JP5039676B2 - 回転体ボルト締結構造及び回転機械 - Google Patents

Description

本発明は回転体ボルト締結構造にかかり、特にタービンにおける複数のロータをボルトとナットで締結してロータ締結体とする回転体ボルト締結構造に関する。

ガスタービンの圧縮機およびタービンでは、外周面に動翼が植え込まれる円板状のロータ（ロータホイール／ロータディスク）又は筒状のロータを積層して、ボルトとナットで締結する回転体ボルト締結構造を採用することが多い。

この回転体ボルト締結構造に用いられるボルトとしては、軸部は軸対称のものが用いられている。

尚、回転部品の締結構造としては、例えば、特許文献１に記載のものがある。この特許文献１では、ボルトの取付孔の応力集中係数を低減して回転部材であるディスクとシャフトの部品寿命を延ばすために、ボルトとナットで締結されるディスクとシャフトとのそれぞれに長孔を形成し、この長孔にボルト用の丸孔を形成した中間部材としてのスペーサを介してボルトで締結するようにしている。長孔にすることで丸孔に比べて応力集中係数を低減でき、ボルトの取付孔で寿命が決まっていたディスクとシャフトの寿命を最大２倍程度延ばすことができるとされている。

特開平１１−３２５０２２号公報

特許文献１ではディスクとシャフトの取付孔の応力集中について検討しているが、締結構造体ではボルトの疲労寿命低下も問題となる。特許文献１ではこの点について特に考慮されていない。

ボルト・ナット締結体は、ボルト締結荷重を適正に管理することで、締結体に作用した引張荷重（外力）の一部がボルトに作用し、残りはロータホイールの圧縮荷重の低減に用いられる。図４に示すように、この引張荷重が締結荷重とボルト，ロータホイールの剛性によって定まるある遊離荷重を超えると、ナット座面の浮き上がりが生じ、引張荷重の全てがボルトに作用し始める。この遊離荷重はボルト締結荷重が小さいほど小さくなり、一般にボルト締結荷重の不足はナット座面の浮き上がりを生じ、ボルトの疲労寿命低下につながる可能性がある。

特に、今後のガスタービンの大出力化に伴い、現行１ｍから２ｍであるロータホイールの外直径がさらに増加することや動翼の長翼化も予想され、ロータホイールの遠心力による縮みの増加により、ボルトの締結力の低下が増すことが予想される。同様に、今後のガスタービンの高効率化に伴い、現行１２００℃から１４００℃である燃焼温度がさらに高温化することや、現行１０から１５である圧力比がさらに増加することも予想され、起動・停止など非定常時の温度勾配の増加により、ボルトの締結力の低下につながることも予想される。

また、ロータの回転によりナットには遠心力が作用するため、図５に示すように、ロータホイール４をボルト５とナット６で締結した構造では、ナット６に遠心荷重１７が作用することで、ボルト５に曲げモーメント７が作用し、ナット座面８のロータ軸心側（内周側）で口開きが生じる可能性がある。口開きが生じると、締結体に作用した外力の全てがボルトに作用し始め、ボルトの疲労寿命低下につながる可能性がある。

本発明は、このような状況を考慮してなされたもので、回転体ボルト締結構造において、ナットに作用する遠心力に起因するナット座面のロータ軸心側で口開きが生じることを抑制して、ボルトの疲労寿命低下を抑制することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するため、ボルト軸部の曲げ変形の中立軸が、ロータ締結体の軸心側に偏心して位置するように、ボルト軸部の断面形状を非軸対称化してロータの周方向に配置したことを特徴とする。

また、本発明は、ナットの構造をナットが軽量化されるように形成することを特徴とする。

ナットを軽量化する構造としては、ロータ締結体の軸方向からみて半円状の切込みをナット外周に複数設ける構成や、ナット座面と反対側の面にナット高さの半分よりも長い面取り幅を有する面取りを設ける構成、金属で形成されたネジが形成される内径側部材と金属よりも比重が小さい複合材料で形成された外径側部材とを接着材で接合する構成などがある。

また、軽量化をナットの外周の半分以下に限定して施し、軽量化した部分をナットが締結された状態でロータ締結体の軸心側に位置するようにしても良い。

また、ナットとロータに磁性体を用い、ナットを着磁して締結時の密着力を増加させるようにしても良い。

本発明では、ボルト軸部の曲げ変形の中立軸をロータ締結体の軸心側に偏心して位置するようにしているので、ボルト軸部を軸対称とした場合に比べて、ナットに作用する遠心力によってボルトに作用する曲げモーメントが同じ場合、曲げ変形を小さくすることができる。その結果、ナット座面のロータ軸心側で口開きが生じることを抑制することができ、そして、ボルトの疲労寿命低下を抑制することができる。

また、本発明では、ナットの構造を軽量化しているので、ナットに作用する遠心力によってボルトに作用する曲げモーメントを小さくすることができ、ボルトの曲げ変形を小さくすることができる。その結果、ナット座面のロータ軸心側で口開きが生じることを抑制することができ、そして、ボルトの疲労寿命低下を抑制することができる。

以下本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

図３に、本発明が適用される回転機械の一例であるガスタービンの一般的な構造断面図を示す。ガスタービンは、大きく分けて圧縮機１，燃焼器２およびタービン３から構成されている。圧縮機１は大気から吸い込んだ空気を作動流体として断熱圧縮し、燃焼器２は圧縮機１から供給された圧縮空気に燃料を混合し燃焼することで高温高圧のガスを生成し、そしてタービン３は燃焼器２から導入した燃焼ガスの膨張の際に回転動力を発生する。タービン３からの排気は大気中に放出される。タービン３にて発生した回転動力から圧縮機１を駆動する動力を差し引いた残りの動力が、ガスタービンの発生動力となり発電機を駆動する。

圧縮機１およびタービン３は外周面に動翼が植え込まれる円板状のロータ（ロータホイール／ロータディスク）もしくは筒状のロータを積層して、隣接するロータ同士を、ボルト（スタッキングボルト）５とナットで締結してロータ締結体を構成している。ボルトはロータの周方向に複数設けられている。また、ボルトはロータ回転軸方向と平行かつ等円周上に配置されている。また、ボルトは、両端部にネジ部が設けられているスタッドボルトが用いられている。

本発明の第一の実施例では、ボルト軸部の曲げ変形の中立軸が、ロータ締結体の軸心側に偏心して位置するように、ボルト軸部の断面形状を非軸対称化してロータの周方向に配置するようにしたものである。例えば、図１ように、ボルト軸部の断面形状を三角形状とし、そして、ガスタービン回転体としての内周側（ロータ締結体のロータ軸心側）のボルト軸部の断面積を増加させるようにボルトを配置して、ボルト軸部の曲げ変形の中立軸をガスタービン回転体としての内周側へ配置する。

この構成により、ナット座面の内周側（ロータ軸心側）での口開き量が小さくなることを図６〜図９を用いて説明する。

図６に、ボルト軸部の断面形状が円形の通常のボルト５に、軸方向断面において回転角α１を生じさせる曲げモーメントが負荷した際の変形状態を示す。図中の変形前の外形９および変形前の曲げ変形の中立軸１０は、変形後にそれぞれ変形後の外形１１および変形後の曲げ変形の中立軸１２へ移動する。ここで、円形のボルトは図７に示すように同一円周上に均等に配置され、ロータホイールのボルト穴１９を貫通して両端でナットにより締結される。尚、符号２０は動翼植込み溝であり、ロータホイールの全周に設けられている（図面では一部のみ表示されている。）。

図８に、断面の曲げ剛性は変えずにボルト軸部の断面形状を非軸対称化し（例えば三角形）、曲げ変形の中立軸をロータ回転軸に対して内周側（ロータ締結体のロータ軸心側）へ配置した場合で、軸方向断面において回転角α２を生じさせる曲げモーメント７が負荷した際の変形状態を示す。図中の変形前の外形９および変形前の曲げ変形の中立軸１０は、変形後にそれぞれ変形後の外形１１および変形後の曲げ変形の中立軸１２へ移動する。ここで、非軸対称化されたボルトは、図９に示すように同一円周上に均等に、内周側の剛性が高くなるように配置される。即ち、非軸対称化されたボルトが、ロータ締結体のロータ軸心側のボルト軸部の断面積が増加する配置となるように、ロータホイールのボルト穴（ボルト貫通孔）１９を形成し、このロータホイールのボルト穴１９にボルト５を挿入及び貫通させ、両端でナットにより締結する。

ここで曲げモーメントが等しい場合には、図６および図８のようにα１とα２は等しくなる。一方で、曲げの中立軸からの突出長δ１とδ２は異なりδ１＞δ２となり、図５に示したようなナット座面のロータ軸心側（内周側）での口開き量を抑制することができる。即ち、曲げ変形の中立軸をロータ締結体のロータ軸心側へ配置（偏心）することが、ボルトの長寿命化に望ましい構造であると言える。

図１に、本発明の回転体ボルト締結構造に用いられるボルトの具体例を示す。ボルト５の端部にボルトネジ部１３が設けられ、さらにボルト５の軸部の断面形状を三角形状としている。

このようにボルトを非軸対称化するとともに、図９に示すように、ロータホイール締結時のボルトの配置状態として、ガスタービン回転体としての内周側（ロータ軸心側）のボルト軸部の断面積を増加させるようにボルトを配置する。即ち、ボルト軸部の形状に合わせてロータホイールに貫通孔を形成すると共に、貫通孔をロータ軸心側のボルト軸部の断面積が増加するように配置している。これらにより、ボルトの曲げ変形の中立軸をロータ軸心側に配置することができ、ナット座面のロータ軸心側での口開き量を抑制することができる。

図２にボルトの他の具体例を示す。図２に示すボルトにおいては、ボルト５の端部にボルトネジ部１３が設けられ、さらにボルト５の軸部の断面形状を、円の一部を平面で切り落とした形状としている。

また、ロータホイールの貫通孔を軸部の断面形状に合わせて設けると共に、ロータホイール締結時の配置状態として、円の一部を切り落とした側をロータ軸心側に位置するように配置させることにより、図１のボルトを用いた場合と同様に、ボルトの曲げ変形の中立軸をロータ軸心側に配置することができ、ナット座面のロータ軸心側での口開き量を抑制することができる。

次に、本発明の他の実施例を図１０〜図１５を用いて説明する。

この実施例では、ナットの構造を軽量化することにより、ナットに作用する遠心力によってボルトに作用する曲げモーメントを小さくし、ボルトの曲げ変形を小さくするようにしたものである。

図１０に示すナットは、ナット６に切欠き（切込み）１４を設けたものである。符号１６はナットネジ部を示す。切欠き１４はロータ締結体の軸方向から見て半円状に形成されている。ここで半円とは真円の半分ということではなく、図１０に示すような半楕円などで良い。また、切欠き１４は、ナットの外周の半分以下に限定して設けられている。そして、図１０に示すナット６を、ロータ締結時において、切欠き１４を設けた側が、ガスタービン回転体としての内周側（ロータ軸心側）に位置するようにする。これにより、ロータ軸心側の重量を減少させ、ボルト５に作用する曲げモーメントを効果的に低減するようにしている。この構成によって、ナット座面の内周側（ロータ軸心側）での口開き量を抑制することができる。

図１１に示すナットは、ガスタービン回転体としての内周側の重量を減少させるために、ナット６に設ける半円状の切欠き１４を、ナットの円周方向に設けたものである。切欠き１４は、ナットの外周の半分以下に限定して設けられている。そして、図１０に示すナットと同様に、ロータ締結時において、切欠き１４を設けた側が、ガスタービン回転体としての内周側に位置するようにする。この構成によってもボルト５に作用する曲げモーメントを効果的に低減することができる。なお、円周方向に半円状の切欠きを設ける場合、図１２に示すように、ナット６の全周に設けても良い。この場合、ナット重量を効果的に減少させることができる。

図１３に示すナットは、ガスタービン回転体としての内周側の重量を減少させるために面取り部１５を設けたものである。面取り部１５は、ナット座面と反対側に形成される。また、ナットの外周の半分以下に限定して設けられている。そして、図１０に示すナットと同様に、ロータ締結時において、面取り部１５を設けた側が、ガスタービン回転体としての内周側に位置するようにする。この構成によってもボルト５に作用する曲げモーメントを効果的に低減することができる。

尚、面取り１５は、図１４に示すように、ナット６の全周に設けても良い。この場合、既存のナットの面取りと区別するために（ナット重量を効果的に減少させるために）、図１４に示すように、ナット高さの半分よりも長い面取り幅を有する面取りが形成されたものとする。

図１５に示すナットは、ナットのネジ部を有する内径側部材２１を金属で形成し、外径側部材１８を複合材料で形成し、内径側部材２１と外径側部材１８を接着材で接合するようにしたものである。外径側部材１８の複合材料は、ナットを軽量化するためのもので、内径側部材の金属よりも比重が小さいものである。複合材料としては、金属より軽量なＦＲＰなどが用いられる。このように、ナットの重量を減少させ、ボルト５に作用する曲げモーメントを低減することで、ナット座面の内周側での口開き量を抑制することができる。

以上の実施例において、図１及び図２に記載のボルト軸部形状を持つボルトと、図１０〜図１５に記載のナットを組み合わせて用いることにより、より効果的にナット座面の内周側での口開き量を抑制することができる。

また、以上の実施例において、ナットとロータに磁性体を用い、ナットを着磁して締結時の密着力を増加させることにより、ボルトへ作用する曲げモーメントを減ずることができ、より効果的にナット座面の内周側での口開き量を抑制することができる。

また、以上の実施例において、ボルトの材質はクロムが９％以上含まれる高クロム鋼、もしくはニッケルが４０％以上含まれる高ニッケル鋼が望ましい。またホイールの材質はＣｒＭｏＶ鋼、２.２５〜３.５％のニッケルを含むＮｉＣｒＭｏＶ鋼もしくはニッケルが４０％以上含まれる高ニッケル鋼であることが望ましい。

ボルトの断面形状を三角形状とした実施例を示す図である。 ボルトの断面形状を円形の一部を面取りした形状とした実施例を示す図である。 一般的なガスタービンの構造断面図である。 一般的な締結構造体において、ボルトに作用する荷重のメカニズムを示す図である。 ボルトおよびナットに作用する荷重を示す図である。 円形状のボルトに生じる曲げ変形を示す図である。 円形状のボルトがホイール締結体に組み込まれる状態を示す図である。 曲げの中立軸がガスタービン回転体の内周側に移動したボルトに生じる曲げ変形を示す図である。 曲げの中立軸がガスタービン回転体の内周側に移動したボルトがホイール締結体に組み込まれる状態を示す図である。 ナットに半円状の切欠きを設けた実施例の一つを示す図である。 ナットの円周方向に半円状の切欠きを設けた実施例の一つを示す図である。 ナットの円周方向全周に半円状の切欠きを設けた実施例の一つを示す図である。 ナットに面取りを設けた実施例の一つを示す図である。 ナットの円周方向全周に面取りを設けた実施例の一つを示す図である。 ナットのネジ部を金属、その外周をより軽量なＦＲＰで作成した実施例を示す図である。

符号の説明

１ 圧縮機
２ 燃焼器
３ タービン
４ ロータホイール
５ ボルト
６ ナット
７ 曲げモーメント
８ ナット座面
９ 変形前の外形
１０ 変形前の曲げ変形の中立軸
１１ 変形後の外形
１２ 変形後の曲げ変形の中立軸
１３ ボルトネジ部
１４ 切欠き
１５ 面取り部
１６ ナットネジ部
１７ 遠心荷重
１８ 外径側部材
１９ ボルト穴
２０ 動翼植込み溝
２１ 内径側部材

Claims (9)

1. 複数のロータを積層して、積層したロータを周方向に複数のボルトとナットで締結してロータ締結体を構成するようにした回転機械における回転体ボルト締結構造において、
   前記ボルトは、ボルト軸部の曲げ変形の中立軸が、前記ロータ締結体の軸心側に偏心して位置するように、前記ボルト軸部の断面形状を非軸対称化して前記ロータの周方向に配置したことを特徴とする回転体ボルト締結構造。
2. 請求項１において、前記ナットは、前記ロータ締結体の軸方向からみて半円状の切込みが外周に複数設けられていることを特徴とする回転体ボルト締結構造。
3. 請求項１において、前記ナットは、半円状の切込みが該ナットの円周方向に設けられていることを特徴とする回転体ボルト締結構造。
4. 請求項２又は３において、前記半円状の切込みは、前記ナットの外周の半分以下に限定して設けられ、前記ナットが締結された状態で、前記半円状の切込みが前記ロータ締結体の軸心側に位置するようにしたことを特徴とする回転体ボルト締結構造。
5. 請求項１において、前記ナットは、ナット座面と反対側の面に、ナット高さの半分よりも長い面取り幅を有する面取りが設けられていることを特徴とする回転体ボルト締結構造。
6. 請求項１において、前記ナットは、ナット座面と反対側の面に前記ナットの外周の半分以下に限定して面取りが設けられ、前記ナットが締結された状態で、前記面取りを設けた部分が前記ロータ締結体の軸心側に位置するようにしたことを特徴とする回転体ボルト締結構造。
7. 請求項１において、前記ナットは、金属で形成されたネジが形成される内径側部材と、前記金属よりも比重が小さい複合材料で形成された外径側部材とを接着材で接合して構成したことを特徴とする回転体ボルト締結構造。
8. 請求項１から７の何れかにおいて、前記ナットと前記ロータに磁性体を用い、前記ナットを着磁して締結時の密着力を増加させたことを特徴とする回転体ボルト締結構造。
9. 請求項１から８の何れかに記載の回転体ボルト締結構造を用いた回転機械であって、
   前記ロータの外周面に複数の動翼が設けられた回転機械。

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