JP4169556B2 - ガスタービンの軸流圧縮機と高圧側ロータディスク装置との間を接続するための改良フランジ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンの軸流圧縮機と高圧側ロータディスク装置との間を接続するための改良フランジに関する。
【０００２】
【従来の技術】
公知のように、ガスタービンは、軸流圧縮機及び１つ又はそれ以上の段を備えるタービンから成る機械であり、これらの構成部品は回転シャフトにより互いに接続されて、燃焼チャンバが圧縮機とタービンの間に設けられる。
【０００３】
高温及び高圧を有する燃焼チャンバからのガス出力は、対応する管を通してタービンの異なる段に到達し、該タービンの異なる段が、ガスのエンタルピーをユーザが利用できる機械的エネルギーに変換する。
【０００４】
２段を備えるタービンにおいては、ガスは、極めて高い温度及び圧力状態でタービンの第１の段で処理されて、第１の膨張を行う。
【０００５】
次に、タービンの第２の段において前の段で用いられたものより低い温度及び圧力状態で第２の膨張を行う。
【０００６】
また、特定のガスタービンから最大性能を得るためには、できるだけ高いガス温度が必要であるということも知られている。
【０００７】
しかしながら、タービンが使用されている際に得ることが可能な最高温度値は、現在用いられている材料の耐性により制限される。
【０００８】
また、ガスタービンにおいては、タービンの軸流圧縮機と高圧側ロータディスク装置との間を接続するためのフランジが存在するということも知られている。
【０００９】
具体的には、現在この接続フランジは、接続がニッケルベースの合金で作られた高圧側ロータディスクとの間でなされる場合でも、通常は高温用の合金鋼で作られる。
【００１０】
このように高温用の合金鋼で作られる理由は、フランジがタービンの軸流圧縮機のシャフトと一体に製作されるのが好都合であるということによる。
【００１１】
従って、現在の技術において特に重要な課題は、機械の全ての作動条件において、軸流圧縮機シャフトと高圧側ロータディスク装置との間の最適な接続を保証するという課題である。
【００１２】
要するに、接続フランジが損傷も他の同様な問題をも生じることなく、受ける応力に十分にかつ確実に耐えなければならないという事実を考慮に入れると、タービンの軸流圧縮機シャフトと高圧側ロータディスク装置との間の接続方法は、あらゆるタービンの設計において重要な側面を持つということに注目されたい。
【００１３】
事実、先ずこの接続フランジは、機械の通常サイクルの間に該接続フランジが接続されるタービンの高圧側ロータディスク装置と正確な締まり嵌めを維持することが可能になるように、十分な弾性を有する必要がある機械的連結要素であるということ、その上同時に、フランジは、仕様書に示される有効寿命に対する機械の安定性を保証するために、機械的抵抗力がなければならないということが知られている。
【００１４】
更に、今日では、ガスタービンは、ますます高い性能レベルを備えるようになる傾向がある。
【００１５】
このことは、回転速度及び圧縮比だけでなく燃焼温度も増大させなければならないということを必要とする。
【００１６】
その結果、タービンの段において膨張するガスの温度も上昇することになる。
【００１７】
従って、このことは、ガスタービン内の軸流圧縮機と高圧側ロータディスク装置との間を接続するためのフランジに掛かる応力の増大を生じさせるので、フランジは、適当な、かつ特にクリープ又は粘性クリープ現象に関連する要件に合う有効寿命を保証するのにますます大きな困難性を伴う、特に重要な構成部品になってくる。
【００１８】
現在、これらの接続フランジは、それらに接続されるロータディスク装置と常に良く適合することを保証するように、極めて小さい厚さをもつ截頭（切頭）円錐形の形状に製作される。
【００１９】
しかしながら、回転速度及び温度が高くなると、現在の接続フランジは、特に応力が集中する一部の領域において、より具体的には、中心軸線に近接する領域及び接続フランジの円錐部分と外側リングとの間の結合区域の領域において、特に困難な作動条件に曝される。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、前述の不利な点を解消し、特に応力集中を減少させることを可能にする、ガスタービンの軸流圧縮機と高圧側ロータディスク装置との間を接続するための改良フランジを提供することであり、従ってそれによって、機械の回転速度及び圧縮比を増大させるか、流体の温度を上昇させるか、又はこの２つの点の適当な組合せを決めることが可能になる。
【００２１】
本発明の別の目的は、必要に応じてフランジを容易に取り付けたり取り外したりすることが可能になる、ガスタービンの軸流圧縮機と高圧側ロータディスク装置との間を接続するための改良フランジを提供することである。
【００２２】
本発明の更に別の目的はまた、高い信頼性がある、ガスタービンの軸流圧縮機と高圧側ロータディスク装置との間を接続するための改良フランジを提供することである。
【００２３】
本発明の別の目的は、現在用いられている接続フランジで達成できる有効寿命よりも更に長い有効寿命を得ることである。
【００２４】
本発明の別の目的は、特に簡単でかつ機能的であり、しかも比較的低コストであり、また従来の加工作業によって製作することができる、ガスタービンの軸流圧縮機と高圧側ロータディスク装置との間を接続するための改良フランジを提供することである。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
本発明によるこれらの目的及び他の事項は、独立請求項１に記載したような、ガスタービンの軸流圧縮機と高圧側ロータディスク装置との間を接続するための改良フランジを製作することにより達成される。
【００２６】
ガスタービンの軸流圧縮機と高圧側ロータディスク装置との間を接続するための改良フランジの別の特徴は、後続の従属請求項に示される。
【００２７】
本発明によると、力が集中する領域における最大応力値を低下させることで、フランジの有効寿命を著しく増大させるように定めることも可能になった。
【００２８】
その上、本発明による接続フランジは、公知技術によるフランジと同様に、依然として合金鋼で作ることができるので、ガスタービンの軸流圧縮機のシャフトと一体に製作することもできる。
【００２９】
ガスタービンの軸流圧縮機と高圧側ロータディスク装置との間を接続するための、本発明による改良フランジの特徴と利点は、添付の一組の概略図を参照して非限定的実施例によりなされる以下の記述からより明確になり、一層明らかになるであろう。
【００３０】
【発明の実施の形態】
図１は、全体を符号１０で表すガスタービンを示し、該ガスタービン中では、機械軸線Ｘの周りを回転する軸流圧縮機の回転シャフト１２が、公知技術によって製作された接続フランジ２０により高圧側ロータディスク装置１４に接続されている。
【００３１】
図２は、截頭（切頭）円錐形の形状をした本体２２を有するフランジ２０を示す。
【００３２】
本体２２の截頭円錐は、その小さい方の基部において、円筒形のハブ２４により軸流圧縮機のシャフト１２に接合される。
【００３３】
この接合は、固定要素により又はフランジ２０を軸流圧縮機のシャフト１２と一体に製作することにより行われる。
【００３４】
本体２２の截頭円錐は、その大きい方の基部において、軸線Ｘに直角な方向に外部に向かって半径方向に延びる円形リングの形状をした本体２２の延長部２６により高圧側ロータディスク装置１４に接合される。
【００３５】
この接合は、ロータディスク装置１４に面する延長部２６の表面２９に設けられた円周方向の凹み２８により行われる。この凹み２８は、ロータディスク１４に設けられた該凹みに対して相補形の突起と締まり嵌めで接続される。
【００３６】
この接合は、機械の軸線Ｘに平行な方向に、表面２９と軸流圧縮機に面する延長部２６の表面３１との間で延長部２６に沿って設けられた貫通孔３０を用いてタイロッドにより完成される。
【００３７】
図３は、本発明に従って製作された接続フランジ２０を示す。ここでフランジ２０の輪郭を特徴づける幾何学的変数の詳細を示すことにする。
【００３８】
ハブ２４は、内径Ｄ₂を備える円筒形の形状を有する。
【００３９】
截頭（切頭）円錐形の本体２２は、軸線Ｘに直角な方向に対して角度α₁だけ傾斜したその外側母線を有しているが、一方、内側母線は、軸線Ｘに直角な方向に対して具体的には角度α₂の異なる傾斜を有する。
【００４０】
延長部２６は、直径Ｄ₅で終り、また直径Ｄ₄において軸線Ｘに対して直角な表面２９上に円周方向の凹み２８を有する。
【００４１】
外側母線は、直径Ｄ₃に近接する領域において、半径Ｒ₃を有する円弧によりハブ２４に接続される。
【００４２】
一方、この外側母線は、直径Ｄ₁に近接する領域において、半径Ｒ₁を有する円弧により軸線Ｘに対して直角な延長部２６の表面３１に接続される。
【００４３】
内側母線は、軸線Ｘに対する角度α₃で方向Ｙに傾斜された斜面によりハブ２４に結合される。
【００４４】
一方、この内側母線は、半径Ｒ₂を有する円弧により軸線Ｘに対して直角な延長部２６の表面２９に接続される。
【００４５】
延長部２６の開始点において、本体２２はまた、該本体２２自体の截頭円錐の外側母線により定まる方向に対して直角に測定した厚さＳ₁を有する。
【００４６】
最後に、その終端において、延長部２６は、軸線Ｘの方向に測定した厚さＳ₂を有する。
【００４７】
本発明による接続フランジ２０に関する応力の分析により、ハブ２４に近接する領域及び本体２２と延長部２６との間の結合区域の領域である、フランジ２０の本体２２の最も臨界的な領域における応力集中を低下させることを可能にした適当な幾何学的形状寸法を示すことができるようになった。
【００４８】
本発明によると、接続フランジ２０の最適な形状寸法は、前述の特徴的な幾何学的変数の一部の間の一連の特定比率により得られる。
【００４９】
直径Ｄ₁、Ｄ₂、Ｄ₃、Ｄ₄、及びＤ₅と、厚さＳ₁及びＳ₂と、角度α₁、α₂及びα₃と共に半径Ｒ₁、Ｒ₂及びＲ₃の間の比率が、基本的であると考えなければならない。
【００５０】
事実、これらの比率が、本発明によるハブ２４から延長部２６までの接続フランジの改良した幾何学的形状寸法を決定する。
【００５１】
従って、本発明によると、下記の比率が存在する場合に、接続フランジ２０は最適化されていると判断された。
【００５２】
Ｒ₂とＲ₁の間の比率は、極値を含む０．８から１の間にある。
Ｒ₂とＲ₃の間の比率は、極値を含む３．５から４．５の間にある。
D₄とD₅の間の比率は、極値を含む０．７から０．８５の間にある。
Ｄ₄とＤ₃の間の比率は、極値を含む１．５５から１．７の間にある。
D₄とD₂の間の比率は、極値を含む５．２から６．５の間にある。
D₄とD₁の間の比率は、極値を含む０．９５から１．０５の間にある。
Ｓ₁とＤ₄の間の比率は、極値を含む０．１３から０．１８の間にある。
Ｓ₂とＤ₄の間の比率は、極値を含む１．３から１．７の間にある。
【００５３】
以上から分かるのように、終りの６つの比率は直径Ｄ₄を基準としてなされている。
【００５４】
同時に、角度については、以下の比率が存在しなければならない。
角度α₁は、極値を含む２５°から３５°の間にある。
角度α₂は、極値を含む１２°から１８°の間にある。
角度α₃は、極値を含む２６°から３４°の間にある。
【００５５】
要約すると、本発明による改良接続フランジの基本となる特徴は、截頭円錐形の本体の２つの母線の角度と、接続部の円弧の半径の間の前記組合せとである。
【００５６】
以上の説明により、本発明の主題であるガスタービンの軸流圧縮機と高圧側ロータディスク装置との間を接続するための改良フランジの特徴と共にその対応する利点を明らかにしたが、それら利点には以下のことが含まれることに注目されたい。すなわち、
−力が集中する領域における応力の最大値が低下したので、接続フランジの有効寿命が著しく増大すること、
−機械の回転速度及び圧縮比の増大、流体の温度の上昇、又はそれら２つの点の適当な組合せの決定を行えること、
−メンテナンス作業における取り付け及び分解が容易なこと、
−高いレベルの信頼性があること、及び、
−本発明による接続フランジを得るために、現在実施されている加工とは異なる加工は全く必要とされないので、具体的には、公知技術によるフランジの場合に既にそうであるように、フランジは依然として合金鋼で作ることができ、ガスタービンの軸流圧縮機シャフトと一体に製作することも可能であるので、公知技術と比較して低コストであること、
が含まれる。
【００５７】
終りに当たって、その全てが本発明の技術的範囲に含まれることになる多くの修正及び変更が、ガスタービンの軸流圧縮機と高圧側ロータディスク装置との間の接続のための、このように設計された改良フランジに対してなされ得るということは明らかである。
【００５８】
更に、本発明による接続フランジの全ての細部は、技術的に均等の要素と置き換えることができる。
【００５９】
実施においては、何れもの材料、形態、及び寸法が、技術上の要求に従って使用されることができる。
【００６０】
従って、本発明の保護の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定められる。
【００６１】
特許請求の範囲において記載する参照番号は、本発明の範囲を限定するためではなく、理解を容易にすることを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ガスタービンの軸流圧縮機と高圧側ロータディスク装置との間を接続するための公知技術によるフランジを見ることができる、ガスタービンの断面図。
【図２】 公知技術による接続フランジを示す、図１の細部の拡大断面図。
【図３】 本発明の説明に従って製作された接続フランジを示す断面図。
【符号の説明】
１０ ガスタービン
１２ シャフト
１４ 高圧側ロータディスク装置
２０ 改良フランジ
Ｘ 機械軸線

Claims (9)

1. 截頭円錐形の形状をした本体（２２）を有し、該本体（２２）が、第１に、円筒形の形状を有するハブ（２４）によって、軸流圧縮機の機械軸線（Ｘ）の周りを回転するシャフト（１２）に接続され、第２に、該本体（２２）の截頭円錐の大きい方の基部において、ロータディスク装置（１４）に面する延長部（２６）の表面（２９）に設けられた円周方向の凹み（２８）が、前記ロータディスク装置（１４）に設けられかつ前記凹みに対して相補形である突起と締まり嵌めで接続されるようにハブの円形リング形状の延長部（２６）によって、前記ロータディスク装置（１４）に接続されている形式の、ガスタービン（１０）の軸流圧縮機と高圧側ロータディスク装置（１４）との間を接続するための改良フランジ（２０）であって、前記截頭円錐形の本体（２２）は、前記機械軸線（Ｘ）に直角な方向に対して、極値を含む２５°から３５°の間の角度α_１だけ傾斜している外側母線を有し、また、内側母線が、前記機械軸線（Ｘ）に直角な方向に対して、極値を含む１２°から１８°の間の角度α_２だけ傾斜していることを特徴とする改良フランジ（２０）。
2. 前記延長部（２６）は、前記機械軸線（Ｘ）に直角な方向に外部に向かって半径方向に延びて直径Ｄ_５で終り、また直径Ｄ_４において前記軸線（Ｘ）に直角な該延長部の表面（２９）に前記円周方向の凹み（２８）を有しており、Ｄ_４ のＤ_５ に対する比率は、極値を含む０．７から０．８５の間にあることを特徴とする、請求項１に記載の改良接続フランジ（２０）。
3. 前記延長部（２６）は、それぞれ半径Ｒ_２とＲ_１の円弧によって前記截頭円錐形の本体（２２）の２つの内側及び外側母線に接続されており、該外側母線との接続部は前記機械軸線（Ｘ）に対する直径Ｄ_１に近接する領域内に形成され、Ｒ_２ のＲ_１ に対する比率は、極値を含む０．８から１の間にあり、かつＤ_４ のＤ_１ に対する比率は、極値を含む０．９５から１．０５の間にあることを特徴とする、請求項２に記載の改良接続フランジ（２０）。
4. 前記ハブ（２６）は、半径Ｒ_３の円弧によって前記截頭円錐形の本体（２２）の外側母線に接続されており、該外側母線との接続部は前記機械軸線（Ｘ）に対する直径Ｄ _３ に近接する領域内に形成され、Ｒ_２ のＲ_３ に対する比率は、極値を含む３．５から４．５の間にあり、かつＤ_４ のＤ_３ に対する比率は、極値を含む１．５５から１．７の間にあることを特徴とする、請求項３に記載の改良接続フランジ（２０）。
5. 前記延長部（２６）の開始点において、前記本体（２２）は該本体（２２）自体の截頭円錐の外側母線により定まる方向に対して直角に測定した厚さＳ_１を有しており、また前記延長部（２６）の末端において前記フランジ（２０）は前記機械軸線（Ｘ）の方向に測定した厚さＳ_２を有しており、Ｓ_１ のＤ_４ に対する比率は、極値を含む０．１３から０．１８の間にあり、かつＳ_２ のＤ_４ に対する比率は、極値を含む１．３から１．７の間にあることを特徴とする、請求項２又は請求項４に記載の改良接続フランジ（２０）。
6. 前記本体（２２）の截頭円錐の内側母線は、前記機械軸線（Ｘ）に対して極値を含む２６°から３４°の間の角度α_３を形成する方向（Ｙ）でハブ（２４）に結合されていることを特徴とする、請求項１又は請求項５に記載の改良接続フランジ（２０）。
7. 前記ハブ（２４）は、内径Ｄ_２の円筒形の形状を有しており、Ｄ_４ のＤ_２ に対する比率は、極値を含む５．２から６．５の間にあることを特徴とする、請求項２に記載の改良接続フランジ（２０）。
8. 前記延長部（２６）は、該延長部（２６）の表面（２９）と前記軸流圧縮機に面する表面（３１）との間で前記機械軸線（Ｘ）に平行な方向に設けられ、前記フランジ（２０）と前記ロータディスク装置（１４）との間を更に固定するための要素を受け入れるように設計された一連の円周上の貫通孔（３０）を有することを特徴とする、請求項１に記載の改良接続フランジ（２０）。
9. 前記フランジ（２０）と前記ロータディスク装置（１４）との間を更に固定するための前記要素は、タイロッドを含むことを特徴とする、請求項８に記載の改良接続フランジ（２０）。

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