JPS5833364B2 - 高圧タ−ビンフランジ構造 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は高圧タービンフランジ部の構造に関する。

蒸気タービンの高圧ケーシングは上ケーシング１と下ケ
ーシング２からなり、これらケーシングのフランジ部（
上フランジ３と下フランジ４）をスタットボルト１２と
ナツト１３により締結した構造になっている。

これら２対のフランジ部はケーシング内部の高温、高圧
な蒸気をフランジ面６から洩らさないために、相当の肉
厚と幅を取っていた。

従来形タービンではこのフランジ部のケーシング全体に
占める割合は３０％以上にも達している。

ところで、従来のフランジはそのフランジ面は平滑な面
を有し、このフランジ面を互いに接触させて上下フラン
ジをボルトにより締つけることによりフランジ面に面圧
を発生させて、蒸気のシールを行なっていた。

また、一般的な設計の概念として、このフランジ部を大
きくすることが蒸気洩れの防止に対しては有効であろう
という考え方があった。

確かにフランジ部を大きくすれば、剛性が高くなって曲
げに対しては強くなりフランジの変形は抑えられるが、
蒸気洩れの防止という点では面圧の向上につながらない
ので効果がそれ程期待できない。

フランジ面が平滑な従来形のフランジでは最大面圧はフ
ランジ内端７に発生するので蒸気シールの点からすれば
望ましいが、ただし、フランジ面の面積が大きくなるの
で全体的に面圧が分布することになり、最大面圧のレベ
ルもそれだけ低下しボルトの締付力が、蒸気のシールの
点でそれ程有効に利用できないという欠点がある。

ボルトの締付力にもその高温域の材料強度の点から限界
があり、従来のボルト材（Ｃｒ −Ｍ ｏ−Ｖ鋼）では
約２０〜３０ｋｇ／ｍＡの範囲が規定されている。

仮にボルトを３０均／−で締付けても、ボルトのりラク
セーションのために締付力は時間の経過と共に徐々に減
少する。

この減少速度はボルトの締付力が大きい程犬さくなる。

従って、蒸気シールを長期に渡って確保するためにはボ
ルト締付力が小さくても、蒸気シールに効果的な面圧を
発生するフランジを使用する必要がある。

発明の目的は、上記した従来技術の欠点をなくし、フラ
ンジ面からの蒸気シールを効果的に行ない、しかも、フ
ランジ部の大幅な重量低減が可能なフランジ構造を提供
することにある。

本発明の特徴とするところは、上フランジ面に溝を切っ
た溝付きフランジを使用し、特に、この溝部の形状を溝
内端部ではボルト穴１１の位置に関係して波形に切られ
ており、一方、溝外端ではストレートな溝形状にしてい
ることである。

このような溝付きフランジを使用する理由は、ボルトの
締付力が蒸気シールに対して有効な面圧を発生させ、従
来よりも少ない締付力ですむ。

従ってボルトの径の小さいものでもよくなり、フランジ
部も全体的に小さくできるので重量低減が相当期待でき
る。

また、波形溝にすることによって溝内端での面圧をフラ
ンジ長手方向に対して均一に分布させることができる。

次に本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

第１図に高圧タービンケーシングの斜視図および断面図
を示す。

タービンケーシングは上ケーシング１と下ケーシング２
からなり、それぞれ上フランジ３と下フランジ４を有す
る。

これらの上下フランジはそれぞれのフランジ部に有する
ボルト穴１１にスタットボルト１０を通しナツトを締め
て締結される。

上フランジ面６にはボルト穴１１をはさんで溝部５が設
けられている。

一方、下ケーシングフランジ面６は従来フランジと同様
で溝部のない平滑な面になっている。

ところで、この溝部の形状は溝内端８ではボルト穴１１
の位置と密接な関係を有し波形となっている。

一方、溝外端９ではストレートな溝としである。

第２図にはこのような溝形状を上ケーシングフランジ面
６の全面に施した状況を示した。

なお、このような溝は第２図のように必らず連続的に切
るとは限らず特に、高圧部などに部分的に実施すること
も可能である。

今、第２図のフランジ面Ａ部を拡大して示したのが第３
図である。

第３図でＡ−Ａ’、Ｂ−Ｂ′はボルト中間線、ｃ−ｃ’
はボルト中心線である。

溝付きフランジでは溝によって切りとられた部分に作用
していた面圧が残りのフランジ面に分布することになる
ので、面圧は高くなるが特に溝内端８と溝外端９での面
圧が非常に高くなるのが特徴である。

溝付きフランジでは蒸気のシールをフランジ内端７と溝
内端８間の面圧でもたせるので、この間の面圧を高める
ようにすることが必要で、一般にはボルト穴１１の位置
と溝幅が面圧に大きく貢献する。

ボルト穴はできるたけフランジ内端８に近いところに設
置するのがよく、溝幅もボルト穴をはさみボルト穴径よ
りも大きくとるのが面圧上昇に効果がある。

ただし、材料の強度等の制限から７，８間は最低４０ｍ
ｍ以上確保する必要がある。

溝内端８を波形にするのが本発明の特徴の第１点である
が、これは溝内端８での面圧分布を均一にすることがで
き、蒸気のシールをより効果的に行なうことができる。

第４図に、第３図のＡ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’部分（共に、隣
り合うボルト穴１１の中間線）の面圧分布について溝内
端８を直線に切った場合（２点鎖線で表示）と本発明に
よる波形に切った場合（実線で表示）の比較を示したも
のである。

まず溝内端８を直線に切った場合についてみると、その
面圧分布の特徴はボルト中心線上Ｃ〜αめ中心溝点１４
で面圧が最低となり、逆にボルト中間線上Ａ−Ａ’、Ｂ
−Ｂ’の中間溝点１５．１５で面圧が最大となる分布を
とる。

このような分布となる理由は隣り合うボルトの締付力に
よる相互作用がＡ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’綾線上最大となって
ｃ−ｃ’縁線上最低となるためである。

このように最大面圧の発生する溝内端部で面圧に分布が
でることは、タービンのように高温、高圧状態で長時間
使用されるものにとってはフランジ部の変形や、へたり
につながり蒸気の洩れの原因になる。

さらに、ボルトのりラクゼーションによりボルト締付力
が低下した場合には、中間溝点から蒸気が洩れることに
なる。

従って、蒸気のシールの点では溝内端部で均一な面圧分
布とすることが望まれる。

一方、本発明による波形溝を設けた場合には、溝内端８
での面圧分布を均一にすることが可能となる。

波形溝の溝形状は次のようにするのが望ましい。

すなわち、中間溝点１４での面圧を高めてやることが必
要であり、面圧はフランジ面の面積が小さい程高まるの
で、中心溝点１４付近のフランジ面を第４図に示すよう
にある曲率をもってカットし、フランジ長手方向にＸ軸
、それと直角方向にＹ軸をとったときに中心溝点て曲線
の傾き庄サラＳＸ 零となるようにし、また、ボルト中心線Ｃ−Ｃ’に対し
て波形の曲線は対称になるようにしている。

次に、本発明の第２点として、波形または直線溝付きフ
ランジの設置位置の最適化に対して数値限定を行なって
いる。

溝内端部の面圧に大きく影響するのはボルト穴位置と溝
幅である。

今、溝はボルト穴をはさんで対称に取付けるのを基本と
し、対象とするタービンは定格主蒸気圧力が１７０ｋｇ
／歴前後の亜臨界圧タービンである。

第５図に、ボルト穴中心位置による面圧への影響につい
て示したが、タービンの最大内圧範囲内では溝内端での
面圧はフランジ幅りに対するボルト中心位置ｂ（第４図
参照）の比ｂ／Ｌを０．４以下にとるのがよい。

−刃溝幅による面圧を第６図に示しである。

第６図においては面圧σ、内圧σボルト荷重Ｆｅ１内圧
荷重Ｆｏで表わしている。

これから一般に考えられるように溝幅を大きくとる方が
面圧は高くなる。

次に、これらの結果をもとに溝内端で効果的な面圧が発
生できる溝位置関係について第７図に示した。

第７図でボルト穴位置範囲をα、溝幅範囲をβで示す。

図中の３角形で示した部分が効果的な面圧が発生できる
位置で、設計者は設計仕様に応じて寸法割合いを選ぶこ
とができる。

以上、図に泪って詳細に説明したように、本発明による
波形フランジ構造を採用すると、溝内端部での面圧分布
を均一にすることができるので、フランジ面からの蒸気
洩れ防止の点で効果が発揮できる。

面圧分布を均一にできるので、ボルト締付力が有効に利
用できる。

従って、従来以下のボ↓ ルト締付力でもよいので、ボルト径の小さなものが使用
できる。

また、波形溝付きフランジを使用すると大幅なフランジ
部の重量低減が期待できる。

次に、溝付きフランジの設置場所について効果的な面圧
が発生できる位置関係を指定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は高圧タービンケーシングフランジ部に溝付きフ
ランジを使用したものを示す斜視断面図、第２図は本発
明の一実施例である波形溝を備えた上ケーシングフラン
ジの上面図、第３図は第２図のＡ部を拡大して示した部
分拡大図、第４図は第３図のＡ〜Ａ′、Ｂ−Ｂ’間の波
形溝と直線溝との面圧分布を比較した説明図、第５図は
ボルト穴位置による面圧の違いを示した説明図、第６図
は溝幅による面圧の違いを示した説明図、第７図は効果
的な面圧を発生させるボルト穴位置と溝幅の関係を示し
た説明図である。 １・・・・・・上ケーシング、２・・・・・・下ケーシ
ング、３・・・・・・上フランジ、５・・・・・・溝部
、６・・・・・・フランジ面、７・・・・・・フランジ
内端、８・・・・・・溝内端、９・・・・・・溝外端、
１０・・・・・・フランジ外端、１１・・・・・・ボル
ト穴、１２・・・・・・スタットボルト、１４・・・・
・・中心溝点、１５・・・・・・中間溝点。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 上ケーシング及び下ケーシングからなる高圧タービ
   ンフランジの上ケーシングフランジ面に溝を設け、更に
   上ケーシング内面側に位置する前記溝の端面を波形に形
   成したことを特徴とする高圧タービンフランジ構造。 ２ 両ケーシングを締付固着するボルト穴部分に近接し
   た前記溝の端面をケーシング内面側に湾曲させると共に
   、前記ボルト穴間に位置する溝の端面をケーシング外面
   側に湾曲させたことを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の高圧タービンフランジ構造。