JP2023069298A - タービンケース及びガスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】熱と圧力によって熱変形を起こさないタービンケースを提供する。【解決手段】タービンケース２ａは、シュラウドケース９と排気ディフューザ１０が連結される第１フランジＦ１と、外壁側面１７に設けられて燃焼器１４が設けられる第２フランジＦ２を有し、中心軸線Ｚに関して非対象形状である。第１フランジの周囲には、複数本の放射状リブ２０と、放射状リブを連結する円形リブ３０が設けられる。熱や圧力による影響が大きい第１フランジの周囲に円形リブを設けたので、高価な材質に変更する対策や、シュラウドケース等を冷却する対策と比較してタービンケースの熱変形を低廉なコストで抑制できる。【選択図】図４

Description

本発明は、燃焼器で生成した燃焼ガスによってタービンを回転させるガスタービンにおいて、タービンを含む種々の部品を組み付けて内部に収納するタービンケースに係り、特に、駆動時の熱と圧力による熱変形を抑えたタービンケースと、これを用いたガスタービンに関するものである。

特許文献１には、管状の構造部材と、ベースプレートまたは接合用フランジ等の基板との間を、補強リブを用いて溶接補強した接合構造体の発明が開示されている。この発明における補強リブは、管状の構造部材の外周を巻くようなＵ字形の構造であり、このリブ構造により、リブ屈曲側外側溶接止端部の疲労耐力とベースプレートもしくは接合用フランジ側に近いリブ開放端の疲労耐力の両方を同時に高めることで、耐力や疲労性能を一段と高めることができるものとされている。

特許文献２には、ガスタービンエンジンにおける低圧タービンケーシングの冷却に関する発明が開示されている。この発明は、ケーシングの変形抑制を目的とするものではなく、シュラウドとケーシングの間に冷却空気を流すことにより、ジェットエンジンに特有の長細いケーシングを冷却することを目的としている。

特許文献３には、内燃機関のエキゾーストマニフォールドのリブ構造に関する発明が開示されている。この発明の補強リブは、マニフォールドの両端にある２つのフランジの間を接続して設けられており、これによってマニフォールドの熱変形が抑制できるものとされている。

特開２００６－２４６４号公報 特開２００４－６０６５６号公報 特開２００７－２７２６号公報

ガスタービンは、タービンケース内に設けたタービンに燃焼器で生成した高温のガスを供給し、タービン及びこれが取り付けられたロータを回転させて回転運動エネルギーを得る内燃機関である。本願発明者等は、ガスタービンの研究・開発に従事しているが、本願発明前に本願発明者等が知得していたガスタービンでは、動力源である高温の燃焼ガスの熱と圧力によってタービンケースが変形を起こすことがあった。タービンケースが変形すると、高速で回転するタービンとシュラウドケース等の他の構成部材の隙間（チップクリアランス）が変化し、部材が破損し、又は機関性能が悪化する可能性がある。このため、本願発明者等は、熱と圧力によるタービンケースの変形を抑えることを近年の研究・開発の課題としてきた。本発明は、このような課題を解決するためになされたものであって、ガスタービンを駆動した際の熱と圧力によって熱変形を起こさないようなタービンケースと、これを用いたガスタービンを提供することを目的としている。

請求項１に記載されたタービンケースは、
他の部品が連結されるフランジを有するタービンケースであって、
前記フランジを取り囲む連続リブを備えたことを特徴としている。

請求項２に記載されたタービンケースは、請求項１に記載のタービンケースにおいて、
前記フランジを周方向に等間隔で取り囲む複数本の放射状リブを備え、
前記連続リブと前記放射状リブは接続部において直角に交差して接続されており、
前記接続部において前記連続リブと前記放射状リブの間は曲面で構成されていることを特徴としている。

請求項３に記載されたタービンケースは、請求項２に記載のタービンケースにおいて、
前記連続リブの厚さが、２５ｍｍ以上であるか又は前記放射状リブの厚さよりも大きいことを特徴としている。

請求項４に記載されたタービンケースは、請求項１乃至３の何れか一つに記載のタービンケースにおいて、
前記タービンケースは、シュラウドケースが接続される第１フランジが一端面に開口するとともに燃焼器が接続される第２フランジが周壁に開口しており、その中心線に関して非対称な構造の円筒形であって、
前記連続リブは、少なくとも前記第１フランジを取り囲んで設けられたことを特徴としている。

請求項５に記載されたガスタービンは、
第１フランジが一端面に開口するとともに、第２フランジが周壁に開口しており、その中心線に関して非対称な構造の円筒形であるタービンケースと、
前記タービンケースに収納されて前記第１フランジに接続されたシュラウドケースと、
前記第２フランジに接続された燃焼器と、
前記タービンケースに収納され、前記燃焼器で生成されて前記シュラウドケースを介して供給された燃焼ガスによって駆動されるタービンと、
少なくとも前記第１フランジを取り囲んで前記タービンケースに設けられた連続リブを備えたことを特徴としている。

請求項１に記載されたタービンケースによれば、他の部品が連結されるため、熱や圧力による影響が大きいフランジの周囲に連続リブを設けたので、従来よりも耐久性能が高い高価な材質に変更する対策や、タービンケースに連結される部品、例えばシュラウドケースやタービンスクロールを冷却するといった従来の対策と比較して、タービンケースの熱変形を低廉なコストで抑制することができる。

また、請求項１に記載されたタービンケースによれば、連続リブを設けたことにより、常温の空気で冷却されるタービンケースの表面積が増加し、連続リブが冷却フィンとして機能するため、タービンケースの外気による冷却性能を向上させることができる。

請求項２に記載されたタービンケースによれば、連続リブと放射状リブが直角に交差している接続部において、連続リブと放射状リブの間を曲面で構成したので、タービンケースに発生する応力を抑制しつつ、剛性を高めることができ、これによってタービンケースの表面に集中していた熱膨張を抑制することができる。

請求項３に記載されたタービンケースによれば、連続リブの厚さを最適化することにより、従来から使用されている安価な材料で構成されたタービンケースにおいて恒久的な変形が生じないようにすることができる。

請求項４に記載されたタービンケース及び請求項５のタービンに用いられるタービンケースは、シュラウドケースが接続される第１フランジが一端面に開口した円筒形であるが、燃焼器が接続される第２フランジが周壁に開口しているため、円筒形の中心線に関して非対称な構造となっている。従って、何等の手段を講じない場合には、ガスタービンの駆動時にタービンケース内に発生する高熱と圧力により、非対称な構造のタービンケースには、特定の箇所に応力の集中が生じ、タービンケースが変形してしまう可能性がある。ところが、タービンケースには、少なくとも第１フランジを取り囲んで連続リブを設けたので、タービンケースの熱変形を低廉なコストで抑制でき、タービンケースの外気による冷却性能も向上するため、タービンケースの耐久性が高いガスタービンを実現することができる。

実施形態のガスタービンの構造を示すために、ガスタービンの一部を破断して示した模式的な斜視図である。 実施形態のガスタービンにおいて、タービンケースの第１フランジとシュラウドケースと排気ディフューザの連結部分を拡大して示す断面図である。 分図（ａ）は、現形状のタービンケースの斜視図であり、分図（ｂ）は、所定の条件でガスタービンを駆動した場合に現形状のタービンケースに加わる応力を、有限要素法を用いたシミュレーションにより計算した結果を示す図である。 分図（ａ）は、本発明の実施形態に係るタービンケースの斜視図であり、分図（ｂ）は、所定の条件でガスタービンを駆動した場合に実施形態のタービンケースに加わる応力を、有限要素法を用いたシミュレーションにより計算した結果を示す図である。 分図（ａ）は、所定の条件でガスタービンを駆動した場合に、現形状のタービンケースと実施形態に係るタービンケースについて、内部圧力比に対する応力比の関係について、有限要素法を用いたシミュレーションにより計算した結果を示す表であり、分図（ｂ）は分図（ａ）の表に示す計算結果を示したグラフである。 現形状のタービンケースと実施形態に係るタービンケースについて、所定の条件でガスタービンを駆動した場合に、シュラウドケース等が取り付けられる第１フランジの周縁部における軸方向変位比を、有限要素法を用いたシミュレーションにより計算した結果を示すグラフである。

実施形態のガスタービンの特徴的な構成と、これに起因する現形状のガスタービンでは得られない効果を説明するため、まず現形状のガスタービンと実施形態のガスタービンに共通する構造を、図１～図４を参照して説明する。なお、現形状のガスタービンとは、本願発明前に公知であったものとの意味ではなく、本願発明前に本願発明者等が知得していた先行技術との意味である。

図１に示すように、ガスタービン１は、略円筒形のタービンケース２と、タービンケース２に同軸で連結された略円筒形のコンプレッサケース３からなる外筐体を備えている。この外筐体の内部の中央には、共通のロータ４が複数個の軸受５を介して回転自在に支持されている。ロータ４には、コンプレッサケース３内に収納された圧縮機６が取り付けられており、またタービンケース２内に収納されたタービン７が取り付けられている。また、コンプレッサケース３の外側には、吸気を取り入れるためのダクト８が取り付けられている。

図１、図３（ａ）及び図４（ａ）に示すように、タービンケース２は前述したように略円筒形の部材であって、後に説明する各種部材を取り付けるための第１フランジＦ１が一端面に開口しており、第２フランジＦ２が周壁に開口している。このため、タービンケース２は略円筒形ではあるが、その中心線（中心軸線Ｚ）に関して非対称な構造となっている。

図１及び図２に示すように、タービンケース２の第１フランジＦ１には、シュラウドケース９と排気ディフューザ１０が取り付けられている。特に図２に拡大して示すように、タービンケース２の第１フランジＦ１と、シュラウドケース９の取り付け部と、排気ディフューザ１０の取り付け部は、重ねられて共通のボルト１１で一体に締結されている。シュラウドケース９と排気ディフューザ１０は、タービン７を駆動した後の燃焼ガスを排出する排気流路１２を構成している。

図１に示すように、タービンケース２の第２フランジＦ２には、外筒１３が取り付けられている。外筒１３の内部には、外筒１３の内壁と所定間隔をおいて、タービン７に駆動用の燃焼ガスを供給する缶型燃焼器１４が設けられている。缶型燃焼器１４には、空気を採り入れるために複数の貫通孔が形成されているまた、詳細は図示しないが、缶型燃焼器１４には、燃料を供給する燃料配管が接続され、また点火栓が設けられている。

図１に示すように、タービンケース２の内部には、缶型燃焼器１４から送られてくる燃焼ガスをタービン７に導く燃焼ガス流路を構成するタービンスクロール１５が設けられている。すなわち、タービンスクロール１５の一端は缶型燃焼器１４の開放された下端に接続されており、他端はタービン７に向けて開口している。また、タービンケース２の内壁とタービンスクロール１５の外壁の間には、缶型燃焼器１４に圧縮空気を供給する空気流路１６が構成されている。すなわち、空気流路１６は、圧縮機６が設けられたコンプレッサケース３と、外筒１３と缶型燃焼器１４の間にある空間とを連通させている。

以上の構成によれば、圧縮機６で圧縮された圧縮空気が空気流路１６から缶型燃焼器１４に供給され、また燃料配管から缶型燃焼器１４に燃料が供給されると、缶型燃焼器１４の内部では混合気が生成され、これに点火栓が着火して燃焼させることによって燃焼ガスが生成される。缶型燃焼器１４で生成された燃焼ガスは、タービンスクロール１５の内部空間である燃焼ガス流路を通ってタービン７に導かれ、これを駆動してロータ４を回転させた後、シュラウドケース９と排気ディフューザ１０で形成される排気流路１２から外に排出される。

次に、現形状のガスタービン１の構造に起因する問題点について説明する。なお、実施形態のタービンケースについては符号２ａを当て、現形状のガスタービンについては符合２ｂを当て、特に区別しない場合は符合２を当てて説明する。
先に説明したように、タービンケース２は、シュラウドケース９との間に空気流路１６を形成する役割と、内部の燃焼ガス流路に１０００℃の燃焼ガスが流れるタービンスクロール１５からの熱を遮蔽する遮熱の役割と、ロータ４及びタービン７の格納の役割と、缶型燃焼器１４とシュラウドケース９を所定位置に保持する役割等、複数の役割を兼ねる複雑な構造体である。

このように複雑な構造体において、タービンケース２が熱や内部の圧力によって変形した場合、シュラウドケース９の外壁とタービン７の先端の隙間（チップクリアランス）が変化するため、これが狭くなった場合には、シュラウドケース９の外壁とタービン７が接触して破損する可能性があり、広くなった場合には、タービン７の空力性能を著しく低下させ、機関性能を悪化させる可能性がある。また、タービンケース２が変形することで、ロータ４の軸受５の保持位置が変わり、ロータ４にミスアライメントを発生させ、振動が増加する可能性がある。さらに、タービンケース２の変形により、図３（ａ）及び図４（ａ）に示すシュラウドケース９との接続面及び缶型燃焼器１４の接続面である第１フランジＦ１及び第２フランジＦ２の座面のシール性能が著しく低下し、タービンケース２の外に圧縮空気が漏れ出し、機関運転が困難になる可能性がある。さらにまた、タービンケース２が変形すれば、これに連結されたコンプレッサケース３も変形する可能性がある。

タービンケース２の形状を変形させる主要因は高温流体からの熱伝達である。タービンケース２は、その外壁が常に常温の空気で冷やされる一方で、３００℃以上となる圧縮機６の吐出空気温度に近い高温流体である圧縮空気が、その内壁に沿って流れる。また、タービンケース２の内側に設けられたタービンスクロール１５には１０００℃の燃焼ガスが流れ、タービンケース２は強い輻射を受ける。さらに、第１フランジＦ１及び第２フランジＦ２には、排気流路１２を区画するシュラウドケース９と、燃焼で高温となる缶型燃焼器１４がそれぞれ接続されており、タービンケース２には７００℃近い温度が直接熱伝導により伝わる。

このように、タービンケース２は各部で高温に曝されるとともに、各部相互の温度差が大きい過酷な環境下にある。しかしながら、タービンケース２は、上述したように多数の部品が接続されて一体に組み立てられた構造であるため熱膨張しにくく、各所に不均一な態様で応力が発生する。特に、図３（ａ）及び図４（ａ）に示すように、シュラウドケース９が接続される第１フランジＦ１の座面と、円筒形のタービンケース２ｂの周面に当たる外壁側面１７の間にある部分、すなわち、第１フランジＦ１の座面の外周から円筒形のタービンケース２ｂの中心軸線Ｚ方向に半円筒形に膨出・湾曲した周状の部分である外壁曲面１８は、その外側は常温の空気で冷やされるが、内部にある高温の部品から直接熱伝導を受けるため温度差が生じやすく、熱による変形を伴いやすい。缶型燃焼器１４が接続される第２フランジＦ２の座面近傍も同様である。

図３（ａ）に示すように、この熱変形を抑制するため、現形状のタービンケース２ｂには、第１フランジＦ１の外周部から、外壁曲面１８を経て外壁側面１７に至るまで、複数本の放射状リブ２０がそれぞれ連続的に設けられている。放射状リブ２０は、外壁曲面１８においては、円形の第１フランジＦ１の半径方向に延設されており、円形の第１フランジＦ１の周方向について等間隔で第１フランジＦ１を取り囲むように設けられている。放射状リブ２０は、外壁側面１７においては、円形の第１フランジＦ１の中心軸線Ｚと平行になっている。また、放射状リブ２０の外壁側面１７上の端部は、タービンケース２ｂの外壁側面１７に対して一定の角度を有する斜面で連続している。

しかしながら、現形状のタービンケース２ｂでは、この放射状リブ２０で熱変形を抑えることができず、大きな応力が局所的に発生している。図３（ｂ）は、図３（ａ）に示した現形状のタービンケース２ｂを有するガスタービン１を所定の条件で駆動した場合に、現形状のタービンケース２ｂに加わる応力を、有限要素法を用いたシミュレーションにより計算し、その結果を３Ｄ画像上に濃淡のグラフィックで示した図である。図３（ｂ）に示すように、缶型燃焼器１４が取り付けられる第２フランジＦ２に近い外壁曲面１８の一部、すなわち、第１フランジＦ１と第２フランジＦ２に挟まれた外壁曲面１８の一部（第１の集中点Ｐ１と称する。）は、高温であるとともに温度差が顕著であるため、図中濃いグレーで表されるように高い応力が発生している。この高い応力が発生している外壁曲面１８上の第１の集中点Ｐ１に対して、円形の第１フランジＦ１の周方向について１８０°回転した反対側の位置（第２の集中点Ｐ２と称する。）にも応力が集中している。これらの箇所では、応力の集中により、タービンケース２ｂの表面が熱変形している。

ガスタービン１が始動と停止を繰り返すと、タービンケース２は加熱と冷却を繰り返すため、疲労が蓄積され疲労寿命の低下が懸念される。現形状のタービンケース２ｂでは、き裂等は発生していないが、今後のガスタービンの開発においては圧力比の増加が想定されるため、タービンケース２については何らかの熱変形対策が必要であると本願発明者等は考えた。さらに、前述した現形状のタービンケース２ｂは缶型燃焼器１４を有するタイプであり、これを改良する本発明のタービンケース２ａも、缶型燃焼器１４を有するタイプに好適に適用されることを考慮しているが、このタイプのタービンケース２は、ジェットエンジンに代表されるアニュラー型燃焼器のような軸対象である円筒形状のタービンケースとは異なっている。すなわち、缶型燃焼器１４を有するタイプのガスタービン１に用いられるタービンケース２は、缶型燃焼器１４を接続するために、円柱形の本体の側周面に、当該本体よりも半径の小さい円柱を埋め込んだような非対称構造となっており、従って前述した放射状リブ２０を配置設計する難易度は高く、図３（ｂ）を参照して説明したように、タービンケース２ｂの熱変形を、必ずしも効果的に抑止しているとは言い難い。

以上、現形状のガスタービン２ｂと実施形態のガスタービン２ａとに共通する構造と、現形状のガスタービン２ｂにおける放射状リブ２０の問題点を説明したが、これらを踏まえ、本発明の特徴である連続リブの構造と、現形状の問題点を解決する作用効果について、図４～図６を参照して以下に説明する。

図４（ａ）に示すように、実施形態のタービンケース２ａでは、現形状の放射状リブ２０に加えて、これと交差する連続リブとしての円形リブ３０（以下リングリブ３０とも称する。）を設けた。円形リブ３０は、第１フランジＦ１を取り囲んでいる外壁曲面１８の頂点を結ぶ閉じた円形のパターンで設けられており、複数本の放射状リブ２０の全てに交差し、それぞれに接続されている。すなわち、連続リブの「連続」とは、１本の線が閉じており、その形状に関わらずループとなっている状態を示しており、例えば円形リブ３０のように円形でもよいし、フランジの外形状によっては楕円形や矩形であってもよい。

図４（ａ）に示すように、タービンケース２ａの表面（すなわち外壁曲面１８の表面）からリングリブ３０の表面までの高さは放射状リブ２０と同じであり、リングリブ３０は表面にタービンケース２ａの表面と平行で一定の厚さＴを持つ平面を有している。リングリブ３０の表面は、一定の半径の内周と、一定の半径に厚さＴを加えた半径の外周を有するリング形状である。放射状リブ２０とリングリブ３０は外壁曲面１８上において直角に交差して接続され、その接続部は一定の半径Ｒを持つ曲面で構成されている。接続部において、円形リブ３０と放射状リブ２０の間は曲面で繋がっているため、第１フランジＦ１の軸線方向Ｚと平行な視線で見た場合、接続部はひし形又は星型に類似した形状を呈している。

図４（ｂ）は、所定の条件でガスタービン１を駆動した場合に実施形態のタービンケース２ａに加わる応力を有限要素法（ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＭｅｔｈｏｄ, 以下ＦＥＭ）を用いたシミュレーションにより計算し、その結果を３Ｄ画像上に濃淡のグラフィックで示した図である。先に図３（ｂ）を参照して説明したように、現形状のタービンケース２ｂでは、タービンケース２の外壁曲面１８のうち、第２フランジＦ２があるために外壁曲面１８が最も短くなっている第１の集中点Ｐ１と、これとは１８０°反対側の第２の集中点Ｐ２に、特に応力が集中していた。一方、図４（ｂ）に示すように、放射状リブ２０に加えてリングリブ３０も有する実施形態のタービンケース２ａでは、もっとも圧縮応力が高かった第１の集中点Ｐ１に相当する位置での応力は、現形状のタービンケース２ｂと比較すると２０％ほど低減できている。リングリブ３０を追設することで、熱と内部の圧力によって生じる応力を抑制しつつ、剛性を高め、これによってタービンケース２ｂの表面の特定箇所に集中していた熱膨張を抑制することができた。

なお、実施形態のタービンケース２ａでは、放射状リブ２０に加えてリングリブ３０を追設しているため、特に高熱に曝され、熱分布も複雑なタービンケース２ａの外壁曲面１８の表面積が、現形状のタービンケース２ｂに較べて増大するため、タービンケース２ａの表面から空気への熱伝達が促進されるので、タービンケース２ａの熱膨張を抑制する効果がより高くなる。

図５を参照し、ガスタービン１の運転時に、現形状のタービンケース２ｂに発生する応力と、実施形態のタービンケース２ａに発生する応力を比較する。
図５は、現形状のタービンケース２ｂと、リングリブ３０の厚さＴを変えた２種類の実施形態のタービンケース２ａについて、所定の運転条件下においてタービンケース２ａ，２ｂに発生する応力を、ＦＥＭ手法を用いたシミュレーションにより計算し、その結果を内部圧力比と応力比の関係として示したものである。分図（ａ）は、計算結果の数値を示した表であり、分図（ｂ）は計算結果をグラフ化したものである。なお、ここで応力比とは、タービンケース２ａ，２ｂにおいて発生する圧縮応力と引張応力の比であり、内部圧力比とは、圧縮応力が発生する位置の内部にかかる圧力と、引張圧縮応力が発生する位置の内部にかかる圧力の比である。

ここで、現形状のタービンケース２ｂの放射状リブ２０の厚さは１０ｍｍである。また実施形態の２種類のタービンケース２ａは、現形状のタービンケース２ｂの放射状リブ２０に加え、接続部の曲面の半径Ｒが２０ｍｍ、厚さＴが２０ｍｍのリングリブ３０を設けたタービンケース２ａ（リングリブ３０Ｒ２０Ｔ２０）と、現形状のタービンケース２ｂの放射状リブ２０に加え、接続部の曲面の半径Ｒが２０ｍｍ、厚さＴが２５ｍｍのリングリブ３０を設けたタービンケース２ａ（リングリブ３０Ｒ２０Ｔ２５）である。

タービンケース２の材料としてはＦＣＤ（球状黒鉛鋳鉄品）が従来から一般的で安価な材料として知られているが、このＦＣＤが所定の高温においても内部圧力比に関わらず応力比が１となる限界ラインを図５に示す計算結果に併せて表示した。発生する応力の応力比がこの限界ラインより低ければ、当該タービンケース２をＦＣＤで構成しても０．２％耐力を越えた応力が発生して永久ひずみが残るような熱変形を避けることができることになる。

図５（ａ）、（ｂ）によれば、例えば内部圧力比１．０における応力比を見ると、現形状（分図（ｂ）では実線で示す。）では応力比１．０の前記限界ラインを越えた１．１２６となっており、０．２％耐力を越えた応力比によって永久ひずみが残る熱変形が生じてしまう。これに対して、実施形態のタービンケース２ａ（リングリブ３０Ｒ２０Ｔ２０、分図（ｂ）では破線で示す。）では、応力比が１．０４６となっており、応力比が０．２％耐力の限界ラインをわずかに越えてはいるが、永久ひずみが残るような熱変形は避けられる可能性は認められ、また永久ひずみが残ってもごく少なくて済む。さらに、実施形態のタービンケース２ａ（リングリブ３０Ｒ２０Ｔ２５、分図（ｂ）では三点鎖線で表示）では、応力比が０．９５０となっており、応力比が０．２％耐力の限界ラインを下回っているので、永久ひずみが残るような熱変形は発生しない。

このように、実施形態のタービンケース２ａにおいて、連続リブの厚さＴを、少なくとも現形状の放射状リブ２０よりも大きい値（Ｔ２０）又は２５ｍｍ以上といった最適値とすることにより、従来から使用されているＦＣＤ等の安価な材料でタービンケース２ａを構成しても、熱や圧力による恒久的な変形が実質的に生じないようにすることができる。

図６を参照して、ガスタービン１の運転時に、現形状のタービンケース２ｂの第１フランジＦ１に発生する変位と、実施形態のタービンケース２ａの第１フランジＦ１に発生する変位を比較する。
図６は、現形状のタービンケース２ｂと実施形態のタービンケース２ａについて、所定の条件でガスタービン１を駆動した場合に、第１フランジＦ１の周縁部における軸方向の変位比を、有限要素法を用いたシミュレーションにより計算し、第１フランジＦ１の周縁部の位相角度（°）ごとに示したものである。図３（ａ）及び図４（ａ）において、変位比を表す基準となる軸方向とは、円形の第１フランジＦ１の中心軸線Ｚであり、第１フランジＦ１の周縁部の位相角度（°）とは、ＴＯＰを０°、ＲＩＧＨＴを４５°、ＢＯＴＴＯＭを１８０°、ＬＥＦＴを２７０°とする周方向の角度を意味する。

図６に示すように、ガスタービン１の運転時に、現形状のタービンケース２ｂの第１フランジＦ１に発生する軸方向変位比（破線で示す。）は、全ての位相角度について０．９を越えており、特にＬＥＦＴ（２７０°）とＴＯＰ（０°）の間の位置、すなわち図３（ａ）で示した第１の集中点Ｐ１においては、１．１に近い値を示す。これは、前述したように、第１の集中点Ｐ１では高熱によって局所的に大きな変形が生じていることを示している。

これに対し、図６に示すように、ガスタービン１の運転時に、実施形態のタービンケース２ａの第１フランジＦ１に発生する軸方向変位比（実線で示す。）は、全ての位相角度について０．７を下回るとともに、ほぼ一定値を示しており、特定の位相角度において軸方向変位比が突出して大きい状況は見られない。これは、実施形態によれば、熱と内部の圧力によって第１フランジＦ１の周囲に生じている中心軸線Ｚ方向の変形は、現形状のタービンケース２ｂに較べて小さく、また、第１フランジＦ１の周方向について平均化されていることを示している。

以上説明した実施形態では、放射状リブ２０に加えてリングリブ３０を設けたが、放射状リブ２０を設けずに、リングリブ３０のみを設けた場合にも、熱変形の抑止効果を得ることができる。そのため実施形態では、第１フランジＦ１にリングリブ３０を設けたが、第２フランジＦ２の周囲の円周面にリングリブ３０を設けてもよい。

本実施形態のタービンケース２ａによれば、上述したように補強用リブとしてリングリブ３０を追加したので、熱と圧力によって発生する応力に起因したタービンケース２ａの熱変形を抑制することができるため、次のような効果が得られる。
(1) ガスタービン１の機関性能を安定して維持することができる
(2) 現状で用いられている安価な材料でもタービンケース２ａの熱変形が抑えられるため、特に高級な耐熱材料を用いる必要がなくなる。
(3) シュラウドケース９を保持するフランジＦ１，Ｆ２の座面の熱変形を抑制できるため、シュラウドケース９の保持力が向上する。
(4) タービンケース２ａ及びコンプレッサケース３内にロータ４を保持している軸受５の位置が変わることを抑制できるため、タービンケース２ａ及びコンプレッサケース３の振動を抑制できる。
(5) タービンケース２ａの熱変形を防止できるので、タービン７から受ける熱の遮熱を気にする必要がなくなる
(6) リングリブ３０は比較的単純な構造であり、安価に熱変形対策を講ずることが可能である。
(7) タービンケース２ａの耐圧力性能が向上するため、タービンケース２ａの寿命が延びる。
(8) タービン７のチップクリアランスを一定に保つことによって，タービン７の性能を長期にわたり維持できる。
(9) タービン７とシュラウドケース９が接触することを回避できる。
(10)運転中のチップクリアランスを一定に保つことができ、また運転の前後でのチップクリアランスの差が小さくなる。このため駆動時及び分解後の組み立て時等における性能管理が容易になる。
(11)リングリブ３０が冷却フィンの役割を果たすため、外気による冷却性能が向上する。

また、本実施形態のタービンケース２ａは、舶用、陸用、航空用を含むガスタービン機関や産業用タービンのタービンケースだけでなく、過給機やターボチャージャーのタービンケース、ボイラーなど配管を支持する役目も担う圧力容器の筐体等に採用することができ、これら種々の適用対象において、安価にタービンケース又は筐体の熱変形を抑制することができる。

１…ガスタービン
２…タービンケース
２ａ…実施形態のタービンケース
２ｂ…現状のタービンケース
７…タービン
９…シュラウドケース
１４…缶型燃焼器
２０…放射状リブ
３０…連続リブとしての円形リブ（リングリブ）
Ｆ１…第１フランジ
Ｆ２…第２フランジ
Ｔ…円形リブの厚さ

Claims (5)

1. 他の部品が連結されるフランジを有するタービンケースであって、
   前記フランジを取り囲む連続リブを備えたことを特徴とするタービンケース。
2. 前記フランジを周方向に等間隔で取り囲む複数本の放射状リブを備え、
   前記連続リブと前記放射状リブは接続部において直角に交差して接続されており、
   前記接続部において前記連続リブと前記放射状リブの間は曲面で構成されていることを特徴とする請求項１に記載のタービンケース。
3. 前記連続リブの厚さが、２５ｍｍ以上であるか又は前記放射状リブの厚さよりも大きいことを特徴とする請求項２に記載のタービンケース。
4. 前記タービンケースは、シュラウドケースが接続される第１フランジが一端面に開口するとともに燃焼器が接続される第２フランジが周壁に開口しており、その中心線に関して非対称な構造の円筒形であって、
   前記連続リブは、少なくとも前記第１フランジを取り囲んで設けられたことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一つに記載のタービンケース。
5. 第１フランジが一端面に開口するとともに、第２フランジが周壁に開口しており、その中心線に関して非対称な構造の円筒形であるタービンケースと、
   前記タービンケースに収納されて前記第１フランジに接続されたシュラウドケースと、
   前記第２フランジに接続された燃焼器と、
   前記タービンケースに収納され、前記燃焼器で生成されて前記シュラウドケースを介して供給された燃焼ガスによって駆動されるタービンと、
   少なくとも前記第１フランジを取り囲んで前記タービンケースに設けられた連続リブを備えたことを特徴とするガスタービン。

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