JP2007057124A

JP2007057124A - ガスタービン機関用熱交換器

Info

Publication number: JP2007057124A
Application number: JP2005240589A
Authority: JP
Inventors: Masakatsu Matsuki; 木正勝松; Hiroshi Hoya; 谷博保
Original assignee: Sophia Precision Corp
Current assignee: Sophia Precision Corp
Priority date: 2005-08-23
Filing date: 2005-08-23
Publication date: 2007-03-08

Abstract

【課題】熱膨張の問題に対処することが出来て、構造が簡単な多管式のガスタービン用熱交換器の提供。
【解決手段】筒状のケーシング（１）内に複数の細管（５）を平行に配設し、それらの細管（５）の両端部にそれぞれ端板（６、７）を設けて固着し、その一方の端板（６）をケーシング（１）に固定し他方の端板（７）を可動端としてその可動端の端板（７）とケーシング（１）との間に漏洩防止手段（Ｓ）を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービン機関のコンプレッサー出口空気を排気ガスによって予熱する熱交換器に関する。

ガスタービン機関では、図５に示すようにコンプレッサーＫと燃焼器Ｃとの間に熱交換器Ｈを介装し、コンプレッサー出口空気ＡとタービンＴからの排気ガスＧとの熱交換を行ってこの予熱された空気Ａを燃焼器Ｃに送ることで排熱を回収し、熱効率の向上が図られている。
その様なガスタービン機関で用いられる熱交換器は、その内部に平行に配列された多数の細管を有し、該細管内に加熱したい空気Ａを流し、細管の外側をタービンＴからの排気ガスＧ（予熱用の加熱流体）を流すことにより、細管内を流れる空気を予熱している。

しかし、熱交換器を構成する各種部材の材料における熱膨張係数が相違することに起因して、熱変形を生じてしまい、場合によっては破損する可能性がある。具体的には、排気ガスＧの高熱により細管が熱膨張して、当該細管に固定されている部材や、その他の部材（ケーシング等）が細管の熱膨張を吸収し切れずに、細管が破損してしまうという恐れが存在する。
この様な、熱膨張に起因する弊害について、従来、有効な対応策は提案されていない。

その他の従来技術としては、マトリックスを回転する回転蓄熱式熱交換器であって、排気ガスの導入されたケーシング内に管マトリックスを設けてその内部の吸気と熱交換を行う熱交換器が提案されている（特許文献１参照）。
しかし、このような回転蓄熱式熱交換器においては、マトリックスと入口、出口管との間のシールからの漏洩が多い。
また、上述した様な、熱膨張に対する問題について、何等、解決するものではない。

この他にも、平板式熱交換器が存在する（特許文献２参照）。
しかし、平板式の熱交換器においては熱応力が平板状の部材に作用するので、長期間に亘って高温に晒されると、構造部材の熱膨張差による応力が大きくなり、亀裂が発生して漏洩を生ずることが多い。
これに加えて、平板式の熱交換器において、上述した熱膨張の問題に対処出来るものは提案されていない。
特開平５−２４００６３号公報特開平９−６８３０１号公報

本発明は、上記のような従来のガスタービン用熱交換器における熱膨張の問題に対処することが出来て、構造が簡単な多管式のガスタービン用熱交換器を提供することを目的としている。

本発明のガスタービン機関用熱交換器は、ガスタービン機関のコンプレッサー出口空気（Ａ）を排気ガス（Ｇ）によって予熱する熱交換器（Ｈ）において、筒状のケーシング（１）内に複数の細管（５）を平行に配設し、それらの細管（５）の両端部にそれぞれ端板（６、７）を設けて細管（５）の管端部を固着し、両端板間に複数のセパレータを挿入して両端板（６、７）間の細管（５）外方の領域を複数の領域（Ｒ１〜Ｒ４）に分割し、タービン（Ｔ）からの排気ガス（Ｇ）をその分割された各領域（Ｒ１〜Ｒ４）を順次通過させ、前記細管（５）内にコンプレッサー（Ｋ）出口の吸入空気を通して排気ガス（Ｇ）と空気（Ａ）との熱交換を行うように構成し、一方の端板（６）をケーシング（１）に固定し、他方の端板（７）を細管（５）の長手方向へ移動可能にせしめ、移動可能な該端板（７）とケーシング（１）との間に漏洩防止手段（Ｓ）を設けたことを特徴としている。

前記漏洩防止手段（Ｓ）は、可動端の端板（７）外周に円周溝を形成し、その円周溝に環状のパッキン材（９）を挿入してケーシング（１）の内周に沿って変位可能に密封することが好ましい。
あるいは、可動端の端板（７）とケーシング（１：あるいはケーシング端部を覆うカバー部材）との間に可撓管（いわゆるベローズ）（９Ａ）を介装してもよい。

上述した様な構成を具備する本発明のガスタービン用熱交換器は、以下に列挙する様な作用効果を奏する。
（ａ）簡単な構成であり、低コストで製作できるので、特に小型のガスタービン機関に使用するのに適している。
（ｂ）そして、ケーシング内の細管・端板等の構成は、一方の端部が変位可能で熱膨張に伴う問題点が回避され（図３参照）、かつ該部位には、漏洩防止手段が設けられているので信頼性が高い。
（ｃ）ケーシング内の２枚の端板間は複数のセパレータによって複数の領域に分割されており、排気ガスはこれらの領域を順次通過するので十分な伝熱面積が得られ、コンパクトな形態となっている。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１〜図３は本発明の第１実施形態に係るガスタービン機関用熱交換器を説明しており、ここで、図１および図２は、本発明の一実施形態の全体的な構成を示している。

図１および図２において、円筒状のケーシング１の内部には、内部をコンプレッサー出口空気Ａが流れる複数の細管５がケーシング軸と平行に配設されている。
それら各細管５は、その両端部が端板６、７に鑞付けによって固着されている。なお、本明細書では、端板６を出口側端板と表記し、端板７を入口側端板と表記する場合がある。

ケーシング１の一方の端部（図１の右方）には入口側カバー２が固着され、ケーシング１の他方の端部（図１の左方）には出口側カバー３がそれぞれ固着されている。
入口側カバー２には、コンプレッサーＫ（図５参照）の出口に連通する管１２が接続されている。一方、出口側カバー３には、燃焼器（Ｃ）に連通する管１３が接続されている。

また、ケーシング１内の前記端板６、７間には、端板６、７に平行に設置された複数のセパレータ８が設けられており、複数のセパレータ８には前記各細管５が貫通している。複数のセパレータ８によって、ケーシング１内の細管５外方の領域は、複数の領域Ｒ１〜Ｒ４に分割されている。

ケーシングの内部領域であって且つ領域Ｒ１〜Ｒ４の半径方向外方に位置する領域には、排気ガスＧの入口Ｐ１および出口Ｐ２がそれぞれ形成されており、入口Ｐ１と出口Ｐ２は半径方向について相対向する様に配置されている。
また、ケーシング１の外周部には排気通路１ａが形成されている。

出口側カバー３側に位置する第１の領域Ｒ１の排気ガス入口Ｐ１には、タービン出口からの排気管１４が接続されている。
入口Ｐ１と半径方向について対向位置にある第１の領域の出口Ｐ２から、第２の領域Ｒ２の入口Ｐ１に連通する通路が形成されており、該通路は、その内部を流れる高熱排ガスが反転する様に形成されている。

そして、第２の領域Ｒ２の出口Ｐ２から、第３の領域Ｒ３の入口Ｐ１に連通する通路が形成されており、該通路は、その内部を流れる高熱排ガスが反転する様に形成されている。
同様に、第３の領域Ｒ３の出口Ｐ３から、第４の領域Ｒ４の入口Ｐ１に連通する通路が形成され、該通路は、その内部を流れる高熱排ガスが反転する様に形成されている。
最終領域Ｒ４の出口Ｐ２には排気管１５が接続されている。

前記両端板６、７、各セパレータ８、および各細管５は鑞付けによって一体化されている。そして、出口側端板６は、そのフランジ部がケーシング１および出口側カバー３と共締めされている。
しかし、セパレータ８および入口側端板７は、その外周面（半径方向外方の端面）がケーシング１内周に遊嵌合されており、細管５が熱膨張した際に、細管５の変位に対応して、ケーシング１内周面を移動（或いは摺動）することが可能に構成されている。
そして、入口側端板７の外周とケーシング１の内周との間に漏洩防止手段Ｓが介装されている。

この漏洩防止手段Ｓとしては、図１に示した実施形態では、端板７の外周に円周溝が形成され、リング状の耐熱性のパッキン材９が挿入されている。このパッキン材９のシール性により、細管５が高熱により膨張すると、図３において鎖線で示すように、端板７はケーシング１内周との間で変位（摺動）するが、領域Ｒ４と入口側カバー２の内部空間との気密状態を保つことが出来る。

なお、ガスタービンの熱交換器においては、排気ガスＧ側より空気Ａ側の圧力が高いので、端板７の外周に形成された円周溝に、ピストンリングのような切れ目のある金属リングを挿入して、その張力でケーシング１の内面に押しつける。あるいはラビリンス溝を設けてもよい。

図４は第２実施形態を示している。
図４で示す第２実施形態では、可動端側端板７Ａとケーシング１との間に伸縮可能なベローズ（可撓管）９Ａを介装した漏洩防止手段が用いられている。
係るペローズ９Ａを設けることにより、細管５の熱変形しても可動端側端板７Ａはケーシング１の内周面に対して相対移動を行い、熱変形による破損を防止することが出来る。それと共に、ペローズ９Ａにより、ケーシング１の内部領域（Ｒ１〜Ｒ４）と、入口カバー２或いは出口カバー３の内部空間との気密状態が保持される。

図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術範囲を限定する趣旨の記述ではない旨を付記する。

本発明によるガスタービン用熱交換器を示す縦断面図。図１の横断面図。熱膨張によって可動端側端板が変位した状態を示す図。漏洩防止手段の一実施形態を示す断面図。ガスタービン機関の構成の一例を示す図。

符号の説明

１・・・ケーシング
２・・・入口側カバー
３・・・出口側カバー
５・・・細管
６・・・端板（固定端）
７・・・端板（可動端）
８・・・セパレータ
９・・・パッキン材
９Ａ・・・ベローズ
１２、１３・・・吸気管
１４、１５・・・排気管
Ｃ・・・燃焼器
Ｈ・・・熱交換器
Ｋ・・・コンプレッサー
Ｓ・・・漏洩防止手段
Ｔ・・・タービン

Claims

ガスタービン機関のコンプレッサー出口空気を排気ガスによって予熱する熱交換器において、筒状のケーシング内に複数の細管を平行に配設し、それらの細管の両端部にそれぞれ端板を設けて細管の管端部を固着し、両端板間に複数のセパレータを挿入して両端板間の細管外方の領域を複数の領域に分割し、タービンからの排気ガスをその分割された各領域を順次通過させ、前記細管内にコンプレッサー出口の吸入空気を通して排気ガスと空気との熱交換を行うように構成し、一方の端板をケーシングに固定し、他方の端板を細管の長手方向へ移動可能にせしめ、移動可能な該端板とケーシングとの間に漏洩防止手段を設けたことを特徴とするガスタービン機関用熱交換器。