JP6553447B2 - ターボ機械 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮機やポンプなどのターボ機械において、そのボルト締結に特徴を有するターボ機械に関するものである。

石油、ガス産業の発展に伴い、産業において扱うガスの大容量化や高圧化が必要となり、その結果としてガスを取り扱うターボ機械の高圧化や大径化が求められている。
ターボ機械の一例として、インペラやシャフトなどで構成されるロータ部が、ケーシングに回転自在に収納され、水平方向に設置される場合があるが、それらの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。水平分割型ケーシングは、ロータ軸と平行の方向である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部を設置し、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、バレル型ケーシングは、円筒ケーシングにインナーケーシング、および、ロータ部を軸方向へ挿入し、円筒ケーシングの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において、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。代表的なボルト締結構造としては、植込みボルト構造や両ナットボルト構造が挙げられ、両ボルトナット構造の方が、ボルトによって締付けられる被締結物内のボルトによる圧縮場が拡大するため、すなわち締付けられて密着する範囲がより広く取れるのでケーシングの気密性向上には有利な構造である。

この両ナットボルト構造に関連する公知例として、特許文献１では蒸気タービン車室の水平継手フランジの合わせ面に、可撓性部材で密封された加圧室を形成し、加圧室に生じる流体の圧力により気密性を向上させながら両ボルトナットで締結している。また、特許文献２ではケーシング水平継手フランジ部に用いられる両ネジボルトと上ナットとした下ナットで締結する構造において、分解時などにおいてボルトが抜け落ちないようにフランジ部のボルト穴径を一部細くしている。

特開平１０−３０６７０７号公報 実開昭５６−１３９８０８号公報

水平分割型ケーシングの上フランジと下フランジとを上ナットおよび下ナットにより締結する両ナットボルト構造では、ケーシング内部のメンテナンスのため、上ケーシングを分解する際、上ナットを外した時に、下ケーシングからスタッドと下ナットが外れてしまう。そのためケーシングを再度組立てる際には、スタッドを下ケーシングに再設置する作業が必要になるという課題がある。

本発明は、水平分割型ケーシングの締結方法である両ナットボルト構造を有するターボ機械に関して、組立、分解時にスタッドが外れることによって発生する再設置作業の課題を解決するためになされたものであり、安価で、かつ、設置作業性が良好で、気密性も良好な両ナットボルト構造を有するターボ機械を提供することを目的とする。

本発明は、上ケーシングと下ケーシングとを含む水平分割型ケーシングを有し、前記上ケーシングに形成され、ボルト穴を有する上フランジ、および、前記下ケーシングに形成され、ボルト穴を有する下フランジを両ナットボルトで連結するターボ機械に関するものである。
そして、前記両ナットボルトは、上下に雄ねじ部を有し、ボルト部を形成するスタッドと、前記スタッドの上方に形成される雄ねじ部にかみあう雌ねじ部を有する上ナットと、
前記スタッドの下方に形成される雄ねじ部にかみあう雌ねじ部を有する下ナットと、を有する。

さらに前記下フランジには、前記下フランジに形成された前記ボルト穴の下端に、前記スタッドの下方に形成される雄ねじ部にかみあう雌ねじ部を有する。

また、前記スタッドの下方先端の前記雄ねじ部の一部に非ねじ部を、上下に第１雄ねじ部と第２雄ねじ部で挟むように設け、前記下フランジ内の前記雌ねじ部の上端部と前記スタッドの前記非ねじ部の上方の前記第２雄ねじ部の下端部が接触してもよい。さらに、前記上フランジと前記下フランジの接触面上の一部に非接触部を設けてもよい。

その他として、本発明のターボ機械は上ケーシングと下ケーシングとを含む水平分割型ケーシングを有し、前記上ケーシングに形成され、ボルト穴を有する上フランジ、および、前記下ケーシングに形成され、ボルト穴を有する下フランジをナットボルトで連結するものであって、 前記ナットボルトは、上下に雄ねじ部を有し、ボルト部を形成するスタッドと、前記スタッドの上方に形成される前記雄ねじ部にかみあう雌ねじ部を有する上ナットと、を有し、前記下フランジには、前記下フランジに形成された前記ボルト穴の下端に、前記スタッドの下方に形成される雄ねじ部にかみあう雌ねじ部を有するようにしてもよい。さらに、前記上フランジと前記下フランジの接触面上の一部に非接触部を設けてもよい。

さらにその他として、本発明のターボ機械は上ケーシングと下ケーシングとを含む水平分割型ケーシングを有し、前記上ケーシングに形成され、ボルト穴を有する上フランジ、および、前記下ケーシングに形成され、ボルト穴を有する下フランジをナットボルトで連結するものであって、 前記ナットボルトは、上下に雄ねじ部を有し、ボルト部を形成するスタッドと、前記スタッドの上方に形成される雄ねじ部にかみあう雌ねじ部を有する上ナットと、を有し、前記下フランジには、前記下フランジに形成された前記ボルト穴の下端に、前記スタッドの下方に形成される雄ねじ部にかみあう雌ねじ部を有するようにしてもよい。さらに、前記上フランジと前記下フランジの接触面上の一部に非接触部を設けてもよい。

本発明に係る両ナットボルト構造は、下フランジ内のボルト穴下端に設けた雌ねじ部により、上ナットを外した場合でも、スタッドが雌ねじ部に噛み合い、スタッドと下ナットの落下を防止することができる。すなわち、ケーシング内部のメンテナンス時などに、ケーシングを分解、再組立てする際、下ケーシングにスタッドを保持した状態で上ケーシングの取り外しができ、上ナットの付け外し作業のみで済むので、下ケーシングへのスタッドの再配置作業は不要となり時間と労力を省くことができる。また、スタッドに特別な機構を設ける必要が無いのでスタッドへの加工コストは生じない。本構造は、圧縮機、ポンプ、蒸気タービンなど、ボルト締結部を有するターボ機械に適用することができる。

本発明を適用したターボ機械の外観図である。 実施形態１に係る両ナットボルト構造の構成図で、図１のＡ−Ａ断面である。 図２におけるｂ部の拡大図である。 実施形態２に係る両ナットボルト構造の構成図である。 図４におけるｂ部の拡大図である。 実施形態３に係る両ボルト構造の構成図である。 図６におけるｂ部の拡大図である。 実施形態４に係る両ナットボルト構造の構成図である。 図８におけるＣ−Ｃ方向からの矢視図である。

［実施形態１］
図１は、本発明の本発明を適用したターボ機械の外観図である。図２と図３は実施形態１に係わる両ボルトナット構造の構成図を示している。図２は図１のＡ−Ａ断面図、図３は図２におけるｂ部の拡大図である。

図１に示すように、ケーシングは、水平方向に分割されており、上ケーシング１０１、下ケーシング１０２、および、ボルト締結部１０３で構成されている。前記上ケーシング１０１の周囲には水平方向に広がる上フランジ１０４が、また、前記下ケーシング１０２の周囲には水平方向に下フランジ１０５があり、上下のフランジをボルトで締結することにより、ケーシング内部の高圧ガスを封止している。下ケーシング１０２にはガスの吸込管１２０、ガスの吐出管１２１が設置されている。図示しないが、ケーシング内部には、水平方向に、インペラ、シャフトなどの圧縮機のロータ部が軸受設置部１３０に設置された軸受を介して設置されターボ機械のひとつである圧縮機１０が構成される。

図２において、両ナットボルト構造１００は、スタッド１０６、上ナット１０７、下ナット１０８、上フランジ１０４、下フランジ１０５、および、上フランジ１０４内のボルト穴１０９、下フランジ１０５内のボルト穴１１０と雌ねじ部１１１で構成されている。前記上フランジ１０４と前記下フランジ１０５は水平方向に設置されており、前記ボルト穴１０９と前記ボルト穴１１０は原則として垂直方向に空けられる。前記雌ねじ部１１１は下フランジ１０５の下端に設け、そのねじ山の数は、少なくとも１つ以上で下ナット１０８とスタッド１０６の締結に必要なねじ山数より少ない山数とする。

組立時の手順により本発明の機能を説明する。指定の場所に設置された下ケーシング１０２の下フランジ１０５のボルト穴１１０にスタッド１０６を挿入し、前記下フランジ１０５のボルト穴１１０の下端にある雌ねじ部１１１に下雄ねじ部１１３をねじ込み、前記下雄ねじ部１１３を下フランジ１０５の外部へ下ナット１０８との締結に必要な長さだけ突出させ、下ナット１０８を取り付ける。この時点で前記下ケーシング１０２にスタッド１０６を全数設置する。次に上ケーシング１０１をボルト穴１０９にスタッド１０６が入るように調整しながら、接触面１１２が接触するように設置する。そして、上ナット１０７をスタッド１０６に取り付け、下ナット１０８と締付状態を確認しながら適切な締付になるように調整しながら上ナット１０７と下ナット１０８を締付けて締結を完了する。締結時には図３に示すように、スタッド１０６は雌ねじ部１１１と下ナット１０８のねじ部で締結している。前記両ナットボルト構造１００では、図３に示すようにスタッド１０６の下雄ねじ部１１３と、下フランジ１０５内の雌ねじ部１１１が噛み合っているため、上ナット１０７を外した場合でも、スタッド１０６と下ナット１０８は外れない。すなわち、本発明の両ナットボルト構造１００では、ケーシング内部のメンテナンス時などに、ケーシングを分解、再組立てする際、下ケーシング１０２にスタッド１０６が設置された状態を保持できるため、上ナット１０７の付け外し作業のみで済み、ボルト締結部の設置作業性が向上する。特に、大径のボルトが使用される大型のケーシングにおいては、ボルトの重量が大きいため、ボルト締結部へのボルトの設置作業にクレーンを要することがあるが、下ケーシングにスタッドを保持できるので、クレーンの使用頻度を減らすことができ作業性の向上が図れる。また、スタッドに特別な落下防止用の構造を設ける必要が無く、スタッド加工コストが発生しない。

図２及び図３においてはケーシングを分解する際に上ケーシングを外す構造について示したが、ケーシングを分解する際に、上ケーシング１０１側を取り外すのではなく、下ケーシング１０２側を取り外す構造にすることがある。下ケーシングを取りはずす構造の場合は、前記雌ねじ部１１１に対応する雌ねじ部を上フランジ１０４の上端に設けてもよい。この場合、分解のために下ナットを外したときには、スタッドは上ケーシングのボルト穴に設けられた雌ねじ部で支持されて上ケーシングに保持される。組立時には上ケーシングに保持されたスタッドを下ケーシングのボルト穴に挿入させて、設置して、下ナットで締結するので、スタッドの再配置は不要である。

［実施形態２］
図４及び図５は、本発明の実施形態２に係る両ナットボルト構造の構成図を示している。図４は両ボルトナット構造４００全体を示し、図５は図４におけるｂ部の拡大図である。両ナットボルト構造４００のうち、既に説明した図２の両ナットボルト構造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。

両ナットボルト構造４００は、両ナットボルト構造１００に対して、スタッド４０１の下雄ねじ部４０２内に非ねじ部４０３を追加した構造であり、スタッドを垂直にして側面から見たときにスタッド４０１の下端側に第１雄ねじ部４０４を設置し、その上方に非ねじ部４０３を設置し、さらにその上方に第２雄ねじ部４０５を設置した構成としている。前記非ねじ部４０３の長さは、下フランジ４１６下部の雌ねじ部４０６よりも長くする。また前記非ねじ部４０３の直径は、前記第１雄ねじ部４０４及び前記第２雄ねじ部４０５の外径より小さい。

非ねじ部４０３を設けることで、スタッド４０１を前記下フランジ４１６内に設置する際、下雄ねじ部４０２の第１雄ねじ部４０４が雌ねじ部４０６にねじ込まれて通り抜けた後、非ねじ部４０３が雌ねじ部４０６に接触することなく、下雄ねじ部４０２の第２雄ねじ部４０５の下端部が雌ねじ部４０６の上端部に接触する。すなわち、第１雄ねじ部４０４が雌ねじ部４０６を通り抜けた後に、スタッド４０１の自重で第２雄ねじ部４０５が雌ねじ部４０６に自動的に接触することで、スタッド４０１の落下を防止する。雌ねじ部４０６と第２雄ねじ部４０５の接触する位置は常に一定であるので、スタッド４０１と下フランジ４１６との相対的位置を常に一定に決めることができる。その時点でスタッド４０１の第１雄ねじ部４０４は、下フランジ４１６より突出した状態で保持することができ、上ケーシング１０１を外してもスタッド４０１は下ケーシング１０２の下フランジ４１６に保持されるので、スタッド４０１の再配置は不要となる。また、この第１雄ねじ部４０４のケーシングからの突き出し量は一定であり、前記第１雄ねじ部４０４に下ナット４０７を組み付けて上フランジ４１５と下フランジ４１６とを締結する。また、非ねじ部４０３の存在により、第１雄ねじ部４０４と雌ねじ部４０６の噛み合いが生じないため、雌ねじ部４０６の噛み合い部の強度上の問題が生じない。

［実施形態３］
図６及び図７は、本発明の実施形態３に係る両ボルト構造の構成図を示している。図６は両ボルトナット構造５００全体を示し、図７は図６におけるｂ部の拡大図である。両ボルト構造５００のうち、既に説明した図２の両ナットボルト構造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。両ボルト構造５００は、両ナットボルト構造１００における雌ねじ部１１１の長さをボルト締結に必要なねじ山を確保した長さとした雌ねじ部５０３とし、下ナット１０８を省略した構成である。両ボルト構造５００では、スタッド５０１と雌ねじ部５０２を噛み合わせており、雌ねじ部５０２の長さは、噛み合い部で強度上必要なねじ山数となるように決定される。

本実施形態では、雌ねじ部５０２を下フランジ５０３内の下端に下フランジ５０３の下端部近くまでの長さで設けることで、両ナットボルト構造と同等の締付け効果を得ることができ、スタッド５０１は下フランジ５０３に保持することができ、上ケーシング１０１を外しても、スタッド５０１は下ケーシング１０２の下フランジ５０３に保持されるのでスタッド５０１の再配置は不要になる。また、下ナットが不要となるため、その材料、製作、作業コストなどの削減にも繋がる。なお、下フランジ５０３内の雌ねじ部５０２の最下端は、下フランジ下端を貫通させてもよいし、位置決め用として、ボルト径よりも小さい下穴を残すか、貫通させなくてもよい。

［実施形態４］
図８及び図９は、本発明の実施形態４に係る両ナットボルト構造３００の構成図を示している。図８は両ボルトナット構造３００全体を示し、図９は図８における下フランジ３０３のＣ−Ｃ矢視図である。両ナットボルト構造３００のうち、既に説明した図２の両ナットボルト構造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。両ナットボルト構造３００は、両ナットボルト構造１００に対して、非接触部３０１を追加した構成としている。

図８及び図９には、非接触部３０１として、上フランジ３０２と下フランジ３０３の接触部３０４の一部に前記ボルト穴３０９と３１０の中心と同軸に円形で凹形状部となるように接触面３０４よりも低くなる段差を設けた例を示す。非接触部３０１を設けることで、接触部３０４の接触面積が低減するため、ボルト軸力により接触部３０４に発生する単位面積当たりの力である面圧が増加して気密性を向上させる効果がある。ボルト１本当たりの気密性を向上させることで、ケーシング全体として締結に必要なボルト本数を低減することが可能となり、ボルトのコストの低減、ボルト穴の減少によるボルト締結部製作、作業コストなどの削減の経済的な効果がある。なお、非接触部３０４の形状は、円形に限らず、さらに非接触部の３０４の配置位置は、スタッド３０５の軸を中心とした周方向に対して、対称でも非対称でもよい。また、非接触部３０４のフランジ内の深さｄはフランジの強度に問題のない範囲で任意であり、さらに非接触部３０４を上フランジ３０２側に設けてもよい。また図８では図２で示した実施形態１に対して非接触部を設けたが、他の実施形態２及び実施形態３にも同様に適用することができる。

上記で示した各実施形態とすることにより、ケーシングの気密性向上に効果的な両ナットボルト構造に関して、コストを低減し、設置作業性を向上させることができる。気密性を向上させることで、締結に必要なボルト本数を低減することも可能となり、ボルト締結部の材料、製作、作業コストなどの削減にも繋がる。

１０…圧縮機、１００，３００，４００…両ナットボルト構造、５００…両ボルト構造、１０１…上ケーシング、１０２…下ケーシング、１０３…ボルト締結部、１０４，３０２，４１５，５０８…上フランジ、１０５，３０３，４１６，５０３…下フランジ、１０６，３０５，４０１，５０１…スタッド、１０７，３０７，４０８，５０９…上ナット、１０８，３０８，４０７…下ナット、１０９，３０９，４０９，５１０…上フランジ内ボルト穴、１１０，３１０，４１０，５１１…下フランジ内ボルト穴、１１１，３１１，４０６，５０２…雌ねじ部、３０１…非接触部、１１２，３０４，４１７，５１２…接触部、１１３，４０２，５０１…下雄ねじ部、４０３…非ねじ部、４０４…第１雄ねじ部、４０５…第２雄ねじ部

Claims (3)

1. 上ケーシングと下ケーシングとを含む水平分割型ケーシングを有し、
   前記上ケーシングに形成され、ボルト穴を有する上フランジ、および、前記下ケーシングに形成され、ボルト穴を有する下フランジを、両ナットボルトで連結するターボ機械であって、
   前記両ナットボルトは、
   上下に雄ねじ部を有し、ボルト部を形成するスタッドと、
   前記スタッドの上方に形成される雄ねじ部にかみあう雌ねじ部を有する上ナットと、
   前記スタッドの下方に形成される雄ねじ部にかみあう雌ねじ部を有する下ナットと、を有し、
   前記下フランジには、
   前記下フランジに形成された前記ボルト穴の下端に、
   前記スタッドの下方に形成される雄ねじ部にかみあう雌ねじ部を有し、
   前記スタッドの下方先端の前記雄ねじ部の一部に非ねじ部を、上下に第１雄ねじ部と第２雄ねじ部で挟むように設け、前記下フランジ内の前記雌ねじ部の上端部と前記スタッドの前記非ねじ部の上方の前記第２雄ねじ部の下端部が接触していることを特徴とするターボ機械。
2. 請求項１において、
   前記上フランジと前記下フランジの接触面上の一部に非接触部を設けたことを特徴とするターボ機械。
3. 請求項２において、
   前記非接触部の形状が、前記スタッドの軸を中心に周方向に対称であることを特徴とするターボ機械。

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