JPH0436001A - 蒸気タービンフランジボルトの冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、蒸気タービンフランジボルトに関する。

従来の技術 蒸気タービンの車室等のフランジを締め付けるボルトは
、車室等に比べて断面積が小さいため、車室等の材料に
比べて高温クリープ強度が高い必要がある。そして、こ
の条件を満たすものとしてレフラクトアロイ２６が従来
多用・されて吉）る。

発明が解決しようとする課題 しかるに、レフラクトアロイ２６は高温クリープ強度は
高いが、材料の熱膨張率が大きい。このため、運転時に
高温になると、ボルトとフランジの熱膨張量の差によっ
てボルトの締付力が低トし、フランジより蒸気漏れか生
じることかある。

これを見越して、冷態時のボルト締付力を予め大きくセ
ットしているが、この場合起動時にフランジとボルトの
温度差（フランジ温度〉ボルト温度）が発生すると、過
渡的な過大応力が生じる。

これによって、ボルトが降伏したり、フランジの一部が
降伏して塑性変形を生じて、ボルトの締付力が低下する
。

そして、この状態で定常運転状態になって全体の温度が
上昇すると、ボルトの締付力がさらに低下し、フランジ
より蒸気漏れか発生する。

次に、第６図（ａ）　、　（ｂ）を参照して１つの試算
例を示す。

ボルト１の熱膨張係数をα８、車室２のフランジ３の熱
膨張係数をα１、ボルト１の有効長さをＱＢｓボルト１
の断面積をＡＩ、フランジ３の厚さをｆｆＦｓフランジ
３の有効面積をＡＰ、冷態時からのボルト１の温度上昇
量をΔＴｌ、ボルト１の弾性係数をＥ１１１フランジ３
の弾性係数をＥ、とする。

そして、冷態時のボルト１の締付応力をσ□、フランジ
３の有効部への応力をσ７．とすると、高温時のボルト
１の締付応力σＩＩ）ｌは次のように求められる。

σ勝、Ａ　、＝σＦＨＡＦ ・・・・・（６） ΔＱｓｕ＋ΔＱ　ＦＨ＝ΔＯＳＳ＋Δｏｐｓ−α、ΔＴ
ｍＱｍ＋α、ΔＴ、ｆｆ、・・・・・（７）（２）式、
（３）式より、 σ、、Ａ　、＝σ。Ａ、　　　　・・・・・（３）ここ
に、ΔＯ□は冷態時にて締付時のボルト１の伸び量、Δ
ｏｐｓは冷態にて締付時のフランジ３の縮み量である。

また、高温時のボルト１の伸び量をΔＱ　ｌ）１％フラ
ンジ３の縮み量をΔＱＦＨとすると、（５）式、（６）
式より、 これらを（７）式に代入して −α８ΔＴｕｆｆｓ＋α、ΔＴＦ（’Ｆこれより σ　ＩＩＨ： ・・・・・（８） 簡単のため、Ｑｍ＝Ｑｖ、Ａお／　Ａ　Ｆ　＝　Ｏ（Ａ
　ｓ　＜　＜Ａ、より）、ΔＴｍ＝ΔＴ、と仮定すると
、σ□８＝σ□−Ｅ、（α、−α、）ΔＴ、、・・・・
（９）ａ　、、　＝　３２ｋｇ／　ｍｍ２、Ｅ　、＝　
２．ＩＸ　１０’ｋｇ／　ｍｍ’。

α、＝１．５Ｘ１０−’　１／’Ｃ１αＦ＝　ｔ３ｘ　
ｉｏ−’　１／’Ｃとすると、冷態時からの温度上昇量
ΔＴ１℃とボルト１の締付応力σｌｌＨｋｇ／ｍｍ２の
関係は次のようになる。

σ、Ｈ＝３２−２．ｌＸ１０’Ｘ０．２Ｘ１０−ＢΔＴ
。

３２−４．２ｘ　１０−”ΔＴ１ これを図に表わすと第７図のようになる。すなわち、ボ
ルト１の締付力は冷態からの温度上昇量に従って直線的
に低下する。

高温時のボルト締付力の低下を見越して冷態時のボルト
締付力を増す場合は、第８図に示すように、σ、Ｓを増
した分だけボルト１の応力は平行移動する。起動時に過
渡的にフランジ３とボルト１の温度差ΔＴが生じる場合
、（８）式で簡単のためＱｍ＝Ｑｙ、Ａ　Ｂ／　Ａ　Ｐ
　＝　Ｏと仮定して、かつΔＴ、＝ΔＴお＋ΔＴ とすると、 σｇｏ”σ□−Ｅ、（α、−α、）ΔＴ　、十Ｅ　ａα
、ΔＴ・・・・・（ｌＯ） ａ　１１６＝　４２ｋｇ／　ｍｍ”、Ｅ　、＝　２．Ｉ
Ｘ　１０’ｋｇ／　ｍｍ’、α、＝１．５Ｘ１０−’　
　ｌ／℃、α、＝　１．３Ｘ　１０−’　　１／’Ｃと
して、 八Ｔ＝５０℃、１００℃とすると、 σ５ｏ＝４２−２．１ｘｌＯ’ｘＯ，２ｘｌＯ−’ΔＴ
Ｉｌ十２．ＩＸ　ｌｏ’Ｘ　１．３Ｘ　１０−’ΔＴこ
の様子を第８図に示す。

ボルト１、フランジ３の温度か十分上昇しきらない間に
ボルト１とフランジ３の温度差か大きくなると、ボルト
１の締付力か過大になり、ボルト１やフランジ３の降伏
をまねく。

本発明は、このような従来技術の課題を解決するために
なされたもので、フランジからの蒸気漏れを確実に防止
することのできる蒸気タービンフランジボルトを提供す
ることを目的とする。

課題を解決するための手段 上記の課題を解決するために、本発明は、蒸気タービン
の車室等のフランジを締め付ける蒸気タービンフランジ
ボルトにおいて、ボルトの中心に設けた中心孔に冷却用
の空気を通す手段を接続したものである。

作用 上記の手段によれば、ボルトの中心孔に空気を流すこと
によって、ボルトの温度をフランジの温度に比べて十分
に低下せしめることができ、高温でのボルト締付力の低
下が緩和されるので、フランジからの蒸気漏れが防止で
きる。また、冷態時のボルト締付力を過度に大きくする
必要がないので、起動時のフランジ、ボルト温度差によ
る過渡的なボルト応力過大が防止でき、ボルトやフラン
ジの一部の降伏が防止できる。これにより、フランジか
らの蒸気漏れが防止できる。

実施例 以下、図面を参照して本発明の実施例について詳細に説
明する。

第１図は、本発明に係る蒸気タービンフランジボルトの
一実施例を示す断面図である。

第１図において、蒸気タービンの車室１１のフランジ１
２をボルト１３とナツト１４ａ、　１４ｂで締め付けて
おり、該ボルト１３の中心孔１５に空気管１６ａ、　１
６ｂを接続するよう構成している。

なお、第１図はボルト１３の両端をナツト１４ａ。

１４ｂにて締め付ける通しボルトの例を示しており、空
気管１６ａ、１６ｂはそれぞれ関連するナツト１４ａ１
４ｂを貫通して延びている。また、第１図では図を簡略
化するため、ナツト１４ａ、　１４ｂの座金等はその表
示を省略している。

次に、第２図は第１図に示したボルト１３の中心孔１５
に冷却用の空気を通す制御系統の一例を示す。

第２図において、車室１１のフランジ１２に温度検出器
１７が取り付けられていると共に、入口側の空気管１６
ａに電磁弁１Ｂが取り付けられている。また、入口側の
空気管１６ａは加圧空気源１９に接続され、出口側の空
気管１６ｂは大気に開口されている。なお、電磁弁１８
は電動弁や空気作動弁であっても良い。

以上述べた構成において、まず車室１１のフランジ１２
をボルト１３とナツト１４ａ、　１４ｂで締め付ける。

冷態時のボルト締付力は、通常の値（例えば３２ｋｇ／
ｍｍ”）とする。

そして、タービンを起動し、フランジ１２、ボルト１３
の温度が上昇したら、フランジ１２に取り付けた温度検
出器１７によってフランジ１２の温度を検出する。そし
て、フランジ１２の温度がある値を越えたら、温度検出
器１７の出力によって入口側の空気管１６ａに取り付け
た電磁弁１８を開き、加圧空気源１９より、空気管１６
ａを通じてボルト１３の中心孔１５に空気を流す。

したがって、ボルト１３は空気によって冷却されるので
フランジ１２より温度が低くなる。すなわち、前述した
（１０）式のΔＴが正の値になる。

ａ　ａｓ　＝　３２ｋｇ／　ｍｍ２、Ｅ　ｍ＝　２．Ｉ
Ｘ　１０’ｋｇ／　ｍｍ”、ａｍ＝１．５Ｘ１０−’　
　１／℃、αｒ＝１．３Ｘ１０−’　　１／”Ｃとして
、ΔＴ＝５０℃、１００℃とすると、σ□＝　３２−４
．２Ｘ　１０−”ΔＴ　Ｂ＋２．７ｘ　１０−’ΔＴこ
の様子を第３図に示す。温度上昇量が大きいところで、
フランジ１２とボルト１３の温度差ΔＴによって温度上
昇によるボルト１３の締付力の低下が緩和される。

一方、起動時のフランジ１２、ボルト１３の温度が低い
ときの過渡的なフランジ／ボルト温度差によるボルト応
力の増大に対しては、冷態での初期締付力を太き（しな
いことによって、ボルト１３の降伏を防止する。

すなわち、第３図で温度上昇量ΔＴ０以上で第２図の電
磁弁１８を開いてボルト１３の空気で冷却することによ
って、フランジ１２とボルト１３の温度差ΔＴを５０℃
つけたとすれば、温度差６１０以上の温度ではボルト１
３の締付力は太線で示すようになり、冷態での締付力を
４６ｋｇ／ｍｍ２に増したのと同じ効果がある。

一方、温度上昇量の小さいところでは電磁弁１８は閉で
ボルト１３は冷却されない。また、冷態での締付力を３
２ｋｇ／ｍがと小さくしているから、過渡的なフランジ
／ボルト温度差がついてもボルト応力は過大とならず、
ボルト１３やフランジ１２の降伏を生じない。

次に、第４図及び第５図は本発明の他の実施例を示し、
ボルト１３は植込みボルトとされ、その中心に設けられ
ている中心孔１５の下端は閉じ栓２０により閉じられて
いる。

そして、空気を供給する入口側の空気管１６ａはナツト
１４を貫通して延び、それからボルト１３の中心孔１５
の中に深く挿入されている。また、空気を排出する出口
側の空気管１６ｂはボルト１３の中心孔１５の上端に接
続され、それから空気管１６ａを囲繞しながらナツト１
４を貫通して延び、大気中に開口するようになっている
。

このような構成によっても、空気をボルト１３の中心孔
１５を通して流すことができるので、前述した実施例を
同様の作用効果が得られる。

なお、タービン起動時に発生するフランジとボルトの過
渡的な温度差過大（フランジ温度〉ボルト温度）による
過大な熱応力を防止するために、フランジ温度とボルト
温度の差が大きくなったとき、加熱装置によってボルト
を加熱し、この温度差を一定の範囲内に保ってボルト、
フランジ座面の降伏を防止するようにした技術が従来公
知であるが、この従来技術は定常運転中の締付力を確保
するため、予め高目の値で締め付けたボルトに対して過
渡的に生じる過大応力を低減するためのものであって、
過渡的に生じる応力が許容値以内におさまるように予め
締め付けたボルトに対して定常運転中の締付力低下を防
止するようにした本発明とは相異するものである。

そして、この従来技術においては、ボルトの加熱装置が
うまく作動しなかった場合、１回の起動で過渡的な過大
応力のためボルトやフランジ座面の降伏が生じ、これを
修正するためにはタービンを一旦停止してボルトの締直
しをする必要があり、多大の労力と時間を要するか、本
発明の場合、ボルトの中心孔へ空気を供給する装置がう
まく作動しなかった場合、フランジ面から蒸気か漏洩す
る可能性はあるが、これはボルトへの空気供給装置を作
動させれば直ちに止まるので、万一装置の作動不良が発
生した場合の後始末は本発明の方が有利なものである。

そして、フランジの部分には一般にフランジカバーが施
されており、蒸気の漏洩があっても直ちに危険な状態に
は至らないものである。

発明の効果 以上述べたように、本発明に係る蒸気タービンフランジ
ボルトによれば、高温でのボルト締付力の低下が緩和さ
れるので、フランジからの蒸気漏れを防止できる。また
、冷態時のボルト締付力を過度に大きくする必要がない
ので、起動時のフランジ／ボルト温度差による過渡的な
ボルト応力過大か防止でき、ボルトやフランジの一部の
降伏か防止できる。これにより、フランジからの蒸気漏
れを確実に防止できる。

そして、本発明は、蒸気タービンフランジボルトの中心
孔に冷却空気を流してボルトを内面から冷却するように
しているので、例えばフランジに冷却蒸気通路を設けて
ボルトを外面から蒸気によって冷却する方法よりも次の
ような利点がある。

すなわち、この蒸気による冷却方法では、フランジに冷
却蒸気通路を設けるための複雑な加工か必要となること
、及びフランジボルト穴とボルトの間の空間に蒸気か流
れるので、蒸気によるボルトの応力腐食割れやナツト座
面やナンド頂面からの蒸気漏れの二次的な問題が生ずる
が、このような問題は本発明によって解決される。

また、本発明は、ボルトとフランジ全体の温度レベルが
上昇した場合の材料の熱膨張率の差にもとつくボルト締
付力低下を防止するために、ボルトの温度を下げるもの
であるので、微妙な温度差制御は必ずしも必要としない
利点もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る蒸気タービンフランジボルトの一
実施例を示す断面図、第２図は第１図に示したボルトの
中心孔に冷却空気を流す制御系統の−例を示す図、第３
図はボルト応力の説明図、第４図は本発明に係る蒸気タ
ービンフランジボルトの他の実施例を示す断面図、第５
図は第４図の一部拡大断面図、第６図の（ａ）は従来の
蒸気タービンフランジボルトの一例を示す断面図、（ｂ
）はそのボルト及びフランジの冷態時、高温時における
伸び量、縮み量を説明するための図、第７図は従来例の
ボルト応力を示す説明図、第８図は従来例で冷態時のボ
ルト締付力を増大した場合のボルト応力を示す説明図で
ある。 １１・・車室、１２・・フランジ、１３・・ボルト、１
４ａ、１４ｂ、１４−−ナツト、１５・・中心孔、１６
ａ、１６ｂ・・空気管、１７・・温度検出器、１８・・
電磁弁、１９・・加圧空気源、２０・・閉じ栓。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　蒸気タービンの車室等のフランジを締め付ける蒸気タ
   ービンフランジボルトにおいて、ボルトの中心に設けた
   中心孔に冷却用の空気を通す手段を接続したことを特徴
   とする蒸気タービンフランジボルト。