JPH0610616A - ターボ機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 蒸気タービン等のターボ機械の水平接合フラ
ンジにわたってボルト荷重を分散するプレートを提供す
る。 【構成】 プレート２５は、フランジ１７の面とその面
領域がほぼ整合する形状をしている。プレート２５は、
フランジ１７とナット２７との間に配設され、ナット２
７の下の局部的な大きな応力がプレート２５のクリーピ
ングまたは降伏を引き起こさないように、高耐力の材料
からつくられている。このプレート２５は、圧縮接合荷
重をフランジ１７の全面にわたって分配する役目をし、
フランジ１７にクリープや降伏を引き起こし得る局部的
な高圧縮応力を取り除いている。プレート２５のボルト
穴１９に球面状の孔を切削し、球面状座金をプレート２
５とナット２７との間に設置して、ボルト穴１９のミス
アライメントにより、ナット２７がボルト２８に曲げ力
を課すことがないようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の背景】本発明は、蒸気タービン等のターボ機械
用のフランジに関するものである。さらに詳しく言う
と、本発明は、蒸気タービンの水平接合フランジの全体
にわたってボルト荷重を分散させる分散プレートに関す
るものである。

【０００２】蒸気またはガスタービン等のターボ機械
は、中心に配設されたロータを囲む固定シリンダを備え
ている。一般に、固定シリンダは、シリンダ内にロータ
が設置できるように、上半体と下半体とに水平方向に分
けられている。この上下両半体は、水平のフランジに沿
ってボルトによって接合されている。ここで、「ボル
ト」は、スクリューやスタッドを含む何等かのねじ式締
め金具をいう。ある構成においては、ボルトがシリンダ
下半体のフランジのねじ穴にねじ込まれ、シリンダ上半
体のフランジ上に延びるボルトの自由端にナットが螺着
される。加圧作動流体、すなわち蒸気タービンの場合の
蒸気またはガスタービンの場合のガスおよび空気が、水
平接合部を通って漏れないことを確保するために、ボル
トにはかなりの予荷重が印加される。

【０００３】高いボルト予荷重の結果、ボルト内の応力
は極めて高くなる。ナットが正しく着座せず、したがっ
て曲げモーメントの存在によってボルトに付加的な応力
がかかることを無くするため、従来は、ナットとフラン
ジとの間に二片の座金が配設されていた。上部座金片
は、下部座金片の凹状球面に対応する凸状球面を有して
いた。これらの球面が、上部座金片が荷重により回転さ
れて、ボルトの軸に対して垂直な、ナットが当接する面
を形成していた。

【０００４】過剰なボルト応力に加えて、高いボルトの
予荷重により、フランジのナットの下の部分に局部的な
クリープが生じる。この問題は、上記座金がボルトの荷
重を、各ボルト穴を囲むフランジの極めて小さな領域に
しか分散しないために起こる。そのため、フランジの座
金の下の部分の局在化された接触応力は、極めて高くな
った。この結果、高温における十分な運転時間の後、ク
リープくぼみと言われる局部的な圧縮クリープが、座金
の下のフランジの部分に生じ、これがフランジの厚さを
局部的に減じさせ、ボルト予荷重の低下を引き起こして
いた。この問題は、ボルトとシリンダフランジとの間に
熱膨張差を引き起こす熱的過渡状態によってより深刻な
ものとなる。このような熱膨張差は、ボルト荷重を一時
的に増大させ得るものであり、結果として、フランジの
ナットの下の部分の局部的圧縮応力を降伏点を超えて増
大させ、フランジの局部的な破砕、さらにはボルト予荷
重の永久的な損失となり得るものである。十分な運転時
間の後において、これら二つの機構によるボルト予荷重
の損失は、水平接合部における漏れにつながり得るもの
である。

【０００５】従来、この問題を解決するための一つの方
法として、極めて高い耐力および硬さを有するシリンダ
材料を用いることが考えられた。残念ながら、このよう
な高耐力の材料は、良質のフランジをつくるものではあ
るが、多様な熱的かつ反復的な応力を受けるシリンダの
他の部分に用いるには、延性が足りない。

【０００６】従来考えられた別の方法は、シリンダのフ
ランジ領域を、その領域に冷却流体を当てることによっ
て、冷却するものであった。このような冷却は、クリー
プの起こりやすい場所の下のフランジの温度を下げるこ
とと、過渡的な熱膨張差がフランジの降伏につながる大
きなものとならないように、ボルトとフランジとの間の
温度差を小さくすることとの、両方に役に立つ。しかし
ながら、例えば蒸気タービンにおける低圧蒸気やガスタ
ービンにおける圧縮空気のような、冷却流体の利用は、
ターボ機械の熱力学的性能を低下させるものである。

【０００７】このため、フランジの接合締め金具の下の
部分における、ターボ機械の水平接合フランジのクリー
プくぼみおよび局部的な降伏を防ぐための装置を提供す
ることが望まれている。

【０００８】

【発明の概要】したがって、本発明の実質的な目的は、
タービンの水平接合フランジの、フランジの接合締め金
具の下の部分における、クリープくぼみおよび局所的な
降伏を防ぐための装置を提供することにある。

【０００９】簡単にいって、本発明のこの目的および他
の目的は、（ｉ） 中心に配設されたロータと、（ｉ
ｉ） ロータを囲むシリンダであって、第１および第２
の半体を有し、第１のシリンダ半体は、第１シリンダ半
体が第２のシリンダ半体に接合するところの第１および
第２のフランジを有し、複数の第１の穴がパターン状に
第１および第２のフランジを通って延びている前記シリ
ンダと、（ｉｉｉ） 第１および第２のフランジの各第
１のフランジ穴に対応するボルトであって、第２のシリ
ンダ半体にフランジを接合するために各フランジに荷重
を課すための締め金具をそれぞれが有する前記ボルト
と、（ｉｖ） 前記ボルトからの荷重を前記フランジに
分散するためのフランジのそれぞれに対応するプレート
であって、それぞれの中に前記パターン状に構成された
複数の第１の穴が形成され、第１の穴が前記第１のフラ
ンジ穴と一致するような前記プレートと、を備えるター
ボ機械によって達成される。

【００１０】本発明の実施例の１つにおいては、各締め
金具に対してそれぞれの締め金具とプレートとの間に座
金が配置され、第１プレート穴のそれぞれが該座金を受
け入れるようにしたカウンタボアを有する。各カウンタ
ボアと各座金は、補完しあう球面状の荷重支え面を有す
る。

【００１１】

【好適な実施例の説明】図において、蒸気タービン１の
縦断面図を図１に示す。このタービンは、中心に配置さ
れたロータ３を囲み、かつ蒸気の流れをタービンの内、
外に向け、そして内部を通して導く固定シリンダ２を備
えてなる。したがって、高圧蒸気４は、シリンダ２の入
口部５に形成された蒸気吸込口１１を通って、タービン
に入る。高圧蒸気６は、排気口１２を通ってシリンダ２
から排出され、中圧蒸気７として、ポート１３を通って
シリンダ２に再び入る。中圧抽気８および９は、ポート
１４および１５を通って、シリンダ２からそれぞれ抽出
され、中圧蒸気１０の残りは、ポート１６を通って排出
される。

【００１２】前述したように、シリンダ２は、上シリン
ダ半体２′および下シリンダ半体２″でなっており、ロ
ータ３の設置を可能にしている。これら２つのシリンダ
半体は、一般に、「水平接合部」と呼ばれる左右の分割
ラインに沿って接合されている。この水平接合部は、各
シリンダ半体２′および２″の長手方向の端において形
成される左右の長手方向に延びるフランジを接合するこ
とによって形成される。上シリンダ半体２′の右フラン
ジ１７を図２に示す。左フランジは、図示されないが、
基本的には右フランジの鏡像である。同様の左右のフラ
ンジが、下シリンダ半体２″に形成される。図から分か
るように、多数のフランジ穴であるボルト穴１９および
２０が、フランジ１７にパターン状に配置される。

【００１３】図５に示すように、フランジ１７は、ボル
ト穴１９および２０を通って延びるボルト２８によっ
て、下シリンダ半体の対応するフランジ（図示せず）に
接合されている。ボルト２８は、下シリンダ半体のフラ
ンジのねじ穴に螺着されている。ボルト２８のそれぞれ
には、そのボルトに予荷重を印加するために、締め金具
が設けられている。好ましい実施例においては、これら
の締め金具は、フランジ１７を超えて延びるボルト２８
の部分に螺着されたナット２７でなる。しかしながら、
これらの締め金具は、各ボルト上に一体に形成されるヘ
ッドでもよく、ナットを必要としなくすることもでき
る。ボルト予荷重からの反力は、フランジ上面に作用す
る圧縮力を生む。前述したように、この圧縮力は、フラ
ンジのナット２７の下の部分における局部的なクリープ
変形および降伏を引き起こし得るものであり、最終的に
は、ボルト２８の予荷重の損失や水平接合部を通っての
蒸気の漏れを生む。

【００１４】図２に示すように、フランジ部分１８は、
シリンダ２の入口部５に配置されており、したがって最
高温蒸気にさらされている。この結果、フランジの温度
は、フランジ部分１８において最高であり、この部分
が、上述の局部的降伏およびクリープ変形の影響を最も
受け易い。したがって、好ましい実施例においては、図
３に示すボルト荷重分散プレート２５をフランジ部分１
８において用い、この圧縮力をフランジ上面に分散する
ことによって、局部的な応力を減少させている。

【００１５】図３および図４に示すように、好ましい実
施例においては、ボルト荷重分散プレート２５は、圧縮
荷重が印加されるフランジ部分１８の上面に整合するよ
うな形状をしており、このフランジ上面とほぼ等しい表
面領域を有している。このため、プレート２５は、ナッ
ト２７の直接下にあるフランジ部分１８の領域、並びに
ナットの下にないフランジ部分の領域の両方にわたって
いる。一般に、プレート２５の平面的広がりは、プレー
トの下での接触応力が、定常状態の運転中にフランジ材
料のクリープ強度を超えず、また過渡時において耐力を
超えないように、フランジの十分に大きな領域にわたっ
て圧縮荷重を分散するのに十分なものでなければならな
い。このため、プレート２５の個々の大きさは、フラン
ジの大きさに因っている。本発明の実施例の１つにおい
ては、荷重分散プレートは、長さ約２４０ｃｍ（９４イ
ンチ）、幅約３０ｃｍ（１２インチ）、厚さ約５ｃｍ
（２インチ）である。

【００１６】第１の穴であるボルト穴２１は、フランジ
部分１８のボルト穴１９に整合するように、プレート２
５に穴開けされる。また、穴２４は、図５に示すねじ２
９が取り付けられるように、プレート２５に形成され
る。ねじ２９は、分解時にナット２７が取り外されたと
きに、プレート２５がフランジに固定されたままとなる
ように、フランジ１７のねじ穴３１に螺着される。図４
に示すように、ボルト穴２１のそれぞれと同心状に、カ
ウンタボア２３が形成される。カウンタボア２３の表面
は、球面状の凹面である。

【００１７】図５に示すように、この水平接合部は、プ
レートのボルト穴２１がフランジのボルト穴１９と整合
するようにフランジ部分１８の上面にわたって荷重分散
プレート２５を配置することによって組み立てられる。
カウンタボア２３の表面と同じ形状の球面状凹面を有す
る座金２６が、プレート２５とナット２７の支持面との
間でカウンタボア２３に設置されている。ナット２７が
締め付けられるのにしたがって、座金２６とカウンタボ
ア２３との間の球面状接合面が、座金２６が必要に応じ
て回転することを可能にし、したがって、ナット２７の
荷重を受ける面が、加工誤差のためにボルト軸がフラン
ジの面に厳密には垂直ではない場合においても、ボルト
２８の軸に対して厳密に垂直となるようになっている。
このような回転が、ナット２７がボルト２８に曲げ荷重
を付与するのを防いでいる。

【００１８】プレート２５は大きな熱応力を受けること
がないから、それを形成する材料は、シリンダ２の延性
を有することを必要としない。このため、プレート２５
は、少なくとも約７００Ｎ／ｍｍ^２ （１００ＫＳＩ）
の耐力を有する例えばＡＳＴＭ Ａ ５４２，タイプＡ
合金のような、極めて高耐力、高クリープ強度、低延性
の金属からつくることが望ましい。このような金属は、
ナット２７の直下のプレート２５の部分に課せられる局
部的な大きな圧縮応力に、降伏または目立つクリープ変
形なしに耐え得るものである。また、プレート２５およ
びシリンダ２の材料は、それらの熱膨張係数が、例えば
好ましい実施例においては互いの１０％以内となるよう
な似通ったものから選択され、フランジとプレートとの
間の熱膨張差を最小にしている。また、好ましい実施例
においては、座金２６も、高強度の材料からつくられ
る。

【００１９】プレート２５の厚さは、好ましい実施例に
おいては少なくとも５ｃｍ（２インチ）であり、これ
は、ナット２７からの圧縮力を、フランジ部分１８の上
面領域のほぼ全体にわたって、すなわちナット２７の下
の領域並びにナット２７の下にない領域に対して分散
し、したがってフランジ１７における局部的な高応力を
避けるのに十分な剛さをプレートが有するようにするも
のである。

【００２０】図２に示すように、入口部１８でない、し
たがってクリーピングまたは降伏の対象とならないフラ
ンジの冷却部分においては、荷重分散プレートではな
く、二片の球状座金２２が、これまで行われていたよう
に、各ボルト穴２０に対して用いられている。

【００２１】本発明を、その主旨または基本的な属性か
ら逸脱することなしに、他の特定な形態で実施すること
ができる。したがって、本発明を蒸気タービンの水平接
合フランジについて説明してきたが、本発明は、蒸気タ
ービンの他のフランジ並びに例えばガスタービン等の他
の種類の機械のフランジにも応用できる。さらに、分散
プレートを、蒸気タービンの入口部のフランジの部分に
のみ適用されるものとして示したが、これをフランジの
他の部分またはフランジ全体にも適用できる。また、接
合ボルト機構にねじ止めされるナットによって課せられ
る荷重の分散についてプレートを説明してきたが、本発
明を、油圧ボルト引張力に関連して用いられる座板に伴
う局部的な高荷重を分散するために適用することもでき
る。したがって、本発明の範囲を示すものとして、前述
の説明ではなく、特許請求の範囲を参照すべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】蒸気タービンの縦断面図である。

【図２】図１に示した蒸気タービンの本発明に関わる水
平接合フランジの平面図である。

【図３】本発明に関わるボルト荷重分散プレートの平面
図である。

【図４】図３の線IＶ−IＶに沿った断面図である。

【図５】図２に示した水平接合フランジの組み立てられ
た状態の断面図である。

【符号の説明】

１ 蒸気タービン ２ 固定シリンダ ２′ 上シリンダ半体（第１のシリンダ） ２″ 下シリンダ半体（第２のシリンダ） ３ ロータ １７ フランジ １８ フランジ部分 １９，２０ ボルト穴（フランジ穴） ２１ ボルト穴（第１の穴） ２３ カウンタボア ２５ ボルト荷重分散プレート ２７ ナット（締め金具） ２８ ボルト

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョン・アントニー・モレシ アメリカ合衆国、フロリダ州、レイク・メ アリ、ウエスト・スプリングトゥリー・ウ ェイ 558

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （ａ） 中心に配設されたロータと、 （ｂ） 前記ロータを囲むシリンダであって、第１およ
   び第２のシリンダ半体を有し、前記第１のシリンダ半体
   はその第１のシリンダ半体を前記第２のシリンダ半体に
   接合させる第１および第２のフランジを有し、複数の第
   １のフランジ穴がパターン状に前記第１および第２のフ
   ランジを通って延びている、前記シリンダと、 （ｃ） 前記第１および第２のフランジの前記各第１の
   フランジ穴に対応するボルトであって、前記第２のシリ
   ンダ半体に前記第１および第２のフランジを接合するた
   めに前記第１および第２のフランジに荷重を課すための
   締め金具を有する前記各ボルトと、 （ｄ） 前記締め金具からの前記荷重を前記フランジに
   分散するための前記フランジのそれぞれに対応するプレ
   ートであって、それぞれの内部に前記パターン状に構成
   された複数の第１の穴が形成され、前記第１の穴が前記
   第１のフランジ穴と一致するような前記プレートと、 を備えることを特徴とするターボ機械。