JP2002071101A

JP2002071101A - 気柱共鳴防止装置

Info

Publication number: JP2002071101A
Application number: JP2000258049A
Authority: JP
Inventors: Hidekazu Nishida; 英一西田; Masahiro Miki; 将裕三木; Noriyuki Sadaoka; 紀行定岡; Kazuyuki Maruishi; 和幸丸石; Atsushi Furukawa; 淳古川
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2000-08-28
Filing date: 2000-08-28
Publication date: 2002-03-08

Abstract

(57)【要約】【課題】既設のガス流通路内に容易かつ安価に配設で
き、如何なる気柱共鳴モードに対しても共鳴現象の発生
を確実に阻止できるガス流通路内の気柱共鳴防止装置を
提供する。【解決手段】石炭焚きボイラの後部伝熱部の底部に設
けられたホッパ３の上部に、孔底から所定距離だけ離間
した状態で、かつ、それらの稜の向きがＹ軸に沿うよう
に、ガス流Ｇに垂直な断面が逆Ｖ字状をした吸音体１を
それぞれ配設して後部伝熱部内の音波エネルギーを吸収
するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は略閉空間を成して内
部に複数の障害物が設置され、ガスが流通する流通路に
発生する気柱共鳴振動を防止する気柱共鳴防止装置に係
り、特に、石炭焚きボイラの火炉からの高温の排ガスが
流通する後部伝熱部における気柱共鳴防止に好適に適用
できる技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】石炭焚きボイラの火炉内での燃料の燃焼
により生じた排ガスが流通する通路を構成する後部伝熱
部には伝熱管群が収納されており、ガス流中にある伝熱
管の後方にはカルマン渦（剥離渦）が発生することが知
られている。この剥離渦の周波数、つまり、渦放出周波
数が排ガスの通路を構成する後部伝熱部の内部空間で生
じた共鳴振動の気柱共鳴周波数と一致したとき、後部伝
熱部内の大振幅の気柱振動、即ち、圧力変動を引き起こ
し、大音響の騒音や伝熱壁や伝熱管等の流路構造物の損
傷を招く「カルマン渦による気柱共鳴現象」と呼ばれる
現象を起こすことがある。図９はこの気柱共鳴現象の原
理を示す説明図である。後部伝熱部側壁２等で囲まれた
略閉空間で大振幅の共鳴現象を引き起こす原因は同図に
示すように、伝熱管６の後方に放出される剥離渦が気柱
共鳴モードを誘起し、その圧力変動がさらに剥離渦の発
生、放出を促進するフィードバック現象が生じるからで
ある。

【０００３】ところで、このような気柱振動の発生を抑
制するための技術開発が既に幾つか為されている。例え
ば、特開平５−１４１８９１号公報には、図１１に示す
ように、ボイラや熱交換器のガス通路ダクトの後部伝熱
部側壁２内部の伝熱管６群の間あるいは、それらの周辺
にガス流Ｇと平行に共鳴防止用のバッフル板７を複数設
けて内部空間を複数の空間に仕切ることで気柱固有振動
数を増大させ、通常運転の上限流速で発生する剥離渦の
渦放出周波数を上回るようにすることにより、気柱共鳴
の発生を回避するようにした熱交換器の発明が開示され
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述の従来技術では後
部伝熱部側壁２内部に多数の伝熱管６群が配設された狭
い空間内に長尺のバッフル板７を複数配置するようにな
っているため、バッフル板７を狭い間隙内に配置する作
業が面倒で多くの労力と時間が消費されていた。また、
伝熱管６が千鳥配列される場合も多いが、そのような構
造の後部伝熱部に対しては上記従来技術を適用すること
ができない。さらに、上記従来技術には次に述べるよう
な問題点があることが判ってきた。

【０００５】図１２は後部伝熱部側壁２内部の気柱共鳴
モードを示す説明図である。同図に示すように、後部伝
熱部側壁２内部の気柱共鳴モードはガス流Ｇに直角な方
向の揚力方向共鳴モードＭｌの外に、ガス流Ｇに沿った
方向に生じる抗力方向モードＭｄが発生することがあ
る。このような抗力方向モードＭｄの気柱共鳴現象に対
しては上記従来技術を適用することができない。何故な
ら、従来技術を適用して抗力方向モードＭｄの気柱共鳴
現象の発生を阻止しようとすると、共鳴防止バッフル板
７をガス流Ｇに直角な方向に配置しなければならない。
しかし、このような共鳴防止バッフル板７の配置はガス
流Ｇを塞き止めることになり、実際上、採用できないか
らである。要するに、従来技術は排ガスの流通路の後部
伝熱部に発生する気柱共鳴現象を抜本的かつ実用的に抑
止することができない。

【０００６】本発明は従来技術におけるかかる不具合を
解消すべく為されたものであり、既設のガス流通路内に
容易かつ安価に配設でき、如何なる気柱共鳴モードに対
しても共鳴現象の発生を確実に阻止できるガス流通路内
の気柱共鳴防止装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明は、気柱共鳴振動の腹となる位置に音響エネル
ギーを吸収する吸音材を配置したものであり、典型的に
は、石炭焚きボイラの下流に接続された後部伝熱部を流
通路とし、障害物は多段に配列された伝熱管を含み、後
部伝熱部の底部に石炭灰回収のために形成されたホッパ
の上部に断面形状が逆Ｖ字状の吸音材を配置し、その吸
音材には、その上部に降下する石炭灰から該吸音材を保
護する保護材を設け、例えば、多数の透孔が穿設された
穴空き板を中央で曲げ加工して断面形状が逆Ｖ字状に形
成したものである。

【０００８】

【発明の実施の形態】まず、始めに本発明を完成するに
至った気柱共鳴現象を阻止するための基本原理を説明す
る。本願発明者が気柱共鳴現象について鋭意研究したと
ころ、以下に述べる事実が明らかになった。即ち、気柱
共鳴現象はガス流通路の空間的要素と流速とにより一義
的に規定される第一の条件と、ガス流通路の音波の吸収
能力が関与する第二の条件が満たされたときに発生す
る。簡単化のために後部伝熱部の幅（前後）方向の一
次元の気柱共鳴モードで説明することにする。既に知ら
れているように、後部伝熱部の気柱共鳴モードの固有共
鳴周波数ｆ_ａ，ｎは次式で表される。

【０００９】ｆ_ａ，ｎ＝ｎ・ｃ／２Ｌ ……（１）但し、Ｃ：音速、Ｌ：ダクト幅、ｎ：次数（節数）であ
る。このように、固有共鳴周波数ｆ_ａ，ｎは次数ｎに比
例して増大する。一方、渦放出周波数ｆ_ｓは次式で表さ
れる。

【００１０】ｆ_ｓ＝Ｓ・Ｕ／Ｄ ……（２）但し、Ｓ：ストローハル数、Ｕ：ガス流速、Ｄ：管径で
ある。このように、渦放出周波数ｆ_ｓはガス流速Ｕに比
例し、伝熱管の管径Ｄに反比例する。上述のように、渦
放出周波数ｆ_ｓが後部伝熱部の空間的要素により決定さ
れる離散値となる固有共鳴周波数ｆ_ａ，ｎと一致するこ
とが気柱共鳴現象発生のための第一条件となる。

【００１１】図１０はガス流速Ｕに対する渦放出周波数
ｆ_ｓと、これに一致する三次までの固有共鳴周波数ｆ
_ａ，ｎの音圧分布とを示す説明図である。同図に示すよ
うに、ガス流速Ｕが増加するに連れて渦放出周波数ｆ_ｓ
も増加し、一次から三次の離散的な値の固有共鳴周波数
ｆ_ａ，１，ｆ_ａ，２，ｆ_ａ，３に次々と一致するように
なる。しかし、この渦放出周波数ｆ_ｓが後部伝熱部の固
有共鳴周波数ｆ_ａ，ｎと一致することは気柱共鳴現象発
生の必要条件ではあるが、十分条件ではない。即ち、気
柱共鳴現象が発生するためにはエネルギー収支に関する
第二条件が満足されることが必要になる。気柱共鳴現象
発生のための第二条件は次式で表される。 ΔＥ＝Ｅ_Ｓ−Ｅ_ｄ１＞０ ……（３）但し、Ｅ_Ｓ：剥離渦が気柱振動に供給するエネルギー、
Ｅ_ｄ１：炉壁からの音響放射や管群部での音響的な摩擦
等による音場の逸散エネルギーである。つまり、気柱共
鳴現象発生のためには上述の第一条件の外に気柱に最終
的に蓄えられるエネルギーΔＥが正となることが必要で
あり、この時気柱のエネルギー状態が不安定化して気柱
共鳴が発生する。

【００１２】そこで、後部伝熱部での気柱共鳴現象の発
生を防止するには、後部伝熱部内に何らかの吸音部材を
設置し、そのた吸音部材が吸収する音響エネルギーをＥ
_ｄ２とすると、次式を満足することが必要になる。Ｅ_Ｓ−（Ｅ_ｄ１＋Ｅ_ｄ２）＜０従って、Ｅ_ｄ２＞Ｅ_ＳーＥ_ｄ１……（４）このように、後部伝熱部内に設置した吸音体が吸収する
音響エネルギーＥ_ｄ２が（４）式を満たすに十分な程大
きくなると、気柱振動は抑制されることになる。

【００１３】以下図面を参照して上述の原理を具体化し
た本発明の実施例を詳細に説明する。本実施例は本発明
を石炭焚きボイラの排ガス流通路の後部伝熱部に適用し
たものである。図２は本発明の実施例に係る石炭焚きボ
イラの後部伝熱部内部の概略構成を示す模式図、図１は
後部伝熱部の底部に配置される吸音体の斜視図、図３は
図２の切断線Ｉ−Ｉに沿った断面形状を示す模式図、図
４は図３におけるホッパ部の部分拡大図、図５は後部伝
熱部の透視斜視図、図６は吸音体の適正な設置位置を説
明するための一次の気柱共鳴の速度分布図、図７は一次
の気柱共鳴モードの音圧分布と速度分布を対比した説明
図である。

【００１４】これらの図において、１は後部伝熱部内の
音波エネルギーを吸収するために設置されるガス流Ｇに
垂直な断面が逆Ｖ字状をした吸音体、３は後部伝熱部の
底部に複数設けられ、断面Ｖ字状を成して沈降灰を回収
するためのホッパ、４は後部伝熱部内の上流の過熱器側
に配置され、図示しない伝熱管を収納する管群部、１１
は吸音体１の主要部を成し、セラミック繊維で構成され
た吸音材、１２は吸音材１１の上部を覆う中央で曲げ加
工された鋼板から成るパンチングプレート（穴空き
板）、１２ａはパンチングプレート１２にほぼ等間隔で
穿設された横長の透孔、１２ｂはパンチングプレート１
２の頂部の曲げ部となる稜である。なお、吸音材１１の
表面はグラスファイバーの織布で覆われている。吸音材
１１の厚さは抑制しようとする共鳴音響成分の波長に依
るが、例えば、周波数が１００Ｈｚ以下の場合は、３０
〜５０ｃｍ程度で十分である。吸音材１１の材質は上記
セラミック繊維の外、軽石等の耐熱多孔性無機質材料で
あっても良い。

【００１５】パンチングプレート１２は上部から降下す
る石炭灰が吸音材１１に衝突あるいは堆積するのを防止
するために設けられるものであり、ボイラが石油焚きの
もののように、降灰の虞がない場合は敢えて設置しなく
ても良い。透孔１２ａは音響の透過性を高めるために設
けたものであり、それらの開口率は３０％以上であるこ
とが望ましい。また、透孔１２ａの形状を横長としたの
は降灰が透孔１２ａ内に堆積したときにガス流Ｇによる
吹き飛ばしを可能にするためである。パンチングプレー
ト１２の水平面に対する傾斜角は石炭灰の滑落性を考慮
して約６０°（安息角）程度とするのが良い。また、パ
ンチングプレート１２は曲げ加工によらずとも２つの平
板を溶接して逆Ｖ字状に形成しても良い。また、曲げ位
置は中央でなく、中央近傍でも構わない。さらに、両平
面の幅が異なっても構わない。例えば、吸音体１を隣接
して設ける場合には、石炭灰のホッパ３への落下スペー
スを確保するために、隣接する側を短くしても良い。

【００１６】吸音体１は図２および図３に示すように、
後部伝熱部の底部に設けられたホッパ３の上部に孔底か
ら所定距離だけ離間した状態で、かつ、それらの稜１２
ｂの向きが図２に示すＹ軸に沿うようにそれぞれ図示し
ない支持部材により固定される。吸音体１の向きをこの
ように配置したのは、ホッパ３の上部を通過するガス流
Ｇが吸音材１１の下側やパンチングプレート１２の上側
をスムーズに流れるように、つまり、吸音体１がガス流
１の流れを妨げないようにするためである。また、吸音
体１のこのような配向はそれらの長手方向を管群部４内
に設置される伝熱管の管軸方向と一致させることによ
り、揚力方向ｌに沿って配列された吸音体１の吸音効果
を高めることに役立っている。なお、図２〜図４に示す
座標軸では、Ｘ軸を気柱共鳴モードの抗力方向、Ｚ軸方
向を同じく、揚力方向としている。さらに、吸音体１の
脚部は図４に示すように、ホッパ３の開口端より距離ｓ
（例えば、１ｍ）だけ内側に位置するように配置するこ
とにより、パンチングプレート１２に沿って滑落した石
炭灰が確実にホッパ３内に落ち込むようにしている。

【００１７】次に、吸音体１の垂直位置について説明す
る。図６および図７の気柱共鳴振動の速度分布曲線に示
すように、後部伝熱部側壁２が共鳴振動の節となるの
で、吸音体１の吸音効率が最も高い位置は共鳴振動の腹
となる位置となる。従って、一次の共鳴振動モードにつ
いて考えると、例えば、１０００ＭＷ級のボイラで共鳴
周波数が３０Ｈｚ、温度が３５０°Ｃの場合は共鳴振動
の波長は約２０ｍとなる。このことから、吸音体１はホ
ッパ３の孔底から共鳴振動の１／４波長の距離ｄ、即
ち、約５ｍ上方に配置すれば良いことが判る。このよう
に、気柱共鳴振動の腹となる位置に揚力方向（図５参
照）に沿って複数の吸音体１を伝熱管の管軸方向に平行
に配置することにより、揚力方向モードの気柱共鳴のエ
ネルギーを効率良く吸収できると共に、何れかの吸音体
１が抗力方向モードの気柱共鳴のエネルギーを吸収して
気柱共鳴による騒音の発生を防止することができる。な
お、吸音体１の垂直位置は共鳴振動の腹となる位置なら
ば何処でも良いが、一番下の腹となる位置に配置するの
が空間の有効利用上、最適となる。吸音体１の設置数は
必ずしもホッパ３と同じである必要はなく、要は吸音体
１の吸音能力が上記（４）式を満たすだけの数であれば
良い。また、効果は多少小さくなるが、共鳴振動の腹の
位置に設置できない場合は、腹近傍の位置としても、あ
る程度のエネルギー吸収が可能になるから、その位置に
設けても良い。

【００１８】図８は後部伝熱部に発生した騒音をガス流
Ｇの流速Ｕを吸音体１がない状態での共鳴発生時の値を
１とする相対値に対して測定した結果を示す棒グラフで
ある。ボイラの通常運転時のガス流Ｇの流速Ｕの範囲は
同図の矢印の範囲であり、ガス流Ｇの流速Ｕが通常運転
時の最大流速（約１．１）まで上昇する過程で、同図で
陰影付き棒グラフで示す従来例では流速Ｕが１．０近傍
で１００ｄＢを越える気柱共鳴騒音が発生するが、同図
で白抜き棒グラフで示すように、ホッパ３の上部に吸音
体１を配置した本実施例では、気柱共鳴が発生する下限
流速Ｕは約１．３となるから、通常運転時のガス流速Ｕ
の範囲外となり、実際上、気柱共鳴による騒音被害の発
生を防止できる。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したように請求項１記載の発明
によれば、気柱共鳴振動の腹となる位置に音響エネルギ
ーを吸収する吸音材を配置したので、如何なる気柱共鳴
モードに対しても共鳴現象の発生を確実に阻止ことがで
きる。請求項３記載の発明によれば、吸音材の上部に降
下する石炭灰から該吸音材を保護する保護材を設けたの
で、吸音材上に石炭灰が衝突したり、堆積するのを防止
することができる。

【００２０】請求項４記載の発明によれば、吸音材の断
面形状を逆Ｖ字状に形成すると共に、保護材を多数の透
孔が穿設された断面形状が逆Ｖ字状の穴空き板としたの
で、吸音材の吸音有効面積を最大にすることができ、保
護材を安価にかつ容易に形成できると共に、吸音材の吸
音機能を損なうことなく保護材上に石炭灰が堆積するの
を阻止することができる。請求項５記載の発明によれ
ば、後部伝熱部の底部に石炭灰回収のために形成された
ホッパの上部に吸音材を配置したので、後部伝熱部の空
間を有効活用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る石炭焚きボイラの後部伝
熱部の底部に配置される吸音体の斜視図

【図２】同じく、石炭焚きボイラの後部伝熱部内部の概
略構成を示す模式図

【図３】図２の切断線Ｉ−Ｉに沿った断面形状を示す模
式図

【図４】図３におけるホッパ部の部分拡大図

【図５】後部伝熱部の透視斜視図

【図６】一次の気柱共鳴の速度分布図

【図７】一次の気柱共鳴モードの音圧分布と速度分布を
対比した説明図

【図８】後部伝熱部に発生した騒音をガス流の流速の相
対値に対して測定した結果を示す棒グラフ

【図９】気柱共鳴現象の原理を示す説明図

【図１０】ガス流速Ｕに対する渦放出周波数ｆ_ｓと固有
共鳴周波数ｆ_ａ，ｎの音圧分布とを示す説明図

【図１１】後部伝熱部の内部の構造を示す断面図

【図１２】後部伝熱部側壁内部の気柱共鳴モードを示す
説明図

【符号の説明】

１吸音体２後部伝熱部側壁３ホッパ４管群部５伝熱管６吸音材７パンチングプレート１２ａ透孔１２ｂ稜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者定岡紀行茨城県日立市大みか町七丁目２番１号株式会社日立製作所電力・電機開発研究所内 (72)発明者丸石和幸広島県呉市宝町６番９号バブコック日立株式会社呉事業所内 (72)発明者古川淳広島県呉市宝町６番９号バブコック日立株式会社呉事業所内Ｆターム(参考） 3G004 CA06 CA13 EA06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内部に複数の障害物が設置された高温ガ
ス流通路が略閉空間を成し、該流通路を流れるガスによ
って前記障害物の後方に形成されたカルマン渦により発
生する気柱共鳴振動を防止する気柱共鳴防止装置におい
て、気柱共鳴振動の腹または腹近傍となる位置に音響エ
ネルギーを吸収する吸音材を配置したことを特徴とする
気柱共鳴防止装置。
【請求項２】ガス流通路は石炭焚きボイラの火炉の下
流に接続された後部伝熱部であり、障害物は多段に配列
された伝熱管群を含むことを特徴とする請求項１記載の
気柱共鳴防止装置。
【請求項３】吸音材の上部に降下する石炭灰から該吸
音材を保護する保護材を設けたことを特徴とする請求項
２記載の気柱共鳴防止装置。
【請求項４】前記吸音材の断面形状を逆Ｖ字状に形成
すると共に、前記吸音材の上部に設ける保護材を多数の
透孔が穿設された断面形状が逆Ｖ字状の穴空き板とした
ことを特徴とする請求項３記載の気柱共鳴防止装置。
【請求項５】後部伝熱部の底部に石炭灰回収のために
形成されたホッパの上部に前記吸音材を配置したことを
特徴とする請求項２記載の気柱共鳴防止装置。