JP2009036062A - ターボ機械ロータ - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明の目的は、回転体であるロータにおけるナットの偏心によるアンバランスの低減，アンバランス修正時間の削減、およびナットの緩み止めを図ることにある。
【解決手段】
回転体を構成する複数の部品を固定保持する回転体の締結部材において、螺合部がねじ山の設けられた雄ねじ部及びねじ山が存在しない棒状部より構成される締結ボルトと、螺合部がねじ山の設けられた雌ねじ部及びねじ山の存在しない穴状部より構成された前記締結ボルトの螺合部に螺合する締結部品と、前記締結ボルトの棒状部または前記締結部品の穴状部のいずれか一方に少なくとも３つ以上、前記回転体の軸に平行に形成されたキー溝と、前記締結ボルトの棒状部と前記締結ボルトに螺合した前記締結部品の穴状部との間に前記キー溝に嵌入するように挿入されるキーとを備え、前記キー溝はその形成された前記棒状部または前記穴状部の同心円上に等間隔に設けられていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明はガスタービン，圧縮機といった複数のロータ部品を締結ボルトにて固定保持されるターボ機械のロータに関する。

従来一般的に用いられている、複数のロータ部品を締結ボルト・ナットにて固定保持される遠心圧縮機やガスタービン等のターボ機械のロータにおいて、ナットを締結ボルトに締め付ける際、締結ボルト及びナットのねじ山には製作公差が存在するため、ナットが締結ボルトに対し、偏心して螺合される。前述した遠心圧縮機，ガスタービンにおいては、ロータ全体の重量に対するナットの重量の割合が大きいため、ナットの偏心は、ロータ回転時の回転バランスへ顕著な影響を与えてしまう。

遠心圧縮機やガスタービン等のターボ機械においては、ロータ組立ての際に発生したアンバランスを修正するため、ロータをバランスマシンに載せ、ロータの削り加工や、バランスウェイトを取り付けるなどの作業が実施されているが、このアンバランスを精度良く除去するには多大な時間，労力を要している。

複数のロータ部品を締結ボルトにて固定保持されるターボ機械について、ロータのアンバランスを低減する技術として、例えば特許文献１には、ガスタービンロータの残留アンバランス除去方法が提案されている。

しかしながら、特許文献１（ＷＯ ０１／８６１３０Ａ１）は、ロータの組立て時に、ナットを締め付けた際のナットの偏心によるロータアンバランスの修正手段については開示されていない。

次に、ターボ機械の運転中に、締結されたナットに緩みが生じると、固定保持されていたロータ部品が運転中に外れ、機械の振動大、そして破損につながる可能性がある。

ナットの緩み止めに関する技術としては、前述したように、ナットを締め付けた後に、締結ボルトとの間にかしめを実施する、ピンを挿入するなどの方法が一般的に用いられている。

ＷＯ０１／８６１３０Ａ１

前述の複数のロータ部品を締結ボルトにて固定保持されるターボ機械のロータ構造においては、ロータ組立後のアンバランスを精度良く除去する際に多大な時間，労力を要することになる。本発明の目的は、締結ボルトにナット等の締結部品を螺合した際の、締結ボルトと締結部品との偏心に起因するロータアンバランスを簡易に修正できるターボ機械ロータを提供するものである。

上記目的を達成するために、本発明は、ターボ機械ロータにおいて、複数のロータ部品を固定保持する締結ボルト及び締結部品と、前記締結ボルトと前記締結部品とを中心位置合せできるように前記締結ボルトまたは前記締結部品の螺合部に配設された複数のキー溝に挿入される複数のキーとを有するものである。

締結ボルトの螺合部または締結部品の螺合部にキー溝を、キーを挿入して締結ボルトと締結部品とを芯出しできるような位置に配設することで、締結ボルトと締結部品とを螺合した際、キー溝にキーを挿入するだけで簡易に芯出しを行うことができる。また、ピンの代わりにキーの接触力によって緩み止めを図ることができる。かかる構成により締結ボルトに対する締結部材の偏心によるロータのアンバランスを簡易に修正でき、ロータ組立後のアンバランス除去に関する時間を短縮し、労力を低減することが可能となる。

本発明によれば、複数のロータ部品を締結ボルト及びナット等の締結部材にて固定保持されるターボ機械ロータにおいて、締結ボルトに対する締結部材の偏心によるロータのアンバランスを簡易に修正でき、ロータ組立後のアンバランス除去に関する時間を短縮し、労力を低減することが可能となる。

以下図示した実施例に基づいて、本発明を詳細に説明する。

図１に本発明によるターボ機械ロータの締結ボルト，締結部品の構造の一例を示す。この例の場合、締結部品としてナットを用いる。

図１はキー溝をナット側に設けた例である。図１に示した締結ボルト１の螺合部は、図２に示したように、ねじ山の設けられた雄ねじ部Ｌ１とねじ山が存在しない丸棒部Ｌ２より構成される。一方ナット２についても、図３に示すように、ねじ山の設けられた雌ねじ部Ｌ３とねじ山の存在しない丸穴部Ｌ４より螺合部が構成され、丸穴部Ｌ４には同寸法のキー溝３が、４箇所形成されている。このキー溝３の配設間隔は、互いに等間隔とするのが望ましいが、キーを挿入して前記締結ボルトと前記締結部品とを同心上に位置合せできるように配設されていればよい。

締結ボルト１にナット２を螺合して締め付けた後、前述したキー溝３にそれぞれ同寸法のキー４を挿入する。このキー４の形状は、図４に示す平キー又は図５に示した曲面キーが用いられる。図５に示す曲面キーの場合、ボルトとの接触面をボルト外径の曲面と同一形状としている。また図４に示す平キー、図５に示す曲面キーのいずれも、キーをキー溝に対し挿入しやすいようにキー挿入方向に対して勾配部位Ｌ５，Ｌ７が形成されている。Ｌ６，Ｌ８は同一断面部である。

キー４，締結ボルト１、およびナット２は、キー４を挿入後にキー４と締結ボルト１とナット２とがしまりばめとなるような寸法公差にて製作される。キー４と締結ボルト１、キー４とナット２はしまりばめとなっているため、キー４と締結ボルト１、キー４とナット２、の間には接触力が働き、ナットの緩み止めが図られる。図４に示す平キーに比べ図５に示す曲面キーの方が接触状態となる面積が大きくなるため、ナットの緩み止めの効果が大きくなる。

図６は、締結ボルト中心に対し、ナット中心が偏心して止まったナットを締結ボルト中心に合わせる手順の一例を示したものである。図中の矢印はナットの動く方向を示している。

図６−１に示すように最初、ナット２は締結ボルト１の中心に対して偏心して止まっている。偏心方向にあるキー溝３ａはナットの偏心分だけ、隙間が小さくなることになるが、図６−２に示すようにキー溝３ａにキー４ａを挿入する。キー４ａを挿入すると、キー４ａと締結ボルト１、キー４ａとナット２はしまりばめの寸法公差で製作されているため、キー４ａを挿入した半径方向にナット２が動かされる。次に図６−３に示すように、前述のキー溝から９０度ずれた方向のキー溝３ｂにキー４ｂを挿入する。これにより、図６−４に示すように、ナットは前述と９０度ずれた半径方向にも動くことになる。図６−５に示す残りの２つのキー溝３ｃ，３ｄにキー４ｃ，４ｄを挿入することにより、図６−６に示すように、最終的なナットと締結ボルトの中心位置合わせを行う。

前述したキー溝は３箇所としても良い。図７はキー溝が３つの場合における、ナット中心が偏心して止まったナットを締結ボルト中心に合わせる手順の一例を示したものである。図７−１に示すように、最初、ナット２は締結ボルト１の中心に対して偏心して止まっている。偏心方向にあるキー溝３ａはナット２の偏心分だけ、隙間が小さくなることになるが、図７−２に示すように、キー溝３ａにキー４ａを挿入する。キー４ａを挿入すると、キー４ａと締結ボルト１、キー４ａとナット２はしまりばめの寸法公差で製作されているため、キー４ａを挿入した半径方向にナット２が動かされる。次に図７−３に示す前述のキー溝３ａから１２０度ずれた方向のキー溝３ｂにキー４ｂを挿入する。これにより、図７−４に示すように、ナット２は前述と１２０度ずれた半径方向にも動くことになる。
図７−５に示す、残りの１つキー溝３ｃにキー４ｃを挿入することにより、図７−６に示すように、最終的なナットと締結ボルトの中心位置合わせを行う。

図１に示した締結ボルト１，ナット２を分解する場合は、図２に示したボルトに設けられた丸棒部の径Ｄ１及び図３に示したナットに設けられた丸穴部の径Ｄ２により形成される隙間５にペンチ等の工具を入れ、挿入されたキー４を引き出し、締結ボルト１，ナット２を分解すればよい。締結ボルト１，ナット２の寸法が比較的小さく、隙間５が小さい場合は、ナット２に設けられた丸穴部の径Ｄ２をボルトに設けられた丸棒部の径Ｄ１よりも比較的大きくすることにより、隙間５を確保しておけば良い。また、図１に示した実施例において、隙間５が小さい場合は、図８に示すようにナット側に、キー溝を構成する面のうちキー溝の丸棒部Ｌ２と対面する面の両側の二面６ａ，６ｂと挿入時のキーとの間に間隙を有するよう、長さＬ９の溝部を形成しておき、工具を入れるスペースを確保すればよい。

本実施例によれば、ターボ機械ロータの締結ボルト，ナット等の締結部品において締結部品のキー溝にキーを挿入することでナットと締結ボルトの中心位置合わせを行うことができる。キーを挿入する作業のみで位置合せできるので、調整工程を簡略化できる。締結ボルトに対する締結部材の偏心によるロータのアンバランスを低減し、ロータ組立後のアンバランス除去に関する時間を短縮し、労力を低減することが可能となる。

次にキー溝を締結ボルト側に設けた実施例を説明する。図１０に示すように締結ボルト７はねじ山の設けられた雄ねじ部Ｌ１０とねじ山が存在しない丸棒部Ｌ１１より螺合部が構成され、丸棒部Ｌ１１に同寸法のキー溝９が４箇所形成されている。このキー溝９の配置間隔は、等間隔とするのが望ましいが、￥キーを挿入して前記締結ボルトと前記締結部品とを同心上に位置合せできるように配設されていれば良い。一方、図１１に示したようにナット８についても、ねじ山の設けられた雌ねじ部Ｌ１２とねじ山の存在しない丸穴部Ｌ１３より螺合部が構成される。

図９に示したように、締結ボルト７にナット８を螺合して締め付けた後、上述したキー溝９にそれぞれ同寸法のキー１０を挿入する。キー１０と締結ボルト７、キー１０とナット８の間には接触力が働き、ナットの緩み止め効果が得られる。

キーの形状は図４に示す平キー又は図１２に示す曲面キーである。図１２に示す曲面キーの場合、ナットとの接触面をナット内径の曲面と同一形状とし、キー挿入方向に対して勾配部位Ｌ１４が設けられている。また、キー１０，締結ボルト７，ナット８は、キー１０を挿入後にキー１０と締結ボルト７、キー１０とナット８がしまりばめとなるような寸法公差にて製作される。

キー１０と締結ボルト７、キー１０とナット８はしまりばめとなっているため、キー１０と締結ボルト７、キー１０とナット８の間には接触力が働き、ナットの緩み止めが図られる。図４に示す平キーに比べ図１２に示す曲面キーの方が、接触状態となる面積が大きくなるため、ナットの緩み止めの効果が大きくなる。

図９の実施例において、締結ボルト中心に対し、ナット中心が偏心して止まったナットを締結ボルト中心に合わせる手順は、前述した図６，図７に示した方法が適用できる。

本実施例においても、ターボ機械ロータの締結ボルト，ナット等の締結部品において締結部品のキー溝にキーを挿入することでナットと締結ボルトの中心位置合わせを行うことができる。キーを挿入する作業のみで位置合せできるので、調整工程を簡略化できる。締結ボルトに対する締結部材の偏心によるロータのアンバランスを低減し、ロータ組立後のアンバランス除去に関する時間を短縮し、労力を低減することが可能となる。

次に本発明の締結ボルト及び締結部品を、ターボ機械の一例として遠心圧縮機のロータに適用した実施例を説明する。

まず図１３にて遠心圧縮機のロータ構造を説明する。遠心圧縮機のロータはロータ全体を支えるためのカウンタウェイトロータ１２，圧縮機ロータ１３，ロータ同士を締結する締結ボルト１４，ナット１５から主に構成されており、これらの部品が同一軸上に一体で結合されている。また、締結ボルト１４の先端には作動流体１６をスムーズに流すため、キャップ１７が設けられている。締結ボルト１４は一方をカウンタウェイトロータ１２にねじ込み、他方にてナット１５を圧縮機ロータ端面で締め付けることによりロータ全体を結合する。カウンタウェイトロータ１２と圧縮機ロータ１３は互いに嵌め合いするインロー部１８が設けられておりインロー部１８の嵌め合い公差により、カウンタウェイトロータと圧縮機ロータの芯が出される。締結ボルト１４には段付部１９が設けられており、段付部１９と圧縮機ロータ１３との嵌め合い公差により締結ボルト１４と圧縮機ロータ１３との芯が出され、カウンタウェイトロータ１２，圧縮機ロータ１３，締結ボルト１４の３つが一体で芯が出されることになる。ナット１５と圧縮機ロータ１３の間にはワッシャ２０が挿入され、ワッシャ２０の先端をナット１５側，圧縮機ロータ１３側に折り曲げることにより、ナット１５の緩み止めが図られている。キャップ１７については、締結ボルト先端部２１をかしめることにより、緩み止めが図られる。

図１４は、ナット１５及びキャップ１７側にキー溝を設けた事例であり、図１５は締結ボルト１４側にキー溝を設けたものである。キャップ１７部の構造についても図１，図９に示した構造と同様の構造が用いられる。すなわち、キー溝をキャップ１７側に設けてもよいし、締結ボルト１４側に設けてもよい。

図１６は、キー溝をキャップ側に設けた場合のキャップ構造を示しており、ねじ山の設けられた雌ねじ部Ｌ１６とねじ山の存在しない丸穴部Ｌ１７より構成され、丸穴部Ｌ１７にはキー溝２６が形成されている。図１７は、キー溝を締結ボルト側に設けた場合のキャップ構造を示しており、ねじ山の設けられた雌ねじ部Ｌ１８とねじ山の存在しない丸穴部Ｌ１９より構成される。また、図６，図７に示したようにキー及びキー溝の数は４つでも良いし、３つでも良い。

締結ボルト１４，ナット１５，キャップ１７によりロータ全体を結合した後、締結ボルト１４，ナット１５，キャップ１７に設けられたキー溝にキーを挿入することにより、カウンタウェイトロータ１２，圧縮機ロータ１３，締結ボルト１４，ナット１５，キャップ１７が全て一体で芯出しされ、ナット１５及びキャップ１７の偏心に関わるロータのアンバランスを低減することが可能となる。キーを挿入する作業のみで位置合せできるので、調整工程を簡略化でき、ロータ組立後のアンバランス除去に関する時間を短縮し、労力を低減することが可能となる。

次にターボ機械のもう１つの例として図１８に示すようなガスタービンに本発明を適用した例を説明する。

図１８に記載のガスタービンは、大気より吸気した空気２７を圧縮する圧縮機２８と、圧縮機２８で圧縮した圧縮空気を燃料２９と混合して燃焼ガスを生成する燃焼器３０と、圧縮機２８とロータ３３で連結され、燃焼ガスで軸動力を得るタービン３１と、タービンの軸動力を軸３４により伝えて発電する発電機３２とを備えている。

図１９にて図１８に記載されたガスタービンのロータ構造について更に詳しく説明する。図１９は主に中・小容量のガスタービンに用いられるロータ構造である。ガスタービンロータは、前側ロータ３５，圧縮機ロータ３６，３７，中間ロータ３８，タービンロータ３９，４０，締結ボルト４１，ナット４２，４３により主に構成されており、これらの部品が同一軸上に一体で構成されている。前側ロータ３５，圧縮機ロータ３６，３７，中間ロータ３８，タービンロータ３９，４０間にはギヤカップリング４４，４５，４６，４７，４８が設けられており各ロータ間をギヤで噛み合わせ、前側ロータ３５，タービンロータ４０において締結ボルト４１，ナット４２，４３を締め付けることによりロータ全体を結合する。締結ボルト４１には段付部４９，５０，５１，５２，５３，５４が設けられており、各ロータ間との嵌め合い公差により各ロータとの芯出しがなされる。ナット４２と前側ロータ３５，ナット４３とタービンロータ４０間には、ピン５５，５６が挿入され、ナットの緩み止めが図られている。

図２０はガスタービンのロータに本願発明を適用した図である。図２０では締結ボルト４１の前側ロータ３５側と、タービンロータ４０側のナット４３にキー溝を設け、それぞれにキー５７，５８を挿入しているが、キー溝はナット４２に設けても良いし、タービンロータ４０側の締結ボルト４１に設けても良い。また、図６，図７に示したようにキー及びキー溝の数は４つでも良いし、３つでも良い。締結ボルト４１，ナット４２，４３によりロータ全体を結合した後、締結ボルト４１，ナット４２，４３部にキーを挿入することにより、前側ロータ３５，圧縮機ロータ３６，３７，中間ロータ３８，タービンロータ３９，４０，締結ボルト４１，ナット４２，４３が全て一体で芯出しされ、ナット４２，４３の偏心に関わるロータのアンバランスを低減することが可能となる。これにより、キーを挿入する作業のみで位置合せできるので、調整工程を簡略化できる。よって、ロータの組立て時間を短縮でき、信頼性の高いガスタービンを提供することができる。

尚、図２１に示したような遠心圧縮機に図１４または図１５に記載の実施例である遠心圧縮機ロータを適用することで振動の少ない安定性の高い遠心圧縮機を提供することができる。

また、本発明の締結部材は、遠心圧縮機やガスタービンのロータのみならず、複数の回転体部品から構成される回転体であれば、適用可能である。

締結ボルト，ナット締付構造（キー溝がナット側にある場合）を表す概略図。 締結ボルト（キー溝がナット側にある場合）の側面図および正面図。 ナット（キー溝がナット側にある場合）の側面断面図および正面図。 キー（平キー）の斜視図。 キー（曲面キー）の斜視図。 キー挿入手順（キー溝が４つの場合）の説明図。 キー挿入手順（キー溝が３つの場合）の説明図。 ナット（キー溝がナット側にある場合、溝追加）の側面断面図および正面図。 締結ボルト，ナット締付構造（キー溝が締結ボルト側にある場合）を表す概略図。 締結ボルト（キー溝が締結ボルト側にある場合）の側面図および正面図。 ナット（キー溝が締結ボルト側にある場合）の側面断面図および正面図。 キー（曲面キー）の斜視図。 遠心圧縮機ロータ構造図（従来技術）。 遠心圧縮機ロータ構造（本発明、キー溝がナット側にある場合）を示す側面図。 遠心圧縮機ロータ構造（本発明、キー溝が締結ボルト側にある場合）を示す側面図。 キャップ（キー溝がナット側にある場合）の側面図および正面図。 キャップ（キー溝が締結ボルト側にある場合）の側面図および正面図。 この発明が適用されるガスタービンの略図。 ガスタービンロータ構造図（従来技術）。 ガスタービンロータの構造（本発明）を示す概略図。 遠心圧縮機の略図。

符号の説明

１，７，１４，４１ 締結ボルト
２，８，１５，４２，４３ ナット
３，９，２６ キー溝
４，１０，２２，２３，２４，２５ キー
１２ カウンタウェイトロータ
１３ 圧縮機ロータ
１７ キャップ
１８ インロー部
１９ 段付部
２８ 圧縮機
３０ 燃焼器
３１ タービン
３２ 発電機
３３ ロータ

Claims (9)

1. 複数のロータ部品を固定保持する締結ボルト及び締結部品と、
   前記締結ボルトと前記締結部品とを中心位置合せできるように前記締結ボルトまたは前記締結部品の螺合部に配設された複数のキー溝に挿入される複数のキーと、
   を有することを特徴とするターボ機械ロータ。
2. 請求項１に記載のターボ機械ロータであって、
   前記締結ボルトは、ねじ山の設けられた雄ねじ部及びねじ山が存在しない丸棒部から構成される螺合部を有し、
   前記締結部品は、ねじ山の設けられた雌ねじ部及びねじ山の存在しない丸穴部から構成された前記締結ボルトの螺合部に螺合する螺合部を有し、
   前記締結ボルトの丸棒部または前記締結部品の丸穴部のいずれか一方に、前記キー溝を有することを特徴とするターボ機械ロータ。
3. 請求項１，２に記載のターボ機械ロータであって、
   前記キー溝は、３つ以上であって、互いに等間隔に配設されていることを特徴とするターボ機械ロータ。
4. 請求項１乃至３に記載のターボ機械ロータであって、
   前記キーは、キーの挿入方向に勾配部位を有する平キーまたは曲面キーであることを特徴とするターボ機械ロータ。
5. 請求項１乃至４に記載のターボ機械ロータであって、
   前記キーと前記締結ボルト及び前記キーと前記締結部品が締まりばめとなるような寸法公差にて前記キーと前記締結ボルトと前記締結部品とが形成されていることを特徴とするターボ機械ロータ。
6. 請求項２に記載のターボ機械ロータであって、
   前記締結部品の丸穴部に前記キー溝を有し、
   該丸穴部は、前記キー溝を形成する面のうち、前記棒状部と対面する面の両側の二面と挿入された前記キーとの間に間隙を形成する溝部を有していることを特徴とするターボ機械ロータ。
7. 吸気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された圧縮空気と燃料とを燃焼させる燃焼器と、該燃焼器で生成された燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前側ロータ，前記圧縮機を構成する圧縮機ロータ，中間ロータ，前記タービンを構成するタービンロータを締結ボルトおよびナットにて固定保持して構成されるガスタービンロータとを有するガスタービンにおいて、
   前記締結ボルトは、ねじ山の設けられた雄ねじ部及びねじ山が存在しない丸棒部より構成される螺合部を有し、
   前記ナットは、ねじ山の設けられた雌ねじ部及びねじ山の存在しない丸穴部より構成された前記締結ボルトの螺合部に螺合する螺合部を有し、
   前記締結ボルトと前記ナットとを中心位置合せできるように前記締結ボルトの丸棒部または前記ナットの丸穴部に配設された複数のキー溝に挿入される複数のキーと、
   を有することを特徴とするガスタービン。
8. カウンタウェイトロータ及び圧縮機ロータが、締結ボルト，ナットおよびキャップにて固定保持されて構成される遠心圧縮機ロータと、この遠心圧縮機ロータを収容するケーシングとを有する遠心圧縮機において、
   前記カウンタウェイトおよび圧縮機ロータは互いに嵌合して芯出しするインロー部を有し、
   前記締結ボルトは、前記カウンタウェイトロータに螺挿する一端と、前記圧縮機と互いに嵌合して芯出しする段付部と、前記ナットが螺合する螺合部と、キャップが螺合する螺合部が形成された一端とを有し
   前記締結ボルトの螺合部は、ねじ山の設けられた雄ねじ部及びねじ山が存在しない丸棒部を有し、
   前記ナットおよびキャップの螺合部は、ねじ山の設けられた雌ねじ部及びねじ山の存在しない丸穴部を有し、
   前記ナットおよびキャップの丸穴部または前記締結ボルトの丸棒部のいずれか一方は、キーを挿入して前記締結ボルトと中心位置合せできるように配設された複数のキー溝を有し、
   該キー溝に挿入されるキーを有することを特徴とする遠心圧縮機。
9. 複数のロータ部品を締結ボルト及び締結部品にて固定保持して構成されるターボ機械ロータのアンバランス修正方法であって、
   前記締結ボルトまたは前記締結部品の螺合部の何れか一方に配設された複数のキー溝にキーを挿入し、前記締結ボルトと該締結ボルトに螺合する前記締結部品との偏心量を調整することを特徴とするターボ機械ロータのアンバランス修正方法。

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