図面 (/)

技術 ガスタービンの軸流圧縮機と高圧側ロータディスク装置との間を接続するための改良フランジ

出願人 ヌオーヴォピニォーネホールディングソシエタペルアチオニ
発明者 マッシモ・ピンヅァウティカルロ・バッチオッティニ
出願日 2002年9月18日 (18年2ヶ月経過) 出願番号 2002-271238
公開日 2003年6月27日 (17年5ヶ月経過) 公開番号 2003-176701
状態 特許登録済
技術分野 タービンロータ・ノズル・シール タービンロータ・ノズル・シール
主要キーワード 幾何学的変数 機械的抵抗力 最高温度値 幾何学的形 結合区域 通常サイクル 最大応力値 機械軸線
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2003年6月27日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (4)

課題

ガスタービン10の軸流圧縮機高圧側ロータディスク装置14との間を接続するためのフランジ20。

解決手段

該フランジ20は、截頭円錐形の形状をした本体22を有し、該本体22は、円筒形の形状を有するハブ24によって、軸流圧縮機のシャフト12に結合され、また、本体22の截頭円錐の大きい方の基部において、ハブの円形リング形状延長部26によってロータディスク装置14に接続されており、ロータディスク装置14に面する延長部26の表面29に設けられた円周方向の凹み28が、ロータディスク装置14に設けられかつ凹みに対して相補形である突起と締まり嵌めで接続される。本体22は、軸線Xに直角な方向に対して、25°から35°の間の角度α1だけ傾斜している外側母線と、12°から18°の間の角度α2だけ傾斜している内側母線とを含む。

概要

背景

公知のように、ガスタービンは、軸流圧縮機及び1つ又はそれ以上の段を備えるタービンから成る機械であり、これらの構成部品回転シャフトにより互いに接続されて、燃焼チャンバ圧縮機とタービンの間に設けられる。

高温及び高圧を有する燃焼チャンバからのガス出力は、対応する管を通してタービンの異なる段に到達し、該タービンの異なる段が、ガスエンタルピーをユーザが利用できる機械的エネルギーに変換する。

2段を備えるタービンにおいては、ガスは、極めて高い温度及び圧力状態でタービンの第1の段で処理されて、第1の膨張を行う。

次に、タービンの第2の段において前の段で用いられたものより低い温度及び圧力状態で第2の膨張を行う。

また、特定のガスタービンから最大性能を得るためには、できるだけ高いガス温度が必要であるということも知られている。

しかしながら、タービンが使用されている際に得ることが可能な最高温度値は、現在用いられている材料の耐性により制限される。

また、ガスタービンにおいては、タービンの軸流圧縮機と高圧側ロータディスク装置との間を接続するためのフランジが存在するということも知られている。

具体的には、現在この接続フランジは、接続がニッケルベース合金で作られた高圧側ロータディスクとの間でなされる場合でも、通常は高温用合金鋼で作られる。

このように高温用の合金鋼で作られる理由は、フランジがタービンの軸流圧縮機のシャフトと一体に製作されるのが好都合であるということによる。

従って、現在の技術において特に重要な課題は、機械の全ての作動条件において、軸流圧縮機シャフトと高圧側ロータディスク装置との間の最適な接続を保証するという課題である。

要するに、接続フランジが損傷も他の同様な問題をも生じることなく、受ける応力に十分にかつ確実に耐えなければならないという事実を考慮に入れると、タービンの軸流圧縮機シャフトと高圧側ロータディスク装置との間の接続方法は、あらゆるタービンの設計において重要な側面を持つということに注目されたい。

事実、先ずこの接続フランジは、機械の通常サイクルの間に該接続フランジが接続されるタービンの高圧側ロータディスク装置と正確な締まり嵌めを維持することが可能になるように、十分な弾性を有する必要がある機械的連結要素であるということ、その上同時に、フランジは、仕様書に示される有効寿命に対する機械の安定性を保証するために、機械的抵抗力がなければならないということが知られている。

更に、今日では、ガスタービンは、ますます高い性能レベルを備えるようになる傾向がある。

このことは、回転速度及び圧縮比だけでなく燃焼温度も増大させなければならないということを必要とする。

その結果、タービンの段において膨張するガスの温度も上昇することになる。

従って、このことは、ガスタービン内の軸流圧縮機と高圧側ロータディスク装置との間を接続するためのフランジに掛かる応力の増大を生じさせるので、フランジは、適当な、かつ特にクリープ又は粘性クリープ現象に関連する要件に合う有効寿命を保証するのにますます大きな困難性を伴う、特に重要な構成部品になってくる。

現在、これらの接続フランジは、それらに接続されるロータディスク装置と常に良く適合することを保証するように、極めて小さい厚さをもつ截頭(切頭)円錐形の形状に製作される。

しかしながら、回転速度及び温度が高くなると、現在の接続フランジは、特に応力が集中する一部の領域において、より具体的には、中心軸線近接する領域及び接続フランジの円錐部分外側リングとの間の結合区域の領域において、特に困難な作動条件に曝される。

概要

ガスタービン10の軸流圧縮機と高圧側ロータディスク装置14との間を接続するためのフランジ20。

該フランジ20は、截頭円錐形の形状をした本体22を有し、該本体22は、円筒形の形状を有するハブ24によって、軸流圧縮機のシャフト12に結合され、また、本体22の截頭円錐の大きい方の基部において、ハブの円形リング形状延長部26によってロータディスク装置14に接続されており、ロータディスク装置14に面する延長部26の表面29に設けられた円周方向の凹み28が、ロータディスク装置14に設けられかつ凹みに対して相補形である突起と締まり嵌めで接続される。本体22は、軸線Xに直角な方向に対して、25°から35°の間の角度α1だけ傾斜している外側母線と、12°から18°の間の角度α2だけ傾斜している内側母線とを含む。

目的

従って、本発明の目的は、前述の不利な点を解消し、特に応力集中を減少させることを可能にする、ガスタービンの軸流圧縮機と高圧側ロータディスク装置との間を接続するための改良フランジを提供することであり、従ってそれによって、機械の回転速度及び圧縮比を増大させるか、流体の温度を上昇させるか、又はこの2つの点の適当な組合せを決めることが可能になる。

本発明の別の目的は、必要に応じてフランジを容易に取り付けたり取り外したりすることが可能になる、ガスタービンの軸流圧縮機と高圧側ロータディスク装置との間を接続するための改良フランジを提供することである。

本発明の更に別の目的はまた、高い信頼性がある、ガスタービンの軸流圧縮機と高圧側ロータディスク装置との間を接続するための改良フランジを提供することである。

本発明の別の目的は、特に簡単でかつ機能的であり、しかも比較的低コストであり、また従来の加工作業によって製作することができる、ガスタービンの軸流圧縮機と高圧側ロータディスク装置との間を接続するための改良フランジを提供することである。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

この技術が所属する分野

ライセンス契約や譲渡などの可能性がある特許掲載中! 開放特許随時追加・更新中 詳しくはこちら

請求項1

截頭円錐形の形状をした本体(22)を有し、該本体(22)が、第1に、円筒形の形状を有するハブ(24)によって、軸流圧縮機機械軸線(X)の周りを回転するシャフト(12)に接続され、第2に、該本体(22)の截頭円錐の大きい方の基部において、ロータディスク装置(14)に面する延長部(26)の表面(29)に設けられた円周方向の凹み(28)が、前記ロータディスク装置(14)に設けられかつ前記凹みに対して相補形である突起と締まり嵌めで接続されるようにハブの円形リング形状の延長部(26)によって、前記ロータディスク装置(14)に接続されている形式の、ガスタービン(10)の軸流圧縮機と高圧側ロータディスク装置(14)との間を接続するための改良フランジ(20)であって、前記截頭円錐形の本体(22)は、前記機械軸線(X)に直角な方向に対して、極値を含む25°から35°の間の角度α1だけ傾斜している外側母線を有し、また、内側母線が、前記機械軸線(X)に直角な方向に対して、極値を含む12°から18°の間の角度α2だけ傾斜していることを特徴とする改良フランジ(20)。

請求項2

前記延長部(26)は、前記機械軸線(X)に直角な方向に外部に向かって半径方向に延びて直径D5で終り、また直径D4において前記軸線(X)に直角な該延長部の表面(29)に前記円周方向の凹み(28)を有しており、D4とD5の間の比率は、極値を含む0.7から0.85の間にあることを特徴とする、請求項1に記載の改良接続フランジ(20)。

請求項3

前記延長部(26)は、それぞれ半径R2とR1の円弧によって前記截頭円錐形の本体(22)の2つの内側及び外側母線に接続されており、該外側母線との接続部は前記機械軸線(X)に対する直径D1に近接する領域内に形成され、R2とR1の間の比率は、極値を含む0.8から1の間にあり、かつD4とD1の間の比率は、極値を含む0.95から1.05の間にあることを特徴とする、請求項2に記載の改良接続フランジ(20)。

請求項4

前記ハブ(26)は、半径R3の円弧によって前記截頭円錐形の本体(22)の外側母線に接続されており、該外側母線との接続部は前記機械軸線(X)に対する直径D1に近接する領域内に形成され、R2とR3の間の比率は、極値を含む3.5から4.5の間にあり、かつD4とD3の間の比率は、極値を含む1.55から1.7の間にあることを特徴とする、請求項3に記載の改良接続フランジ(20)。

請求項5

前記延長部(26)の開始点において、前記本体(22)は該本体(22)自体の截頭円錐の外側母線により定まる方向に対して直角に測定した厚さS1を有しており、また前記延長部(26)の末端において前記フランジ(20)は前記機械軸線(X)の方向に測定した厚さS2を有しており、S1とD4の間の比率は、極値を含む0.13から0.18の間にあり、かつS2とD4の間の比率は、極値を含む1.3から1.7の間にあることを特徴とする、請求項2又は請求項4に記載の改良接続フランジ(20)。

請求項6

前記本体(22)の截頭円錐の内側母線は、前記機械軸線(X)に対して極値を含む26°から34°の間の角度α3を形成する方向(Y)でハブ(24)に結合されていることを特徴とする、請求項1又は請求項5に記載の改良接続フランジ(20)。

請求項7

前記ハブ(24)は、内径D2の円筒形の形状を有しており、D4とD2の間の比率は、極値を含む5.2から6.5の間にあることを特徴とする、請求項2に記載の改良接続フランジ(20)。

請求項8

前記延長部(26)は、該延長部(26)の表面(29)と前記軸流圧縮機に面する表面(31)との間で前記機械軸線(X)に平行な方向に設けられ、前記フランジ(20)と前記ロータディスク装置(14)との間を更に固定するための要素を受け入れるように設計された一連の円周上の貫通孔(30)を有することを特徴とする、請求項1に記載の改良接続フランジ(20)。

請求項9

前記フランジ(20)と前記ロータディスク装置(14)との間を更に固定するための前記要素は、タイロッドを含むことを特徴とする、請求項8に記載の改良接続フランジ(20)。

請求項10

実質的に説明し図示したような又特定した目的のための、ガスタービンの軸流圧縮機と高圧側ロータディスク装置との間を接続するための改良フランジ。

技術分野

0001

本発明は、ガスタービン軸流圧縮機高圧側ロータディスク装置との間を接続するための改良フランジに関する。

背景技術

0002

公知のように、ガスタービンは、軸流圧縮機及び1つ又はそれ以上の段を備えるタービンから成る機械であり、これらの構成部品回転シャフトにより互いに接続されて、燃焼チャンバ圧縮機とタービンの間に設けられる。

0003

高温及び高圧を有する燃焼チャンバからのガス出力は、対応する管を通してタービンの異なる段に到達し、該タービンの異なる段が、ガスエンタルピーをユーザが利用できる機械的エネルギーに変換する。

0004

2段を備えるタービンにおいては、ガスは、極めて高い温度及び圧力状態でタービンの第1の段で処理されて、第1の膨張を行う。

0005

次に、タービンの第2の段において前の段で用いられたものより低い温度及び圧力状態で第2の膨張を行う。

0006

また、特定のガスタービンから最大性能を得るためには、できるだけ高いガス温度が必要であるということも知られている。

0007

しかしながら、タービンが使用されている際に得ることが可能な最高温度値は、現在用いられている材料の耐性により制限される。

0008

また、ガスタービンにおいては、タービンの軸流圧縮機と高圧側ロータディスク装置との間を接続するためのフランジが存在するということも知られている。

0009

具体的には、現在この接続フランジは、接続がニッケルベース合金で作られた高圧側ロータディスクとの間でなされる場合でも、通常は高温用合金鋼で作られる。

0010

このように高温用の合金鋼で作られる理由は、フランジがタービンの軸流圧縮機のシャフトと一体に製作されるのが好都合であるということによる。

0011

従って、現在の技術において特に重要な課題は、機械の全ての作動条件において、軸流圧縮機シャフトと高圧側ロータディスク装置との間の最適な接続を保証するという課題である。

0012

要するに、接続フランジが損傷も他の同様な問題をも生じることなく、受ける応力に十分にかつ確実に耐えなければならないという事実を考慮に入れると、タービンの軸流圧縮機シャフトと高圧側ロータディスク装置との間の接続方法は、あらゆるタービンの設計において重要な側面を持つということに注目されたい。

0013

事実、先ずこの接続フランジは、機械の通常サイクルの間に該接続フランジが接続されるタービンの高圧側ロータディスク装置と正確な締まり嵌めを維持することが可能になるように、十分な弾性を有する必要がある機械的連結要素であるということ、その上同時に、フランジは、仕様書に示される有効寿命に対する機械の安定性を保証するために、機械的抵抗力がなければならないということが知られている。

0014

更に、今日では、ガスタービンは、ますます高い性能レベルを備えるようになる傾向がある。

0015

このことは、回転速度及び圧縮比だけでなく燃焼温度も増大させなければならないということを必要とする。

0016

その結果、タービンの段において膨張するガスの温度も上昇することになる。

0017

従って、このことは、ガスタービン内の軸流圧縮機と高圧側ロータディスク装置との間を接続するためのフランジに掛かる応力の増大を生じさせるので、フランジは、適当な、かつ特にクリープ又は粘性クリープ現象に関連する要件に合う有効寿命を保証するのにますます大きな困難性を伴う、特に重要な構成部品になってくる。

0018

現在、これらの接続フランジは、それらに接続されるロータディスク装置と常に良く適合することを保証するように、極めて小さい厚さをもつ截頭(切頭)円錐形の形状に製作される。

0019

しかしながら、回転速度及び温度が高くなると、現在の接続フランジは、特に応力が集中する一部の領域において、より具体的には、中心軸線近接する領域及び接続フランジの円錐部分外側リングとの間の結合区域の領域において、特に困難な作動条件に曝される。

発明が解決しようとする課題

0020

従って、本発明の目的は、前述の不利な点を解消し、特に応力集中を減少させることを可能にする、ガスタービンの軸流圧縮機と高圧側ロータディスク装置との間を接続するための改良フランジを提供することであり、従ってそれによって、機械の回転速度及び圧縮比を増大させるか、流体の温度を上昇させるか、又はこの2つの点の適当な組合せを決めることが可能になる。

0021

本発明の別の目的は、必要に応じてフランジを容易に取り付けたり取り外したりすることが可能になる、ガスタービンの軸流圧縮機と高圧側ロータディスク装置との間を接続するための改良フランジを提供することである。

0022

本発明の更に別の目的はまた、高い信頼性がある、ガスタービンの軸流圧縮機と高圧側ロータディスク装置との間を接続するための改良フランジを提供することである。

0023

本発明の別の目的は、現在用いられている接続フランジで達成できる有効寿命よりも更に長い有効寿命を得ることである。

0024

本発明の別の目的は、特に簡単でかつ機能的であり、しかも比較的低コストであり、また従来の加工作業によって製作することができる、ガスタービンの軸流圧縮機と高圧側ロータディスク装置との間を接続するための改良フランジを提供することである。

課題を解決するための手段

0025

本発明によるこれらの目的及び他の事項は、独立請求項1に記載したような、ガスタービンの軸流圧縮機と高圧側ロータディスク装置との間を接続するための改良フランジを製作することにより達成される。

0026

ガスタービンの軸流圧縮機と高圧側ロータディスク装置との間を接続するための改良フランジの別の特徴は、後続従属請求項に示される。

0027

本発明によると、力が集中する領域における最大応力値を低下させることで、フランジの有効寿命を著しく増大させるように定めることも可能になった。

0028

その上、本発明による接続フランジは、公知技術によるフランジと同様に、依然として合金鋼で作ることができるので、ガスタービンの軸流圧縮機のシャフトと一体に製作することもできる。

0029

ガスタービンの軸流圧縮機と高圧側ロータディスク装置との間を接続するための、本発明による改良フランジの特徴と利点は、添付の一組の概略図を参照して非限定的実施例によりなされる以下の記述からより明確になり、一層明らかになるであろう。

発明を実施するための最良の形態

0030

図1は、全体を符号10で表すガスタービンを示し、該ガスタービン中では、機械軸線Xの周りを回転する軸流圧縮機の回転シャフト12が、公知技術によって製作された接続フランジ20により高圧側ロータディスク装置14に接続されている。

0031

図2は、截頭(切頭)円錐形の形状をした本体22を有するフランジ20を示す。

0032

本体22の截頭円錐は、その小さい方の基部において、円筒形のハブ24により軸流圧縮機のシャフト12に接合される。

0033

この接合は、固定要素により又はフランジ20を軸流圧縮機のシャフト12と一体に製作することにより行われる。

0034

本体22の截頭円錐は、その大きい方の基部において、軸線Xに直角な方向に外部に向かって半径方向に延びる円形リングの形状をした本体22の延長部26により高圧側ロータディスク装置14に接合される。

0035

この接合は、ロータディスク装置14に面する延長部26の表面29に設けられた円周方向の凹み28により行われる。この凹み28は、ロータディスク14に設けられた該凹みに対して相補形突起と締まり嵌めで接続される。

0036

この接合は、機械の軸線Xに平行な方向に、表面29と軸流圧縮機に面する延長部26の表面31との間で延長部26に沿って設けられた貫通孔30を用いてタイロッドにより完成される。

0037

図3は、本発明に従って製作された接続フランジ20を示す。ここでフランジ20の輪郭特徴づける幾何学的変数の詳細を示すことにする。

0038

ハブ24は、内径D2を備える円筒形の形状を有する。

0039

截頭(切頭)円錐形の本体22は、軸線Xに直角な方向に対して角度α1だけ傾斜したその外側母線を有しているが、一方、内側母線は、軸線Xに直角な方向に対して具体的には角度α2の異なる傾斜を有する。

0040

延長部26は、直径D5で終り、また直径D4において軸線Xに対して直角な表面29上に円周方向の凹み28を有する。

0041

外側母線は、直径D3に近接する領域において、半径R3を有する円弧によりハブ24に接続される。

0042

一方、この外側母線は、直径D1に近接する領域において、半径R1を有する円弧により軸線Xに対して直角な延長部26の表面31に接続される。

0043

内側母線は、軸線Xに対する角度α3で方向Yに傾斜された斜面によりハブ24に結合される。

0044

一方、この内側母線は、半径R2を有する円弧により軸線Xに対して直角な延長部26の表面29に接続される。

0045

延長部26の開始点において、本体22はまた、該本体22自体の截頭円錐の外側母線により定まる方向に対して直角に測定した厚さS1を有する。

0046

最後に、その終端において、延長部26は、軸線Xの方向に測定した厚さS2を有する。

0047

本発明による接続フランジ20に関する応力の分析により、ハブ24に近接する領域及び本体22と延長部26との間の結合区域の領域である、フランジ20の本体22の最も臨界的な領域における応力集中を低下させることを可能にした適当な幾何学的形状寸法を示すことができるようになった。

0048

本発明によると、接続フランジ20の最適な形状寸法は、前述の特徴的な幾何学的変数の一部の間の一連の特定比率により得られる。

0049

直径D1、D2、D3、D4、及びD5と、厚さS1及びS2と、角度α1、α2及びα3と共に半径R1、R2及びR3の間の比率が、基本的であると考えなければならない。

0050

事実、これらの比率が、本発明によるハブ24から延長部26までの接続フランジの改良した幾何学的形状寸法を決定する。

0051

従って、本発明によると、下記の比率が存在する場合に、接続フランジ20は最適化されていると判断された。

0052

R2とR1の間の比率は、極値を含む0.8から1の間にある。R2とR3の間の比率は、極値を含む3.5から4.5の間にある。D4とD5の間の比率は、極値を含む0.7から0.85の間にある。D4とD3の間の比率は、極値を含む1.55から1.7の間にある。D4とD2の間の比率は、極値を含む5.2から6.5の間にある。D4とD1の間の比率は、極値を含む0.95から1.05の間にある。S1とD4の間の比率は、極値を含む0.13から0.18の間にある。S2とD4の間の比率は、極値を含む1.3から1.7の間にある。

0053

以上から分かるのように、終りの6つの比率は直径D4を基準としてなされている。

0054

同時に、角度については、以下の比率が存在しなければならない。角度α1は、極値を含む25°から35°の間にある。角度α2は、極値を含む12°から18°の間にある。角度α3は、極値を含む26°から34°の間にある。

0055

要約すると、本発明による改良接続フランジの基本となる特徴は、截頭円錐形の本体の2つの母線の角度と、接続部の円弧の半径の間の前記組合せとである。

0056

以上の説明により、本発明の主題であるガスタービンの軸流圧縮機と高圧側ロータディスク装置との間を接続するための改良フランジの特徴と共にその対応する利点を明らかにしたが、それら利点には以下のことが含まれることに注目されたい。すなわち、
−力が集中する領域における応力の最大値が低下したので、接続フランジの有効寿命が著しく増大すること、
−機械の回転速度及び圧縮比の増大、流体の温度の上昇、又はそれら2つの点の適当な組合せの決定を行えること、
メンテナンス作業における取り付け及び分解が容易なこと、
−高いレベルの信頼性があること、及び、
−本発明による接続フランジを得るために、現在実施されている加工とは異なる加工は全く必要とされないので、具体的には、公知技術によるフランジの場合に既にそうであるように、フランジは依然として合金鋼で作ることができ、ガスタービンの軸流圧縮機シャフトと一体に製作することも可能であるので、公知技術と比較して低コストであること、が含まれる。

0057

終りに当たって、その全てが本発明の技術的範囲に含まれることになる多くの修正及び変更が、ガスタービンの軸流圧縮機と高圧側ロータディスク装置との間の接続のための、このように設計された改良フランジに対してなされ得るということは明らかである。

0058

更に、本発明による接続フランジの全ての細部は、技術的に均等の要素と置き換えることができる。

0059

実施においては、何れもの材料、形態、及び寸法が、技術上の要求に従って使用されることができる。

0060

従って、本発明の保護の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定められる。

0061

特許請求の範囲において記載する参照番号は、本発明の範囲を限定するためではなく、理解を容易にすることを意図するものである。

図面の簡単な説明

0062

図1ガスタービンの軸流圧縮機と高圧側ロータディスク装置との間を接続するための公知技術によるフランジを見ることができる、ガスタービンの断面図。
図2公知技術による接続フランジを示す、図1の細部の拡大断面図。
図3本発明の説明に従って製作された接続フランジを示す断面図。

--

0063

10ガスタービン
12シャフト
14高圧側ロータディスク装置
20 改良フランジ
X 機械軸線

ページトップへ

この技術を出願した法人

この技術を発明した人物

ページトップへ

関連する挑戦したい社会課題

該当するデータがありません

関連する公募課題

該当するデータがありません

ページトップへ

技術視点だけで見ていませんか?

この技術の活用可能性がある分野

分野別動向を把握したい方- 事業化視点で見る -

ページトップへ

おススメ サービス

おススメ astavisionコンテンツ

新着 最近 公開された関連が強い技術

この 技術と関連性が強い人物

関連性が強い人物一覧

この 技術と関連する社会課題

該当するデータがありません

この 技術と関連する公募課題

該当するデータがありません

astavision 新着記事

サイト情報について

本サービスは、国が公開している情報(公開特許公報、特許整理標準化データ等)を元に構成されています。出典元のデータには一部間違いやノイズがあり、情報の正確さについては保証致しかねます。また一時的に、各データの収録範囲や更新周期によって、一部の情報が正しく表示されないことがございます。当サイトの情報を元にした諸問題、不利益等について当方は何ら責任を負いかねることを予めご承知おきのほど宜しくお願い申し上げます。

主たる情報の出典

特許情報…特許整理標準化データ(XML編)、公開特許公報、特許公報、審決公報、Patent Map Guidance System データ