JP2005061273A

JP2005061273A - ガスタービンのケーシング

Info

Publication number: JP2005061273A
Application number: JP2003290195A
Authority: JP
Inventors: Nobutaka Nagato; 信孝永戸
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2003-08-08
Filing date: 2003-08-08
Publication date: 2005-03-10

Abstract

【課題】ボルトへの曲げ荷重をなくしてボルトの必要本数を少なくするとともに、ボルトのサイズを小さくする。また、フランジの付け根やフィレットＲ部への応力を低減してフランジの付け根に肉厚部をなくすとともに、フィレットＲ部を小さくする。
【解決手段】内部にガスタービンの回転体を収容し、回転軸の軸芯を含む平面によって２分割された略円筒状のガスタービンのケーシング１であって、各ケーシング１ｃは分割面を挟んで当接するとともに、外方と内方に突出し、軸方向に並んで多数のボルト孔３を穿設したフランジ２、２ａを有し、対向するフランジ２、２ａ同志を各ボルト孔３を貫通するボルト４・ナット４ａによって締結したものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、内部にガスタービンの回転体を収容し、回転軸の軸芯を含む平面によって２分割された略円筒状のガスタービンのケーシングに関するものである。

ガスタービンのケーシングは、たとえば、非特許文献１に示されるような構造となっている。航空機に搭載する機器類は、高強度と軽量化が求められているが、ガスタービンも高性能と軽量化が求められている。図３は非特許文献１に示されたガスタービン（ターボ・ファン・エンジン）の断面図である。図３において、１１はターボ・ファン・エンジン、１２はエンジンコア、１３は回転体である。１は内部に回転体１３を収容する略円筒状のケーシングである。ケーシング１は、図３に示すように、截頭円錐状の部分を含んでいるが全体的には略円筒状をしている。

社団法人日本航空整備協会発行「ジェット・エンジン（構造偏）」（第１７頁）昭和４８年１０月１日第１版発行

図４（Ａ）はガスタービンのケーシングを模式化した斜視図であり、図４（Ｂ）は図４（Ａ）のａ部の拡大図である。図４において、１は円筒状のケーシング本体である。ケーシング本体１は、２分割されて２つのケーシング１ａ、１ａで構成されている。２はケーシング１ａの分割部に設けた外方に突出したフランジである。フランジ２には多数のボルト孔３を有している。ケーシング本体１は、各ケーシング１ａの対向する各フランジ２を当接し、ボルト孔３にボルト４を貫通し、ボルト４にナット４ａを螺合して締結している。１ｂはケーシング１ａのフランジ２の付け根の肉厚部である。この肉厚部１ｂは、ケーシング１ａのフランジ２の付け根の強度を高めるために設けられている。１Ｒはケーシング１ａの肉厚部１ｂに形成したフィレットＲ部、２Ｒはフランジ２の付け根に形成したフィレットＲ部である。

図５（Ａ）はフランジを有しない円筒に内圧をかけた状態を示しており、円筒は単純な膜応力で内圧を受けている。図５（Ｂ）は図５（Ａ）のａ部の拡大図である。図５に示すように、円筒内に内圧Ｐが働くと、円筒全体が内圧力に対抗するために円周方向の張力（膜応力）が発生し、円筒は単純に外方に膨張する。矢印１５は膜応力を示している。

図６はケーシング１本体に内圧をかけ張力が発生した場合のフランジ部の変形を示す図である。ケーシング本体１は、全体として外側に膨らむが、フランジ２部においては外側への変形が少なくて相対的に内側への変形となる。図６に示すように、内側への相対変形に伴ないフランジ面の内側が開いて隙間１６が発生し、ボルト４やフランジ２の付け根に設けたフィレットＲ部（２Ｒ）に高い応力を発生する。矢印１７はボルト４の曲げ応力である。

図７はガスタービンのケーシング１のフランジ部の変形のメカニズムを示す説明図である。円筒（ケーシング本体１）が内圧を受けると張力が発生し、ケーシング本体１の２点鎖線で示す剛性の中心線２１は、真円になろうとして各ケーシング１ａの円筒部分では矢印２０で示すように、外側に変形しようとし、各ケーシング１ａの外側にあるフランジ２部分では矢印１９で示すように、相対的に内側に変形しようとする。その結果、図６に示す現象が現れるのである。

このように、上記ケーシングでは、ケーシングの内側に圧力が働くと、差圧によってケーシングの剛性の中心が真円になろうとする変形が起り、フランジの内側が開口してボルトに曲げ荷重が働くとともに、フランジの付け根やフィレットＲ部に高応力が発生する。航空用機器は元来、高強度と軽量化が求められているが、航空機に搭載するガスタービンもその１つであり、その強度を高めるための対策として、たとえば、ガスタービンのケーシングのフランジの付け根に肉厚部を設けたり、ボルトに発生する曲げ荷重の対策としてボルトの本数を増やしたり、ボルトのサイズを大きくしたりしているが、これらは重量の増大化につながるという問題がある。なお、特許文献１にはフランジ部のシール性の向上を図る技術が開示されている。しかしこの技術では、フランジ部分の内側が開くのを防ぐことができる反面、フランジの付け根部分やボルトに働く曲げ応力はかえって増加する。

特開平７−１５１２３１

本発明は、従来技術のかかる問題点に鑑み案出されたもので、フランジの付け根部分が開くのを防ぐとともに、ボルトへの曲げ荷重を少なくしてボルトの必要本数を少なくするとともに、ボルトのサイズを小さくする。また、フランジの付け根やフィレットＲ部への応力を低減してフランジの付け根に肉厚部をなくすとともに、フィレットＲ部を小さくして高強度と軽量化を図ることのできるガスタービンのケーシングを提供することを目的とする。

本願請求項１記載発明のガスタービンのケーシングは、内部にガスタービンの回転体を収容し、回転軸の軸芯を含む平面によって２分割された略円筒状のガスタービンのケーシングであって、各ケーシングは分割面を挟んで当接するとともに、外方と内方に突出し、軸方向に並んで多数のボルト孔を穿設したフランジを有し、対向するフランジ同志を各ボルト孔を貫通するボルト・ナットによって締結したものである。

本願請求項２記載発明のガスタービンのケーシングは、内部にガスタービンの回転体を収容し、回転軸の軸芯を含む平面によって２分割された略円筒状のガスタービンのケーシングであって、ケーシングは内筒と外筒とからなる二重殻構造になっており、各ケーシングは分割面を挟んで当接するとともに、内筒と外筒とを連結するフランジを有しており、各フランジの中心線上に並んで多数のボルト孔が穿設されていて、対向するフランジ同志を各ボルト孔を貫通するボルト・ナットによって締結したものである。

次に本発明の作用を説明する。本願請求項１記載発明のガスタービンのケーシングは、２分割された各ケーシングの分割部に、ケーシングの円筒面に対して対称に、外方と内方に突出し、多数のボルト孔を穿設したフランジを設け、２分割された各ケーシングは分割面を挟んで当接するとともに、対向する外方と内方のフランジ同志を各ボルト孔を貫通するボルト・ナットによって締結したので、剛性の中心線はフランジ部においても、図７に示すように、外側にずれることなく、円筒の肉厚の中心を通る円と同一線上にあるので、フランジの当接面の開口（隙間）は生じない。したがって、ボルトへの曲げ荷重は小さくなり、ボルトの必要本数を少なくすることができるとともに、ボルトのサイズを小さくすることができる。また、フランジの付け根やフィレットＲ部への応力が低減されるので、フランジの付け根に肉厚部を設ける必要がなく、フィレットＲ部を小さくすることができる。

また、本願請求項２記載発明のガスタービンのケーシングは、内筒と外筒とからなる二重殻構造になっていて、フランジを各ケーシングの分割面の内筒と外筒との間に設け、フランジには多数のボルト孔を穿設しており、各ケーシングは分割面を挟んで当接するとともに、対向するフランジ同志を各ボルト孔を貫通するボルト・ナットによって締結したので、剛性の中心線は外筒と内筒の中央部を通る円であるから、フランジ面の開口（隙間）は生じない。したがって、ボルトへの曲げ荷重がなくなり、ボルトの必要本数を少なくすることができるとともに、ボルトのサイズを小さくすることができる。

以上説明したように、本発明のガスタービンのケーシングは、フランジの付け根部分に生じる隙間をなくすとともに、ボルトへの曲げ荷重をなくしてボルトの必要本数を少なくするとともに、ボルトのサイズを小さくすることができる。また、フランジの付け根やフ
ィレットＲ部への応力を低減してフランジの付け根に肉厚部をなくすとともに、フィレットＲ部を小さくして、高強度と軽量化を図ることができるという優れた効果を奏する。

以下、本発明の最良の実施形態である２つの実施例について図面を参照しつつ説明する。

図１（Ａ）は本願請求項１記載発明のガスタービンのケーシングの斜視図である。図１（Ｂ）は図１（Ａ）のａ部の拡大図である。なお、図３ないし図７にに示したガスタービンのケーシングと同様の部材には同じ符号を付して説明する。図１において、１は円筒状のケーシング本体である。ケーシング本体１は、２つのケーシング１ｃ、１ｃに２分割されており、各ケーシング１ｃの分割部にはケーシング１の円筒に対して対称に、外方に突出したフランジ２と内方に突出したフランジ２ａとを有していて、断面がＴ字状を形成している。３は各フランジ２に穿設した多数のボルト孔である。４は各フランジ２、２ａのボルト孔３に貫通したボルトであり、４ａはボルト４に螺合したナットである。ケーシング本体１は、各ケーシング１ｃの分割面を挟んで、対向する外方のフランジ２と内方のフランジ２ａ同志をそれぞれ当接し、フランジ２とフランジ２ａとをボルト４とナット４ａによって締結して円筒状に形成されている。

次に本願請求項１記載発明の実施形態の作用を説明する。ガスタービンのケーシング１は、２分割された各ケーシング１ｃの分割部に、ケーシング１の円筒に対して対称に、外方と内方に突出し、多数のボルト孔３を穿設したフランジ２、２ａを設け、２分割された各ケーシング１ｃは分割面を挟んで当接するとともに、対向する外方と内方のフランジ２、２ａ同志を各ボルト孔３を貫通するボルト４・ナット４ａによって締結したので、剛性の中心線２１はフランジ部２、２ａにおいても、図７に示すように、外側にずれることなく、円筒の肉厚の中心を通る円２１と同一線上にあるので、内圧を受けてケーシング１が外方に膨らむときにもフランジ面の開口（隙間）は生じない。したがって、ボルト４への曲げ荷重は小さくなり、ボルト４の必要本数を少なくすることができるとともに、ボルト４のサイズを小さくすることができる。また、フランジ２、２ａの付け根やフィレットＲ部１Ｒ、２Ｒへの応力が低減されるので、フランジ２、２ａの付け根に肉厚部１ｂを設ける必要がなく、フィレットＲ部１Ｒ、２Ｒを小さくすることができる。

図２は本願請求項２記載発明のガスタービンのケーシングの部分拡大図である。なお、図１ないし図７にに示したガスタービンのケーシングと同様の部材には同じ符号を付して説明する。図２において、１は円筒状のケーシング本体である。ケーシング本体１は、２つのケーシング１Ａ、１Ａに２分割されており、各ケーシング１Ａは、それぞれ内筒１ｄと外筒１ｅとからなる二重殻構造になっている。各ケーシング１Ａの分割面の内筒１ｄと外筒１ｅとの間にそれぞれフランジ８を設け、各フランジ８の中心線上には多数のボルト孔３を穿設している。各ケーシング１Ａは分割面を挟んで当接するとともに、対向するフランジ８同志を各ボルト孔３を貫通するボルト４・ナット４ａによって締結している。９は外筒１ｅに設けたボルト挿入用の孔である。２１は各ケーシング１Ａの剛性の中心線である。なお、圧力は内筒１ｄに働き、外筒１ｅと内筒１ｄとの間の空間の圧力は、外部の圧力と等しい。内筒１ｄの内部の圧力によって生じる膜応力は、内筒１ｄと外筒１ｅとに均等に発生すると考えられる。

次に本願請求項２記載発明の実施形態の作用を説明する。ガスタービンのケーシング１は、内筒１ｄと外筒１ｅとからなる二重殻構造になっていて、フランジ８を各ケーシング１Ａの分割面の内筒１ｄと外筒１ｅとの間に設け、フランジ８には多数のボルト孔３を穿設しており、各ケーシング１Ａは分割面を挟んで当接するとともに、対向するフランジ８同志を各ボルト孔３を貫通するボルト４・ナット４ａによって締結したので、剛性の中心線２１はフランジ部８においても外筒１ｅと内筒１ｄの中央部を通る円であるから、フランジ面の開口（隙間）は生じない。したがって、ボルト４への曲げ荷重がなくなり、ボルト４の必要本数を少なくすることができるとともに、ボルト４のサイズを小さくすることができる。

本発明は、以上述べた実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

（Ａ）は本願請求項１記載発明のガスタービンのケーシングの斜視図であり、（Ｂ）は図１（Ａ）のａ部の拡大図である。本願請求項２記載発明のガスタービンのケーシングの部分拡大図である。非特許文献１に示されるガスタービン（ターボ・ファン・エンジン）の断面図である。（Ａ）はガスタービンのケーシングを模式化した斜視図であり、（Ｂ）は図４（Ａ）のａ部の拡大図である。（Ａ）はフランジを有しない円筒に内圧をかけた状態を示した図であり、（Ｂ）は図５（Ａ）のａ部の拡大図である。ケーシング本体に内圧をかけ張力が発生した場合のフランジ部の変形を示す図である。ガスタービンのケーシングのフランジ部の変形のメカニズムを示す説明図である。

符号の説明

１ケーシング本体
１ａ２分割されたケーシング
１Ａ２分割された二重殻構造のケーシング
２、２ａ、８フランジ
３ボルト孔
４ボルト
４ａナット
９ボルト挿入用の孔
２１剛性の中心線

Claims

内部にガスタービンの回転体を収容し、回転軸の軸芯を含む平面によって２分割された略円筒状のガスタービンのケーシングであって、各ケーシングは分割面を挟んで当接するとともに、外方と内方に突出し、軸方向に並んで多数のボルト孔を穿設したフランジを有し、対向するフランジ同志を各ボルト孔を貫通するボルト・ナットによって締結したことを特徴とするガスタービンのケーシング。
内部にガスタービンの回転体を収容し、回転軸の軸芯を含む平面によって２分割された略円筒状のガスタービンのケーシングであって、ケーシングは内筒と外筒とからなる二重殻構造になっており、各ケーシングは分割面を挟んで当接するとともに、内筒と外筒とを連結するフランジを有しており、各フランジの中心線上に並んで多数のボルト孔が穿設されていて、対向するフランジ同志を各ボルト孔を貫通するボルト・ナットによって締結したことを特徴とするガスタービンのケーシング。