(57)【要約】【課題】  内部流体のリークやボルトの変形を効果的に抑制することができ、より高い信頼性が得られるケーシングのフランジ部の固定構造を備えるケーシングを提供する。【解決手段】  内圧が加わるケーシングであって、複数の部材をフランジを用いて結合して構成されたケーシングにおいて、フランジ合わせ面を段違いの合わせ面（１１ａ、１１ｂ）として構成し、段違いの合わせ面に垂直な方向のボルト（１５）によりフランジを締結すると共に、段違いの合わせ面（１１ａ、１１ｂ）を結ぶ段違いの合わせ面と交差する方向の交差方向合わせ面（１７）を交差方向合わせ面に垂直な方向のボルト（１６）により拘束する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内圧が加わるケーシングであって、複数の部材をフランジを用いて結合して構成されたケーシングにおいて、
フランジ合わせ面を段違いの合わせ面として構成し、
前記段違いの合わせ面に垂直な方向のボルトにより前記フランジを締結すると共に、
前記段違いの合わせ面の二つの面を結び、かつ、前記段違いの合わせ面と交差する方向の交差方向合わせ面を前記交差方向合わせ面に垂直な方向のボルトまたはピンにより拘束するようにしたことを特徴とするケーシング。
【請求項２】
動翼および静翼と、前記動翼および静翼を内包する上半ケーシングおよび下半ケーシング備えるタービンにおいて、
前記上半ケーシングと下半ケーシングの接続部であるフランジに対し、どちらか一方のフランジ内周部に切欠きを設け、他方のフランジを前記切欠きとの嵌合構造とすることにより、前記フランジの合わせ面として水平方向の合わせ面と垂直方向の合わせ面が形成されるようにし、
前記水平方向の合わせ面と前記垂直方向の合わせ面をそれぞれ異なる方向から拘束するようにしたことを特徴とするタービン。
【請求項３】
請求項２に記載のタービンにおいて、
前記水平方向の合わせ面と前記垂直方向の合わせ面をそれぞれの合わせ面に垂直な方向のボルトにより拘束するようにしたことを特徴とするタービン。
【請求項４】
請求項２に記載のタービンにおいて、
前記水平方向の合わせ面を該水平方向の合わせ面に垂直な方向のボルトにより拘束し、前記垂直方向の合わせ面を該垂直方向の合わせ面に垂直な方向のピンにより拘束するようにしたことを特徴とするタービン。
【請求項５】
請求項４に記載のタービンにおいて、
前記ピンは矩形の断面を持つピンであることを特徴とするタービン。
【請求項６】
上半ケーシングと下半ケーシングとに２分割されたケーシングのフランジをボルト締結することにより一体化するガスタービンのケーシングにおいて、
前記上半ケーシングと前記下半ケーシングの各フランジの接触面は、前記ケーシングの外側に隣接する第１の水平面と、前記ケーシングの内側に隣接する第２の水平面と、一方が前記第１の水平面、他方が前記第２の水平面と連続する直交面とを有し、
前記上半ケーシングと前記下半ケーシングは、前記第１の水平面を貫通する位置に形成された複数のボルト穴のそれぞれにボルトを挿入してボルト締結するとともに、前記ボルト穴と直交方向で且つ各ボルト穴の間に配置されるとともに、前記直交面を貫通する位置に形成された複数のボルト孔またはピン孔のそれぞれにボルトを螺合またはピンを挿入するように構成されたことを特徴とするガスタービンのケーシング。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ケーシング及びタービンに係り、特に、タービンの構成要素であるケーシングの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
タービンのケーシングは、例えば、特許文献１に記載のように、上半ケーシングと下半ケーシングをフランジ部においてボルトおよびナットを用いて締結して構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開2013-177891号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１を含めてこれまでの上半ケーシングと下半ケーシングとをフランジ部において締結する構造では、フランジ部を上下に貫通するボルトを用いて締結している。タービンケーシングにおいては、タービン運転時に、内圧やケーシング自身の熱伸びによる変形が生じ、ケーシングには口開き方向の変形が生じ、またボルトには曲げ負荷が生じる。本発明者等の検討によれば、これら変形が設計値に対し過大であったり、ボルトの強度が低い場合、内部流体のリークやボルトの変形が生じる可能性がある。近年ガスタービンの燃焼ガス温度および内圧は向上しており、今後はこれら負荷が増加すると考えられる。
【０００５】
本発明の目的は、内部流体のリークやボルトの変形を効果的に抑制することができ、より高い信頼性が得られるケーシングのフランジ部の固定構造を備えるケーシング及びタービンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記目的を達成するため、特許請求の範囲の構成を用いるものである。例えば、本発明のケーシングは、内圧が加わるケーシングであって、複数の部材をフランジを用いて結合して構成されたケーシングにおいて、フランジ合わせ面を段違いの合わせ面として構成し、段違いの合わせ面に垂直な方向のボルトによりフランジを締結すると共に、段違いの合わせ面を結ぶ段違いの合わせ面と交差する方向の交差方向合わせ面を交差方向合わせ面に垂直な方向のボルトにより拘束するようにしたものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、内部流体のリークやボルトの変形を効果的に抑制することができ、より高い信頼性が得られるケーシング及びタービンを得ることができる。  
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施例を示す図であり、上半および下半ケーシングの接続部であるフランジに対し異なる２方向からフランジ合わせ面を拘束した例を示す断面図。
【図２】図１に示す実施例の立体図。
【図３】本発明が適用されるガスタービン構造を示す断面図。
【図４】一般的なタービンケーシング構造を示す図。
【図５】タービン運転時にケーシングのフランジにかかる負荷を説明する図。
【図６】本発明の他の一実施例を示す図であり、上半および下半ケーシングの接続部であるフランジに対し垂直ボルトおよび水平ピンを用いてフランジ合わせ面を拘束した例を示す立体図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。  
先ず、本発明が適用されるガスタービンの一般的な構造を説明する。図３はガスタービンの一般的な構造断面図を示す。ガスタービンは大きく分けて圧縮機１、燃焼器２およびタービン３から構成されている。圧縮機１は大気から吸い込んだ空気を作動流体として断熱圧縮し、燃焼器２は圧縮機１から供給された圧縮空気に燃料を混合し燃焼することで高温高圧のガスを生成し、そしてタービン３は燃焼器２から導入した燃焼ガスの膨張の際に回転動力を発生する。タービン３からの排気は大気中に放出される。ガスタービン構造部材はケーシング４によって覆われている。圧縮機１及びタービン３は、ロータに固定された動翼、ケーシング側に固定された静翼、および動翼および静翼を内包するケーシングから構成される回転機械である。
【００１０】
次に、本発明のケーシングを詳細に説明する前に、本発明に至った背景について説明する。図４はタービンのケーシングフランジに関して一般的な構造を示す。タービンのケーシングは一般的に複数の部材を組み合わせて構成される。例えば、ケーシング構成部材５は上半ケーシングと下半ケーシングとで構成され、これらのケーシング構成部材の接続は長手方向や周方向に設けたフランジ部においてボルトおよびナットからなる締結具６を用いて締結される。締結具６は、タービンの構造、内圧、ケーシングの熱伸び等を考慮し、使用する材料および締結本数・位置等が決定される。
【００１１】
このように構成されたケーシングの接続部にあたるフランジのタービン運転時に生じる負荷を図５に示す。タービンケーシングには、内圧７およびケーシング自身の熱伸び８による変形が生じる。これにより、図５に示すようにケーシングには口開き方向の変形９が生じ、また締結具６のボルトには曲げ負荷１０が生じる。これら変形が設計値に対し過大であったり、ボルトの強度が低い場合、内部流体のリークやボルトの変形が生じる可能性がある。既述したように、近年ガスタービンの燃焼ガス温度および内圧は向上しており、今後はこれら負荷が増加すると考えられる。
【００１２】
そこで、本発明では、例えば、対向するフランジの一方（上半または下半ケーシングのフランジの一方）に切欠きを設け、かつ、フランジの他方を該切欠きに嵌るように形成して両者を嵌合構造することにより、フランジ合わせ面（フランジ接触面）を段違いの合わせ面として構成する。段違いの合わせ面を形成すると、段違いの合わせ面を結ぶ段違いの合わせ面と交差する方向の交差方向合わせ面が形成される。すなわち、フランジ合わせ面として二つの方向の合わせ面が形成される。そして、これらの二つの方向の合わせ面について２方向から固定を行う。すなわち、段違いの合わせ面と直交する方向のボルトによりフランジを締結すると共に、交差方向合わせ面を交差方向合わせ面に垂直な方向のボルトにより締結するようにしたものである。
【００１３】
言い換えれば、本発明では、例えば、ケーシングのフランジ部において、上半または下半ケーシングのフランジの一方に切欠きを設け両者を嵌合構造として、従来のフランジ合わせ面水平部に加えて、フランジ合わせ面垂直部を形成し、そして、フランジ凸部に対し垂直な従来のボルトに加え、水平方向ボルトを用いて２方向から固定を行うようにしたものである。
【００１４】
これらにより本発明では、ケーシングのフランジ部に生じる口開き変形を抑制し、ボルトへの負荷を低減するとともに、フランジ部の面圧を維持できるため、内部流体のリークを抑制することができる。また１２Ｃｒ鋼やニッケル基超合金など高温高強度鋼をボルト材に用いることで、ケーシング温度が高温となる環境での使用にも耐えうる構造とすることが可能である。
【００１５】
図１および図２に用いて本発明の実施例１を詳細に説明する。  
図１は、タービンケーシングのフランジ部の構造示す図である。図１に示すように、フランジ合わせ面水平部１１において、一方のフランジにケーシング内周部１２からフランジ凸部１３にかけてフランジ長手方向に連続的な切欠き１４を設け、他方のフランジを切欠き１４に嵌合する構造とする。これにより、フランジ合わせ面水平部１１は二つの水平部（段違い合わせ面）が形成される。すなわち、フランジ凸部側の水平部（一方の段違い合わせ面；ケーシングの外側に隣接する第１の水平面）１１ａとケーシング内周側の水平部（他方の段違い合わせ面；ケーシングの内側に隣接する第２の水平面）１１ｂが形成される。本実施例では、これらの二つの水平部１１ａ，１１ｂは略平行な関係にある。そして、この二つの水平部（段違い合わせ面）１１ａ，１１ｂの間にはフランジ合わせ面水平部１１と交差する方向の合わせ面（交差方向合わせ面）が形成される。本実施例では、フランジ合わせ面水平部１１と直交する方向の合わせ面を持つフランジ合わせ面垂直部（直交面）１７が形成されている。すなわち、本実施例では、フランジ面は、水平部１１ａ，１１ｂからなるフランジ合わせ面水平部１１とフランジ合わせ面垂直部１７から構成されている。そして、本実施例では、垂直軸方向ボルト（段違いの合わせ面と直交する方向のボルト）１５および水平方向ボルト（交差方向合わせ面に垂直な方向のボルト）１６を用いて２方向からフランジ面を拘束するようにしている。すなわち、フランジ合わせ面水平部１１については、従来と同様に、垂直軸方向ボルト１５を用いて拘束し、フランジ合わせ面垂直部１７については、水平方向ボルト１６を用いて拘束している。なお、垂直軸方向ボルト１５と水平方向ボルト１６は交互に位置するよう配置されている。
【００１６】
このように上半および下半ケーシングの接続部であるフランジに対し異なる２方向から、合わせ面を拘束することで、内圧や熱伸びによるケーシングの変形を拘束し、内部流体のリーク、ボルトの曲げ変形等を抑制することが期待できる。すなわち、ケーシングのフランジを２方向から拘束することで、フランジ合わせ面垂直部１７およびフランジ合わせ面水平部１１の２か所で内部流体をシールすることができ、リークが生じる可能性を低減できる。さらに、水平方向ボルト１６により内圧や熱変形による垂直方向の口開き変形を効果的に抑制することが可能となる。
【００１７】
なお、ケーシング口開きによる負荷を受ける観点から、水平方向ボルト１６の径は極力大きいことが望ましい。具体的には、ボルトの径およびフランジ切欠き１４の寸法は適用するタービンの内圧や変形量を考慮して設定される。
【００１８】
また、ケーシング口開きの抑制という観点からは、水平方向ボルト１６によりフランジ合わせ面垂直部１７を拘束すること（フランジ合わせ面垂直部１７に対して垂直方向の拘束を水平方向ボルト１６により行うこと）は必須ではない。すなわち、フランジ面として、従来のフランジ合わせ面水平部１１に加えてフランジ合わせ面垂直部１７を設け、このフランジ合わせ面垂直部１７を貫通する部材（後述の水平方向ピンなど）を設けることにより、ケーシング口開き方向の変形を抑制することができる。その結果、フランジ合わせ面水平部１１を拘束する垂直軸方向ボルト１５には過大な曲げ負荷が加わることを抑制することができる。そして、垂直軸方向ボルト１５によりフランジ合わせ面水平部１１をおけるシールを確実なものとすることができる。なお、フランジ合わせ面垂直部１７に対して垂直方向のフランジ合わせ面垂直部１７の移動規制は垂直軸方向ボルト１５が担うようになっている。
【００１９】
フランジ合わせ面垂直部１７を貫通する部材の具体的な構成としては、水平方向ボルト１６に代えて水平方向ピンを用いる。水平方向ボルト１６の代わりに荷重を受ける水平方向ピンを用いることで、ボルトがケーシングから負荷を受け変形が生じた際に起こる可能性があるボルトのかじりを回避することができる。
【００２０】
また、フランジ合わせ面垂直部１７を貫通する部材の具体的な構成の他の例として、図６に示すように、断面形状が長方形（矩形）の水平方向ピン１８を用いる。断面形状が長方形の水平方向ピン１８を用いることにより、ケーシング変形により生じる負荷に対する強度を向上させることができる。
【００２１】
ただし、水平方向ボルト１６を水平方向ピンに変更する際は、水平方向ピンの周囲からのリークを抑制するため、使用環境に適したシール材（耐熱性のシール材）を用いることが望ましい。
【００２２】
また、本発明の適用範囲（適用場所）は、コスト・施工時間を考慮し、より面圧が低下しやすい圧縮機の後段側やタービン部、また十字フランジ構造となっている位置の周辺のみに適用することもできる。
【００２３】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加，削除，置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００２４】
１  圧縮機
２  燃焼器
３  タービン
４  ケーシング
５  ケーシング構成部材
６  締結具（固定ボルト・ナット）
７  内圧
８  熱伸び
９  口開き変形
１０  ボルト曲げ負荷
１１，１１ａ，１１ｂ  フランジ合わせ面水平部（段違い合わせ面）
１２  フランジ内周部
１３  フランジ凸部
１４  切欠き
１５  垂直軸方向ボルト
１６  水平方向ボルト
１７  フランジ合わせ面垂直部（交差方向合わせ面）
１８  水平方向ピン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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