JP2004076942A - 内部冷却可能なボルト - Google Patents

Abstract

【課題】特に少量の冷却材で済ませられるという特徴を有し、冷却流体で内部冷却可能なボルトを提供する。
【解決手段】頭部（４）と、軸部（３）と、流入開口（６ａ）および流出開口（１２）を有する冷却材流路（２）とを備えたボルト（１）において、冷却材流路（２）が頭部（４）および軸部（３）全体を軸方向に貫通していない。冷却材流がボルト（１）全体を軸方向に流れるのを回避し、特にボルト（１）の外側面に沿っても冷却材が流れるようにしたことにより、冷却材の効果的な利用が達成される。
【選択図】図１ａ

Description

　本発明は冷却流体で内部冷却できるボルトに関する。

　機械的・熱的に大きく負荷されるボルトは、例えばガスタービンに採用されている。その用途例は、燃焼器ライニングの燃焼器壁への取付け装置である。ガスタービンで高い効率を得るために、通常、ガスタービンをできるだけ高い燃焼器温度で運転することが試みられている。燃焼器のガス出口温度は、代表的に１２００〜１３００℃に達する。一般に燃焼器ライニングは、内側から、即ち燃焼室の側から設置されたボルトで、燃焼器壁に取り付けられる。従って、ボルトの頭部は燃焼器の燃焼ガスに直に曝される。そのボルトの破損に伴い、ボルト或いはその一部、特にボルト頭部が燃焼器内に達し、ガス流で一緒に運ばれると、後続するタービンにおいて重大な損傷が引き起こされる。

　燃焼器に配置された取付けボルトの故障を確実に防止すべく、このボルトは冷却可能に形成される。そのため、取付けボルトは例えば軸方向孔を有し、この孔を経て冷却流体、特に冷却空気が、燃焼器の外側から燃焼器内に導入される。その冷却流体は燃焼器内で燃料ガスと混ざり合う。このため、燃焼器内の温度が低下する問題がある。取付けボルトの十分な強度を冷却にて保証しようとすると効率が犠牲になる。しかも、取付けボルトの冷却による十分な機械的強度の保証は、かなりの冷却材量を必要とする。

　本発明の課題は、特に少量の冷却材で済ませられるという特徴を持つ、冷却流体で内部冷却可能なボルトを提供することにある。

　この課題は、本発明に基づき請求項１に記載の手段により解決される。本発明に基づくボルトは、頭部と、軸部と、流入および流出開口を有する冷却材流路とを備え、冷却材流路が頭部と軸部全体を軸方向に貫通していない。このボルトは所謂閉鎖冷却回路を持つ。ボルトの両側端面、即ち軸部の端面と頭部の天頂面に、各々冷却材入口や出口を配置していない。少なくとも冷却材入口又は出口を横に配置する、即ち頭部の天頂面と軸部の端面との間に配置している。従って、特に専ら軸方向に向いた冷却材入口又は出口が設置不可能であるか、製造技術上望まれないとき、即ち冷却材を横から取り入れる場合、ボルトの長手軸線に向いた冷却材半径流が発生する。この冷却材半径流によって、ボルトはこれを内側から冷却する冷却材と同じ冷却材によって外側からも冷却される。この結果、冷却材を特に効果的に、即ち冷却材の熱容量を非常に効果的に利用でき、そのため冷却材を特に節約して利用できる。冷却材と被冷却ボルトの温度差を特に高い効率で利用する。

　本発明の有利な実施態様では、ボルトから流出する冷却材が軸部に沿って軸方向に流れるよう、冷却材出口をボルト上に横に配置する。この結果、ボルトの内部冷却に加えて、ボルトの外側表面の特に有効な冷却が保証される。軸部を全長にわたり内側から冷却するだけでなく外側からも冷却するため、冷却材流出開口を頭部のできるだけ直近又は頭部自体に配置するか、頭部と軸部との間の移行範囲に配置し、冷却材を軸部端面に向けて軸方向に冷却材流出開口から流出させるとよい。これに対し冷却材流入開口は、好適には軸部端面、即ち軸部端に設ける。従って、冷却材流入方向は冷却材流出方向と逆向きになる。

　軸部の全周をできるだけ一様に外側から冷却すべく、特に複数の流出開口を軸部の軸線を中心に少なくともほぼ回転対称に分布して、軸部外周および／又は頭部に配置するとよい。また、一様に分布した流出開口は、ボルトの横断面の非対称的な弱化およびこれに伴う機械的負荷容量の不要な低下を防止できるという利点を有する。１個又は複数個の冷却材流出孔は、軸部を頭部に対し境界づける軸部の太い部位としてのボルト鍔部に配置するとよい。冷却材流出開口をボルト鍔部に配置することで、冷却材流出開口に基づく軸部の横断面の弱化が避けられる。また、ボルト鍔部を冷却材の流れ方向を転向すべく用いる。

　本発明の有利な実施態様では、ボルトの頭部を内部冷却し、その際、冷却材の流れ方向の転向は頭部において行う。即ち、ボルト頭部に所謂転向範囲を設ける。冷却材流入および流出開口は、好適には頭部の天頂面或いは端面に設けない。この結果、頭部の端面に接する空間内で進行する過程、例えば化学反応が、この空間内に流入するかこの空間から流出する冷却材又は他の流体により影響されない。むしろ軸部、頭部および／又はボルト鍔部の範囲でボルトから横に流出する冷却材が、的確に継続して案内されおよび／又は閉鎖冷却回路内を導かれる。その際、軸部端に配置された冷却材軸方向流入開口が、冷却材を的確に導入又は帰還するのに特に適する。冷却材は転向なしに、従って実際に圧力損失なしに、まず軸部内を軸方向に延びる冷却材流路に流入する。更に、入口管を、軸部端に配置された冷却材流入開口に簡単に接続、例えばねじ込みできる。

　頭部の的確な冷却は、大きな熱負荷時に、ボルト継手の安全に対し特に重要である。その場合、頭部全体をできるだけ一様に冷却せねばならない。これは特に、軸部を通してボルトに流入する冷却材を、少なくともボルト鍔部、特に頭部迄、真っ直ぐに流し、頭部で初めて転向させ、冷却材を転向範囲で複数の冷却材部分流に分けることで達成される。その個々の冷却材部分流路を、ボルト頭部に、そして場合によってはボルト鍔部にも、少なくともほぼ一様に、特に回転対称に分布させる。

　閉鎖内部冷却ボルトは、特に燃焼器ライニングをガスタービンの燃焼器壁に取り付けるために適用する

　本発明の特別な利点は、冷却材流がボルト全体を軸方向に流れるのを回避し、一方で特にボルトの外側面に沿っても流れる冷却材により冷却材の効果的な利用を達成し、他方でそれに伴い冷却材のボルトへの望ましくない軸方向流入および冷却材のボルトからの望ましくない軸方向流出を避け、この結果、ボルトに軸方向に配置した空間への冷却材の意図しない直接作用を排除できることにある。

　以下図を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。各図において、同一部分には同一符号を付している。

　図１ａは内部冷却可能なボルト１を示し、図１ｂはその冷却材流路或いは冷却路２を抜き出して示している。ボルト１は軸部３と頭部４とを有し、軸線又は対称軸Ａに沿って、図において下側に位置する頭部４の天頂面５から軸部端６迄延びている。軸部３はその外周７にねじ８並びに軸部３を頭部４に向けて境界づける太く形成されたボルト鍔部９を有している。頭部４はその天頂面５に六角棒スパナ用の六角孔１０を有している。

　冷却材、即ち冷却流体Ｆは、軸部端６で軸方向に、流入方向Ｒ１にボルト１の流入開口６ａに流入し、ボルト１から３つの冷却材流出開口１２において流入方向Ｒ１と逆向きの流出方向Ｒ２に流出する。冷却材流路２はまず軸部３内を同軸的に延び、頭部４で、図１ａに破線で示し、図１ｂで詳細に示した経路を辿る。冷却材流路２は六角孔１０の直上で広がり、従って、この範囲で衝突冷却効果が生ずる。頭部４における冷却材流路２の範囲を転向範囲１３と呼ぶ。冷却材流路２は、その拡張後に３つの湾曲部分流路１４に分かれる。その流路或いは分岐路１４は一様な横断面積を有し、頭部４の内部で天頂面５の近く迄延びている。これら部分流路１４はそこで滑らかに絞られ２倍の数の細い流路１５に分岐している。全部で６つの細い流路１５は、これらが内側、即ち軸線Ａに向けて滑らかに絞られ、各々２つの細い流路１５が１つの部分流路１４に集合される前に、頭部４の表面近くを延びている。この結果冷却材Ｆは、軸部３の近くで集合された３つの部分流路１４を経、ボルト鍔部９に回転対称に配置された流出開口１２を経てボルト１から流出する。従ってボルト１の頭部４は、冷却材Ｆの天頂面５の方向への流出なしに強く冷却される。頭部４の内側１６にパッキンリング１７があり、流出開口１２は半径方向外側に向いて開き、即ちボルト鍔部９に被せられたパッキンリング１７に向いて開いている。

　ボルト１は鋳造材料からなる。冷却材流路２の形状は、ボルト１が全冷却材流路２を含めて鋳造で作れるように選定されている。部分流路１４と細い流路１５を含めて冷却材流路２を形成するため、別の加工工程、特に穿孔等の切削加工工程は不要である。鋳造は所謂「砂型中子（使い捨て中子）」を利用することなしに行える。そのため、冷却材流路２付きのボルト１は、アンダカットを回避した状態で、複数のマスキング要素を利用して鋳造が行えるように成形されている。この場合、スライダの形をした第２マスキング要素がその中に移動可能に案内された第１マスキング要素を、鋳型内に位置づけることが考慮されている。鋳造後にそれらのマスキング要素は簡単に除去でき、従って再利用できる。

　ボルト１は、図２に示すように、ブッシュ１８にねじ込まれる。該ブッシュ１８は左ねじとして形成された雄ねじ１９と、ボルト１のねじ８と同じように右ねじとして形成された雌ねじ２０とを有し、雌ねじ２０にボルト１がねじ込まれる。ブッシュ１８は、ガスタービンの燃焼器の壁（ここでは図示せず）に外からねじ込まれる。燃焼器ライニングは燃焼器壁にボルト１で取り付けられる。ブッシュ１８の雄ねじ１９を左ねじとして、ブッシュ１８の雌ねじ２０並びにこれに対応したボルト１のねじ８を右ねじとして形成したことで、ボルト１はブッシュ１８に対向ねじ込みされる。緩み止めとして、雌ねじ２０は断面楕円形範囲２１を有している。断面楕円形範囲２１でねじ８を締め付けることより、ボルト１は特別な止め要素なしに保持される。

　ブッシュ１８がねじ込まれた燃焼器壁と、ボルト１で保持された燃焼器ライニングとの間に密閉空間が形成され、この空間内を冷却空気が流れ、そこで加熱された冷却空気は燃焼空気として利用される。ボルト１から流出する冷却材Ｆはその密閉空間内に流入する。従って、ボルト１内で既に加熱された冷却材Ｆは、ガスタービンに導入すべき燃焼空気の温度を高め、これに伴い効率向上に寄与する。これに対しボルト１の開放冷却方式の場合、即ち冷却材Ｆがボルト１全体を完全に軸方向に貫流する場合、冷却材Ｆは燃焼器に直接到達し、そこの温度を下げ、この結果効率を低下させる。

　従って、閉鎖冷却方式の内部冷却ボルト１は、冷却材Ｆを特に効果的に利用すべく貢献し、燃焼空気温度を高めることで、同時にガスタービンの効率向上に寄与する。

　図３はガスタービン２２を断面図で概略的に示す。ガスタービン２２は、燃焼空気用の圧縮機２３と、ガスタービン燃焼器、即ち燃焼器２４と、圧縮機２３および発電機又は作業機械（図示せず）とを駆動するタービン２５を備える。そのためタービン２５と圧縮機２３は、タービンロータとも呼ばれる共通のタービン軸２６上に配置されている。該軸２６は回転中心線２６ａを中心に回転可能に支持され、発電機や作業機械が結合される。

　燃焼器２４は、液体又は気体燃料を燃焼するための多数のバーナ３３を備える。燃焼器壁２７は、燃焼器ライニング２８で内張りされている。

　タービン２５は、タービン軸２６に取り付けられた多数の動翼２９を備える。これら動翼２９はタービン軸２６に輪状に配置され、この結果多数の動翼列を形成している。またタービン２５は多数の静翼３０を含み、これら静翼３０も同様に輪状に配置されて静翼列を形成し、タービン２５の内部車室３１に取り付けられている。これに伴い、動翼２９はタービン２５を貫流する作動媒体Ｍの衝撃伝達によりタービン軸２６を駆動すべく使われる。これに対し静翼３０は、作動媒体Ｍの流れ方向に連続する２つの動翼列間で、作動媒体Ｍの流れを案内するために使われる。互いに連続して位置する一対の静翼列３０と動翼列２９は、各々タービン段と呼ばれる。

　ガスタービン２２の効率を向上すべく、ガスタービン２２は高温の作動媒体Ｍで駆動される。該媒体Ｍは燃焼器２４から約１２００〜１３００℃の温度で流出する。燃焼部に導入された圧縮燃焼空気は、バーナ３３への流入前に、燃焼器２４の内側壁２７と燃焼器ライニング２８の間に生じた囲い空間３２内で加熱される。この結果、燃焼器２４の内側壁２７が同時に冷却される。燃焼器ライニング２８を燃焼器２４の内側壁２７に保持するボルト１は、この運転条件下で大きな機械的・熱的負荷を受ける。ボルト１の頭部４は燃焼器２４内に突出している。ボルト１、特にその頭部４の非常に効果的な冷却に伴い、あらゆる運転条件下で、ボルト１は大きな強度を有し、十分な安全予備容量を有する。

内部冷却可能ボルトの斜視図。 内部冷却可能ボルトの冷却材流路の説明図。 図１の内部冷却可能ボルトおよび対応したブッシュの斜視図。 図１、２のボルトを備えた燃焼器を有するガスタービンの概略構成図。

符号の説明

１　ボルト、２　冷却材流路、３　軸部、４　頭部、６　軸部端、６ａ冷却材流入開口、
７　軸部外周面、９　ボルト鍔部、１２　冷却材流出開口、１３　転向範囲、２４　ガスタービン燃焼器、２７　燃焼器壁、２８　燃焼器ライニング、Ｒ１　冷却材流入方向、
Ｒ２　　冷却材流出方向

Claims (12)

1. 　頭部（４）と、軸部（３）と、流入開口（６ａ）および流出開口（１２）を有する冷却材流路（２）とを備え、該流路（２）が頭部（４）および軸部（３）全体を軸方向に貫通していないことを特徴とするボルト（１）。
2. 　流出開口（１２）が軸部外周（７）に配置されたことを特徴とする請求項１記載のボルト（１）。
3. 　流入開口（６）が軸部端（６ａ）に配置されたことを特徴とする請求項１又は２記載のボルト（１）。
4. 　流出開口（１２）が頭部（４）に配置されたことを特徴とする請求項１から３の１つに記載のボルト（１）。
5. 　複数の流出開口（１２）が、軸部（３）の軸線（Ａ）を中心に少なくともほぼ回転対称に配置されたことを特徴とする請求項３又は４記載のボルト（１）。
6. 　冷却材流入方向（Ｒ１）が冷却材流出方向（Ｒ２）と逆向きであることを特徴とする請求項１から５の１つに記載のボルト（１）。
7. 　軸部（３）を頭部（４）の方向に境界づけるボルト鍔部（９）を有することを特徴とする請求項１から６の１つに記載のボルト（１）。
8. 　流出開口（１２）がボルト鍔部（９）に配置されたことを特徴とする請求項７記載のボルト（１）。
9. 　頭部（４）に配置された冷却材流路（２）の転向範囲（１３）を有することを特徴とする請求項１から８の１つに記載のボルト（１）。
10. 　冷却材流路（２）が転向範囲（１３）で分割されたことを特徴とする請求項９記載のボルト（１）。
11. 　請求項１から１０の１つに記載のボルト（１）で燃焼器壁（２７）に取り付けられた燃焼器ライニング（２８）を備えることを特徴とするガスタービン燃焼器（２４）。
12. 　ボルト（１）の流出開口（１２）が、燃焼器ライニング（２８）と燃焼器壁（２７）との間の囲い空間（３２）に開口することを特徴とする請求項１１記載の燃焼器。

Images