr зазоров составляет 1,0. Тем самым, из Формулы (8), соотношение tr времен повышения температуры составляет 0,8.
В рассматриваемом примере соотношение cr удельных теплоемкостей составляет 0,8, и соотношение kr тепловых проводимостей, составляет 0,6. Дополнительно, в рассматриваемом примере для удобства площадь поверхности сечения рабочего колеса 9a полагают неизменной до и после изменения материала, и соотношение mr масс и соотношение Lr расстояний между поверхностями рабочего диска 9a полагают равными.
При вышеописанных условиях, из Формулы (7), соотношение Lr расстояний между поверхностями составляет 0,79. Следовательно, в рассматриваемом примере форму рабочего колеса после изменения материала определяют таким образом, что соотношение Lr расстояний между поверхностями составляет 0,79, и проектируют и изготавливают турбину, в результате чего могут быть полученные приведенные выше полезные эффекты.
Прочее
Настоящее изобретение не ограничивается описанными выше вариантами осуществления и включает в себя различные модификации. Например, приведенные выше варианты осуществления были описаны подробно для легко понимаемого пояснения настоящего изобретения, но изобретение не ограничивается вариантами, включающими все описанные конфигурации. Например, часть конфигурации одного варианта осуществления может быть заменена конфигурацией другого варианта осуществления, или часть конфигурации каждого варианта осуществления может быть исключена.
В приведенных выше вариантах осуществления был представлен в качестве примера случай, в котором расстояние D1 между поверхностями внутреннего периферийного участка 21 до изменения материала установлено на D1’ (<D1), а расстояние D2 между поверхностями внешнего периферийного участка 22 установлено на D2’ (<D2). Однако основной эффект настоящего изобретения заключается в уменьшении времени, требуемого для проектирования и изготовления турбины в соответствии с изменением материала, и настоящее изобретение не ограничивается приведенной выше конфигурацией, при условии получения основного эффекта. Например, расстояние D1 между поверхностями внутреннего периферийного участка 21 до изменения материала может быть установлено на D1’ (>D1), а расстояние D2 между поверхностями внешнего периферийного участка 22 может быть установлено на D2’ (>D2).
Перечень ссылочных позиций
3 - турбина
9a, 9b - рабочее колесо
21 - внутренний периферийный участок
22 - внешний периферийный участок
23 - участок для стяжного соединения