JPH04505957A - 流体密封継手 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 流体密封継手 本発明は、タービン機械ケーシングまたは配管部分のような、中室製品の軸線方 向に継続する構成部分の間の、流体密封ボルト止め継手に関する。

ケーシング、ダクトまたはパイプのようなほぼ円筒形製品の継続する構成部分を 流体密封態様に結合することかしばしば産業上の要求である０例えはガスタービ ンエンジンのようなタービン機械の構成において、構造ゲージングは、回転部品 を囲んで、流体流路の境界を与えるように要求される。パイプなどの軸線方向に 継続する構成部分の間の継手を得るのに最も広く用いられる装置の一つは、適切 に密封された継手を画成するように面と面をボルト結合されるフランジリングを それらの端に設けることである。フランシリングは通常、製品本体から外方に突 き出る。

ボルト止めされるフランジ付き継手が流体密封性であることを保証する一般的。

な産業上の実務は、継手の対面するフランジの間に、ガスゲット、０リングまた は継ぎ目側のような別の密封要素を用いることである。しかし、密封要素の材料 寿命、または組立て公差と整備性に与える悪影響のような様々な要因のために、 ガスタービン航空エンジンのケーシングに開通して、そのような手段が採られな い。

その結果、ゲージングの継続する部分をつなぎ合わせるための一般的な航空エン ジン実務は、ゲージングの縦軸線に直角に継手面か切削される金属対金属の継手 をフランジの間に与えることであった。しかし、そのような継手を流体密封性に するのは困難なことかある。

圧力容器壁のそのようなボルト止めフランジ付き継手に用いられる設計戦略は、 航空エンジンと興なり、突き合せのフランジリングの継手面に、その内径の個所 に、小さな円環形密封ランドを設けることである。こうすれは、継手におけるボ ルトの閉止荷重がフランジ面の全範囲でなく密封ランドの小区域に集中するので 、流体の外漏れに対する密封が良くなる。フランジが厚く、従って非常に強固で あれば、これは巧くゆくか、航空エンジンに使用される、よりきゃしゃな軽量フ ランジには、ボルトを十分に締めた時にフランジのひずみのなめにボルトに曲げ 応力か導入されるので、良くない。

本発明の具体的な目的は、航空エンジンその他のタービン機械のケーシングのた めの、軽量のボルト止めフランジ付き継手の改良された金属対金属の密封を与え ることである。

より一般的な目的は、継手を流体密封性にするために、別の密封要素を必要とし ない、フランジ付き継手を与えることである。

よって、本発明は、中空製品の軸線方向に継続する構成部品の間の流体密封性円 環形継手のためのフランシリングを与え、該フランジリングは：（ａ）　フラン ジ継手面； （ｂ）　フランジ後面； （ｃ）　フランジ後面に隣接する最大厚から、構成部品の壁厚にほぼ等しい最小 厚まで減する壁厚を有する、中空製品の構成部品の一つにフランシリングを結合 するハブ部分： （ｄ）　フランジの継手面を対面する補合継手面に密封係合するように引き込ん で、流体密封性円環形継手を形成させる、締め付は装置の位置決めのための複数 の等角度間隔の位置決め特性： を含み、 製作されるままの無応力状態のフランジ継手面は比較的狭く半径方向に配設され る密封平坦部を有し、フランジ継手面の残りは、半径方向にＣｏの角度で傾斜し て、かどにおいて１８０−Ｃ’の内角で密封平坦部につながる切頭円錐表面を含 み、フランジ継手面の密封平坦部の幅と位置は、製品の製作公差か補合継手面と の密封係合を妨げることなく、また継手の軸線方向荷重か組立てられた製品の許 容し得ない曲げまたはざくつを生ずることのないように決められ、フランジ後面 は切頭円錐形表面に平行であり、フランジリングのこわさは、締付は装置を過度 に変形させることなく所定の流体圧を密封するのに十分な線反力を密封平坦部に 発生するだけの力で締付は装置によって、少なくとも密封平坦部を、さらに望ま しくは切頭円錐形表面を、補合継手面との接触に引き込むことができる程度であ る。

便宜上、そのようなフランジリングを以後、「円錐形フランシリング」と称する 。

密封平坦部の幅は、望ましくはハブ部分の壁厚と少くとも部分的に共通延在する が、ハブ部分の最小壁厚の約４分の３を越えるべきでない、密封平坦部の望まし い幅はハブ部分の最小壁厚の約２分の１である。

円錐形フランシリングは、外方に突き出て外側継手を形成するか、または内方に 突き出て内側継手を形成するか、のいずれかであることができる、前者の場合、 密封平坦部はフランジ継手面の半径方向内周にあることが望ましく、後者の場合 、密封平坦部はフランジ継手面の半径方向外周にあることが望ましい、外方に突 き出る円錐形フランジリングでは、ハブ部分の内腔は円筒形または切頭円錐形の いずれかであることができ、内方に付き出る円錐形フランシリングでは、ハブ部 分の外側表面か円筒形または切頭円錐であることができる。

便宜的に、締付は装置はボルトであり、角度隔置される位置決め装置はボルトの ための隙間穴である。

ハブ部分の厚さは最大値から最小値まで、階段状変移なしに減することか望まし い。これは、直線傾斜または浅い凹形の傾斜で行なうことができるが、直径の小 さいフランジには後者の方か望ましい。

角度Ｃ°は約８″までであることかできるが、約１〜６°の範囲が望ましい。

本発明は、中空製品の軸線方向の継続する構成部品のための円環形継手であって 、片側または両側か円錐形フランジリングを有する継手を含む。

本発明はまた、円錐形フランシリングと継手の他方の側との間にスペーサリング が介在する該継手をも含む。

本発明はまた、本発明によるフランシリ　ノ１設けら１．、ノーこン機械のため の構造用ゲージングをも含む。

以下に添付図面を参照しつつ、本発明の例示的実施例を説明する。

図１は、航空エンジン・ケーシングの二つの軸線方向に継続する部分の間の、代 表的な従来型のボルト止めフランジリング継手の部分の側断面図である。

図２Ａおよび図２Ｂは、本発明によるフランシリングの側断面図である。

図３は、図２Ａのようなフランジリングを１個だけ使用するボルト止めフランシ リング継手の部分の側断面図である。

図４は、本発明による２個のフランジリングを含むボルト止め継手の組立てと負 荷の５段階を誇張して示す図である。

図５ａおよび図５ｂは、使用ボルトの本数と共に変る継手特性のグラフである。

図６は、重量軽減を意図されたフランジリングの部分の端面図である。

図７は、本発明の代替形式の側断面図である。

図８は、本発明のいま一つの代替形式の側断面図である。

図１は、軸方向中心！ＩＣを有する航空エンジンにおける、内径Ｒの２個の軸方 向に継続する円筒形ケーシング部分１１０．１１２の間の、代表的な公知の型式 のボルト止め円環形継手１００を示し、各ケーシング部分は半径方向外方に延在 する端末フランジ１１４．１１６を有し、フランジリングは溶接部１２２．１２ ４によってそれぞれ一体に形成されるハブ部分１１８．１２０を介してケーシン グに結合される。

フランジリング１１４．１１６に、ボルト１２７の入る数本の角度隔置される隙 間穴１２５．１２６か設けられ、ボルトにナツト１２８を締付けて２個のフラン シリングを引き付けて、ボルト止め継手を形成することができる。穴１２５．１ ２６は勿論、ボルト止めのピッチ円半径Ｒ８上に配置され、軸方向に継続するゲ ージング部分か相互に正しい角度方向関係でのみボルト結合することができるよ うに、いわゆる「干渉特性ｊを設けられた一箇所を別にして、該円の円周をめぐ って等間隔にされる０本例における干渉特性は、各フランジのホルト穴１２５． １２６の一つが等間隔位置からすれていて、そのすれ量は、すれた穴か相互に整 合しないと、全ての穴１２５．１２６にボルト１２７を通すことを不可能にする ようになっていることである。

２個のフランシリング１１４，１１６の継手面１２９．１３０は半径方向に延在 し、軸線Ｃとハブ部分の内部の円筒形内腔表面１３１．１３２とに対して直角に 切削される。

各ハブ部分１１８．１２０はフランシリング１１４．１１６近くの外面にランド １３３．１３４を有し、その部分のハブは一定の最大厚さｔｈを有し、そのあと 段付き変移個所１３５．１３６に続いて切頭表面１３７．１３８に到り、該表面 はハブ部分の厚みを減じてゲージング部分１１０．１１２の厚みにまで傾斜する 。

上記のような継手を設計する時、満たすべき二つの基本的な目的がある。それは ： ｉ）内圧（圧縮空気またはタービンカス）に対する密封：１１）一つのゲージン グ部分から他方のケーシング部分への軸方向荷重の伝達：である。

ボルトとフランジの応力を安全限界内に保ちながら、上記二つの目的を達成しな ければならない、潜在的構造破損は、単独負荷状況と低周波疲労の両方から生起 し、後者は航空エンジンの運転サイクル中の揺動負荷によって生ずる。

ボルト上の最大応力個所は、ボルトが隙間穴１２５の中にある時、ボルト１２７ の半径方向に最も内側の個所１４０の、最初の負荷ねし山にある（高い引張り周 期応力がそこに発生する可能性があるからである）、フランジ上の最大応力個所 はボルト頭部１４２の直ぐ下側またはフランジフィレット１４４．１４５のいず れかである。

設計者は、ボルトのトルク限界値を指定して、ボルトとフランジの組立て応力を 制限する。ボルトの周期応力は、十分な数のボルトを設けることによって制限す ることができる。これは、比Ａ／ＮＢ（Ａはピーク負荷時に伝達すべき軸方向荷 重、Ｎはボルトの本数、Ｂは個々のボルトの軸力）の上限値の形で考慮されるこ とが多い、Ａ／ＮＢ比は、この場合の真に関心のある量、つまりボルトの周期応 力、とは間接的な関係しか有しないが、長年の経験によると、３３％の領域のこ の値は、ガスタービン航空エンジンにおけるボルト疲労についての間Ｕをほとん ど生じなかった、と思われる。最後に、フランジの周期応力は外形寸法、つまり フランジ厚さＴ、ハブ厚さｔｈ、フランジフィレット半径ｒｆおよびハブ長さり を賢明に選択することによって、制限することができる。

そのような継手における周期応力の予測は単純にはほど遠いものである。接触状 態か荷重と共に変化するからである。従って、長年にわたり、計算手順の開発に 相当な時間が費やされた。他方、主題に関する研究刊行物が無いことで判るよう に、ガスタービンエンジン・ケーシングの継手設計における密封の考察には、は んの僅かな時間しか与えられていない。

隣接ボルトの距離か十分に近いならば、現存する型式の継手の密封が得られるこ とは公知である。メック（Ｈ，Ｒ，Ｍｅｃｈ著「フランジ密封のためのボルト間 隔の解析（＾ｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｂｏｌｔ　５ｐａｃｉｎｏ　ｆｏｒ　Ｆｌ ａｎａｅ　５ｅａｌｉｎｏ　）　Ｊ　１９６９年２月ＡＳＭＥ　Ｊｎｔ　ｏｆ　 Ｅｎｑｉｎｅｅｒｉｎａ　ｆｏｒ　１ｎｄｕＳｔｒＶ　ｌ）Ｄ　２９０−２　（ ７）抄録）は、何とか密封を保証するボルトの最大ピッチに、ボルトサイズとフ ランジ厚さを関連づける算式を解析手段によって誘導した。不幸にして、航空エ ンジンの実際によく見られる小型ボルトサイズ、薄肉フランジおよび大きな直径 は、実行不能の多数のボルトを必要とさせる０例えば、メックの算式は、０．７ ５ｍ径のフランジには１６８本の６．３５開ボルトを必要とすることか判る。し かし、通常の慣行は、高圧継手で３〜５Ｃ！Ｉ＋程度のボルト間ピッチ（低圧継 手ではもつと大きなピッチ）を用いることである。この場合、全てのエンジン運 転条件で、シールする、つまり流体密封であることを保証することかできない継 手か導入される。これは、ボルトを直接取囲む継手面の区域だけか相互に接触す るように付勢されるからである。

本発明は、円環形ボルト止めフランシリング継手に、内圧に対する流体密封を得 る二者択一の方法を用いる。

図２Ａは、本発明によって設計されるボルト止めフランジ付き継手の一型式の右 半分を形成するフランシリングを実線で示す、左半分は鎖線で示され、右半分の 鏡像である。フランシリング２００．２０１とハブ部分２０２．２０３は無応力 、つまりＶ製作されたまま」の状態で図示され、またボルト２０４がナツト（図 示せず）と共に、二つの継手面２０５．２０６を引き付けるように締付は始めら れていない、しかし、ボルトか所定トルクにまで十分に締付けられると、継手面 ２０５．２０６は、この場合、放射平面ＲＰの中にある共通の接触表面２０７に おいてオ妾角虫する。

ボルトはフランシリングに設けられた隙間穴２２１を貫通し、これらの穴は、図 １に関して既に述べたような干渉特性を除いて、ボルト止めピッチ円をめぐって 等間隔に配置される。

直ちに明らかなことに、フランシリング２００．２０１の継手面２０５゜２０６ の各々の主要部２０８．２０９は、従来技術におけるようにケーシング中心線Ｃ Ｌ、ならびにハブ部分２０２．２０３および円筒形ケーシング２１０の内腔表面 ２１３．２１４に対して直角に切除される代りに、小さな円錐角Ｃに切削されて いる。角度Ｃは放射平面ＲＰからの傾きとして測定され、約８°までの範囲、望 ましくは１〜６°の範囲にあって、継手面部分２０８．２０９の各々は、対称軸 線ＣＬをフランジおよびゲージングと共有し、頂点の内角が１８０″′−２０で ある円錐体の切頭体を形成する。同様に、フランジリング２００．２１１の背面 ２１１．２１２は同じ円錐角Ｃに形成されるので、当然ハブ部分２０２．２０３ とのフィレット半径ｒｆの個所を除いて、表面２０８．２０９に平行である。

以後の説明のために、そのようなフランジリングを円錐形フランシリングと呼ぶ 。

本発明のいま一つの注目に値する特徴は、各継手面２０５．２０６の小部分が円 錐角なしに、つまりハブ部分２０２．２０３のそれぞれの内部の円筒形内腔表面 ２１３．２１４に対して直角に、切削されているので、各継手面２０５．２０６ の半径方向内方周囲において、狭く半径方向に配設される円形の密封平坦部、つ まりランド２１５．２１６が形成される６円錐形フランジの他の部分の形態かど うであろうと、その密封平坦部は常に、無応力状態において放射平面内にある。

理論的には、密封平坦部２１５．２１６は不必要であるが、実際には、ケーシン グ部分の間の継手を形成するフランジの非真円性と偏心性を許容するために、必 要である。

より具体的には、平坦部２１５．２１６の幅Ｗはケーシング２１０の厚さｔの１ ７４〜３／４の範囲であるべきであり、望ましい値は厚さｔの約１７２である０ 幅Ｗの選択の背後にある論理は、その最小許容値か、内腔表面２１３．２１４の 予想される非真円性およびケーシングの予想される偏心性に対処するのに妥当な 値であること、つまり製作公差を考慮しなければならないことである。他方、Ｗ の最大許容値、また同時に継手面上の平坦部の中央の半径方向位置は、ゲージン グ内の軸方向荷重の許容偏より量と、Ｉ！ｒ接するランドの開の反力の中心線の 位置とに着眼して決定される。つまりフランジ内の軸方向荷重は、ケーシング２ １０の外けまたはざくつに間する心配を生ずる程に軸方向荷重が大きくない状況 では、平坦部の半径方向位置および幅Ｗはこれらの限界値の外にまで変化させる ことができることは、当業者にとって明らかである。

第３に、図１のフランジと同様に、フランシリング２００．２０１と一体に形成 されるハブ部分２０２．２０３は、最大厚さｔｈからゲージング部分２１０の厚 さｔにまで、段なしで傾斜する０図２Ａに示すように、ハブ部分２０２．２０３ の外側表面２１８．２１９の全体は、融合するフィレット半径ｒ１以外は、切頭 円錐形を与える直線的傾斜を有する。これは航空エンジン・ケーシングに使用さ れるような大直径の円錐形フランジには、単純性の見地から望ましいが、小直径 のフランジには、洩い凹形の傾斜か部品の応力レベルを下げるという見地から望 ましいであろう、継手面を相互に完全接触させるにつれてハブ部分が正しく曲る のを助けるために望ましいとはいえ、段なし傾斜は本発明に絶対不可欠ではなく 、図１に示す半径付き、段付きハブ形状のような他の形式のハブ形状を代りに用 いることもできるであろう。

継手面２０５．２０６の表面２０８．２０９の各々が円錐切頭体である、という 事実は、継手の密封の仕方と荷重に対する構造上の応答性との双方において、従 来の航空エンジンの慣行からの根本的な変化をもならす。

例えば、ボルト２０４を締めて、継手面を引きよせる時、ボルト荷重は密封平坦 部２１５．２１６に高度の線反力を発生し、フランジリングの目たった撓みを生 する。線反力は内径部に流体密封性、または実質的な流体密封性をもたらす。

さらにエンジン運転中、ケーシング内の軸方向荷重の揺動によって生ずる周期応 力は、ランドにおける主要反力か軸方向荷重と一致する線上にあるので、実質的 に消去されることかできる。

勿論、組立て中に、ボルト２０４に曲げ応力がかがる。しかし、継手が十分に締 めつけられて、継手面２０５．２０６が放射平面ＲＰ内で相互にびっなり引き寄 せられた時、ボルトは実質的に均等な張力の状態にある。

本発明に使用可能のボルトとナツトに関連して、本明細書に図解するボルトとナ ツトは全てフランジに接触する平らな円形座面を有する。航空宇宙産業以外の圧 力容器に通常使用される６角頭ボルトは、締付は中にナツトおよびボルト頭部の かどとフランシリングの背面との開に干渉か生じるので適当でない。

ここで図２Ｂを参照すると、ボルト止めフランジ付き継手２３０の右および左半 分が実線で示される。ａ手２３０の右半分は、図２Ａのフランシリング２０１と 同形のフランシリング２０１を含み、この特徴は前述と同じである。継手２３０ の左半分は、フランジリング２０１の厚みＴよりも厚い厚みＴ１を有するフラン ジリング２３２を含み、フランシリング２３２はフランジリング２０１よりもか なりこわくなっている。その継手面２３６の主要部２３８は放射面ＲＰから測っ た円錐角Ｃ１を有し、円錐体の頂角が１８０°−２Ｃとなるフランジリング２０ １の円錐角Ｃよりも僅かに小さい０図２Ａと同じく、フランジは製作されたまま の無応力状態で示され、継手面２０６．２３６の主要部２０９．２３８を共通の 継手接触表面２３７において接触させるためには、ボルト２３４とナツト〈図示 せず）を所定トルクまで十分に締付けなければならない、フランジリンだけ撓む か、こわさの低いフランジリング２０１はより大きな角度ａまで撓み、そのため 、継手接触表面２３７は放射平面ＲＰ内にはなくて、放射平面ＲＰに対して角度 ｂ　（＝Ｃ１−ａ、　）をなす円錐表面Ｃ８の中に含まれる。

不整合を許容するのに必要であるように、フランジリング２３２の継手面２３６ には、他方の継手面２０６の補合平坦部２１６と同じ幅Ｗの半径方向平坦部２４ ０か設けられることか図３の挿入図から判る。

図３を参照すると、代替実施例か図示され、ケーシングの２個の軸方向に継続す る部分３０２．３０４の間の継手３００は、一方では、ゲージング部分３０２に 結合されて、ハブ３１１の内腔３１０と中心線とに直角な継手面３０８を有する 厚内の、非常にこわい「平形ｊフランジリング３０１を含み、他方では、約１〜 ８°の範囲内の円錐角Ｃを有する、本発明による円錐形フランシリング３１２を 含む。

図２と同様のナツトとボルトを使用することもできたか、図３のボルトにはこの 場合、ナツトが設けられず、肉厚フランシリング３０６の後面３１８に、角度隔 置されたボス３１６が設けられる。隙間穴３２０が適切な角度にて円錐形フラン ジリング３１２を通して明けられ、めくら穴３２２がフランジリング３０６を通 してホス３１６の中に明けられて、適当なねじインサート３２４か設けられる。

ボルトの座面かちょうど円錐形フランジリング３１２の後面に接触し、円錐形継 手面３２６かまだ平形継手面３２８に向って引きつけられ始めていない時の−ｉ 付は過程の段階でのボルト３１４か図示される。ここでも、円錐形継手面３２６ の半径方向内方周囲に、半径方向に狭い密封平坦部、つまりランド３３０を設け ることにより、継手の有効な密封か助長される。

前と同様に、溶接３３４によってゲージング部分３０４に結合される一体型切頭 円錐形ハブ部分３３２か円錐形フランジリング３１２に設けられる。しかし、厚 内平面フランシリング３０６には、図１に示すものに似たハブ部分３１１が設け られる。

「円錐形」フランシリングに対面する「平形」フランジリングを含むボルト止め フランジ継手を用いる軽量構造では、平形フランシリングを厚くてごわいものに する必要はない、より軽量な構造は、例えば、継手の片側に図１に示すような普 通の従来技術の平形フランシリング１１４を用い、他の側に図３に示す円錐形フ ランシリング３１２を用いることができるであろう、ナツトとボルトが完全定格 トルクにまで締付けられる時、フランジの継手面は、平形フランジの放射平面と 円錐形フランジの円錐角との中間の円錐角を有する円錐形接触表面において接角 虫する。

例えば、そのような円錐形フランジ継手においてボルト結合される、軸方向に継 続する部分をカスタービンエンジン圧縮機ケーシングか含む場合、各ゲージング 部分の一端に平形フランジリングか、また他端に円錐形フランシリングが設けら れるならば、フランシリングの切削を容易にする、という意味において、前項に 述べた円錐形フランジ継手構造の形式から製作技術上の利点を生むようにするこ とかできる。これは、最初に平形フランシリングを製作することかでき、つぎに その平形フランシリングを基準に使って、より切削困難な円錐形フランジを正確 に切削することかできるからである。

内部か加圧された構造の入口または出口に加圧流体を送ったり、出したりするの に応用し得る、本発明のさらに別の変更（図示せず）を考えることができる。

例えば、供給口と排出口を含むパイプその他の導管部分の端に円錐形フランジリ ングを設けることができ、導管と加圧構造の壁との間の継手は、後者に、入口お よび出口を画成するボスまたは短寸パイプのいずれかを設けることによって、形 成されることができ、ボスは配管の円錐形継手面に補合する平形継手面を有し、 短寸パイプは、平形継手面をもつ、図３に関連して説明したような継手を生ずる 厚肉のこわいフランジリングか、または前２項で述べたような、つまり図２Ａま たは図２Ｂのような継手を生ずる、こわさのより低い平形または円錐形フランシ リングか、のいずれかを有する。

配管およびケーシングの圧力密封型ボルト止め継手に上記型式の円錐形フランシ リングを用いることは、従来の航空エンジン技術の慣行から著しく離れているの で、そのような継手の設計原理の、より詳細な説明を以下に述べる。

シュシート（Ｊｅｔｈｅｔｅ）Ｍ　１５２の名称でブリティッシュ・スチール社 （ＢｒｉｔｉｓｈＳｔｅｅ　ｌ　）から入手し得る１２％クロム鋼で作られ、内 径４５７ｎｍ、円錐角４°および６°を有する双子の円錐形フランシリング（図 ２Ａとような）と、これもジェシー１−Ｍ１５２で作られる６、　３５＋＋ｏｎ 径のボルトおよびナツトとを含む継手の試験に基づいて、下記の設計手引きか作 られている。フランジ厚さＴは２．３關または３．２關のいずれかであった。

組立て応力 円錐形フランシリングとその密封の仕方の応力解析は、従来の平形フランジリン グの設計とは非常に異なる。

図４ａないし図４ｄは、２個のフランシリング４０２．４０４を含む継手４００ の組立てと負荷の４段階を誇張して示す０図４ａにおいて、フランジの対か先ず 引き合わせられた時、内径には接触かあり、外径には大きな間隙がある。

図４ｂにおいて、ボルト荷重Ｂｏかかけられると、内径部に相互反力Ｒｏか発生 対称ではなく、間１１！　ｇ　ｅはボルト線上では、ピッチ中間よりも小さい、 ボルトには成る量の曲がりがあり、これは最初、軸部の外側表面に張力を生ずる 。しかし、曲げの大きさくそしておそらくは向き）は、ボルト荷重Ｂ。か高くな って荷重点か内方に動くにつれて、変わる。

ボルト荷重の半径方向位置がどうであれ、内径部における反力Ｒ８はＮＢｏに全 ｇｋ数などを考慮に入れたボルトの最大許容荷重、はフランジが相互に閉じ合わ 上の外径部においてちょうどフランジを接触させるボルト荷重であると定義され くらか大きな値にまで上げる。

この手順によってフランジ輪郭およびボルトに発生する応力は、カスタービンエ ンジンの運転において生する定周波疲労荷重の中の定常成分として作用する。

主として軸荷重である周期荷重Ａと内圧Ｐのかかり方が図４ｅに図解される。航 空エンジン設計において、Ａは通常引張りであるが、圧縮であることもあり、そ の場合、明らかに圧力に対する継手の密封を助ける。負荷状態において内径部反 力とボルト荷重は次式で与えられる： ０．８であることが判った。１．０でない理由は、個々のボルト荷重の無作為の ばらつきである。ボルト間隔がより大きいと、密封効率は落ちる。それは、フラ ンシリングの弾性のなめに、ボルト荷重が内径部（密封平坦部）において均一な 線反力を生ずることかできないからである。この時点で言えることは、組立てと 分解を繰返えしなあとでさえ、密封効率が維持されることを試験か示していると いうことである。これは、引用された密封効率が密封平坦部の塑性変形に左右さ れないことを示す０図５ａは、前記型式の円錐形フランジリングに等間隔に配置 されるボルトの本数と共に密封効率か変化する様を示す、大きなボルト・ピッチ （少ないボルト本数）では、密封効率かボルト数Ｎ４までは、ボルト数と共に直 線的に上昇する。Ｎ４において、密封効率は最大値に達し、その後は上昇しない 。

表１は、試験された直径の円錐形フランシリングの実際のＮ４の値を、内径ｄか 異なる同様のフランジに、安全側で外挿することができることを示す。

〔表　１〕 ｄ　≦４５７＋ｍ　ｄ　≧４５フ ルト荷重と共に増加する割合である、と定義される。フランジか外径において接 触した後、フランジリングを平らにするためにかけられるボルト荷重は、密封で きる軸荷重Ａに小さな寄与しか与えない、限界効率は０．１〜０．３であると判 った。

艶佃引υ■ヨｎｉｎ工 空気（作動油と異なる）漏れを防ぐために、成る最小強さの線反力Ｒ８を維持し なければならない、これは１２％クロム鋼フランジでは２０にＮ／ｍであると判 っ圧力において測定した容積での空気漏れか０．０ＩＪｌ／分に達した時の軸荷 重ＡＳであると、恣意的に定義しな）を越えるまで軸荷重を増すにつれて、急激 に増加する。

線軸荷重（Ａ／２πＲ）は、密封限界を越えて、漏れか１１１／分に達する前に 、１４ＫＮ／ｌだけ増加することかできる。この点を超えると、軸荷重を少し増 しても、漏れ流か著しく増加する。

円錐形フランジリンクを含む継手は、線反力かｒ　（ｌｉｎ）に落ちるまでは良 く密封する（すなわち漏れは０．０１Ｊ／分未満）か、しかしＡＳを超える比較 的小さな引張り軸荷重の増加でも、大きな漏れが生じ得ることか判る。

限界に保つのに十分な早さで、フランジがボルト頭部になじむことか判った。

さらに、試験した全てのフランジについて、フランジか閉じる少し前に、ポル組 立て中のボルト曲げの厳しさを増す３つの条件が知られている：少ないボルト本 数、厚肉のフランシリング、そして大きな円錐角である。実際に試験されたフラ ンジリングについて、４°フランジでは問題がなかったが、ボルトピッチか大き い６°円錐角のフランジは、組立て中に塑性変形応力を生じなであろう。

にトルクレンチに示されるトルクであり、有効トルクは、組立て中の全ての瞬間 にボルト全部が等しく締められたとして、そのボルト荷重を得るのに必要なトル まで減することである。それは、軸荷重の変化△Ａは、ボルトか△Ａを感じるこ とのできる前に、反力Ｒに打ち勝つ、内径部の反力の変化△Ｒを生じなければな らないからである。ボルトの低周波疲労の考慮だけのために、Ａ／ＮＢｏ比に制 限を課す理由はない。

とか肝要である。

られる、と仮定する軸対称有限要素解析法によってフランジの組立てごわさを予 測し得ることか我々の研究により証明された。そのような負荷条件では、フラン ジリングの輪郭は実際に、はぼ軸対称状に変形するので、小さなボルトピッチに おいて、この仮定か正当である。しかし、ボルトピッチが十分に大きいと、フラ ンジリングのこわさは軸対称解析の値よりも下に落ちる。これは、軸対称解析に 適当な係数をかけて補償され、これが経験的に導かれて図５ｂに　示できること を示す。

〔表　２〕 ｄ　≦４５７ｎｍ　ｄ　≧４５７ Ｎ　１９　１９（ｄ／４５７） Ｎ２　２４　２４　（ｄ／４５７） Ｎ３　３０　３０（ｄ／４５７） 咀た蓬ソど団摺 組立て応力は、ピッチ円におけるリング負荷に基づく、同じ軸対称有限要素解析 法によって予測することかできる。応力は、高くて、ハブの全長と、ケーシング 部分の外殻に成る距離にわたって存在する。大きなボルト間隔において生する非 軸対称挙動は、両方の場合とも同じフランジ撓みを仮定して、軸対称の予測値よ りも低い応力を生する。

周期応力の予測 周期応力は軸対称有限要素解析によって予測することかできる。応力はハブとな 値は１００ＭＰａである。しかし、この応力は高い組立て応力と関連がある。

星二２座力に対する周期応力の寄与を円錐形継手の設計において考慮する必要が あるか、周期応力は通常、その個所で低周波疲労の問題を生ずるには低過ぎる。

組立てこわさに対　るスカロツーの効果図６は、ピッチ円６０４上にホルト穴６ ０２か設けられたフランジリング６００の小断片の端面図である。リング６００ の、ボルト穴６０２の間の部分に重量軽減のなめに、切削除去されて、縁にいわ ゆる「スカロツプ」６０６を作っている。これらのスカロッグの形状は、便宜上 、しかし必然的ではないか、円の部分である。

ピッチ円６０４の内側に切込んだ深いスカロツプ６０６の除去は、フランジこわ さ、および密封することのできる軸荷ｊＩＡに、あまり影響しない。

これは、重量軽減が大切な継手にとって円錐形フランシリングを魅力的なもの次 表は、カスケラトなしフランジ付きリング継手の上記２型式の特性を比較する。

〔表　３〕 特　性　平形　円錐形 フィレットの組立て応力　なし　高 溶接部の組立て応力　なし　高 フィレットの周期応力　高　低 溶接部の周期応力　小　小 危機的応力の個所　フィレット　溶接部継手面の間の接触区域　変化し、ボルト 近辺のみ　一定、連続周期ボルト応力　高　なし 最大　Ａ／ＮＢｏ０．３−０．４　０．８Ａ／ＮＢ　を制限するもの　周期ボル ト応力　密封性定格荷重未満でのフランジ漏れ　全ての荷重において　ゼロ定格 荷重でのフランジ漏れ　有　ゼロ 過荷重におけるフランジ漏れ　増加なし　高スカロツプ形成　漏れにより制限　 無制限ボルト隙間穴を通る漏れ　Ａ／ＮＢ　＞０．２　有り得すの時、有り得る 我々は、準完全密封（０，ＱＩＪ！　／分未満の作動油漏れ率）か、円錐形フラ ンジリングを使用する継手によってのみ達成できること、を上記から結論する。

そのような低い漏れ率か不必要であっても、やはり円錐形フランシリングの継手 か望ましい、さらに本発明は、漏れレベルを定義されたレベルよりも低く保ち、 ボルト内の周期応力を低周波疲労の開始するレベルよりも低く保つのに必要なボ ルト本数を著しく減する助けとなる。たとえばスカロップがなくても同等の平形 フランシリングにｆ！Ｌ量的に比肩と得る円錐形フランシリングを設計すること か可能な筈である。

以上の本発明の説明は、外方に突き出るフランジリングを含む外側継手を有する ケーシング、パイプおよびダクトに集中したけれども、何らかの理由で容器の滑 らかな外側表面７００を維持しない場合に、図７に示すような内方に突き出るフ ランシリングを含む内側継手か設けられるそのような容器にも当然、同じように 適用可能である。

また上記の説明は、継手の内部加圧のみを開示する。しかし、本発明による継手 は、加圧か継手の内部であろうと外部であろうとに関係なく流体密封性を保つ。

少なくともフランジの一方か円錐形フランジである２個の対面するフランジの間 にスペーサを挿入することを含む、本発明の一変形が考えられる０図８は、スペ ーサリング２５２と２個の円錐形フランジ２０１．２３２を含むそのようなフラ ンジ継手２５０を縦断面で示す、フランシリングとハブは図２Ｂに示すものと等 しく、同等の特性は同じ番号で表わされる。スペーサリング２５２は、ガスター ビンエンジン内の動翼ロータ（図示せず）を囲む内側シュラウドリング２６０を 支持する。

非応力状態では、この円錐形フランジは図２Ｂのものと同形であるとはいえ、継 手２５０の中にスペーサリングを挿入すると、継手かボルト荷重の下で閉じる仕 方が変わる。これは、ここでは隣りのフランジリングと同じ材料がら作られると 仮定する、スペーサリング２５２の固有のこわさによる。ボルト２３４′かナツ ト（図示せず）と共に締めつけられるにつれて、継手面２０６．２３６の半径方 向内径部にある平坦部２１６，２４０か、スペーサ２５２の側面を形成する平ら な半径方向に延びる補合継手面２５３．２５４と接触する。つぎに、継手面２０ ６．２３６の切頭円錐形表面２０９．２３８もスペーサ２５２の補合継手面２５ ３．２５４に接触するまで、円錐角ｃ”　、ｃ；か徐々に閉じ合わさる。

座面かフランシリングの背面２１２．２５６に平らに当接するまでボルト２３４ ′とナツトが締めつけられると、スペーサ２５２は、フランシリング２０１より もかなりこわいフランシリング２３２に向って、成る量たけ、初期の半径方向の 向きからひすむ、しかし、スペーサか図示のように厚肉で、従ってこわい場合、 ひすみ量は小さい０図２Ｂにおいて、ボルトか締められるにつれて、こわさの小 さいフランジ２０１は全角ａ°を動き、こわさの大きいフランジ２３２は全角ａ １を動くか、図８ではフランジ２０１の相当する動きはより小さく（すなわちＣ ｏよつ僅かに大きく）、フランジ２３２の動きはより大きいくすなわちＣｉより 僅かに小さい）。

平形フランジと円錐形フランジを含む継手も同様に、本発明の範囲の他の継手と 共に、スペーサを組み込むことかできるであろうことは明らかである。

流体密封性継手を作るためにフランシリングを結合し得るまのとして、これまで ボルトだけを述べなけれども、リベットまたはクランプのような代替型式の締め 具も、民間航空エンジン産業上の利用分野に使用するのに適しているであろう。

非円筒形内腔を有するハブ部分を用いることも本発明の範囲内であろう０例えば 、航空エンジン設計において、成るケーシングの内腔は切頭円錐形であり、ハブ 内腔もそれに合せて切頭円錐形である。よって、図２、図３および図８において 、内腔２１４．３１０は１０°までの円錐角を与えることにより、継手の他の設 計パラメータに大きな影響を与えることなく円筒形から外れることができるであ ろう。

ナツトとボルトによっつで外径部か完全に閉じるまで引きよせられる円錐形フラ ンジリングを含む継手に、上記の説明か集中したけれども、そのような継手を部 分閉鎖状態で運用することか本発明の範囲内で可能であり、そのような継手をそ のような運用のために特に設計し得るであろうことは、当業者にとって明らかで あろう、しかし、組立て状態で、ボルト内の大きな曲げ応力を避けるために、完 全に閉鎖継手を運用することか望ましい。

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Claims (23)

【特許請求の範囲】
1. １．中空製品の軸線方向に継続する構成部品め間の流体密封性円環形継手のため のフランジリングであって： （ａ）フランジ継手面； （ｂ）フランジ後面； （ｃ）該フランジ後面に隣接する最大厚さから、該構成部品の壁厚にほぼ等しい 最小厚さまで減ずる壁厚を有する、中空製品の該構成部品の一つにフランジリン グを結合するハブ部品； （ｄ）フランジ継手面を対面する補合継手面に密封係合するように引きよせて、 流体密封性円環形継手を形成させることのできる、締め付け装置の位置決めのた めの、複数の等角度間隔にある位置決め特性；を含み、 製作されたままの無応力状態のフランジ継手面は比較的狭く半径方向に配設され る密封平坦部を有し、該フランジ継手面の残り部分は、半径方向に℃の角度で傾 斜して、かどにおいて１８０°−Ｃ°の内角で該密封平坦部につながる切頭円錐 形表面を含み、該フランジ継手面の密封平坦部の幅と位置は、製品の製作公差が 該補合継手面との密封係合を妨げることなく、また継手の軸方向荷重が組立てら れた製品の許容し得ない曲げ、またはざくつを生ずることのないように、決めら れ、該フランジ後面は切頭円錐形表面に平行であり、該フランジリングのこわさ は、締付け装置を過度に変形させることなく所定の流体圧を密封するのに十分な 線反力を該密封平坦部に発生するだけの力で該締付け装置によって、少なくとも 該密封平坦部を該補合継手面との係合に引き込むことのできる程度である；フラ ンジリング。
2. ２．該フランジリングのこわさは、該締付け装置に過度の変形を生ずることなく 、該フランジ継手面の切頭円錐形表面を該補合継手面との接触に引き込むことの できる程度である、請求項１のフランジリング。
3. ３．該密封平坦部の幅は、該ハブ部分の壁厚と少なくとも部分的に共通延在する 、請求項１または２のフランジリング。
4. ４．該密封平坦部の幅は、該ハブ部分の最小壁厚の約４分の３を超えない、請求 項３のフランジリング。
5. ５．該密封平坦部の幅は、該ハブ部分の最小壁厚の約２分の１である、請求項３ のフランジリング。
6. ６．外方に突き出る、請求項１ないし５の任意の項のフランジリング。
7. ７．該密封平坦部がフランジ継手面の半径方向内周にある、請求項６のフランジ リング。
8. ８．該ハブ部分は実質的に円筒形の内腔を有する、請求項６または７のフランジ リング。
9. ９．該ハブ部分は切頭円錐形内腔を有する、請求項６または７のフランジリング 。
10. １０．内方に突き出ている、請求項１ないし５の任意の項のフランジリング。
11. １１．該密封平坦部はフランジ継手面の半径方向外周にある、請求項１０のフラ ンジリング。
12. １２．該ハブ部分は実質的に円筒形の外側表面を有する、請求項１０または１１ のフランジリング。
13. １３．該ハブ部分は切頭円錐形外側表面を有する、請求項１０または１１のフラ ンジリング。
14. １４．該締付け装置はボルト装置を含み、該角度隔置される位置決め特性はボル トのための隙間穴である、請求項１ないし１３の任意の項のフランジリング。
15. １５．該ハブ部分の壁厚は最大厚さから最小厚さまで階段状遷移点ないし減少す る、請求項１ないし１４の任意の項のフランジリング。
16. １６．該ハブ部分の壁厚は最大厚さから最小厚さまで直線傾斜で減少する、請求 項１５のフランジリング。
17. １７．該ハブ部分の壁厚は最大厚さから最小厚さまで浅い凹形の傾斜で減少する 、請求項１５のフランジリング。
18. １８．該角度℃は約８°までの範囲にある、請求項１ないし１７の任意の項のフ ランジリング。
19. １９．該角度℃は約１°〜６°の範囲にある、請求項１〜１７の任意の項のフラ ンジリング。
20. ２０．二つの対面する継手面を含み、該継手面の少なくとも一つは請求項１ない し１９の任意の項のフランジリングに属している、中空製品の軸方向に連続する 構成部品を結合する円環形継手。
21. ２１．該継手が２対の対面する継手面を含み、該対面する継手面の各対の中の一 つの継手面はスペーサリング装置に属し、残りの継手面の少なくとも一つは請求 項１ないし１９の任意の項のフランジリングに属する、中空製品の軸方向に継続 する構成部品を結合する円環形継手。
22. ２２．ケーシングの構成部品の少なくとも一端に、ケーシングのいま一つの構成 部分の対面する補合特性部分にボルト止めするための請求項１ないし１９の任意 の項のフランジリングが設けられる、タービン機械の構造ケーシングの構成部分 。
23. ２３．ケーシングの構成部品の両端に、ケーシングのさらに他の構成部分の対面 する補合特性部分にボルト止めするためのフランジリングが設けられ、該フラン ジリングの一方は請求項１ないし１９の任意の項のそれであり、該フランジリン グの他方は、製作されたままの無応力状態において、該構成部分の放射平面内に ある継手面を有する、タービン機械の構造ケーシングの構成部分。