JP6706961B2 - ボルト締結構造およびこれを用いたターボ機械 - Google Patents

Description

本発明は、ボルト締結構造およびこれを用いたターボ機械に関する。

石油、ガス産業の発展に伴い、ターボ機械の高圧化や大径化が求められている。しかしながら、その高圧化や大径化により、ターボ機械の筺体の役割を担うケーシングのボルト締結部から、筺体内部の高圧ガスが漏洩する可能性が高まっている。

ケーシングの型式には、主に水平分割型とバレル型の２種類がある。水平分割型のケーシングは、水平に分割された上下のケーシング間にインペラやシャフト等のロータ系を設置し、上下ケーシングのフランジをボルト締結することにより密閉する構造である。一方、バレル型のケーシングは、円筒ケーシングに、インナケーシングおよびロータ系を軸方向へ挿入し、両端のヘッドカバーをボルト締結することにより密閉する構造である。水平分割型ケーシングはメンテナンス性に優れ、バレル型ケーシングは気密性に優れる特徴がある。

水平分割型のケーシングにおいては、高圧化や大径化（大型化）を達成するために、ケーシング内で圧縮されたガスの漏洩防止が大きな課題となる。漏洩を防止するためにケーシングの封止部はボルトにより強固に締結される。ボルトによる締結力を向上させるための施策として、上下のフランジの合わせ面を加工し、合わせ面内に溝やざぐり部などの空間を設け、合わせ面の接触面積を低減させる方法が提案されている。

上下フランジの合わせ面に溝やざぐり部を設けたボルト締結構造に関する技術として、特許文献１では、上下フランジの合わせ面の内側と外側に凸条を設ける構造が提案され、特許文献２では、ボルト逃部（ざぐり部）をボルト穴中心に対して左右対称に設ける構造が提案されている。

特開２０１０−２０９７５０号公報 特開２００２−６１５６２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の構造では、凸条が合わせ面に接触する部分や、凸条自身のコーナー部に局所的に応力が集中することで、合わせ面や凸条がへたることで合わせ面に発生する接触面圧が低下する可能性がある。また、凸条を形成するために、合わせ面上に連続的に溝を３か所（内側の凸条の内側、内外の凸条の間、外側の凸条の外側）加工する必要がある。

また、特許文献２に記載の構造では、上下フランジの合わせ面の接触面圧は全体的に向上するが、ケーシングの気密性に影響する内圧が負荷される側の締結力を効果的に向上させることが困難である。

本発明は、前記した課題を解決するものであり、簡便に気密性を向上させることが可能なボルト締結構造およびターボ機械を提供することを目的とする。

本発明は、内圧が負荷されるケーシングの上フランジおよび下フランジと、前記上フランジと前記下フランジとの合わせ面上に形成されるボルト穴と、前記ボルト穴の中心に対して非対称に形成されるざぐり部と、を備え、前記ボルト穴の内縁から前記合わせ面の内縁までは前記上フランジと前記下フランジとが全面接触し、前記ボルト穴の外縁から前記合わせ面の外縁までは前記上フランジと前記下フランジとが一部で面接触し、前記全面接触している範囲が、前記一部で面接触している範囲よりも大きいことを特徴とする。

本発明によれば、簡便に気密性を向上させることが可能なボルト締結構造およびターボ機械を提供できる。

第１実施形態に係るボルト締結構造の構成図を示し、（ａ）は外観斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 第１実施形態のざぐり部を示す平面図である。 従来のボルト締結構造の構成図である。 第１実施形態のざぐり部の変形例を示す平面図である。 第１実施形態のざぐり部の他の変形例を示す平面図である。 第２実施形態に係るボルト締結構造の構成図である。

以下、本発明に係る実施形態について図面を用いて説明する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るボルト締結構造の構成図を示し、（ａ）は外観斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図、図２は、第１実施形態のざぐり部を示す平面図である。また、参考例として、図３には従来のボルト締結構造を示している。

図１（ａ）に示すように、本発明の実施形態に係るボルト締結構造１００をターボ機械に適用した場合を例に挙げて説明する。なお、図１（ａ）では、ケーシングＣに軸支される回転軸や内部に設けられる羽根車などの構造については図示を省略している。

ケーシングＣは、上ケーシング１０１と下ケーシング１０２とを備え、上ケーシング１０１と下ケーシング１０２とがボルト締結部１０３によって締結されている。なお、ケーシングＣは、圧力容器としても機能するものである。

上ケーシング１０１は、略半円筒形状であり、その縁に上フランジ１０４が外方向に突出して形成されている。また、下ケーシング１０２は、略半円筒形状であり、その縁に下フランジ１０５が外方に突出して形成されている。また、下ケーシング１０２には、下方に向けて突出する入口ノズルＮ１と出口ノズルＮ２が形成されている。上フランジ１０４と下フランジ１０５とをボルト締結部１０３で締結することにより、ケーシングＣ内部の高圧ガスを封止している。なお、図１（ａ）では、入口ノズルＮ１と出口ノズルＮ２が下向きに配置した場合を例に挙げて説明するが、入口ノズルＮ１と出口ノズルＮ２とが上向きとなる配置であってもよい。

図１（ｂ）に示すように、上ケーシング１０１の内壁面１０１ａは、上方に向かって上フランジ１０４から離れる方向に湾曲している。下ケーシング１０２の内壁面１０２ａは、下方に向かって下フランジ１０５から離れる方向に湾曲している。また、上フランジ１０４と下フランジ１０５とが締結されたときに、内壁面１０１ａと内壁面１０２ａとが一続きの湾曲した面になるように構成されている。なお、ケーシングＣ（図１（ａ）参照）の形状は、内圧Ｐが負荷されるものであれば、本実施形態の形状に限定されるものではなく、適宜変更することができる。

ボルト締結構造１００は、上フランジ１０４、下フランジ１０５、スタッド１０６（ボルト）、上ナット１０７、下ナット１０８、ボルト穴１０９およびざぐり部１１０を備えて構成されている。なお、スタッド１０６、上ナット１０７、下ナット１０８によってボルト締結部１０３が構成されている。

上フランジ１０４は、上ケーシング１０１の縁部１０１ｂから外側（水平方向）に突出して形成されている。また、上フランジ１０４は、断面視略矩形状であり、水平方向に延在する上面１０４ａと、上面１０４ａと平行に延在する下面１０４ｂと、上下方向（鉛直方向）に延在する側面１０４ｃと、を有している。

下フランジ１０５は、下ケーシング１０２の縁部１０２ｂから外側（水平方向）に突出して形成されている。また、下フランジ１０５は、断面視略矩形状であり、水平方向に延在して下面１０４ｂと対向する上面１０５ａと、上面１０５ａと平行に延在する下面１０５ｂと、上下方向（鉛直方向）に延在する側面１０５ｃと、を有している。

上フランジ１０４の下面１０４ｂと、下フランジ１０５の上面１０５ａとは、互いに上下において重なり、上フランジ１０４の側面１０４ｃと下フランジ１０５の側面１０５ｃとが面一となるように構成されている。

また、下フランジ１０５は、ざぐり部１１０が形成されている。ざぐり部１１０は、上面１０５ａが凹状に形成されたものであり、上フランジ１０４の下面１０４ｂから離間するように形成されている。また、上フランジ１０４の下面１０４ｂと下フランジ１０５の上面１０５ａとは、ざぐり部１１０を除いて全体が面接触している。

ざぐり部１１０は、上フランジ１０４の下面１０４ｂと下フランジ１０５の上面１０５ａとの合わせ面Ｓにおける下フランジ１０５に、ボルト穴１０９の中心であるボルト穴中心１１１に対してケーシングＣ（図１参照）の内外方向において非対称に形成されている。上フランジ１０４と下フランジ１０５との合わせ面Ｓにおけるボルト穴内縁１０９ａ（ボルト穴の内縁）から上フランジ１０４と下フランジ１０５との合わせ面Ｓの内縁（上下フランジ内縁）１１３までが上フランジ１０４の下面１０４ｂと下フランジ１０５の上面１０５ａとが全面接触している。また、ボルト穴１０９の外縁であるボルト穴外縁１０９ｂから上フランジ１０４と下フランジ１０５との合わせ面Ｓの外縁（上下フランジ外縁）１１５までが一部において面接触している。なお、ボルト穴外縁１０９ｂ（ボルト穴の外縁）とは、ボルト穴中心１１１を挟んでボルト穴内縁１０９ａとは１８０度反対側の位置である。

ボルト穴１０９は、上フランジ１０４と下フランジ１０５の合わせ面Ｓ上に形成されている。すなわち、ボルト穴１０９は、上フランジ１０４と下フランジ１０５を上下方向（合わせ面Ｓに直交する方向）に直線状に貫通するように形成されている。また、ボルト穴１０９の内径（直径）Ｄ１は、スタッド１０６の直径（外径）Ｄ２よりも若干大きく形成され、上フランジ１０４の上面１０４ａから下フランジ１０５の下面１０５ｂまで同一の直径Ｄ１を有して形成されている。

ボルト穴１０９に挿通されるスタッド１０６は、上フランジ１０４と下フランジ１０５を重ねたときの厚みよりも軸方向Ｇに長く形成された棒状のものであり、軸方向Ｇの両端部に雄ねじ１０６ａ，１０６ｂが形成されている。また、スタッド１０６は、ボルト穴１０９に挿通されたときに、雄ねじ１０６ａの一部が上フランジ１０４の上面１０４ａから突出し、雄ねじ１０６ｂの一部が下フランジ１０５の下面１０５ｂから突出している。なお、スタッド１０６は、雄ねじ１０６ａと雄ねじ１０６ｂとの軸方向の間が、雄ねじが形成されていない円柱状に形成されている。

スタッド１０６がボルト穴１０９に挿通された状態で、上ナット１０７が雄ねじ１０６ａに螺合されるとともに、下ナット１０８が雄ねじ１０６ｂに螺合されることで、上フランジ１０４が上面１０４ａに密着し、下フランジ１０５が下面１０５ｂに密着した状態で締結される。

図２に示すように、ざぐり部１１０は、ボルト穴１０９よりも大径であり、ボルト穴１０９の中心であるボルト穴中心１１１に対して、同心円状ではなく、内側と外側（内外方向）で非対称な位置となるように形成されている。また、ざぐり部１１０は、ボルト穴１０９の軸方向Ｇ（図１（ｂ）参照）からの平面視において円状に形成されている。また、ざぐり部１１０は、ボルト穴中心１１１に対してざぐり部１１０の中心が外側に偏心し、かつ、ボルト穴内縁１０９ａとざぐり部１１０の内縁とが点Ｔにおいて一致するように構成されている。つまり、ざぐり部１１０は、ボルト穴内縁１０９ａよりも内方には形成されていない。なお、ボルト穴１０９の内縁であるボルト穴内縁１０９ａとは、合わせ面Ｓ（図１（ｂ）参照）上における下ケーシング１０２の内壁面１０２ａ（上ケーシング１０１の内壁面１０１ａ）に最も近い位置である。ざぐり部１１０の内縁とは、合わせ面Ｓ（図１（ｂ）参照）における下ケーシング１０２の内壁面１０２ａに最も近い位置である。つまり、ボルト穴内縁１０９ａとざぐり部１１０の内縁とは、点Ｔにおいて接している。

また、ざぐり部１１０の直径をＷ３としたときに、隣り合うボルト穴１０９，１０９のボルト穴中心１１１，１１１間の距離Ｌ１が、ざぐり部１１０の直径Ｗ３よりも長くなるように構成されている。これにより、隣り合うざぐり部１１０，１１０間に、上フランジ１０４（図１（ｂ）参照）と下フランジ１０５とが範囲Ｗ４で合わさる合わせ面が形成されている。

また、ボルト穴内縁１０９ａから上下フランジ内縁１１３（合わせ面Ｓの内縁）までの距離（範囲）をＷ１とし、ざぐり部１１０の外縁１１４から上下フランジ外縁１１５（合わせ面Ｓの外縁）までの距離（範囲）をＷ２としたときに、範囲Ｗ１が範囲Ｗ２よりも大きくなるように形成されている。なお、上下フランジ内縁１１３、ボルト穴内縁１０９ａ（点Ｔ）、ボルト穴外縁１０９ｂ、ざぐり部１１０の外縁１１４および上下フランジ外縁１１５は、すべてが直線上に位置し、この直線が下ケーシング１０２の内壁面１０２ａまたは下フランジ１０５の側面１０５ｃに対して直交するように構成されている。なお、上下フランジ内縁１１３とは、合わせ面Ｓ（図１（ｂ）参照）上において、ボルト穴内縁１０９ａ、ボルト穴中心１１１およびボルト穴外縁１０９ｂを通る直線の延長線と下ケーシング１０２の内壁面１０２ａ（上ケーシング１０１の内壁面１０１ａ）とが交差する位置である。また、上下フランジ外縁１１５とは、合わせ面Ｓ（図１（ｂ）参照）上において、ボルト穴内縁１０９ａ、ボルト穴中心１１１およびボルト穴外縁１０９ｂを通る直線の延長線と下フランジ１０５の側面１０５ｃ（上フランジ１０４の側面１０４ｃ）とが交差する位置である。また、隣り合うボルト穴１０９およびざぐり部１１０についても同様な位置に配置されている。

このように、範囲Ｗ１，Ｗ２，Ｗ４など、範囲Ｗ３（ざぐり部１１０が形成されている領域）を除く範囲すべてにおいて、上フランジ１０４（図１（ｂ）参照）と下フランジ１０５とが面接触するように構成されている。

第１実施形態では、ボルト穴１０９に対して図示左右非対称（内外非対称）な円形のざぐり部１１０を加工するだけで、範囲Ｗ１を範囲Ｗ２よりも大きくでき、内圧Ｐ（図１（ｂ）参照）が負荷されるＷ１側の締結力を向上させることができる。また、ざぐり部１１０は、全てのボルト穴１０９に対して設けてもよいし、上下フランジ内縁１１３の口開きが発生し易い場所、つまり符号Ｅ４，Ｅ５（図１（ｂ）参照）で示す最も端に位置するボルト締結部１０３Ａ（１０３）のみにおいて（図１（ａ）参照）、ボルト穴１０９にざぐり部１１０を設けてもよい。

なお、本実施形態では、ボルト穴１０９に円形のざぐり部１１０を形成した場合を例に挙げて説明したが、ボルト穴１０９に楕円形状のざぐり部を設けてもよく、四角形状や多角形状のざぐり部を設けてもよい。楕円形状のざぐり部の場合や四角形状のざぐり部の場合も、円形のざぐり部と同様に、ボルト穴１０９に対してざぐり部が内外方向において非対称に形成され、ボルト穴内縁１０９ａとざぐり部の内縁とが点接触している。

図１（ｂ）に戻って、ざぐり部１１０は、本実施形態では、ざぐり加工が施されていないボルト穴１０９の内縁であるボルト穴内縁１０９ａから上フランジ１０４と下フランジ１０５との合わせ面Ｓの内縁である上下フランジ内縁１１３までの範囲Ｗ１と、ざぐり部１１０の外縁１１４から上フランジ１０４と下フランジ１０５との合わせ面Ｓの外縁である上下フランジ外縁１１５までの範囲Ｗ２の領域で上フランジ１０４と下フランジ１０５とが全面接触し、かつ、範囲Ｗ１が範囲Ｗ２よりも大きくなるように構成されている。なお、ボルト穴内縁１０９ａとは、最も内側の位置（最もケーシングＣ内の空間Ｑに近い位置）を意味している。また、さぐり部１１０の外縁１１４とは、最も外側の位置（最もケーシングＣの外側に近い位置）を意味している。

このように、上フランジ１０４と下フランジ１０５とがボルト締結部１０３の内側において接触する範囲Ｗ１を、ボルト締結部１０３の外側において接触する範囲Ｗ２よりも大きく（広く）している。これにより、ボルト締結部１０３のボルト軸力Ｆにより発生する上フランジ１０４と下フランジ１０５との間に発生する圧縮場１２０が範囲Ｗ１側に流れ易くなる。すなわち、内圧Ｐが負荷されるケーシングＣ側（内側、空間Ｑ側）の締結力を向上させることができるので、内圧Ｐによる上フランジ１０４と下フランジ１０５との合わせ面Ｓの上下フランジ内縁１１３における口開き（上フランジ１０４と下フランジ１０５とが離れる現象）が抑制され、ケーシングＣの気密性を向上させることが可能になる。なお、圧縮場１２０とは、破線で示すように、上ナット１０７で締め付けられて上フランジ１０４が圧縮によって変形する円錐状に広がる範囲である。また、図１（ｂ）では、上フランジ１０４側の圧縮場１２０のみを示して説明したが、下フランジ１０５の側についても前記と同様に圧縮場が作用して、前記説明と同様に口開きを抑える力が作用する。

ところで、圧縮場１２０が範囲Ｗ１側に流れ易くなることで、範囲Ｗ２側の締結力は低下するが、ケーシングＣの気密性には影響しない。つまり、内圧Ｐが負荷されると、上下フランジ内縁１１３に口開きが発生する方向にモーメントＭ，Ｍ（図１（ｂ）参照）が生じる。しかし、ざぐり部１１０の外縁１１４から上下フランジ外縁１１５までの範囲Ｗ２を面接触させていることにより、範囲Ｗ２の面接触させる構造がモーメントＭ，Ｍに対する抵抗となり、上下フランジ内縁１１３の口開きを抑制することができる。

また、範囲Ｗ１を全面で接触させることにより、接触面に過度に高い面圧が発生することがなく、へたりなどによる面圧低下も生じ難くなる。また、ざぐり部１１０は、範囲Ｗ１，Ｗ２が形成されるように、ボルト穴中心１１１に対して内外方向において非対称（図示左右非対称）に１箇所のみ形成されている。なお、１箇所とは、１回の加工操作でざぐり部１１０を形成できることを意味している。すなわち、特許文献１で示したように、ボルト穴より内側に内側凸条、ボルト穴より外側に外側凸条が形成されている場合には、内側凸条の内側と、外側凸条の外側と、内側凸条と外側凸条との間の３箇所（３回の加工操作）にざぐり部を形成する必要がある。しかし、本実施形態では、ボルト穴１０９の周囲にざぐり部１１０が１箇所設けられているだけである。このように、ざぐり部１１０を１箇所にすることで、ケーシングＣの気密性を簡便に向上させつつ、加工コストを低減できる。

ところで、図３において参考例として示す従来のボルト締結構造２００は、上フランジ２０４、下フランジ２０５、スタッド２０６、上ナット２０７、下ナット２０８および上下フランジ内のボルト穴２０９で構成されている。図１（ｂ）のボルト締結構造１００と、図３のボルト締結構造２００の差異は、ボルト締結構造１００では、ボルト穴中心１１１に対して内外方向において非対称な位置にざぐり部１１０が設けられ、ボルト締結構造２００では、ざぐり部が設けられていない点である。

従来のボルト締結構造２００では、上フランジ２０４と下フランジ２０５の合わせ面Ｓ１０にはざぐり部が無く、上フランジ２０４と下フランジ２０５が、合わせ面Ｓ１０の内縁である上下フランジ内縁２１３から合わせ面Ｓ１０の外縁である上下フランジ外縁２１５までの全体において面接触している。このように上下フランジ内縁２１３から上下フランジ外縁２１５までの全体で面接触していることにより、接触面に発生する面圧は、接触面積が広くなることによって、ボルト締結構造１００のざぐり部１１０を設けた場合と比較して低くなるので、ケーシング内から負荷される内圧Ｐによって上下フランジ内縁２１３に口開きが発生し易くなる。また、ボルト穴２０９の内縁２１２から上下フランジ内縁２１３までの範囲Ｗ１が、ボルト穴２０９の外縁２１４から上下フランジ外縁２１５までの範囲Ｗ２よりも小さい（狭い）場合、ボルト軸力Ｆにより上下フランジ内に発生する圧縮場２３０（破線参照）がＷ２側に流れ易くなることで、Ｗ１側の締結力が低下し、上下フランジ内縁２１３が口開きし易くなる。なお、図示していないが、ボルト穴２０９の中心であるボルト穴中心２１１に対して、内外方向において対称にざぐり部を設ける従来例も提案されているが、このような構造では、ざぐり部を形成することで上フランジと下フランジの接触面積が減少することで上フランジと下フランジの合わせ面の接触面圧が全体的に増加するものの、前記した図３の従来例と同様に面接触する範囲Ｗ１が面接触する範囲Ｗ２よりも小さい場合、ボルト締結構造１００と比較して、上下フランジ内縁２１３が口開きし易くなる。

そこで、本実施形態におけるボルト締結構造１００では、従来のボルト締結構造２００の課題を解決し、ボルト穴内縁１０９ａから上下フランジ内縁１１３までが上フランジ１０４と下フランジ１０５とが全面接触し、ボルト穴外縁１０９ｂから上下フランジ外縁１１５までが上フランジ１０４と下フランジ１０５とが一部で面接触し、全面接触している範囲Ｗ１が、一部で面接触している範囲Ｗ２よりも大きくしたことで（図１（ｂ）参照）、ケーシングＣの気密性を簡便に向上させることができるようにしたものである。

すなわち、内圧Ｐが負荷されるケーシングＣの内側における上フランジ１０４と下フランジ１０５の接触範囲Ｗ１を、その反対側（ケーシングＣの外側）の接触範囲Ｗ２よりも大きくすることによって、ボルト穴１０９の内外に発生する締結力のバランスが変化し、気密性に影響する内圧Ｐが負荷される側の締結力を効果的に向上させることができる。また、内圧Ｐが負荷されるケーシングＣの内側（ボルト穴内縁１０９ａから上下フランジ内縁１１３まで）における上フランジ１０４と下フランジ１０５とを全面接触させることにより、接触面に過度に高い面圧が発生することがなく、へたりなどによる面圧低下も生じにくい。さらに、内圧Ｐが負荷された際、上下フランジ内縁１１３に口開きが発生する方向にモーメントＭが作用するが、ボルト穴外縁１０９ｂから上下フランジ外縁１１５までの間を一部面接触させていることにより、その面接触がモーメントＭに対する抵抗となり、上下フランジ内縁１１３の口開きを抑制することができる。

また、ボルト締結構造１００では、一部で面接触する範囲Ｗ２として、ざぐり部１１０の外縁１１４から上下フランジ外縁１１５までの範囲にしている。これにより、上下フランジ内縁１１３に口開きさせるモーメントＭ（図１（ｂ）参照）が作用したときの抵抗となる面接触の位置を、合わせ面Ｓの最も外縁側（上下フランジ外縁１１５を含む側）に形成することで、前記した抵抗をより小さい力で受けることが可能になり、へたりなどによる抵抗力の低下を抑制することができる。

また、ボルト締結構造１００では、ざぐり部１１０が上フランジ１０４と下フランジ１０５の合わせ面Ｓ上に円状に形成されている。これにより、ざぐり部１１０を形成することが容易になり、ざぐり部１１０の加工コストを低減できる。

また、ボルト締結構造１００では、上フランジ１０４と下フランジ１０５とがいわゆる両ナットボルト（スタッド１０６、上ナット１０７、下ナット１０８）を介して締結されている。これにより、上フランジ１０４と下フランジ１０５の上下両側から前記した圧縮場１２０を発生させることができるので、いわゆる植え込みボルトのような片側のみから締結されるものと比較して、ボルト締結部１０３における締結力を向上させることができ、ケーシングＣの気密性を簡便により向上させることができる。

また、ボルト締結構造１００では、ボルト締結構造１００を圧縮機、ポンプ、蒸気タービンなどボルト締結部１０３を有する各種機械（ターボ機械）に汎用的に適用することができる。このように本実施形態のボルト締結構造１００をターボ機械に適用することにより、ターボ機械の高圧化や大径化が可能となる。

また、第１実施形態では、ボルト締結構造１００において、いわゆる「両ナットボルト」を適用した例を示しているが、植込みボルトや通しボルトなど各種ボルトを適用できる。また、第１実施形態では、ざぐり部１１０を下フランジ１０５側に設けた場合を例に挙げて説明したが、ざぐり部１１０を上フランジ１０４側に設けてもよく、また、ざぐり部１１０を上フランジ１０４と下フランジ１０５の双方に設けてもよい。

また、ざぐり部１１０を形成することによって上フランジ１０４と下フランジ１０５との間に形成される空間Ｑ１（図１（ｂ）参照）と、ボルト穴１０９とスタッド１０６との間の隙間Ｑ２（図１（ｂ）参照）にそれぞれシリコンゴムなどのシール材を充填してもよい。これにより、上フランジ１０４と下フランジ１０５との間における気密性を向上でき、仮に口開きが発生したとしても、シール材によって高圧ガスの漏れを防止できる。

図４は、第１実施形態のざぐり部の変形例を示す平面図である。なお、第１実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して重複した説明を省略する（その他の変形例も同様）。
図４に示すように、ボルト締結構造４００では、下フランジ１０５にざぐり部４１０を形成した構造である。このざぐり部４１０は、ボルト穴１０９の中心であるボルト穴中心１１１に対して、同心円状ではなく、内外方向において非対称となるように形成されている。

また、ボルト穴内縁１０９ａから上下フランジ内縁１１３までの距離（範囲）をＷ１とし、ざぐり部４１０の外縁１１４から上下フランジ外縁１１５までの距離（範囲）をＷ２としたときに、範囲Ｗ１が範囲Ｗ２よりも大きくなるように構成されている。

また、ざぐり部４１０は、ボルト穴１０９の軸方向Ｇ（図１（ｂ）参照）からの平面視において略円形状を呈している。また、ざぐり部４１０は、ボルト穴中心１１１に対してざぐり部４１０の中心が外側に偏心し、かつ、ボルト穴内縁１０９ａとざぐり部１１０の内縁とが点Ｔにおいて一致するように構成されている。

また、ざぐり部４１０の直径をＷ３としたときに、隣り合うボルト穴１０９，１０９の中心１１１，１１１間の距離Ｌ２が、ざぐり部４１０の直径Ｗ３よりも短く形成されている。これにより、隣り合うざぐり部４１０同士が一部において重なり合うようになっている。なお、図４では、隣り合う２つのざぐり部４１０を図示しているが、上フランジ１０４および下フランジ１０５に沿って配置されるボルト締結部１０３（図１（ａ）参照）のすべてまたは一部においてボルト穴１０９にざぐり部４１０が形成されていてもよく、並び方向の端部Ｅ４，Ｅ５（図１（ａ）参照）に位置するボルト締結部１０３Ａ，１０３Ａ（図１（ａ）参照）のみのボルト穴１０９にざぐり部４１０が形成されていてもよい。

また、範囲Ｗ１，Ｗ２など、範囲Ｗ３を除く領域のすべてにおいて、上フランジ１０４（図１（ｂ）参照）と下フランジ１０５とが面接触している。

このように、ボルト締結構造４００では、ボルト穴内縁１０９ａから上下フランジ内縁１１３までが上フランジ１０４と下フランジ１０５とが全面接触し、ボルト穴外縁１０９ｂから上下フランジ外縁１１５までが上フランジ１０４と下フランジ１０５とが一部で面接触し、全面接触している範囲Ｗ１が、一部で面接触している範囲Ｗ２よりも大きく形成されている。これにより、ケーシングＣの気密性を簡便に向上させることができる。

また、ボルト締結構造４００では、隣り合うボルト締結部１０３におけるざぐり部４１０が一部において重なるように構成されている。これにより、上フランジ１０４と下フランジ１０５とが接触する面積を図２の場合と比べて減らすことができ、上フランジ１０４と下フランジ１０５とが接触する際の面圧を、図２に示すざぐり部１１０を設けたボルト締結構造１００の場合よりも高めることができる。

また、ボルト締結構造４００では、一部で面接触する範囲として、ざぐり部４１０の外縁１１４から上下フランジ外縁１１５までにすることで、上下フランジ内縁１１３に口開きさせる際の抵抗力をより小さい力で受けることが可能になり、へたりなどによる抵抗力の低下を抑制することができる。

また、ボルト締結構造４００では、ざぐり部４１０が上フランジ１０４（図１（ｂ）参照）と下フランジ１０５の合わせ面Ｓ（図１（ｂ）参照）上に円状に形成されている。これにより、ざぐり部４１０を形成することが容易になり、ざぐり部４１０の加工コストを低減できる。

なお、図４に示す変形例の場合においても、ざぐり部４１０を下フランジ１０５に設ける構成に限定されず、ざぐり部４１０を上フランジ１０４に設けてもよく、またはざぐり部４１０を上フランジ１０４と下フランジ１０５の双方に設けてもよい（図５の変形例についても同様）。

図５は、第１実施形態のざぐり部の他の変形例を示す平面図である。
図５に示すように、ボルト締結構造５００は、下フランジ１０５にざぐり部５１０を形成した構造である。このざぐり部５１０は、ボルト締結部１０３の並び方向に沿って等幅（範囲Ｗ３）で形成され、ボルト穴１０９の軸方向Ｇ（図１（ｂ）参照）に直交する方向に沿って連続して形成されている。また、ざぐり部５１０は、下フランジ１０５の直線部分Ｅ１（図１（ａ）参照）において直線状に形成され、下フランジ１０５の曲線部分Ｅ２，Ｅ２（図１（ａ）参照）においては曲線状に形成されている。

すなわち、範囲Ｗ３以外の、ボルト穴内縁１０９ａから上下フランジ内縁１１３までの範囲Ｗ１と、ざぐり部５１０の外縁１１４から上下フランジ外縁１１５までの範囲Ｗ２とで上フランジ１０４（図１（ｂ）参照）と下フランジ１０５とが面接触するように構成されている。

また、ボルト穴内縁１０９ａから上下フランジ内縁１１３までの距離（範囲）をＷ１とし、ざぐり部５１０の外縁１１４から上下フランジ外縁１１５までの距離（範囲）をＷ２としたときに、範囲Ｗ１が範囲Ｗ２よりも大きくなるように構成されている。

このようにボルト締結構造５００では、ボルト穴内縁１０９ａから上下フランジ内縁１１３までが上フランジ１０４と下フランジ１０５とが全面接触し、ボルト穴外縁１０９ｂから上下フランジ外縁１１５までが上フランジ１０４と下フランジ１０５とが一部で面接触し、全面接触している範囲Ｗ１が、一部で面接触している範囲Ｗ２よりも大きく形成されている。これにより、ケーシングＣの気密性を簡便に向上させることができる。

また、ボルト締結構造５００では、一部で面接触する範囲として、ざぐり部５１０の外縁１１４から上下フランジ外縁１１５までにすることで、上下フランジ内縁１１３に口開きさせる際の抵抗力をより小さい力で受けることが可能になり、へたりなどによる抵抗力の低下を抑制することができる。

また、ボルト締結構造５００では、ざぐり部５１０が上フランジ１０４と下フランジ１０５との合わせ面Ｓ上に、軸方向Ｇ（スタッド１０６（ボルト）の軸方向）に対して直交する方向に溝状に形成されている。これにより、上フランジ１０４と下フランジ１０５とが接触する面積を図２や図４の場合と比べてさらに減らすことができ、上フランジ１０４と下フランジ１０５とが接触する際の面圧を、図２、図４に示すざぐり部１１０，４１０を設けたボルト締結構造１００，４００の場合よりも高めることができる。

このようなざぐり部５１０を形成することにより、複数のボルト穴１０９の周囲に個別にざぐり部１１０，４１０を設ける場合と比べて、ざぐり部５１０の加工が容易になり、加工コストを低減できる。また、ざぐり部５１０を設けることにより、上フランジ１０４と下フランジ１０５とが接触する面積を図２や図４の場合と比べて減らすことができ、上フランジ１０４と下フランジ１０５とが接触する際の面圧を、図２、図４に示すざぐり部１１０，４１０を設けたボルト締結構造１００，４００よりも高めることができる。

（第２実施形態）
図６は、第２実施形態に係るボルト締結構造の構成図である。ボルト締結構造６００のうち、既に説明した図１のボルト締結構造１００と同一の構成、機能を有する部分に関しては、説明を省略する。また、図６では明視性を考慮して断面図を意味する斜線（ハッチング）も省略している。ボルト締結構造６００とボルト締結構造１００との差異は、ボルト締結構造６００では、圧縮場６２０の影響範囲を考慮して、ナット外縁６０７から上下フランジ外縁１１５までの距離を規定している。

図６に示すように、ボルト締結構造６００では、ボルト軸力Ｆにより、上フランジ１０４と下フランジ１０５の内部には、圧縮場６２０が発生する。この圧縮場６２０は、上ナット１０７の外縁であるナット外縁６０７から、上フランジ１０４と下フランジ１０５の合わせ面Ｓに向かって広がり、圧縮場６２０の境界ライン６２１（破線）が円錐状となるように傾斜している。この圧縮場６２０が作用している合わせ面Ｓの範囲Ｗ５の領域において接触面圧が発生する。なお、ナット外縁６０７とは、上ナット１０７と上フランジ１０４の上面１０４ａとが接する上面１０４ａにおける最も側面１０４ｃに近い位置（上面１０４ａにおける最も外側の位置）である。また、圧縮場６２０の面積が大きいほど、内圧Ｐによる口開き方向のモーメントＭ（図１（ｂ）参照）に対する抵抗が大きくなるため、ケーシングＣの気密性は向上する。また、圧縮場６２０の境界ライン６２１の鉛直方向（上下方向）に対する傾斜角度α（例えば、３０度）は、各部の寸法により近似的に導出され、ナット外縁６０７から境界ライン端部（境界ライン下端部）６２２までの合わせ面Ｓに平行な距離（水平距離）Ｗ６は、上フランジ１０４の厚さＬのおよそ１/２倍となる。

そこで、ボルト締結構造６００では、ナット外縁６０７から上フランジ１０４と下フランジ１０５の合わせ面Ｓの外縁である上下フランジ外縁１１５までの合わせ面Ｓに平行な距離（範囲）Ｗ７を上フランジ１０４の厚さＬの１/２倍以上としている。これにより、圧縮場６２０の面積を拡大させることができ、ケーシングＣの気密性を向上させることができる。なお、図６に示す第２実施形態では、範囲Ｗ７が範囲Ｗ６よりも大きい場合を例に挙げて説明したが、範囲Ｗ７と範囲Ｗ６とが同じであってもよい。

以上説明したようにボルト締結構造１００，４００，５００，６００をケーシングＣに適用することにより、ケーシングＣの気密性を簡便に向上させることができる。また、気密性を向上させることで、締結に必要なボルト（例えばスタッド１０６、上ナット１０７、下ナット１０８）の本数を低減することも可能となり、ボルト締結部１０３の材料（ボルト、ナットなど）、製作、作業コストなどの削減にも繋がる。

また、前記した実施形態によれば、圧縮機、ポンプ、蒸気タービンなど、ボルト締結構造１００，４００，５００，６００を有する各種ターボ機械に汎用的に適用することができる。また、ターボ機械だけではなく、圧力容器やケーシング（圧力が負荷されないものを含む）に適用することもできる。

１００，４００，５００，６００ ボルト締結構造
１０１ 上ケーシング
１０２ 下ケーシング
１０３，１０３Ａ ボルト締結部
１０４ 上フランジ
１０５ 下フランジ
１０６ スタッド（ボルト、両ナットボルト）
１０７ 上ナット（両ナットボルト）
１０８ 下ナット（両ナットボルト）
１０９ ボルト穴
１０９ａ ボルト穴内縁（ボルト穴の内縁）
１０９ｂ ボルト穴外縁（ボルト穴の外縁）
１１０，３１０，４１０，５１０ ざぐり部
１１１ ボルト穴中心（ボルト穴の中心）
１１３ 上下フランジ内縁（合わせ面の内縁）
１１４ ざぐり部の外縁
１１５ 上下フランジ外縁（合わせ面の外縁）
１２０ 圧縮場
６０７ ナット外縁（ナットの外縁）
６２０ 圧縮場
６２１ 圧縮場境界ライン
６２２ 境界ライン端部
Ｃ ケーシング
Ｇ ボルトの軸方向
Ｍ モーメント
Ｐ 内圧
Ｓ 合わせ面
Ｗ１ 全面接触している範囲
Ｗ２ 一部で面接触している範囲

Claims (8)

1. 内圧が負荷されるケーシングの上フランジおよび下フランジと、
   前記上フランジと前記下フランジとの合わせ面上に形成されるボルト穴と、
   前記ボルト穴の中心に対して非対称に形成されるざぐり部と、を備え、
   前記ボルト穴の内縁から前記合わせ面の内縁までは前記上フランジと前記下フランジとが全面接触し、
   前記ボルト穴の外縁から前記合わせ面の外縁までは前記上フランジと前記下フランジとが一部で面接触し、
   前記全面接触している範囲が、前記一部で面接触している範囲よりも大きいことを特徴とするボルト締結構造。
2. 請求項１に記載のボルト締結構造において、
   前記一部で面接触している範囲は、前記ざぐり部の外縁から前記合わせ面の外縁までの範囲であることを特徴とするボルト締結構造。
3. 請求項１に記載のボルト締結構造において、
   前記ざぐり部は、前記上フランジと前記下フランジの断面内で１か所のみ設けられていることを特徴とするボルト締結構造。
4. 請求項１に記載のボルト締結構造において、
   前記ざぐり部は、前記合わせ面上に、円状に形成されていることを特徴とするボルト締結構造。
5. 請求項１に記載のボルト締結構造において、
   前記ざぐり部は、前記合わせ面上に、ボルトの軸方向に対して直交する方向に溝状に形成されていることを特徴とするボルト締結構造。
6. 請求項１に記載のボルト締結構造において、
   ナットの外縁から前記合わせ面の外縁までの当該合わせ面に平行な距離が、前記上フランジの厚さの１/２倍以上であることを特徴とするボルト締結構造。
7. 請求項１に記載のボルト締結構造において、
   前記上フランジと前記下フランジは、両ナットボルトを介して締結されていることを特徴とするボルト締結構造。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載されたボルト締結構造を適用したことを特徴とするターボ機械。

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