JP4969562B2

JP4969562B2 - 圧縮機のスピンドルボルト取付構造

Info

Publication number: JP4969562B2
Application number: JP2008323189A
Authority: JP
Inventors: 龍太郎馬越; 卓一柳
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2008-12-19
Filing date: 2008-12-19
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2020-06-20
Also published as: JP2009063000A

Description

本発明はガスタービン圧縮機のスピンドルボルト取付構造に関し、スピンドルボルト締付時のディスク側のたわみを小さくして回転中にスピンドルボルトにかかる曲げを低減させ、スピンドルボルトの疲労強度を向上させるような取付構造としたものである。

ガスタービンの圧縮機においては、周囲に動翼が取付けられる圧縮機円板をスピンドルボルトで軸方向に多重に結合し、各圧縮機円板からはトルクアームを出し、トルクアームを接触させて、このアームの摩擦と円板同志の接合部に挿入されるラジアルピンによってトルクを伝達する構造となっている。

図７は上記の圧縮機が用いられている従来のガスタービンの全体の構成を示す断面図である。図において、５０は圧縮機であり、内部には固定側に取付けられた静翼と回転軸５４の周囲に取付けられた動翼とが交互に配置され、かつ、多段に配設され、吸気６０のように吸気し、空気を圧縮する構成となっている。５１は燃焼器であり、圧縮機５０から吐出される空気を吸入して燃料を燃焼させ、高温の燃焼ガスをタービン部５２へ供給する。タービン部５２では高温の燃焼ガスが膨張することによりタービン動翼に回転エネルギーを与えガスタービンロータを回転させ、仕事を終えたガスは排気フード５３を通り、排気６１として外部へ流出する。圧縮機５０は上記したように多数の圧縮機円板を軸方向に接続し、スピンドルボルト５５で締め付けてこれらを軸方向に固定し、これら軸方向の円板の外周囲には動翼が取付けられている。このスピンドルボルト５５は圧縮機円板の周方向に複数本が等間隔に配置され、軸方向に円板を連結する構成となっている。

又、ガスタービンプラントの回転軸は、一般的には軸方向に２ヶ所、即ち、Ｎｏ．１軸受５６とＮｏ．２軸受５７とで２点支持されており、軸方向の流路が増加すると、支持間隔が長くなり、軸の自重により下方へたわみが生じた状態で回転することになり、スピンドルボルト５５に引張りや曲げ力が繰り返し加わり、疲労によるスピンドルボルト５５の強度低下をまねく結果となる。

図８は従来のガスタービン圧縮機のスピンドルボルト締結部で、図７のＡ部詳細を示す断面図である。図において、ロータは多数の円板をスピンドルボルト５５で締め付けて構成しているが、ロータとして必要な条件は、１本の回転軸として有害な振動が無くて安定して回転すること、翼をその遠心力に耐えて保持すること、及び翼が発生或いは吸収するトルクを確実に伝えることにある。

図８において、各段毎に翼を保持する円板８２を設け、それを全段軸方向にスピンドルボルト５５で締め付けて１本の軸としている。上記の条件に従って言えば、円板８２は翼８３を支えて回転する。その時できるだけ遠心応力に対して有利な形状としている。一方、軸として振動が安定であるためには、軸方向に連続した円筒部分８１ができるだけ大径であるようにしている。トルクもこの円筒部分で伝えられている。なお、トルク伝達に関しては本発明の対象外であるので、これ以上は言及しない。

各円板８２を積み重ねて、それらを１本の軸になるように締め付けるスピンドルボルト５５が軸中心からの半径Ｒ_０の円周上に適当な数配置されている。一般に、このように配置されたスピンドルボルト５５とナットには遠心力が働き、この遠心力がナットが締まるオーバハング部分や、段間の支えのない部分に高い曲げ応力が発生する。図では高速回転で、かつ、軸の固有振動数を高くするために円筒部分（トルクアーム）８１をできるだけ外径側に設け、スピンドルボルト５５の位置は過大遠心力に伴う困難さを避けるために比較的小径となるように位置させている。

前述のように、できるだけ有利なロータの形状を追求するとき、端部の円板８２に困難性が表れる。端部の円板８２では、ボルト荷重は半径Ｒ_０の円上に加えられるのに対して、締付反力は円筒部分８１のほぼ平均半径Ｒ_１円上に働く。その結果、円板８２は半径差Ｒ_２をモーメントの腕とするモーメントＭを受け、皿形に変形する。スピンドルボルト５５の締結荷重は通常；
（１）各段毎に別々の円筒を積み重ねた時、しかも、それ等が全体として１本の円筒であるかのように振動体として振る舞うために必要な面圧を接合面に与える；
（２）トルクを摩擦で伝えるように設計する場合には、それに必要な面圧を接合面に与える；
（３）その面圧が定常運転時、円板が半径方向に温度分布がある（即ち熱伸差がある）状態など、どのような時にも所要値を維持する；
の条件を満たすように決定されるが、このようにして定めた締付荷重は通常かなり大きな値となる。このために前記円板８２の皿形の歪量もかなりの量となる。

この皿形の変形の害はスピンドルボルト５５を締め付けるナット座面に現れる。即ちスピンドルボルト５５のネジ中心線に対しナットが傾いて噛合いネジの荷重分布で、ネジ噛合いの始点辺りの荷重集中が正しく同芯である場合に比較して大きくなる。スピンドルボルト５５は軸１回転毎に交番応力が発生し、従って荷重集中（応力集中）が甚だしくなればネジ部の交番応力も大きくなり、疲労破断を招く。

そこで本発明は、スピンドルボルト５５の両端の圧縮機円板の剛性を増すような構造とし、スピンドルボルト５５の少なくとも前方端面、好ましくは両端面が回転軸のたわみの影響を受けても、スピンドルボルト５５の軸と直交する平面を保つようにしてスピンドルボルト５５の曲げ応力を少なくし、疲労強度を向上させ、信頼性を増すことのできる圧縮機のスピンドルボルト取付構造を提供することを課題としてなされたものである。

本発明は前述の課題を解決するために次の（１）〜（２）の手段を提供する。

（１）ガスタービン圧縮機の回転体を構成する前方軸端部、軸方向に円筒部分により多重に連接し軸方向に翼を配設するための複数の円板、後方軸端部、及び前記円筒部分よりも内径側の位置において前記前方軸端部と複数の円板及び後方軸端部を軸方向に貫通し締付ける複数のスピンドルボルトからなる圧縮機のスピンドルボルト取付構造において、前記前方軸端部には前記複数のスピンドルボルトが円周状に配設されボルト頭が接するボルト取付面を有し、同ボルト取付面から後方側の前記スピンドルボルトが貫通する前方軸端部の少なくとも２段分の円板を分離した構造として前記複数のスピンドルボルトの貫通位置で接合し、同２段分の円板間には外周側に前記円筒部分による接触部を遮断する凹部を形成することを特徴とする圧縮機のスピンドルボルト取付構造。

（２）前記後方軸端部はスピンドルボルト貫通部と内方の補強部が一体の円環状構造体であり、前記スピンドルボルトの貫通穴開口部の端部全面は軸方向と直交する同一平面のナット接触面を形成することを特徴とする（１）に記載の圧縮機のスピンドルボルト取付構造。

本発明の圧縮機のスピンドルボルト取付構造は、（１）ガスタービン圧縮機の回転体を構成する前方軸端部、軸方向に円筒部分により多重に連接し軸方向に翼を配設するための複数の円板、後方軸端部、及び前記円筒部分よりも内径側の位置において前記前方軸端部と複数の円板及び後方軸端部を軸方向に貫通し締付ける複数のスピンドルボルトからなる圧縮機のスピンドルボルト取付構造において、前記前方軸端部には前記複数のスピンドルボルトが円周状に配設されボルト頭が接するボルト取付面を有し、同ボルト取付面から後方側の前記スピンドルボルトが貫通する前方軸端部の少なくとも２段分の円板を分離した構造として前記複数のスピンドルボルトの貫通位置で接合し、同２段分の円板間には外周側に前記円筒部分による接触部を遮断する凹部を形成することを特徴としている。このような構造により、ボルト頭が当接する取付周面から後方の部分の構造体が強化され、この部分の剛性が高まる。又、２段分の円板間には外周側に円筒部分による接触部を遮断する凹部が形成されているので、円板の皿形の変形は、２段のうち後方の円板側においてのみ起こり、ボルト頭側にはほとんど歪みを起こさない。また、製作上も有利となるものである。

本発明の（２）では、後方軸端部はスピンドルボルト貫通部と内方の補強部が一体の円環状構造体であり、前記スピンドルボルトの貫通穴開口部の端部全面は軸方向と直交する同一平面のナット接触面を形成しているので、この部分の剛性も高まる。これにより運転中に両端面が圧縮や引張による曲げ変形力を受けても前方軸端部のボルト取付面と後方軸端部のナット接触面が剛性の高い構造体となっているので、軸方向に対して絶えず垂直な面を保ち、スピンドルボルトの曲げを防止し、このためにスピンドルボルトの疲労強度が向上する。

以下、本発明の実施の形態及び比較例について図面に基づいて具体的に説明する。図１は本発明の比較例１に係るガスタービンにおける圧縮機のスピンドルボルト取付構造を示す。図において、前方軸端部２と後方軸端部４との間には多数の円板８２が軸方向に接して配置されている。これら前方軸端部２、後方軸端部４、多数の円板８２はスピンドルボルト１とナット５により軸方向に締め付けられ、圧縮機の回転軸を構成している。

スピンドルボルト１のボルト頭の前方軸端部２への取付部は、円板２段分１０，１１を１つの塊として分離しない構成とし、スピンドルボルト１により、その後方に多数の円板８２を締め付ける構成となっている。従って、前方軸端部２は一体成形されると共に、円板１０，１１との間には外周面に凹部１３を設けている。又、この凹部１３により円板１０，１１のトルクアームに相当する接触部を遮断している。又、ボルト穴は一体部分を円板１１で貫通させ、ボルト取付面１４にナットを設けている。

又、スピンドルボルト１の後端はナット５が装着され、前方軸端部２と後方軸端部４との間に多数の円板８２を挟み込んで締め付けており、各円板８２の隣り合う円筒部分８１同志が接触し、摩擦力により一体化している。

上記構成の比較例１のスピンドルボルト取付構造によれば、円板１０と円板１１との間に凹部１３を設けることにより、皿形の変形６０は円板１０側においてのみ起こり、円板１１の側面はほとんど皿形に歪まない。又、前方軸端部２は一体構造であって、かつスピンドルボルト１のボルト取付面１４が２段分の円板１０，１１で形成されているので、ボルト頭の前方軸端部２の取付部構造の剛性が向上し、ボルト取付面１４が軸に対して垂直な面を保つことになる。

図２は図１における前方軸端部の拡大図であり、前述のように円板１０と１１を１つの塊とし、更に円板１０と１１との間には凹部１３を設けた構成としたものであり、上記に説明した通りである。次に、図３は本発明の実施の第１形態に係るガスタービンのスピンドルボルト取付構造の断面図で図２と同様の前方軸端部の拡大図である。本実施の第１形態においては、図１の構成において、円板１０と１１とを一体物から接合面１５で分離し、別体としたものであり、トルク伝達及び軸振動に関して軸の曲げ剛性上から許容されれば分割するものである。このような実施の第１形態においても、比較例１と同様の効果が得られ、これに加えて、製作上有利となるものである。

図４は本発明の比較例２に係る圧縮機のスピンドルボルトの取付構造の前方軸端部の拡大断面図であり、図１に対応する図である。本比較例２においては円板１０と１１との間には延長部２０を設け、ボルト取付面２０ａを形成させ、スピンドルボルト１をボルト取付面２０ａに当接して取付けるようにし、円板１０側面には直接取付けないようにした構造であり、その他は比較例１と同じである。このような構造によれば、比較例１と同様の効果を有し、これに加え、ボルト取付面２０ａは円板１０の変形を支える役目をしていないので、円板１０が変形して倒れるのは、変形６１として図示しているように、スピンドルボルト１の外側の厚さの薄い部分で起こり、ボルト取付面２０ａには変形を及ぼさない。

図５は本発明の実施の第２形態に係る圧縮機のスピンドルボルト取付構造の前方軸端部の拡大断面図であり、本実施の第２形態では、図４に示す比較例２において、円板１０と１１とを一体物から接合面１６で分離し、別体としたものであり、その他の構成は図４と同じである。このような構成としても、上記比較例２と同様の効果を得ることができ、かつ、製作上有利となるものである。

図６は本発明の実施の第３形態に係る圧縮機のスピンドルボルト取付構造の後方軸端部の拡大断面図であり、上記した実施の第１、第２形態の前方軸端部の構造のいずれかと組合せて適用される。図において後方軸端部４は、スピンドルボルト貫通部３１ａと、その下方の補強部３１ｂとからなり、端部全面がナット接触面３１ｃを形成する一体構造となっており、後方軸端部４としての全体の剛性が従来よりも大きくなるような構造となっている。これによりスピンドルボルト１の曲げが防止され、疲労強度上有利となる。

本発明の比較例１に係る圧縮機のスピンドルボルト取付構造を示す断面図である。図１における前方軸端部の拡大図である。本発明の実施の第１形態に係る取付構造の前方軸端部の断面図である。本発明の比較例２に係る取付構造の前方軸端部の断面図である。本発明の実施の第２形態に係る取付構造の前方軸端部の断面図である。本発明の実施の第３形態に係る取付構造の後方軸端部の断面図である。従来のガスタービンの圧縮機の一般的な断面図である。図７におけるＡ部の拡大断面図である。

符号の説明

１スピンドルボルト
２前方軸端部
４後方軸端部
９，１３凹部
１０，１１円板
１４ボルト取付面
１５，１６接合面
２０延長部
３１ａスピンドルボルト貫通部
３１ｂ接触面
３１ｃ接触面
６０，６１変形

Claims

ガスタービン圧縮機の回転体を構成する前方軸端部、軸方向に円筒部分により多重に連接し軸方向に翼を配設するための複数の円板、後方軸端部、及び前記円筒部分よりも内径側の位置において前記前方軸端部と複数の円板及び後方軸端部を軸方向に貫通し締付ける複数のスピンドルボルトからなる圧縮機のスピンドルボルト取付構造において、
前記前方軸端部には前記複数のスピンドルボルトが円周状に配設されボルト頭が接するボルト取付面を有し、同ボルト取付面から後方側の前記スピンドルボルトが貫通する前方軸端部の少なくとも２段分の円板を分離した構造として前記複数のスピンドルボルトの貫通位置で接合し、同２段分の円板間には外周側に前記円筒部分による接触部を遮断する凹部を形成することを特徴とする圧縮機のスピンドルボルト取付構造。
前記後方軸端部はスピンドルボルト貫通部と内方の補強部が一体の円環状構造体であり、前記スピンドルボルトの貫通穴開口部の端部全面は軸方向と直交する同一平面のナット接触面を形成することを特徴とする請求項１に記載の圧縮機のスピンドルボルト取付構造。