CN114329803A

CN114329803A - 涡轮机的设计及制造方法

Info

Publication number: CN114329803A
Application number: CN202111136578.6A
Authority: CN
Inventors: 麻生武志; 槻馆裕纪; 佐野笃史
Original assignee: Mitsubishi Power Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2020-09-30
Filing date: 2021-09-27
Publication date: 2022-04-12
Also published as: JP2022057138A; JP7341969B2; US20220098983A1; US11649728B2; DE102021210927A1

Abstract

本发明提供一种涡轮机的设计及制造方法，缩短伴随材料变更的涡轮机的设计及制造所需的时间。在伴随涡轮转子(102)的转子盘(9a)的材料变更的涡轮机(3)的设计方法中，其特征在于，在将涡轮机(3)启动时转子盘(9a)的温度从第一温度到达第二温度所需的时间设为温度上升时间、将转子盘(9a)的上游侧及下游侧的面的距离设为面间距离时，决定材料变更后的温度上升时间相对于材料变更前的温度上升时间的所希望的比率即温度上升时间比，基于决定的温度上升时间比，决定材料变更后的面间距离，基于决定的面间距离，决定材料变更后的转子盘(9a)的形状，使决定的转子盘(9a)的形状反映到涡轮转子(102)，设计涡轮机(3)。

Description

涡轮机的设计及制造方法

技术领域

本发明涉及涡轮机的设计及制造方法。

背景技术

近年来，为了提高燃气涡轮机的效率，谋求使燃烧气体的温度上升。若燃烧气体的温度上升，则如涡轮机的涡轮转子等这样暴露于燃烧气体的部分容易劣化，寿命可能变短。

作为抑制涡轮转子的劣化的方法，具有对涡轮转子应用高温强度优异的材料的方法(参照专利文献1等)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2013－199680号公报

发明内容

发明所要解决的课题

在如专利文献1那样地变更应用于涡轮转子的材料的情况下，随着材料的物性值的变化，涡轮转子的热伸长也可能改变，因此需要重新掌握材料变更后的涡轮转子的热伸长，重新设计涡轮机。作为掌握热伸长的方法，一般已知非稳定FEM(Finite ElementMethod)解析。然而，非稳定FEM解析每次所需的时间长，直至获得满足涡轮机的要求事项的设计数据的重复次数多，伴随材料变更的涡轮机的设计及制造可能耗费大量的时间和精力。

本发明鉴于上述情况而作成，目的在于缩短伴随材料变更的涡轮机的设计及制造所需的时间。

用于解决课题的方案

为了实现上述目的，本发明为一种涡轮机的设计方法，其伴随涡轮转子的转子盘的材料变更，其特征在于，在将涡轮机启动时上述转子盘的温度从第一温度到达第二温度所需的时间设为温度上升时间、将上述转子盘的上游侧及下游侧的面的距离设为面间距离时，决定材料变更后的温度上升时间相对于材料变更前的温度上升时间的所希望的比率即温度上升时间比，基于上述决定的温度上升时间比，决定材料变更后的面间距离，基于上述决定的面间距离，决定材料变更后的上述转子盘的形状，使上述决定的转子盘的形状反映到上述涡轮转子，设计上述涡轮机。

发明效果

根据本发明，能够缩短伴随材料变更的涡轮机的设计及制造所需的时间。

附图说明

图1是表示应用了本发明的第一实施方式的涡轮机的燃气涡轮机的一结构例的图。

图2是表示本发明的第一实施方式的涡轮机的内部构造的剖视图。

图3是表示本发明的第一实施方式的涡轮机的设计、制造工序的流程图。

图4是表示材料变更前后的转子盘的形状的剖视图。

图5是示例转子盘的材料变更前后的要素的比率的表。

图6是表示本发明的第二实施方式的涡轮机的设计、制造工序的流程图。

图7是示例转子盘的材料变更前后的要素的比率的表。

图中：

3—涡轮机，9a、9b—转子盘，21—内周部，22—外周部，23—堆叠接合部。

具体实施方式

＜第一实施方式＞

(结构)

1.燃气涡轮机

图1是表示应用了本实施方式的涡轮机的燃气涡轮机的一结构例的图。以下，对将本实施方式的涡轮机应用于燃气涡轮机的情况进行说明，但本实施方式的涡轮机的应用对象不限于燃气涡轮机，例如，也能够应用于蒸汽涡轮机。

如图1所示，燃气涡轮机100具备压缩机1、燃烧器2以及涡轮机3。压缩机1和涡轮机3由轴(未图示)相互连结。压缩机1由涡轮机3旋转驱动，压缩经由吸气部5吸入的空气6生成高压空气(燃烧空气)，并供给至燃烧器2。燃烧器2将从压缩机1供给来的高压空气和从燃料系统(未图示)供给来的燃料混合而燃烧，生成高温的燃烧气体7并供给至涡轮机3。涡轮机3通过从燃烧器2供给来的燃烧气体7膨胀而旋转驱动。在涡轮机3或压缩机1连结有负荷设备(未图示)。在本实施方式中，在涡轮机3连结发电机作为负荷设备，从涡轮机3的旋转动力减去用于驱动压缩机1的动力后的动力通过发电机转换成电力。驱动涡轮机3的燃烧气体7作为涡轮机废气放出到大气中。

2.涡轮机

图2是表示本实施方式的涡轮机的局部内部构造的剖视图。如图2所示，涡轮机3具备静止体101和构成相对于静止体101旋转的旋转体的涡轮转子102。

静止体101主要具备外壳8、外圈18、固定叶片11(11a、11b)、内圈15、膜片14以及套筒32(32a、32b)。

外壳8是形成涡轮机3的外周壁的圆筒状的部件。在外壳8内容纳有外圈18、固定叶片11(11a、11b)、内圈15、膜片14以及涡轮转子102。

经由后述的套筒32在外壳8的内周壁8a支撑有外周侧端壁18。外周侧端壁18是沿涡轮转子102的周向延伸的圆筒状的部件。

在外周侧端壁18的内周面沿着涡轮转子102的周向等间隔地设有多个固定叶片11b。固定叶片11b从外周侧端壁18的内周面朝向涡轮转子102的径向内侧延伸。以下，将涡轮转子102的径向内侧、径向外侧简称为“径向内侧”、“径向外侧”。另外，固定叶片11b沿着涡轮转子102的轴向配置有多列，且由与转动叶片12的组构成涡轮级。在图1的例子中，作为固定叶片11，图示出第一级固定叶片11a和第二级固定叶片11b，但段数能够任意。

内周侧端壁15b设于固定叶片11b的径向内侧。内周侧端壁15b是沿涡轮转子102的周向延伸的圆筒状的部件。在内周侧端壁15b的外周面连接有固定叶片11b。也就是，固定叶片11b固定于外周侧端壁18与内周侧端壁15b之间。由这些外周侧端壁18及内周侧端壁15b划分的空间在涡轮机3的内部形成了成为燃烧气体的流路的气体通路。

膜片14安装于内周侧端壁15的内周面侧，且沿涡轮转子102的周向延伸。膜片14具备从内周面(与后述的隔离盘10a的外周面30对置的面)向径向内侧延伸的翅片(未图示)。另外，作为支撑固定叶片11的内圈18的部件的套筒32(32a、32b)固定于外壳8的内周壁8a。套筒32是环状的部件，设于与后述的转动叶片12的前端对置的位置。在图示的例子中，与第一级转动叶片12a对置的套筒32a支撑第一级固定叶片11a的外周侧端壁18的下游侧和第二级固定叶片11b的外周侧端壁18的上游侧。与第二段转动叶片12b对置的套筒32b支撑第二级固定叶片12a的外周侧端壁18b的下游侧。

涡轮转子102具备转子盘9a、9b、隔离盘10a以及转动叶片12a、12b。

转子盘9a、9b及隔离盘10a是沿燃烧气体7的流向排列配置的圆盘状的部件。以下，将燃烧气体7的流向的上游、下游简称为“上游”、“下游”。转子盘9a、9b及隔离盘10a通过堆叠螺栓13一体紧固。以涡轮机3的中心轴I为中心，在同一圆周上设有多个堆叠螺栓13。

转子盘9a具有内周部21、外周部22以及堆叠接合部23。以下对转子盘9a的结构进行说明，但包括转子盘9b的其它转子盘除了中心孔的有无外为相同的结构。

内周部21构成转子盘9a的径向内侧(中心轴I侧)的部分。内周部21形成为，在以含有中心轴I的平面切割出的转子盘9a的截面(以下称为转子盘9a的截面)中，面间距离D1朝向径向外侧变短。在本实施方式中，“面间距离”是指转子盘9a的上游侧及下游侧的面的距离，具体而言，是在转子盘9a的截面中，转子盘9a的任意的径向位置的两个面的距离。内周部21隔着间隙28相对于与转子盘9a的下游侧相邻设置的隔离盘10a对置。

堆叠接合部23是位于内周部21及外周部22之间的部分。在堆叠接合部23沿涡轮转子102的周向形成有多个堆叠螺栓13能够插通的孔部(未图示)。堆叠接合部23形成为，上游侧的面和下游侧的面平行于与中心轴I正交的面，且在转子盘9a的截面中，面间距离D3在涡轮转子102的径向上恒定。堆叠接合部23的下游侧的面设为和与其相邻的隔离盘10a的上游侧的面接触(堆叠接合部23的下游侧的面和隔离盘10a的接合面的上游侧的面接触)。多个转子盘隔着隔离盘重叠，且通过贯通堆叠接合部23的堆叠螺栓13紧固。

外周部22构成转子盘9a的径向外侧的部分。外周部22形成为，在转子盘9a的截面中，其面间距离D2比堆叠接合部23的面间距离D3短。外周部22相对于隔离盘10a隔着间隙29对置。

形成于转子盘9a、9b及内圈15与外壳8的内周壁8a及外圈18之间的环状的空间构成了燃烧气体7流动的流路(燃烧气体流路)31。燃烧气体流路31的内周壁由转子盘9a、9b的外周面及内圈15的外周面形成，外周壁由外壳8的内周壁8a及外圈18的内周面形成。

隔离盘10a设于转子盘9a、9b之间。隔离盘10a具备从径向外侧的面(外周面)30向径向外侧突出的突出部27。隔离盘10a的突出部27与膜片14的翅片协动地构成密封部。

在转子盘9a、9b的外周面沿着涡轮转子102的周向等间隔地设有多个转动叶片12a、12b。转动叶片12a、12b从转子盘9a、9b的外周面朝向径向外侧(外壳8的内周壁8a侧)延伸。在转动叶片12a、12b的外周部(径向外侧的端部)与安装于外壳8的套筒32a、32b之间形成有间隙19、20。转动叶片11a、12a通过在燃烧气体流路31流动的燃烧气体7与转子盘9a、9b及隔离盘10a一起以中心轴I为中心旋转。

转动叶片12a、12b和固定叶片11a、11b沿燃烧气体7的流向交替设置。也就是，从燃烧气体流路31的入口朝向下游侧，以成为第一级固定叶片11a、第一级转动叶片12a、第二级固定叶片11b、第二级转动叶片12b……的方式交替设置有转动叶片和固定叶片。

在第一级转动叶片12a的上游侧，沿涡轮转子102的周向等间隔地设有多个第一级固定叶片11a。第一级固定叶片11a连接于设于转子盘9a的上游侧的内周支撑部26和隔着燃烧气体流路31相对于内周支撑部26对置设置的外周支撑部25。

3.涡轮机的设计、制造

图3是表示本实施方式的涡轮机的设计、制造工序的流程图。在本实施方式中，以变更为耐热性高的材料的情况为例对伴随涡轮转子的转子盘的材料变更的涡轮机的设计及制造方法进行说明。以下示例转子盘9a，但对于包括转子盘9b的其它转子盘也同样。

·步骤S1

决定作为材料变更后的温度上升时间相对于材料变更前的温度上升时间的所希望的比率的温度上升时间比。在本实施方式中，“温度上升时间”是指涡轮机启动时转子盘的温度从第一温度到达第二温度所需的时间。第一温度、第二温度都是设定值，第一温度例如是常温(例如20℃±15℃)，第二温度是额定运转时的转子盘的任意选择的部位或各部分的平均的温度(例如500℃)。在本实施方式中，对将温度上升时间比设为1.0的情况进行说明，但温度上升时间比也可以设在例如0.9以上且1.1以下的范围内。以下，对温度上升时间进行说明。

在本实施方式中，分别如式(1)、(2)地定义比热式及热传导式。

Q＝c×m×ΔT···式(1)

其中，Q是转子盘9a的热容量，c是转子盘9a的比热，m是转子盘9a的重量，ΔT是转子盘9a的任意选择的部位的温度变化。

Q＝k×S×t×(T1－T2)/L···式(2)

其中，k是转子盘9a的热导率，S是在转子盘9a的中心轴I方向的任意的位置用与中心轴I正交的面切割转子盘9a的情况下的截面的截面积(以转子盘9a的中心轴I为中心的环状的截面的截面积)，t是转子盘9a的截面的任意选择的部位的温度上升时间，T1、T2是转子盘9a的截面的任意的径向位置处的上游侧及下游侧的面的温度(T1＞T2)，L是上述的任意的径向位置处的面间距离。

在本实施方式中，假定ΔT＝T1－T2。于是，根据式(1)、(2)，能够如式(3)地表示温度上升时间t。

t＝c×m×L/(k×S)···式(3)

在材料变更前后的温度上升时间相等的情况下，可以说材料变更前后的转子盘的升温容易度相等。在材料变更后的温度上升时间比材料变更前短(温度上升时间比＜1)的情况下，材料变更后的转子盘比材料变更前容易升温，在材料变更后的温度上升时间比材料变更前长(温度上升时间比＞1)的情况下，材料变更后的转子盘比材料变更前难以升温。此外，在本实施方式中，对根据比热式及热传导式计算温度上升时间t的方法进行了说明，但计算温度上升时间t的方法不限于此。

·步骤S2

基于在步骤S1中决定的温度上升时间比，决定材料变更后的面间距离。

根据式(3)，能够如式(4)、(5)地表示材料变更前后的温度上升时间t₁、t₂。

t₁＝c₁×m₁×L₁/(k₁×S₁)···式(4)

t₂＝c₂×m₂×L₂/(k₂×S₂)···式(5)

在本实施方式中，将温度上升时间比设为1.0，因此根据(t₂/t₁＝1.0)、式(4)、(5)得到式(6)。

c₂×m₂×L₂/(k₂×S₂)＝c₁×m₁×L₁/(k₁×S₁)···式(6)

在本实施方式中，为了便于说明，材料变更前后的转子盘9a的截面积设为不变进行处理(S₁＝S₂)，设定材料变更后的重量相对于材料变更前的重量的比率即重量比(m₂/m₁)和材料变更后的面间距离相对于材料变更前的面间距离的比率即面间距离比(L₂/L₁)相等进行处理。因此，根据式(6)得到式(7)。

(L₂/L₁)²＝c₁×k₂/(c₂×k₁)···式(7)

一般地，材料变更前后的转子盘9a的比热c₁、c₂及热导率k₁、k₂由材料的物性值决定。因此，能够根据式(7)决定材料变更后的面间距离L₂。

·步骤S3

基于在步骤S2决定的面间距离，决定材料变更后的转子盘9a的形状。

在本实施方式中，基于在步骤S2决定的面间距离，变更转子盘9a的任意的径向位置处的面间距离，通过等应力圆盘式决定材料变更后的转子盘9a的形状。在本实施方式中，“等应力圆盘式”是指以使施加离心力作用于转子盘的各部的应力无论涡轮转子的径向的位置如何均相等的方式决定转子盘的形状的方式。

图4是表示材料变更前后的转子盘9a的形状的剖视图。在图4中，虚线表示材料变更后的转子盘9a的形状，实线表示材料变更前的转子盘9a的形状。

如图4所示，在本实施方式中，变更材料变更前的转子盘9a的内周部21和外周部22的面间距离，使材料变更前的内周部21的面间距离D1成为D1’(＜D1)，使外周部22的面间距离D2成为D2’(＜D2)。在图4中，以材料变更前后的内周部21的面间距离的变化率(D1’/D1)和外周部22的面间距离的变化率(D2’/D2)相等的方式同样地变更内周部21及外周部22的面间距离，使分别包括材料变更后的内周部21的上游侧及下游侧的面A1’、A2’的平面C1、C2(点划线)的外周部22的面间距离与材料变更后的外周部22的面间距离D2’相等。也就是，材料变更前后的内周部21及外周部22的上游侧(下游侧)的面包含在同一平面上。此外，材料变更后的转子盘9a的形状不限于上述的情况。例如，也可以是，使材料变更后的外周部22的面间距离比将内周部21及外周部22的面间距离同样地变更的情况下的外周部22的面间距离D2’大，使材料变更后的内周部21的面间距离比将内周部21及外周部22的面间距离同样地变更的情况下的内周部21的面间距离D1’小，使将材料变更后的内周部21的面间距离延伸至外周部22时的外周部22的面间距离比材料变更后的外周部22的面间距离长。转子盘9a的外周部22位于比内周部21靠径向外侧(燃烧气体流路31侧)，因此通过来自燃烧气体7的传热容易成为比内周部21高温，但通过确保材料变更后的外周部22的面间距离大(粗)，能够提高外周部22的耐热性，能够确保涡轮机3的可靠性。

·步骤S4

使在步骤S3决定的转子盘9a的形状反映到涡轮转子102，设计涡轮机3。在本实施方式中，将转子盘9a设为在步骤S3决定的形状，隔离盘10a及转动叶片12a采用材料变更前的形状，设计涡轮转子102。使用设计出的涡轮转子102，静止体101的构成要素(外壳8、外周侧端壁18、固定叶片11b、内周侧端壁15a、膜片14等)采用材料变更前的形状，设计涡轮机3。

·步骤S5

对在步骤S4设计出的涡轮机3实施非稳定FEM解析。在本实施方式中，“非稳定FEM解析”是如下解析方法：将涡轮机假想地分割成有限要素，在温度可以根据时间及位置变化的环境下，在涡轮机启动时温度上升的过程中，确认在转子盘9a是否存在产生超过设定值的高应力的部分。

在非稳定FEM解析的结果为“Yes(是)”的情况下，将工序从步骤S5进入步骤S6。在本实施方式中，非稳定FEM解析的结果为“Yes”是指，在非稳定FEM解析中，在涡轮机启动时温度从第一温度上升到第二温度的过程中，在转子盘9a不存在产生超过设定值的高应力的部分。反之，在非稳定FEM解析的结果为“No(否)”的情况下，将工序返回步骤S2。在本实施方式中，非稳定FEM解析的结果为“No”是指，在非稳定FEM解析中，在涡轮机启动时温度从第一温度上升到第二温度的过程中，在转子盘9a存在产生超过设定值的高应力的部分。在非稳定FEM解析的结果为“No”的情况下，在步骤S2中，调整上一次决定的面间距离(例如，基于非稳定FEM解析的结果变更内周部21及外周部22的面间距离)，重新决定面间距离。然后，在步骤S3中决定转子盘9a的形状，在步骤S4中重新设计涡轮机3，在步骤S5中实施非稳定FEM解析。之后，直至非稳定FEM解析的结果成为“Yes”，重复步骤S2～S5。

·步骤S6

基于步骤S4的设计制造涡轮机。在本实施方式中，用变更后的材料将转子盘9a制造成在步骤S3决定的形状，用变更前的材料将隔离盘10a、转动叶片12a以及静止体101的构成要素制造成材料变更前的形状，从而制造涡轮机3。在以现有的涡轮机为基础制造(改造)涡轮机的情况下，例如，用变更后的材料将转子盘9a制造成在步骤S3决定的形状，隔离盘10a、转动叶片12a以及静止体101的构成要素延用现有的涡轮机的相应部件，从而制造涡轮机3。

(效果)

(1)在本实施方式中，决定温度上升时间比，基于决定的温度上升时间比决定材料变更后的面间距离，设计涡轮机3。通过基于温度上升时间比决定材料变更后的面间距离，能够容易地决定使材料变更前后的转子盘9a的温度上升时间、也就是升温容易度成为由温度上升时间比决定的所希望的值的转子盘9a的形状。从而，能够从一开始就使材料变更后的转子盘9a在热力学上设计的适当性高，因此非稳定FEM解析的结果容易成为“Yes”。由此，能够减少伴随材料变更的涡轮机3的设计中的非稳定FEM解析的重复次数，能够相应地缩短涡轮机3的设计及制造所需的时间。特别是在本实施方式中，将温度上升时间比设为1.0，因此能够使材料变更前后的转子盘9a的升温容易度相等，能够进一步缩短涡轮机3的设计及制造所需的时间。

(2)在本实施方式中，变更转子盘9a的内周部21及外周部22的面间距离，决定材料变更后的转子盘9a的形状。在转子盘9a的内周部21及外周部22与隔离盘10a之间形成有间隙28、29，因此不需要随着内周部21及外周部22的面间距离的变更而变更隔离盘10a的形状。因此，能够减少随着材料变更的涡轮机3的设计及制造所需的工作量。而且，能够利用材料变更前的隔离盘10a的形状，因此能够相应地抑制伴随材料变更的涡轮机3的设计及制造所需的时间的增加。

实施例1

图5是示例转子盘的材料变更前后的要素的比率的表。本实施例示例了将转子盘9a的材料从高Cr钢(高铬钢)变更为Ni基(镍基合金)的情况。

如图5所示，在本实施例中，将转子盘9a的材料变更后的比热相对于材料变更前的比热的比率即比热比cr设为0.8，将转子盘9a的材料变更后的热导率相对于材料变更前的热导率的比率即热导率比kr设为0.6，将温度上升时间比tr设为1.0。另外，与第一实施方式同样地，为了方便，材料变更前后的转子盘9a的截面积设为不变来处理(将材料变更后的截面积相对于材料变更前的截面积的比率即截面积比Sr设为1.0)，设定转子盘9a的重量比mr和面间距离比Lr相等来处理。

在上述的条件下下，根据式(7)，面间距离比Lr为0.87。因此，在本实施例中，以面间距离比Lr为0.87的方式决定材料变更后的转子盘的形状，设计及制造涡轮机，由此，能够得到上述的效果。

＜第二实施方式＞

本实施方式在基于涡轮转子与外壳之间的间隙决定温度上升时间比这一点上与第一实施方式不同。其它的点与第一实施方式相同。

一般地，在作为旋转体的涡轮转子与作为静止体的外壳之间设有间隙，以使涡轮转子的旋转不被妨碍。为了确保参与涡轮转子的旋转的燃烧气体的流量，期望缩小该间隙。另一方面，在涡轮机启动时，涡轮转子被高温的燃烧气体加热，通过热伸长在径向上伸长(热伸长)。如果该热伸长大于上述的间隙，则可能涡轮转子和外壳接触。因此，在伴随涡轮转子的材料变更的涡轮机的设计及制造中，期望也考虑涡轮转子与外壳的间隙。

图6是表示本实施方式的涡轮机的设计、制造工序的流程图。

·步骤S200

决定涡轮机3启动时的转子盘9a的材料变更后的间隙相对于材料变更前的间隙的所希望的比率即间隙比。在本实施方式中，“间隙”是指涡轮转子102(转子盘9a)与外壳8的内周壁的径向的对置距离。

在本实施方式中，如式(8)地定义间隙D。

D＝α×t···(8)

其中，α是转子盘9a的线膨胀系数。

在本实施方式中，将间隙比设为1.0，但也可以将间隙比设在例如0.9以上且1.1以下的范围内。

·步骤S201

基于在步骤S200中决定的间隙比，决定温度上升时间比。以下，对基于间隙比决定温度上升时间比的工序进行说明。

根据式(8)，能够如式(9)、(10)地表示材料变更前后的间隙D₁、D₂。

D₁＝α₁×t₁···(9)

D₂＝α₂×t₂···(10)

在本实施方式中，将间隙比设为1.0(D₂/D₁＝1.0)，因此根据式(9)、(10)可得到式(11)。

α₁×t₁＝α₂×t₂···(11)

根据式(11)，能够决定温度上升时间比(t₂/t₁)。

·步骤S202－S206

与第一实施方式的步骤S2－S6相同。也就是，在步骤S202中，使用在步骤S201中决定的温度上升时间比确定材料变更后的面间距离。在步骤S203中，基于在步骤S202中决定的面间距离，决定材料变更后的转子盘9a的形状。在步骤S204中，使在步骤S203中决定的转子盘9a的形状反映到涡轮转子，设计涡轮机3。在步骤S205中，对在步骤S204中设计出的涡轮机3实施非稳定FEM解析。在非稳定FEM解析的结果为“Yes”的情况下，使工艺从步骤S205进入步骤S206。反之，在非稳定FEM解析的结果为“No”的情况下，使工艺返回步骤S202。在步骤S206中，基于步骤S204的设计制造涡轮机。

(效果)

在本实施方式中，决定间隙比，基于决定的间隙比决定温度上升时间比，设计涡轮机3。在本实施方式中，也基于温度上升时间比决定材料变更后的面间距离，因此能够容易地决定使材料变更前后的转子盘9a的温度上升时间也就是升温容易度成为由温度上升时间比决定的所希望的值的转子盘9a的形状，可得到与第一实施方式相同的效果。而且，在本实施方式中，基于间隙比决定温度上升时间比，因此能够容易地决定使材料变更前后的间隙成为由间隙比决定的所希望的值的转子盘9a的形状。因此，在材料变更后的涡轮机3中，能够避免涡轮转子102和外壳8接触，能够确保涡轮机3的可靠性。特别是在本实施方式中，将间隙比设为1.0，因此能够使材料变更前后的间隙相等，能够更可靠地确保涡轮机3的可靠性。

实施例2

图7是示例转子盘的材料变更前后的要素的比率的表。本实施例示例了将转子盘9a的材料从高Cr钢变更为Ni基的情况。

如图7所示，在本实施例中，将转子盘9a的材料变更后的线膨胀系数相对于材料变更前的线膨胀系数的比率即线膨胀系数比αr设为1.2，将间隙比Dr设为1.0。因此，根据式(8)，温度上升时间比tr为0.8。

在本实施例中，将比热比cr设为0.8，将热导率比kr设为0.6。另外，在本实施例中，为了方便，也将材料变更前后的转子盘9a的截面积设为不变来处理，设定转子盘9a的重量比mr和面间距离比Lr相等来处理。

在上述的条件下下，根据式(7)，面间距离比Lr为0.79。因此，在本实施例中，以使面间距离比Lr为0.79的方式决定材料变更后的转子盘的形状，设计及制造涡轮机，由此能够得到上述的效果。

＜其它＞

本发明不限于上述的各实施方式，包括各种变形例。例如，上述的实施方式是为了易于理解地说明本发明而详细说明的例子，不限定于必须具备所说明的全部结构。例如，也能够将某实施方式的结构的一部分置换成其它实施方式的结构、删除各实施方式的结构的一部分。

在上述的各实施方式中，例示出了使材料变更前的内周部21的面间距离D1成为D1’(＜D1)、使外周部22的面间距离D2成为D2’(＜D2)的情况。然而，本发明的本质的效果是缩短伴随材料变更的涡轮机的设计及制造所需的时间，只要能获得该本质的效果，不必限于上述的结构。例如，也可以使材料变更前的内周部21的面间距离D1成为D1’(＞D1)，使外周部22的面间距离D2成为D2’(＞D2)。

Claims

1.一种涡轮机的设计方法，其伴随涡轮转子的转子盘的材料变更，其特征在于，

在将涡轮机启动时上述转子盘的温度从第一温度到达第二温度所需的时间设为温度上升时间、将上述转子盘的上游侧及下游侧的面的距离设为面间距离时，

决定材料变更后的温度上升时间相对于材料变更前的温度上升时间的所希望的比率即温度上升时间比，

基于上述决定的温度上升时间比，决定材料变更后的面间距离，

基于上述决定的面间距离，决定材料变更后的上述转子盘的形状，

使上述决定的转子盘的形状反映到上述涡轮转子，设计上述涡轮机。

2.根据权利要求1所述的涡轮机的设计方法，其特征在于，

上述温度上升时间由下式定义：

t＝c×m×L/(k×S)，

其中，c是转子盘的比热，m是转子盘的重量，L是面间距离，k是转子盘的热导率，S是以转子盘的中心轴为中心的环状的截面的截面积。

3.根据权利要求1所述的涡轮机的设计方法，其特征在于，

上述转子盘具有作为上述涡轮转子的径向内侧的部分的内周部、作为上述涡轮转子的径向外侧的部分的外周部以及位于上述内周部与上述外周部之间的堆叠接合部，

变更上述内周部及上述外周部的面间距离，决定材料变更后的转子盘的形状。

4.根据权利要求3所述的涡轮机的设计方法，其特征在于，

以使材料变更后的上述外周部的面间距离比将材料变更后的上述内周部的上述上游侧及下游侧的面延长至上述外周部时的面间距离长的方式变更上述内周部及上述外周部的面间距离，。

5.根据权利要求1所述的涡轮机的设计方法，其特征在于，

将上述温度上升时间比设为1.0。

6.根据权利要求1所述的涡轮机的设计方法，其特征在于，

在将上述涡轮转子与容纳上述涡轮转子的外壳的内周壁的径向的对置距离设为上述转子盘的间隙时，

基于上述转子盘的温度到达上述第二温度时的材料变更后的上述转子盘的间隙相对于材料变更前的间隙的所希望的比率即间隙比，决定上述温度上升时间比。

7.根据权利要求6所述的涡轮机的设计方法，其特征在于，

上述间隙由下式定义：

D＝α×t，

其中，α是转子盘的线膨胀系数，t是转子盘的温度上升时间。

8.根据权利要求6所述的涡轮机的设计方法，其特征在于，

将上述间隙比设为1.0。

9.一种涡轮机的制造方法，其特征在于，

通过权利要求1所述的设计方法设计涡轮机，制造涡轮机。