WO2018235394A1 - 応力低減構造、ガスタービンケーシングおよびガスタービン - Google Patents

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stress
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忠之 花田
洋平 藤本
貴史 大田
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Definitions

  • the present invention relates to a stress reduction structure, a gas turbine casing provided with a stress reduction structure, and a gas turbine.
  • Patent Document 1 in order to eliminate stress concentration occurring at the mouth of the circular hole in the pin boss of the piston, the depth direction of the circular hole near point A where the compressive load is concentrated on the inlet surface provided with the circular hole. It has been shown that the indentations are provided to distribute the compressive load to the side of point A.
  • Patent Document 2 discloses that packets (recesses) are provided on both sides in the hoop direction of the hole in order to reduce hoop stress generated in the hole provided in the case of the gas turbine engine.
  • the pocket has a circular outer edge including a racetrack shape and is shown to include a flat bottom, a curved bottom, or a spherical shape.
  • a casing of a rotating structure such as a gas turbine is formed in a cylindrical shape, and a high thermal stress is generated due to a temperature difference generated at the time of start or stop.
  • the pressure inside a casing rises with operation
  • Such casings are provided with machined holes for attaching external parts and the like. And since the high thermal stress and hoop stress which were mentioned above are repeatedly applied by start and stop, a low cycle fatigue life will fall sharply.
  • thickening in the vicinity of the machined hole is generally used, but it is not preferable from the viewpoint of minimizing an increase in weight as a gas turbine for aviation.
  • Patent Document 2 discloses that a device for reducing hoop stress generated in a hole provided in a case of a gas turbine engine as described above is applied, it is flat as shown in the Patent Document 2 Bottoms, curved bottoms, or spherical shaped pockets suffer from poor processability and high cost.
  • the present invention solves the above-mentioned problems, and provides a stress reduction structure, a gas turbine casing and a gas turbine which can be easily processed and can reduce stress concentration on a processed hole formed in a cylindrical member.
  • the purpose is to
  • a concave portion recessed in a depth direction of the processed hole is formed on a side portion in the circumferential direction of the processed hole formed in the cylindrical member
  • the concave portion is formed such that a part of the opening edge is formed in an arc shape, the bottom portion is gradually shallowed by an inclined surface from the portion along the arc shape to the open side of the arc shape, and the arc portion is It is arranged toward the processing hole.
  • the recessed part which is dented in the depth direction of the processing hole is formed in the side part of the circumferential direction of the processing hole formed in the cylindrical member. Therefore, the tensile load generated in the circumferential direction of the machined hole is relieved by the recess, and the position where the tensile load is applied is displaced from the opening of the machined hole in the depth direction, and the load is suppressed at the opening. Stress concentration at both axial ends of the hole opening can be reduced.
  • the concave part which acts like this is that a part of opening edge is formed in circular arc shape, and the bottom part is formed gradually by a slope from the portion along the circular arc shape toward the open side of circular arc shape, For example, it can be easily formed without a large number of processing steps by processing with the rotation axis inclined such that a part of the tip is in contact with the surface of the cylindrical member with a tool such as an end mill. And since the concave part formed in such a shape has a part with a comparatively deep bottom circular arc shape towards the processing hole, the effect of alleviating the tensile load generated in the circumferential direction of the processing hole is remarkable You can get it. As a result, it is possible to reduce the stress concentration to the processed hole formed in the cylindrical member while suppressing the increase in weight.
  • the deepest depth h of the recess is within 50% or less of the thickness H of the cylindrical member in which the processed hole is formed.
  • the position to which the tensile load is applied is the depth from the opening of the processed hole.
  • the shortest distance d1 to the opening edge of the processed hole is in a range of 50% or less of the circumferential dimension D of the processed hole. preferable.
  • the circumferential dimension d2 is in the range of 100% to 300% of the circumferential dimension D of the processed hole.
  • the circumferential dimension d2 of the recess is 100% or more of the circumferential dimension D of the machined hole, the effect of suppressing the load at the opening of the machined hole can be significantly obtained.
  • the circumferential dimension d2 of the recess is 300% or less of the dimension D of the circumferential direction of the processed hole, the recess is provided while the effect of suppressing the load at the opening of the processed hole is remarkably obtained. The reduction in strength of the cylindrical member can be suppressed.
  • the recess has an axial dimension w of 100% or more and 300% or less of an axial dimension W of the machined hole in the axial direction.
  • the dimension W of the machined hole is included in the circumferential position of the range of.
  • the dimension W of the processed hole is included at the circumferential position of the range of the dimension w with the axial dimension w of the recess 100% or more of the axial dimension W of the processed hole.
  • the effect of suppressing the load at the opening of the machined hole can be remarkably obtained.
  • the axial dimension w of the recess is 300% or less of the axial dimension w of the machined hole and the circumferential position of the range of the dimension w includes the machined hole dimension W, then The strength reduction of the cylindrical member by providing a recessed part can be suppressed, obtaining the effect which suppresses the load in an opening notably.
  • the said recessed part is arrange
  • the recessed portions are disposed on both sides in the circumferential direction of the processed hole, and are formed in a symmetrical shape based on the center of the processed hole. preferable.
  • the recessed portions are disposed on both sides in the circumferential direction of the machined hole, and are formed in a symmetrical shape with respect to the center of the machined hole, whereby tension generated on both sides in the circumferential direction of the machined hole
  • the effect of relieving the load can be obtained remarkably, and can be obtained equally on both sides in the circumferential direction.
  • the machined hole is formed in an elliptical shape whose circumferential direction is long.
  • the machined hole is formed in an elliptical shape having a long circumferential direction, the curvature at both axial ends where stress concentrates is larger than that of the circular shape. It becomes easy to disperse in the circumferential direction of both ends. As a result, it is possible to reduce stress concentration at both axial ends of the opening of the processed hole in synergy with the effect of the recess.
  • a gas turbine casing according to an aspect of the present invention is a cylindrical member having the above-mentioned processed holes and recesses.
  • a gas turbine concerning one mode of the present invention is provided with a gas turbine casing mentioned above as a shell.
  • machining can be easily performed, and stress concentration on a machined hole formed in a cylindrical member can be reduced.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a gas turbine according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view of a stress reduction structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
  • FIG. 4 is a plan view showing a method of manufacturing a stress reduction structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the line CC in FIG.
  • FIG. 7 is a plan view showing another example of the stress reduction structure according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a chart according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a graph according to an example of the present invention.
  • FIG. 10 is a graph according to an example of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic configuration view of a gas turbine according to the present embodiment.
  • the gas turbine shown in FIG. 1 is an aviation gas turbine.
  • the aviation gas turbine has a fan casing 11 and a gas turbine casing 12.
  • the fan casing 11 accommodates the fan 13 therein.
  • the gas turbine casing 12 is formed in a cylindrical shape by continuously arranging the compressor casing 12A, the combustor casing 12B and the turbine casing 12C, and the compressor 14 and the combustor casing 12B are formed in the compressor casing 12A.
  • the combustor 15 is housed inside, and the turbine 16 is housed inside the turbine casing 12C.
  • the fan 13 is configured by mounting a plurality of fan blades 22 on the outer peripheral portion of the rotation shaft 21.
  • the compressor 14 has a low pressure compressor 23 and a high pressure compressor 24.
  • a plurality of combustors 15 are located downstream of the compressor 14 and disposed in the circumferential direction.
  • the turbine 16 is located downstream of the combustor 15 and includes a high pressure turbine 25 and a low pressure turbine 26.
  • the rotating shaft 21 of the fan 13 and the low pressure compressor 23 are connected, and the low pressure compressor 23 and the low pressure turbine 26 are connected by the first rotor shaft 27.
  • the high pressure compressor 24 and the high pressure turbine 25 are connected by a cylindrical second rotor shaft 28 located on the outer peripheral side of the first rotor shaft 27.
  • high-temperature and high-pressure compressed air is obtained by the compressor 14 compressing the air taken in from the air intake through the low pressure compressor 23 and the plurality of stationary blades and blades (not shown) in the high pressure compressor 24. It becomes.
  • a predetermined fuel is supplied to the compressed air and burns.
  • a high temperature and high pressure combustion gas which is a working fluid generated by the combustor 15 passes through a plurality of vanes and blades (not shown) in the high-pressure turbine 25 and the low-pressure turbine 26 constituting the turbine 16.
  • the shaft 27 and the second rotor shaft 28 are driven to rotate.
  • the rotational force of the low pressure turbine 26 is transmitted to the low pressure compressor 23 by the first rotor shaft 27 and driven.
  • the rotational force of the high pressure turbine 25 is transmitted to the high pressure compressor 24 by the second rotor shaft 28 and driven.
  • the fan 13 can be driven, and the exhaust gas discharged from the turbine 16 can provide a thrust.
  • the gas turbine according to the present embodiment is not limited to the above-described aviation gas turbine, and includes, for example, a power generation gas turbine and the like.
  • the stress reduction structure according to the present embodiment is applied to the gas turbine casing 12 in the gas turbine as described above.
  • the gas turbine casing 12 is formed in a cylindrical shape, and a high thermal stress is generated due to a temperature difference generated when the gas turbine is started or stopped.
  • the pressure inside the gas turbine casing 12 rises with the operation, and hoop stress which is a tensile stress in the circumferential direction with respect to the cylindrical shape is generated.
  • Such high thermal stress and hoop stress occur particularly in the combustor casing 12B that generates combustion gas.
  • the circumferential direction means a circumferential direction around an axial center R which is a rotation center of the first rotor shaft 27 and the second rotor shaft 28 in FIG. 1.
  • the axial direction refers to a direction parallel to the axial center R.
  • FIG. 2 is a plan view of the stress reduction structure according to the present embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
  • FIG. 4 is a plan view showing a method of manufacturing the stress reduction structure according to the present embodiment.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the line CC in FIG.
  • FIGS. 2 to 6 show a part of the above-described gas turbine casing 12 (in particular, the combustor casing 12B) as a part of the cylindrical member 10 having a cylindrical shape.
  • the cylindrical member 10 is formed with a processed hole 1 for attaching an external part or the like.
  • the stress reduction structure of the present embodiment is for suppressing the tensile load in the circumferential direction with respect to the machined hole 1 formed in the cylindrical member 10 and reducing the stress concentration.
  • a recess 2 that is recessed in the depth direction of the machined hole 1 is formed on the side portion in the circumferential direction of the machined hole 1.
  • the concave portion 2 has an opening edge, an arc portion 2a of which a part is formed in an arc shape (horse-horse shape or C shape), and the arc shape is released and both ends of the arc shape are It is formed by the open part 2b connected linearly.
  • the concave portion 2 is formed such that the bottom portion is gradually shallower by the inclined surface 2 c from the portion along the arc portion 2 a to the open portion 2 b side.
  • the bottom of the recess 2 is formed so that the portion along the arc portion 2a is deep, in particular, the central portion of the arc portion 2a is the deepest and becomes shallower on the inclined surface 2c as it approaches the open portion 2b.
  • the concave portion 2 is disposed with the arc-shaped arc portion 2 a facing the processing hole 1.
  • this concave portion 2 uses a cylindrical end mill 100 used for cutting, and the rotational axis Ce is inclined so that a part of the tip is in contact with the surface of the cylindrical member 10. It forms by carrying out processing. Therefore, when the tip end of the end mill 100 is in contact with the surface of the cylindrical member 10 at an angle, the recess 2 is formed with the above-mentioned arc portion 2a, the open portion 2b, and the inclined surface 2c. Further, as shown in FIG. 3 and FIG. 5, the inner surface along the arc portion 2 a is curved and formed smoothly, and the inner surface is smoothed by the shape of the cutting blade (not shown) of the end mill 100 as shown in FIGS. Is formed. As described above, the recess 2 can be easily formed by one end mill 100 without using a large number of tools or moving the tools and requiring a machining operation.
  • the recessed portion 2 recessed in the depth direction of the processed hole 1 is formed on the side portion of the processed hole 1 formed in the cylindrical member 10 in the circumferential direction. For this reason, the tensile load generated in the circumferential direction of the machined hole 1 is relieved by the recess 2, the position where the tensile load is applied is displaced in the depth direction from the opening of the machined hole 1, and the load is suppressed at the opening. Thus, stress concentration at both axial ends 1 a of the opening of the machined hole 1 can be reduced.
  • the recessed part 2 which acts in this way has the circular arc part 2a in which a part of opening edge was formed in circular arc shape, and the bottom part faces toward the open part 2b where circular arc shape is open from the part which follows circular arc part 2a.
  • Processing is performed by making the rotation axis Ce oblique so that part of the tip contacts the surface of the cylindrical member 10 with the end mill 100 as described above. It can be easily formed without And since the concave part 2 formed in such a shape has the arc part 2a whose bottom is relatively deep toward the processing hole 1, the effect of alleviating the tensile load generated in the circumferential direction of the processing hole 1 is It can be obtained notably. As a result, it is possible to reduce the stress concentration on the machined hole 1 formed in the cylindrical member 10 while suppressing the increase in weight.
  • the concave portion 2 is disposed so that the arc portion 2a whose bottom is relatively deep is directed to the processing hole 1, the effect of alleviating the tensile load generated in the circumferential direction of the processing hole 1 can be remarkably obtained.
  • the open part 2 b may not be disposed in the axial direction, for example, even if the open part 2 b is disposed in the circumferential direction opposite to the processing hole 1. Good.
  • the inner surface along the arc portion 2a is curved and formed smoothly and is continuous with the inclined surface 2c, a tensile load is applied to the recess 2 itself as compared with a shape having a corner portion on the inner surface. It is possible to suppress the situation that it takes.
  • the recessed part 2 is provided in the side part of the circumferential direction of the processing hole 1 opened in the cylinder inside or cylinder outside of the cylindrical member 10, when the processing hole 1 penetrates. Moreover, when the processing hole 1 does not penetrate, the recessed part 2 is provided in the side part of the circumferential direction of the processing hole 1 by the side which the processing hole 1 opens.
  • the deepest depth h of the recess 2 is 50% or less of the thickness H of the cylindrical member 10 in which the processed hole 1 is formed. It is preferable that it is a range.
  • the deepest depth h of the recess 2 is 50% or less of the plate thickness H of the cylindrical member 10 in which the machined hole 1 is formed, the position where the tensile load is applied is displaced from the opening of the machined hole 1 in the depth direction
  • the effect of suppressing the load at the opening can be remarkably obtained, and the situation where a tensile load is applied to the recess 2 itself can be suppressed.
  • 50% of the recess 2 has a shortest distance d1 to the opening edge of the processed hole 1 of the peripheral dimension D of the processed hole 1. It is preferable to be in the following range.
  • the shortest distance d1 of the recess 2 is 50% or less of the circumferential dimension D of the processed hole 1 in the circumferential direction, the effect of suppressing the load at the opening of the processed hole 1 can be remarkably obtained.
  • the circumferential dimension d2 is in the range of 100% to 300% or less of the circumferential dimension D of the processing hole 1 in the circumferential direction. Is preferred.
  • the circumferential dimension d2 of the recess 2 is 100% or more of the circumferential dimension D of the machined hole 1, the effect of suppressing the load at the opening of the machined hole 1 can be remarkably obtained.
  • the circumferential dimension d2 of the recess 2 is 300% or less of the dimension D of the circumferential direction of the processed hole 1, the recess 2 is obtained while the effect of suppressing the load at the opening of the processed hole 1 is significantly obtained.
  • the recess 2 in the axial direction has a range dimension 100% to 300% of the range dimension W of the processed hole 1 in the axial direction. It is preferable that the dimension W of the processing hole 1 is included in the circumferential position in the range of the dimension w.
  • the processed hole The effect of suppressing the load at the opening 1 can be obtained remarkably.
  • the axial cross dimension w of the recess 2 is 300% or less of the axial cross dimension W of the processed hole 1 and the circumferential position of the range of the dimension w includes the dimension W of the processed hole 1
  • the effect of suppressing the load at the opening of the machined hole 1 is significantly obtained, the reduction in strength of the cylindrical member 10 due to the provision of the recess 2 can be suppressed.
  • the recess 2 be disposed on both sides in the circumferential direction of the processed hole 1.
  • the recess 2 is disposed on both sides in the circumferential direction of the machined hole 1.
  • the effect of alleviating the tensile load generated on both sides in the circumferential direction of the machined hole 1 can be remarkably obtained.
  • the concave portions 2 are disposed on both sides in the circumferential direction of the processed hole 1 and formed in a symmetrical shape based on the center of the processed hole 1. Is preferred.
  • the recess 2 is disposed on one side of the machined hole 1 in the circumferential direction and formed asymmetrically with the center of the machined hole 1 as a reference, the above effect can be obtained.
  • the recess 2 is disposed on both sides in the circumferential direction of the hole and formed in a symmetrical shape with respect to the center of the processing hole 1, it is possible to remarkably obtain the effect of alleviating the tensile load generated on both sides in the circumferential direction of the processing hole 1 And can be obtained equally on both sides in the circumferential direction.
  • FIG. 7 is a plan view showing another example of the stress reduction structure according to the embodiment of the present invention.
  • the machined hole 1 is formed in an elliptical shape whose circumferential direction is long.
  • the gas turbine casing 12 of this embodiment makes the cylindrical member 10 which has the process hole 1 and the recessed part 2 which were mentioned above.
  • this gas turbine casing 12 it is possible to suppress a decrease in the low cycle fatigue life based on the machined hole 1 when high thermal stress or hoop stress occurs.
  • the gas turbine of this embodiment equips the outer shell with the said gas turbine casing 12.
  • FIG. 8 is a chart according to the present embodiment.
  • 9 and 10 are graphs according to this example.
  • the concave portion has an arc portion, an open portion, and an inclined surface, as shown in FIGS. 2 and 3, and is disposed on both sides in the axial direction of the processing hole. Then, in Tests 1 to 3, the axial dimension w of the recess was changed. Further, in the tests 4 to 6, the shortest distance d1 to the opening edge of the processed hole of the recess was changed.
  • the unit of numerical values in FIG. 8 is inches.
  • each ⁇ is a rear rear nodal point (the upper end 1a in the axial direction of the opening of the machined hole 1 in FIG. 2), and Kt at these nodal points is shown.
  • Kt is a stress concentration coefficient, which is a ratio of an analysis result to a theoretical stress at infinity.

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  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

加工を容易に行うことができ円筒部材に形成された加工穴に対する応力集中を低減する。円筒部材（１０）に形成された加工穴１の周方向の側部において加工穴（１）の深さ方向に凹む凹部（２）が形成されており、凹部（２）は、開口縁の一部が円弧形状の円弧部（２ａ）に形成され、底部が円弧部（２ａ）に沿う部分から円弧形状が開放される開放部（２ｂ）に向けて傾斜面（２ｃ）により漸次浅く形成され、円弧部（２ａ）が加工穴（１）に向けて配置される。

Description

応力低減構造、ガスタービンケーシングおよびガスタービン
　本発明は、応力低減構造、応力低減構造を備えるガスタービンケーシングおよびガスタービンに関する。
　例えば、特許文献１には、ピストンのピンボスにおける円孔の口元に発生する応力集中をなくすため、円孔が設けられた入口面において圧縮荷重が集中する点Ａの近くに円孔の深さ方向にくぼみを設け、圧縮荷重を点Ａの側部に分散させることが示されている。
　また、例えば、特許文献２には、ガスタービンエンジンのケースに設けられた穴に生じるフープ応力を低減するため、穴のフープ方向の両側にパケット（凹部）を設けることが示されている。ポケットは、レーストラック形状を含む円形の外縁を有し、平坦な底部、湾曲した底部、または球形の形状を含むことが示されている。
特開平５－２４０１１０号公報 国際公開第２０１５／０３８９３１号パンフレット
　ところで、ガスタービンなどの回転構造物のケーシングは円筒形状に形成されており、起動時や停止時に生じる温度差により高い熱応力が発生する。また、運転に伴いケーシング内部の圧力は上昇し、円筒形状に対して周方向の引っ張り応力であるフープ応力が発生する。このようなケーシングには、外部部品などを取り付けるための加工穴が形成されている。そして、加工穴は、上述した高い熱応力やフープ応力が起動や停止で繰り返し掛かることから、低サイクル疲労寿命が大幅に低下することとなる。加工穴周りのフープ応力の低減策としては、加工穴近傍の肉厚化が一般的であるが、航空用のガスタービンとしては重量増加を極力抑える観点から好ましくない。
　特許文献２には、上述したようにガスタービンエンジンのケースに設けられた穴に生じるフープ応力を低減する工夫が施されることは示されているが、当該特許文献２に示されるような平坦な底部、湾曲した底部、または球形の形状のポケットは、加工性が悪く高コストとなる問題がある。
　本発明は上述した課題を解決するものであり、加工を容易に行うことができ円筒部材に形成された加工穴に対する応力集中を低減することのできる応力低減構造、ガスタービンケーシングおよびガスタービンを提供することを目的とする。
　上述の目的を達成するために、本発明の一態様に係る応力低減構造は、円筒部材に形成された加工穴の周方向の側部において前記加工穴の深さ方向に凹む凹部が形成されており、前記凹部は、開口縁の一部が円弧形状に形成され、底部が前記円弧形状に沿う部分から前記円弧形状の開放側に向けて傾斜面により漸次浅く形成され、前記円弧形状の部分が前記加工穴に向けて配置されている。
　この応力低減構造によれば、円筒部材に形成された加工穴の周方向の側部において加工穴の深さ方向に凹む凹部が形成されている。このため、加工穴の周方向に生じる引っ張り荷重が凹部により緩和されて、引っ張り荷重の掛かる位置が加工穴の開口部から深さ方向に変位し、開口部において荷重が抑制されることで、加工穴の開口部の軸方向の両端での応力集中を低減することができる。そして、このように作用する凹部は、開口縁の一部が円弧形状に形成され、底部が円弧形状に沿う部分から円弧形状の開放側に向けて傾斜面により漸次浅く形成されていることから、例えばエンドミルのような工具で円筒部材の表面に対して先端の一部が接触するように回転軸を斜めにして加工を行うことで多くの加工手数を伴わず容易に形成することができる。そして、このような形状に形成された凹部は、底部が比較的深い円弧形状の部分が加工穴に向けて配置されているため、加工穴の周方向に生じる引っ張り荷重を緩和する効果を顕著に得ることができる。この結果、重量増加を抑えつつ、円筒部材に形成された加工穴に対する応力集中を低減することができる。
　また、本発明の一態様に係る応力低減構造では、前記凹部は、最も深い深さｈが前記加工穴が形成された前記円筒部材の板厚Ｈの５０％以下の範囲であることが好ましい。
　この応力低減構造によれば、凹部の最も深い深さｈが加工穴が形成された円筒部材の板厚Ｈの５０％以下であれば、引っ張り荷重の掛かる位置を加工穴の開口部から深さ方向に変位させて開口部における荷重を抑制する効果を顕著に得ることができ、かつ凹部自体に引っ張り荷重が掛かる事態を抑制することができる。
　また、本発明の一態様に係る応力低減構造では、前記凹部は、前記加工穴の開口縁との最短距離ｄ１が前記加工穴の周方向の差し渡し寸法Ｄの５０％以下の範囲であることが好ましい。
　この応力低減構造によれば、凹部の最短距離ｄ１が加工穴の周方向の差し渡し寸法Ｄの５０％以下であれば、加工穴の開口部における荷重を抑制する効果を顕著に得ることができる。
　また、本発明の一態様に係る応力低減構造では、前記凹部は、周方向の差し渡し寸法ｄ２が前記加工穴の周方向の差し渡し寸法Ｄの１００％以上３００％以下の範囲であることが好ましい。
　この応力低減構造によれば、凹部の周方向の差し渡し寸法ｄ２が加工穴の周方向の差し渡し寸法Ｄの１００％以上であれば、加工穴の開口部における荷重を抑制する効果を顕著に得ることができる。一方、凹部の周方向の差し渡し寸法ｄ２が加工穴の周方向の差し渡し寸法Ｄの３００％以下であれば、加工穴の開口部における荷重を抑制する効果を顕著に得つつ、凹部を設けることによる円筒部材の強度低下を抑えることができる。
　また、本発明の一態様に係る応力低減構造では、前記凹部は、軸方向の差し渡し寸法ｗが前記加工穴の軸方向の差し渡し寸法Ｗの１００％以上３００％以下の範囲であり、前記寸法ｗの範囲の周方向の位置に前記加工穴の前記寸法Ｗが含まれることが好ましい。
　この応力低減構造によれば、凹部の軸方向の差し渡し寸法ｗが加工穴の軸方向の差し渡し寸法Ｗの１００％以上で寸法ｗの範囲の周方向の位置に加工穴の寸法Ｗが含まれていれば、加工穴の開口部における荷重を抑制する効果を顕著に得ることができる。一方、凹部の軸方向の差し渡し寸法ｗが加工穴の軸方向の差し渡し寸法Ｗの３００％以下で寸法ｗの範囲の周方向の位置に加工穴の寸法Ｗが含まれていれば、加工穴の開口部における荷重を抑制する効果を顕著に得つつ、凹部を設けることによる円筒部材の強度低下を抑えることができる。
　また、本発明の一態様に係る応力低減構造では、前記凹部は、前記加工穴の周方向の両側部に配置されていることが好ましい。
　この応力低減構造によれば、凹部が加工穴の周方向の両側部に配置されていることで、加工穴の周方向両側に生じる引っ張り荷重を緩和する作用を顕著に得ることができる。
　また、本発明の一態様に係る応力低減構造では、前記凹部は、前記加工穴の周方向の両側部に配置されて、前記加工穴の中心を基準とする対称形状に形成されていることが好ましい。
　この応力低減構造によれば、凹部が加工穴の周方向の両側部に配置され、かつ加工穴の中心を基準とする対称形状に形成されていることで、加工穴の周方向両側に生じる引っ張り荷重を緩和する作用を顕著に得ることができ、かつ周方向両側で均等に得ることができる。
　また、本発明の一態様に係る応力低減構造では、前記加工穴は、周方向が長尺の楕円形状に形成されていることが好ましい。
　この応力低減構造によれば、加工穴が周方向が長尺の楕円形状に形成されていることで、応力の集中する軸方向の両端における曲率が円形状に比較して大きくなるため、応力が両端の周方向に分散しやすくなる。この結果、凹部による効果と相乗して加工穴の開口部の軸方向の両端での応力集中を低減することができる。
　上述の目的を達成するために、本発明の一態様に係るガスタービンケーシングは、上述した加工穴および凹部を有する円筒部材をなす。
　このガスタービンケーシングによれば、高い熱応力やフープ応力が発生した場合の加工穴を基にした低サイクル疲労寿命の低下を抑制することができる。
　上述の目的を達成するために、本発明の一態様に係るガスタービンは、上述したガスタービンケーシングを外郭として備える。
　このガスタービンによれば、ガスタービンケーシングにおいて低サイクル疲労寿命の低下が抑制されるため、長寿命化を図り信頼性を向上することができる。
　本発明によれば、加工を容易に行うことができ円筒部材に形成された加工穴に対する応力集中を低減することができる。
図１は、本発明の実施形態に係るガスタービンの概略構成図である。 図２は、本発明の実施形態に係る応力低減構造の平面図である。 図３は、図２におけるＡ－Ａ断面図である。 図４は、本発明の実施形態に係る応力低減構造の製造方法を示す平面図である。 図５は、図４におけるＢ－Ｂ断面図である。 図６は、図２におけるＣ－Ｃ断面図である。 図７は、本発明の実施形態に係る応力低減構造の他の例を示す平面図である。 図８は、本発明の実施例に係る図表である。 図９は、本発明の実施例に係るグラフである。 図１０は、本発明の実施例に係るグラフである。
　以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。
　図１は、本実施形態に係るガスタービンの概略構成図である。
　図１に示すガスタービンは、航空用ガスタービンである。この航空用ガスタービンは、ファンケーシング１１とガスタービンケーシング１２とを有している。ファンケーシング１１は、その内部にファン１３が収容されている。ガスタービンケーシング１２は、圧縮機ケーシング１２Ａと燃焼器ケーシング１２Ｂとタービンケーシング１２Ｃとが連続して配置されて円筒形状に形成されたもので、圧縮機ケーシング１２Ａ内に圧縮機１４、燃焼器ケーシング１２Ｂ内に燃焼器１５、タービンケーシング１２Ｃ内にタービン１６がそれぞれ収容されている。
　ファン１３は、回転軸２１の外周部に複数のファンブレード２２が装着されて構成されている。圧縮機１４は、低圧コンプレッサ２３と高圧コンプレッサ２４とを有している。燃焼器１５は、圧縮機１４より下流側に位置し、周方向に複数配置されている。タービン１６は、燃焼器１５より下流側に位置し、高圧タービン２５および低圧タービン２６を有している。そして、ファン１３の回転軸２１と低圧コンプレッサ２３とが連結され、低圧コンプレッサ２３と低圧タービン２６とが第一ロータ軸２７により連結されている。また、高圧コンプレッサ２４と高圧タービン２５とが、第一ロータ軸２７の外周側に位置する円筒形状をなす第二ロータ軸２８により連結されている。
　従って、圧縮機１４にて、空気取入口から取り込まれた空気が、低圧コンプレッサ２３と高圧コンプレッサ２４における図示しない複数の静翼と動翼を通過して圧縮されることで高温・高圧の圧縮空気となる。燃焼器１５にて、この圧縮空気に対して所定の燃料が供給され、燃焼する。この燃焼器１５で生成された作動流体である高温・高圧の燃焼ガスが、タービン１６を構成する高圧タービン２５および低圧タービン２６における図示しない複数の静翼と動翼を通過することで第一ロータ軸２７および第二ロータ軸２８が駆動回転する。この場合、低圧タービン２６の回転力が第一ロータ軸２７により低圧コンプレッサ２３に伝達されて駆動する。また、高圧タービン２５の回転力が第二ロータ軸２８により高圧コンプレッサ２４に伝達されて駆動する。その結果、ファン１３を駆動することができると共に、タービン１６から排出される排気ガスにより推力を得ることができる。
　なお、本実施形態に係るガスタービンは、上述した航空用ガスタービンに限定されるものではなく、例えば、発電用ガスタービンなどを含む。
　本実施形態に係る応力低減構造は、上述したようなガスタービンにおけるガスタービンケーシング１２に適用される。上述したようにガスタービンケーシング１２は円筒形状に形成されたもので、ガスタービンの起動時や停止時に生じる温度差により高い熱応力が発生する。また、運転に伴いガスタービンケーシング１２の内部の圧力は上昇し、円筒形状に対して周方向の引っ張り応力であるフープ応力が発生する。このような高い熱応力やフープ応力は、特に、燃焼ガスを生成する燃焼器ケーシング１２Ｂにおいて発生する。ここで、周方向とは、図１において第一ロータ軸２７および第二ロータ軸２８の回転中心となる軸心Ｒを中心とした周り方向をいう。また、以下の説明において軸方向とは、軸心Ｒに平行な方向をいう。
　図２は、本実施形態に係る応力低減構造の平面図である。図３は、図２におけるＡ－Ａ断面図である。図４は、本実施形態に係る応力低減構造の製造方法を示す平面図である。図５は、図４におけるＢ－Ｂ断面図である。図６は、図２におけるＣ－Ｃ断面図である。
　図２から図６は、円筒形状の円筒部材１０の一部として、上述したガスタービンケーシング１２（特に、燃焼器ケーシング１２Ｂ）の一部を示している。円筒部材１０は、外部部品などを取り付けるための加工穴１が形成されている。
　加工穴１は、上述した高い熱応力やフープ応力が起動や停止で繰り返し掛かることから、図２において周方向の引っ張り荷重により開口部の軸方向の両端１ａに応力が集中し、これにより円筒部材１０の低サイクル疲労寿命が大幅に低下することとなる。従って、本実施形態の応力低減構造は、円筒部材１０に形成された加工穴１に対して周方向の引っ張り荷重を抑制し応力集中を低減するためにある。
　本実施形態の応力低減構造は、加工穴１の周方向の側部において加工穴１の深さ方向に凹む凹部２が形成されている。この凹部２は、図２に示すように、開口縁が、その一部を円弧形状（馬蹄形状またはＣ字形状）に形成された円弧部２ａと、円弧形状が開放されて円弧形状の両端が直線状に繋がれた開放部２ｂとで形成されている。また、凹部２は、図３に示すように、底部が、円弧部２ａに沿う部分から開放部２ｂ側に向けて傾斜面２ｃにより漸次浅く形成されている。すなわち、凹部２の底部は、円弧部２ａに沿う部分が深く、特に円弧部２ａの中央部が最も深く形成され、開放部２ｂに近づくにつれて傾斜面２ｃにより浅くなるように形成されている。この凹部２は、円弧形状の円弧部２ａを加工穴１に向けて配置されている。
　この凹部２は、図４および図５に示すように、切削に用いられる円柱形状のエンドミル１００を用い、円筒部材１０の表面に対して先端の一部が接触するように回転軸Ｃｅを斜めにして加工を行うことで形成する。従って、凹部２は、エンドミル１００の先端の一部が円筒部材１０の表面に対して斜めに接触することで、上述した円弧部２ａ、開放部２ｂ、および傾斜面２ｃが形成される。また、凹部２は、図３および図５に示すように、円弧部２ａに沿う内面が湾曲して滑らかに形成されており、この内面はエンドミル１００の切削刃（図示せず）の形状により滑らかに形成される。このように、凹部２は、多くの工具を用いたり工具を移動させたりして加工手数を伴わず、１つのエンドミル１００により容易に形成することができる。
　この本実施形態の応力低減構造によれば、円筒部材１０に形成された加工穴１の周方向の側部において加工穴１の深さ方向に凹む凹部２が形成されている。このため、加工穴１の周方向に生じる引っ張り荷重が凹部２により緩和されて、引っ張り荷重の掛かる位置が加工穴１の開口部から深さ方向に変位し、開口部において荷重が抑制されることで、加工穴１の開口部の軸方向の両端１ａでの応力集中を低減することができる。そして、このように作用する凹部２は、開口縁の一部が円弧形状に形成された円弧部２ａを有し、底部が円弧部２ａに沿う部分から円弧形状が開放される開放部２ｂに向けて傾斜面２ｃにより漸次浅く形成され、上述したようにエンドミル１００で円筒部材１０の表面に対して先端の一部が接触するように回転軸Ｃｅを斜めにして加工を行うことで多くの加工手数を伴わず容易に形成することができる。そして、このような形状に形成された凹部２は、底部が比較的深い円弧部２ａが加工穴１に向けて配置されているため、加工穴１の周方向に生じる引っ張り荷重を緩和する効果を顕著に得ることができる。この結果、重量増加を抑えつつ、円筒部材１０に形成された加工穴１に対する応力集中を低減することができる。
　なお、凹部２は、底部が比較的深い円弧部２ａが加工穴１に向けて配置されていれば、加工穴１の周方向に生じる引っ張り荷重を緩和する効果を顕著に得ることができるため、図２に示すように開放部２ｂが軸方向に向けて配置されていなくてもよく、例えば、開放部２ｂが周方向で加工穴１の反対方向に向けて配置されている構成であってもよい。
　また、凹部２は、円弧部２ａに沿う内面が湾曲して滑らかに形成されて傾斜面２ｃに連続していることで、内面に角部を有する形状と比較して凹部２自体に引っ張り荷重が掛かる事態を抑制することができる。
　なお、凹部２は、加工穴１が貫通している場合、円筒部材１０の筒内側または筒外側で開口する加工穴１の周方向の側部に設けられる。また、加工穴１が貫通していない場合、凹部２は、加工穴１が開口する側で加工穴１の周方向の側部に設けられる。
　また、本実施形態の応力低減構造では、図５および図６に示すように、凹部２は、最も深い深さｈが加工穴１が形成された円筒部材１０の板厚Ｈの５０％以下の範囲であることが好ましい。
　凹部２の最も深い深さｈが加工穴１が形成された円筒部材１０の板厚Ｈの５０％以下であれば、引っ張り荷重の掛かる位置を加工穴１の開口部から深さ方向に変位させて開口部における荷重を抑制する効果を顕著に得ることができ、かつ凹部２自体に引っ張り荷重が掛かる事態を抑制することができる。
　また、本実施形態の応力低減構造では、図２および図６に示すように、凹部２は、加工穴１の開口縁との最短距離ｄ１が加工穴１の周方向の差し渡し寸法Ｄの５０％以下の範囲であることが好ましい。
　凹部２の最短距離ｄ１が加工穴１の周方向の差し渡し寸法Ｄの５０％以下であれば、加工穴１の開口部における荷重を抑制する効果を顕著に得ることができる。
　また、本実施形態の応力低減構造では、図２に示すように、凹部２は、周方向の差し渡し寸法ｄ２が加工穴１の周方向の差し渡し寸法Ｄの１００％以上３００％以下の範囲であることが好ましい。
　凹部２の周方向の差し渡し寸法ｄ２が加工穴１の周方向の差し渡し寸法Ｄの１００％以上であれば、加工穴１の開口部における荷重を抑制する効果を顕著に得ることができる。一方、凹部２の周方向の差し渡し寸法ｄ２が加工穴１の周方向の差し渡し寸法Ｄの３００％以下であれば、加工穴１の開口部における荷重を抑制する効果を顕著に得つつ、凹部２を設けることによる円筒部材１０の強度低下を抑えることができる。
　また、本実施形態の応力低減構造では、図２に示すように、凹部２は、軸方向の差し渡し寸法ｗが加工穴１の軸方向の差し渡し寸法Ｗの１００％以上３００％以下の範囲であり、寸法ｗの範囲の周方向の位置に加工穴１の寸法Ｗが含まれることが好ましい。
　凹部２の軸方向の差し渡し寸法ｗが加工穴１の軸方向の差し渡し寸法Ｗの１００％以上で寸法ｗの範囲の周方向の位置に加工穴１の寸法Ｗが含まれていれば、加工穴１の開口部における荷重を抑制する効果を顕著に得ることができる。一方、凹部２の軸方向の差し渡し寸法ｗが加工穴１の軸方向の差し渡し寸法Ｗの３００％以下で寸法ｗの範囲の周方向の位置に加工穴１の寸法Ｗが含まれていれば、加工穴１の開口部における荷重を抑制する効果を顕著に得つつ、凹部２を設けることによる円筒部材１０の強度低下を抑えることができる。
　また、本実施形態の応力低減構造では、図２に示すように、凹部２は、加工穴１の周方向の両側部に配置されていることが好ましい。
　凹部２は、加工穴１の周方向の一方の側部に配置されていても上記の効果を得ることができるが、凹部２が加工穴１の周方向の両側部に配置されていることで、加工穴１の周方向両側に生じる引っ張り荷重を緩和する作用を顕著に得ることができる。
　また、本実施形態の応力低減構造では、図２に示すように、凹部２は、加工穴１の周方向の両側部に配置されて、加工穴１の中心を基準とする対称形状に形成されていることが好ましい。
　凹部２は、加工穴１の周方向の一方の側部に配置されて加工穴１の中心を基準として非対称に形成されていても上記の効果を得ることができるが、凹部２が加工穴１の周方向の両側部に配置され、かつ加工穴１の中心を基準とする対称形状に形成されていることで、加工穴１の周方向両側に生じる引っ張り荷重を緩和する作用を顕著に得ることができ、かつ周方向両側で均等に得ることができる。
　図７は、本発明の実施形態に係る応力低減構造の他の例を示す平面図である。
　本実施形態の応力低減構造では、図７に示すように、加工穴１は、周方向が長尺の楕円形状に形成されていることが好ましい。
　加工穴１が図２に示すような真円形状に形成されていても上述の効果を得ることができるが、加工穴１が周方向が長尺の楕円形状に形成されていることで、応力の集中する軸方向の両端１ａにおける曲率が円形状に比較して大きくなるため、応力が両端１ａの周方向に分散しやすくなる。この結果、凹部２による効果と相乗して加工穴１の開口部の軸方向の両端１ａでの応力集中を低減することができる。
　また、本実施形態のガスタービンケーシング１２は、上述した加工穴１および凹部２を有する円筒部材１０をなすことが好ましい。
　このガスタービンケーシング１２によれば、高い熱応力やフープ応力が発生した場合の加工穴１を基にした低サイクル疲労寿命の低下を抑制することができる。
　また、本実施形態のガスタービンは、上記ガスタービンケーシング１２を外郭に備えることが好ましい。
　このガスタービンによれば、ガスタービンケーシング１２において低サイクル疲労寿命の低下が抑制されるため、長寿命化を図り信頼性を向上することができる。
　以下、実施例について説明する。図８は、本実施例に係る図表である。図９および図１０は、本実施例に係るグラフである。
　本実施例では、ベース、テスト１～６について３次元での静的構造解析を行った。ベース、テスト１～６は、図８に示すように、凹部の加工穴の開口縁との最短距離ｄ１、凹部の軸方向の差し渡し寸法ｗ、加工穴の中心から軸方向への凹部の円弧部側の寸法ｗ１（図２参照）、加工穴の中心から軸方向への凹部の開放部側の寸法ｗ２（図２参照）、凹部の最も深い深さｈについて規定している。加工穴は、図２を参照するように、真円形状であり差し渡し寸法Ｄはベース、テスト１～６において同一（０．２６）である。凹部は、図２および図３を参照するように、円弧部、開放部、および傾斜面を有し、加工穴の軸方向の両側部に配置されている。そして、テスト１～３は、凹部の軸方向の差し渡し寸法ｗを変化させた。また、テスト４～６は、凹部の加工穴の開口縁との最短距離ｄ１を変化させた。なお、図８における数値の単位はインチである。
　図９および図１０において、各◇は加工穴の外側後方の節点（図２における加工穴１の開口部の軸方向の上側の端１ａ）であり、これら節点におけるＫｔを示している。Ｋｔは、（応力集中係数であって解析結果と無限遠での理論応力の比である。
　テスト１～３において、図９に示すように、Ｋｔは、ｗ＝Ｄに対してｗ＝２Ｄの場合に２割近く減少し、ｗ＝３Ｄの場合に５割近く減少することが分かる。なお、図９には明示しないが、図２における加工穴１の開口部の軸方向の下側の端１ａでも同様の傾向となる。従って、ｗ＝Ｄに対してＤを大きくすると応力低減効果が得られることが分かる。
　テスト４～６において、図１０に示すように、Ｋｔは、ｄ１＝Ｄに対してｄ１＝Ｄ／２、ｄ１＝Ｄ／３の場合に１割近く減少することが分かる。なお、図１０には明示しないが、図２における加工穴１の開口部の軸方向の下側の端１ａでも同様の傾向となる。従って、ｄ１＝Ｄに対してＤを大きくすると応力低減効果が得られることが分かる。
　１　加工穴
　１ａ　軸方向の端
　２　凹部
　２ａ　円弧部
　２ｂ　開放部
　２ｃ　傾斜面
　１０　円筒部材
　１２　ガスタービンケーシング

Claims (10)

  1. 　円筒部材に形成された加工穴の周方向の側部において前記加工穴の深さ方向に凹む凹部が形成されており、前記凹部は、開口縁の一部が円弧形状に形成され、底部が前記円弧形状に沿う部分から前記円弧形状の開放側に向けて傾斜面により漸次浅く形成され、前記円弧形状の部分が前記加工穴に向けて配置されている、応力低減構造。
  2. 　前記凹部は、最も深い深さｈが前記加工穴が形成された前記円筒部材の板厚Ｈの５０％以下の範囲である、請求項１に記載の応力低減構造。
  3. 　前記凹部は、前記加工穴の開口縁との最短距離ｄ１が前記加工穴の周方向の差し渡し寸法Ｄの５０％以下の範囲である、請求項１または２に記載の応力低減構造。
  4. 　前記凹部は、周方向の差し渡し寸法ｄ２が前記加工穴の周方向の差し渡し寸法Ｄの１００％以上３００％以下の範囲である、請求項１から３のいずれか１つに記載の応力低減構造。
  5. 　前記凹部は、軸方向の差し渡し寸法ｗが前記加工穴の軸方向の差し渡し寸法Ｗの１００％以上３００％以下の範囲であり、前記寸法ｗの範囲の周方向の位置に前記加工穴の前記寸法Ｗが含まれる、請求項１から４のいずれか１つに記載の応力低減構造。
  6. 　前記凹部は、前記加工穴の周方向の両側部に配置されている、請求項１から５のいずれか１つに記載の応力低減構造。
  7. 　前記凹部は、前記加工穴の周方向の両側部に配置されて、前記加工穴の中心を基準とする対称形状に形成されている、請求項１から５のいずれか１つに記載の応力低減構造。
  8. 　前記加工穴は、周方向が長尺の楕円形状に形成されている、請求項１から７のいずれか１つに記載の応力低減構造。
  9. 　請求項１から８のいずれか１つに記載の加工穴および凹部を有する円筒部材をなす、ガスタービンケーシング。
  10. 　請求項９に記載のガスタービンケーシングを外郭に備える、ガスタービン。
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