(57)【要約】【課題】  内圧や熱伸びによるケーシングの変形の吸収量を増加させることで、内部流体のリークやボルトの曲げ変形を抑制した回転機械を提供する。【解決手段】  上半ケーシング４１と下半ケーシング４２により構成され、その突き合わせ部に設けられたフランジ部１３をボルト６で固定することで一体的に接続されるケーシング４を備えた回転機械において、前記ケーシングから径方向外側に凸形状となるフランジ部の付け根部２０に剛性低減領域を設ける。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の分割体からなり、その突き合わせ部に設けられたフランジ部をボルト固定することで一体的に接続されるケーシングを備えた回転機械において、
前記ケーシングから径方向外側に凸形状となるフランジ部の付け根部に、前記フランジ部の板厚よりも薄い部位を形成したことを特徴とする回転機械。
【請求項２】
複数の分割体からなり、その突き合わせ部に設けられたフランジ部をボルト固定することで一体的に接続されるケーシングを備えた回転機械において、
前記フランジ部の合わせ面側で且つ前記ボルトの締結位置より径方向内側に、前記ケーシングの内側に連通する切り欠き部を設け、
前記ケーシングの板厚をＴ、前記切り欠き部の径方向の深さをＤ１とするとき、
Ｔ＜Ｄ１の関係に前記切り欠き部を形成したことを特徴とする回転機械。
【請求項３】
請求項２に記載の回転機械において、
前記ケーシングの周方向に対する前記切り欠き部の深さをＤ２、前記フランジ部のボルト締結部位の板厚をＸ１、合わせ面側に前記切り欠き部を有するフランジ部の板厚をＸ２とするとき、
Ｘ２＜Ｄ２＜Ｘ１の関係としたことを特徴とする回転機械。
【請求項４】
請求項１に記載の回転機械において、
前記フランジ部の板厚よりも薄い部位は、前記フランジ部の合わせ面側に、前記フランジ部を突き合わせた状態で中空となる切り欠き部が形成されていることを特徴とする回転機械。
【請求項５】
請求項１に記載の回転機械において、
前記フランジ部の板厚よりも薄い部位は、前記フランジ部の外面側に設けられた切り欠き部により形成されていることを特徴とする回転機械。
【請求項６】
請求項１または２に記載の回転機械において、
前記切り欠き部は、前記ケーシングの軸方向に沿って連続的に延伸して形成されていることを特徴とする回転機械。
【請求項７】
請求項１または２に記載の回転機械において、
前記フランジ部の合わせ面側にショットピーニングを施工した領域を有する事を特徴とする回転機械。
【請求項８】
上半ケーシングと下半ケーシングにより構成され、翼及びロータを内包するとともに、前記上半ケーシングと下半ケーシングをボルト締結により連結するフランジ部を有するタービンケーシング構造において、
前記上半及び下半ケーシングの径方向外側に凸形状となるフランジ部の付け根部に、前記フランジ部の板厚よりも薄い部位を形成したことを特徴とするタービンケーシング構造。
【請求項９】
上半ケーシングと下半ケーシングにより構成され、翼及びロータを内包するとともに、前記上半ケーシングと下半ケーシングをボルト締結により連結するフランジ部を有するタービンケーシング構造において、
前記フランジ部の合わせ面側で且つ前記ボルトの締結位置より径方向内側に、前記上半及び下半ケーシングの内側に連通する切り欠き部を設け、
前記上半及び下半ケーシングの板厚をＴ、前記切り欠き部の径方向の深さをＤ１とするとき、
Ｔ＜Ｄ１の関係に前記切り欠き部を形成したことを特徴とするタービンケーシング構造。
【請求項１０】
請求項Ｂに記載の回転機械において、
前記上半及び下半ケーシングの周方向に対する前記切り欠き部の深さをＤ２、前記フランジ部のボルト締結部位の板厚をＸ１、合わせ面側に前記切り欠き部を有するフランジ部の板厚をＸ２とするとき、
Ｘ２＜Ｄ２＜Ｘ１の関係としたことを特徴とする回転機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転機械並びにタービンケーシング構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンや蒸気タービンといった回転機械では、ロータ，翼，静翼といった構成要素がケーシングによって覆われている。一般的に、タービンケーシングは水平面を境として上下に２分割され、そのフランジ部においてボルト及びナットを用いて締結することにより一体的に接続される構造となっている。また、分割構造となっているケーシングでは、タービンの構造，内圧，ケーシングの熱伸び等を考慮し、ボルトに使用する材料および締結本数，位置等が決定される。
【０００３】
なお、タービンケーシングに関する先行技術としては、例えば特許文献１に記載された技術がある。この特許文献１では、タービンケーシングを水平継手面で上半ケーシングと下半ケーシングとに二分割し、上半ケーシングに設けた上半部フランジと、下半ケーシングに設けた下半部フランジのうち、いずれか少なくとも一方のフランジの接続面にボルト孔の表面位置から段差状に切り込み部を形成した蒸気タービンが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３８９０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
タービン運転時には、ケーシングの接続部にあたるフランジに、内圧およびケーシング自身の熱伸びによる負荷が生じる。これにより、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変形が生じる。これらの変形が設計値に対し過大であったり、固定ボルトの強度が低い場合には内部流体のリークやボルトの変形が生じたりする可能性がある。近年、例えばガスタービンの燃焼ガス温度は向上しており、今後はこれら負荷が増加すると考えられる。そのため、より高い信頼性が得られるケーシングの固定構造を適用することが望ましい。
【０００６】
なお、前述の特許文献１では、発生する上半ケーシングまたは下半ケーシングの熱膨張による伸びを前述の切り込み部で吸収させ、この切り込み部で気密を維持することが記載されているが、ケーシングの口開き並びに固定ボルトの曲げ変形の低減という観点において改善の余地がある。
【０００７】
本発明の目的は、内圧や熱伸びによるケーシングの変形の吸収量を増加させることで、内部流体のリークやボルトの曲げ変形を抑制した回転機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明では、複数の分割体からなり、その突き合わせ部に設けられたフランジ部をボルト固定することで一体的に接続されるケーシングを備えた回転機械において、前記ケーシングから径方向外側に凸形状となるフランジ部の付け根部に剛性低減領域を設けている。
【０００９】
上述の剛性低減領域として、前記ケーシングから径方向外側に凸形状となるフランジ部の付け根部にフランジ部の板厚よりも薄い部位を形成する。
【００１０】
より具体的には、前記フランジ部の合わせ面側で且つ前記ボルトの締結位置より径方向内側に、前記ケーシングの内側に連通する切り欠き部を設け、前記ケーシングの板厚をＴ、前記切り欠き部の径方向の深さをＤ１とするとき、Ｔ＜Ｄ１の関係に前記切り欠き部を形成するものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、内圧や熱伸びによるケーシングの変形の吸収量を増加させることで、内部流体のリークやボルトの曲げ変形を抑制した回転機械を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】ケーシングフランジ部においてケーシング内周からフランジ部にかけて切り欠きを設けた、本発明の実施例を示した図。
【図２】一般的なガスタービン構造を示した図。
【図３】一般的なタービンケーシング構造を示した図。
【図４】タービン運転時にケーシングフランジにかかる負荷を説明した図。
【図５】本実施例の効果を検証する解析に用いた解析モデルを示した図。
【図６】本実施例の効果を検証した解析結果を示した図。
【図７】ケーシングのフランジ部の内側接触面に前記円筒の軸方向に連続的な切り欠きを設けたタービンケーシングを示す図。
【図８】ケーシングのフランジ部のボルト座面とケーシング外表面の間に前記円筒の軸方向に連続的な切り欠きを設けたタービンケーシングを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の回転機械は、ガスタービン，蒸気タービンといった高温の作動流体を用いる機器、あるいは発電機に適用することができる。以下では、本発明の適用例としてガスタービンを例に用いて説明する。また、タービンケーシング構造に関して、以下の実施例では上下２分割されたものを例に説明するが、それ以上の複数の分割体によって構成されるものであっても良い。
【００１４】
図２は、一般的なガスタービンの構造断面図を示す。ガスタービンは、大別して圧縮機１、燃焼器２およびタービン３によって構成されている。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する。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する。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。圧縮機１やタービン３は、その構成要素として、回転体であるロータ、ロータ外周に固定される動翼、ケーシング内周面側に取り付けられる静翼などによって構成され、これら翼やロータはケーシング４によって内包される。ガスタービンは、図示しない発電機やポンプといった被駆動機器と軸を介して連結されており、上述の回転動力によって被駆動機器を駆動する。
【００１５】
図３は、タービンケーシングの一般的な構造図を示す。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。図３に示すように、ケーシング４はその水平面となる位置を境に上半ケーシング４１と下半ケーシングに２分割されており、フランジ部１３においてボルト６を用いて一体に締結される。また、上下半に２分割されたケーシング４は、タービンの構造，内圧，ケーシングの熱伸び等を考慮して、ボルトに使用する材料、締結本数、ならびに締結位置等が決定される。
【００１６】
次に、タービン運転時にフランジ部にかかる負荷の状態について、図４を用いて説明する。タービンケーシングには、矢印７の方向に作動流体による内圧、矢印８の方向にケーシング自身の熱伸びによる負荷が生じる。これにより、図示するようにケーシング４には口開き方向の変形９が生じ、またボルト６には曲げ変形１０が生じる。これらの変形が設計値に対し過大、あるいは固定ボルトの強度が十分ではない場合には、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。そのためより高い信頼性が得られるケーシングの固定構造を適用することが望ましい。
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００１８】
図１は、本発明の実施の形態１として、その特徴を最も良く表わしているタービンケーシング構造を示す図である。図示するように、上半ケーシング４１と下半ケーシング４２の合わせ面１１において、ケーシング内周１２からフランジ部１３にかけてフランジ長手方向（軸方向）に連続的な切り欠き１４を設けた事を特徴としている。このように、径方向外側に凸形状となるケーシングフランジの付け根部２０に剛性を低減させる領域を設けることで、内圧や熱変形による負荷および変形を吸収しフランジ部の口開きを抑制するとともにボルトへの負荷を低減することが可能となる。
【００１９】
図１の構造について、より具体的に説明する。上半ケーシング４１と下半ケーシング４２は、その突き合わせ部に設けられたフランジ部１３にボルト６を締結することで両者が一体的に固定される。ここで、本実施例ではフランジ部１３の付け根部２０に設ける剛性低減領域として、フランジ部（ケーシング）の合わせ面１１側で且つボルト６の締結位置より径方向内側（タービンの回転軸側）に、その一方がケーシングの内側に連通する切り欠き部１４を形成している。ここで、ケーシングの板厚をＴ、切り欠き部１４の径方向の深さをＤ１とするとき、両者の関係をＴ＜Ｄ１となるように切り欠き部１４を形成している。また、ケーシング４の周方向に対する切り欠き部の深さ（フランジ部１３の合わせ面１１をロータ軸方向に延長した線からケーシング周方向底面までの距離）をＤ２、フランジ部１３のボルト締結部位の板厚をＸ１、その合わせ面側に切り欠き部が位置するフランジ部の板厚をＸ２とするとき、Ｘ２＜Ｄ２＜Ｘ１の関係に切り欠き部１４を形成している。
【００２０】
この切り欠きの寸法は、適用するタービンの性能等により変化する内圧、変形量を考慮して設定する必要がある。
【００２１】
以下、本実施例の効果について、解析モデルを用いて検証した結果を説明する。
【００２２】
先ず、解析モデルは図５に示す構造を用いている。この解析モデルでは、ケーシングのフランジ部４の一部を切り出し、２本のボルト６でフランジ部４を拘束し、ケーシング４に対して図中の矢印８に示す方向となる口開きの変位を与えた。上述の解析モデルによる解析結果を図６に示す。解析に用いたフランジ形状は、切り欠きを設けていない形状としてケース１（比較例１）、切り欠きがフランジ部に達していない形状をケース２（比較例２）、ケース2の切り欠きをフランジ凸部まで設けた形状をケース３（実施例１）、ケース３の切り欠きに対しボルト軸方向の寸法を約２倍としたケース４（実施例２）とした。
【００２３】
なお、図６の下方部のグラフは、ケーシング外表面とボルト軸中心間の中間部の口開き量、およびボルトに生じた最大応力を示したものである。各値はケース１（切り欠き無し）の結果を用いて無次元化している。
【００２４】
解析の結果より、切り欠きがフランジに達していないケース２は口開き量、ボルト応力共にケース１とほぼ同等であった。それに対し、ケース３ではケーシングの口開き量が約20％、ボルトの応力が約3%低減した。さらに切り欠きを大きく設けたケース4では口開き量約97％、応力は約10％と大きく低減した。このことから、フランジ部に設ける切り欠き部の径方向深さは、ケーシング内周からフランジ部まで到達していること(Ｔ＜Ｄ１の関係）が重要であるといえる。さらに、口開き量の低減との観点においては、ケース４の解析結果が示すように、ケーシング周方向の深さが大きいほど効果が大きいことが分かる（Ｘ２＜Ｄ２＜Ｘ１の関係）。
【００２５】
また、Ｄ１，Ｄ２の大きさは極力大きく設けることが望ましいが、実機で生じる負荷、および変形量からケーシング素材の強度、変形量の許容値等を考慮し決定することが必要である。
【００２６】
図７，図８は、本発明の他の実施の形態を示す図である。図７，図８の実施例は、径方向外側に凸形状となるケーシングフランジの付け根部２０に剛性低減領域を設けた点は図１の実施例と共通する。特徴は、図７の実施例では、フランジ部１３の合わせ面１１側にフランジ部１３を突き合わせた状態で中空となる切り欠き部１４ａを形成した点、図８の実施例ではフランジ部１３の外面側に切り欠き部１４ｂを形成して点である。図７のようにケーシング４の合わせ面のフランジ凸部のみを切り欠き部スを設けたり、図８のようにケーシング外側のフランジ根元部分に切り欠き部を設けることで、ケーシング内部で生じる円筒軸方向への流体のリークを防止できる。これら発明実施の形態においてもフランジ部に剛性低減領域を設けていることから、同様の効果が得られる。
【００２７】
また、前述した各実施例のケーシング構造は、ケーシングの変形を一部で吸収する構造となる。そこで、変形吸収部の疲労強度向上を目的としてショットピーニングやウォータージェットピーニングによる圧縮残留応力の付与、また摩擦撹拌による表面改質等を実施することでより高い信頼性が得られる。  上述の各実施例によれば、ケーシングのフランジ凸部においてボルト固定面よりも薄い領域を設けることで、内圧や熱伸びによるケーシングの変形を同部にて吸収し、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。
【符号の説明】
【００２８】
１  圧縮機
２  燃焼機
３  タービン
４  ケーシング
４１  上半ケーシング
４２  下半ケーシング
６  ボルト
７  内圧
８  熱伸び
９  口開き変形
１０  ボルト曲げ変形
１１  ケーシング合わせ面
１２  ケーシング内周
１３  フランジ部
１４  切り欠き
２０  付け根部
【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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【図７】
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【図８】
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