JP2016180522A - ボイラ - Google Patents

Abstract

【課題】ボイラ本体の内部に設けられる内部エレメントの地震応答を低減できる吊り下げ式ボイラを提供する。【解決手段】本発明のボイラ１は、ボイラ本体３と、ボイラ本体３を吊り下げて支持する支持鉄骨５と、を備える。ボイラ本体３は、水管１５と平板状のフィン１６とが交互に組み合わされた火炉壁１１と、火炉壁１１の内部に収容される内部エレメント４と、火炉壁１１に対する内部エレメント４の相対的な変位が所定値を超えると、振動エネルギを吸収するバッファ機構２０と、を備える。バッファ機構２０は、内部エレメント４の主振動方向における火炉壁１１と内部エレメント４の間に、干渉によるバッファ機構２０からの荷重がフィン１６に伝えられることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、吊り下げ式のボイラに関し、特に内部に設けられる機器類の地震応答を低減できる機構を備えるボイラに関する。

ボイラは、運転中にボイラ本体の熱膨脹を妨げないようにするために、支持鉄骨によりボイラ本体を吊り下げている。したがって、地震が発生すると、ボイラ本体は支持鉄骨の内部で吊り鐘のように振り子運動をする。その際、ボイラ本体と支持鉄骨との相対変位を制限する目的で、振れ止め装置が設けられている。
例えば、特許文献１は、ボイラ本体よりも外側に設けたバックステーと、ボイラ本体を吊り下げ支持する支持鉄骨との間に弾塑性エレメントを設け、かつこの弾塑性エレメントを複数のグループに分割したボイラ振れ止め装置を提案している。

特開平５-３４０５０２号公報

地震が生じると、ボイラ本体と支持鉄骨との間に相対変位が生じるだけでなく、ボイラ本体の外殻をなすボイラ缶とボイラ缶の内部に設けられる機器類との間にも相対変位が生じる。なお、この内部エレメントとして主なものは配管である。ところが、特許文献１も含め、これまで提案されている振れ止め装置は、ボイラ本体と支持鉄骨との相対変位について考慮しているものの、内部エレメント類の地震応答の低減を検討した例は見当たらない。
そこで本発明は、ボイラ缶の内部に設けられる内部エレメントの地震応答を低減できる吊り下げ式ボイラを提供することを目的とする。

本発明のボイラは、ボイラ本体と、ボイラ本体を吊り下げて支持する支持鉄骨と、を備え、ボイラ本体は、水管と平板状のフィンとが交互に組み合わされた火炉壁と、火炉壁の内部に収容される内部エレメントと、火炉壁に対する内部エレメントの所定値を超える相対的な変位が生じると、内部エレメントと干渉して振動エネルギを吸収するバッファ機構と、を備えることを特徴とする。
本発明によれば、火炉壁に対する内部エレメントの所定値を超える相対的な変位が生じると、振動エネルギを吸収するバッファ機構を備えているので、内部エレメントの地震応答を低減できる。

本発明のバッファ機構は、内部エレメントの主振動方向の相対的な変位に基づく干渉による荷重がフィンに加えられることが好ましい。
また、本発明のボイラにおいて、バッファ機構は、干渉により圧縮して塑性変形するエネルギ吸収体を備えることができる。
このバッファ機構として、エネルギ吸収体と、エネルギ吸収体を支持するとともに、火炉壁に固定される架台と、を備える場合に、架台を火炉壁のフィンに固定することが好ましい。この架台が、干渉により圧縮して塑性変形するエネルギ吸収能を備えることもできる。
また、エネルギ吸収体として、ハニカム構造体を用いるのが好ましく、このハニカム構造体は、主振動方向に軸線が沿って配置することができる。
以上のバッファ機構は、主振動方向における往路側と復路側の両側に一対設けることが好ましい。

本発明のボイラにおいて、バッファ機構は、火炉壁に固定される、曲げ及びせん断が生じるダンパ要素と、内部エレメントに固定され、ダンパ要素が干渉する干渉体と、を備えることができる。
この干渉体としては、主振動方向における往路側と復路側の両側に一対設けることが好ましい。

本発明によれば、火炉壁に対する内部エレメントの所定値を超える相対的な変位が生じると、振動エネルギを吸収するバッファ機構を備えているので、内部エレメントの地震応答を低減できる吊り下げ式ボイラが提供される。

本実施形態に係る吊り下げ式ボイラの概略構成を示す図である。 第１実施形態に係るバッファ機構を示し、（ａ）は部分平断面図、（ｂ）は側面図である。 第１実施形態が地震動を受けたときの、バッファ機構の作用及び効果を説明する図である。 第１実施形態の好ましいエネルギ吸収体の例を示す図である。 図４のエネルギ吸収体が塑性変形する過程を示す図である。 図４のエネルギ吸収体の変形例を示す図である。 第２実施形態に係るバッファ機構を示す平断面図である。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
［第１実施形態］
本実施形態に係る吊り下げ式のボイラ１は、図１及び図２に示すように、ボイラ本体３と、ボイラ本体３を取り囲む支持鉄骨５と、を備え、ボイラ本体３は吊り部材７を介して支持鉄骨５に吊り下げられる。なお、支持鉄骨５は、図１には部分的にしか示していないが、鉛直方向に延びる複数本の柱５Ａ、水平方向に延びる複数本の梁５Ｂなどを組み合わせて構成されている。
ボイラ本体３は、ボイラ缶１０と、ボイラ缶１０の内部に設けられる主に配管からなる内部エレメント４と、備えている。本実施形態は、ボイラ缶１０の火炉壁１１との関係で、内部エレメント４の地震応答を低減するバッファ機構２０を備えている。

火炉壁１１はメンブレンウォールからなり、図２に示すように、水管１５と平板状のフィン１６とを溶接により交互に組み合わせたものである。したがって、その内面１２及び外面１３は、水管１５の外周面形状の一部とフィン１６の面の形状とが交互に繰り返す凹凸形状となっている。火炉壁１１は、その過熱防止、熱回収有効利用を主たる目的として水管１５を備え、水管１５に水、スチームを通すことによりこの目的を達している。したがって、火炉壁１１において、水管１５はフィン１６よりも、ボイラ１がその機能を維持するために重要な要素と言える。

バッファ機構２０は、図２（ａ），（ｂ）に示すように、ボイラ缶１０の火炉壁１１に固定されている。火炉壁１１は、火炉壁１１は、内部エレメント４に臨む内面１２と、内面１２に対向する外面１３と、を備えており、バッファ機構２０は内面１２の側に固定されている。
バッファ機構２０は、ボイラ１の構造設計において、内部エレメント４と水管１５及びフィン１６で構成される火炉壁１１との間に設定されるクリアランスＣの範囲内に設けられている。

バッファ機構２０は、断面が門型をなす架台２１と、架台２１に取り付けられ、内部エレメント４が干渉すると干渉によるエネルギを吸収するエネルギ吸収体２５と、を備えている。
架台２１は、横断面が門型の例えば溝型鋼からなり、ウェブ２２と、ウェブ２２の両端に連なる一対のフランジ２３，２３と、を備えており、フランジ２３，２３が火炉壁１１の水管１５を跨ぎ、例えば溶接によってフィン１６に固定される。このように、バッファ機構２０は、荷重が水管１５に直接は加わらないように固定されている。

エネルギ吸収体２５は、架台２１のウェブ２２に、例えば溶接によって固定されている。
エネルギ吸収体２５は、地震動が生じて内部エレメント４が想定されるよりも大きく揺れ動いて、内部エレメント４が干渉すると、塑性変形することにより、運動エネルギを吸収して地震時応答を低減する。そのために、エネルギ吸収体２５は、内部エレメント４がエネルギ吸収体２５に干渉した際に、内部エレメント４及び火炉壁１１が損傷するよりも早期に降伏する機械的な特性が与えられている。
なお、地震動が生じたときに、その構造上、ボイラ本体３は、図２の白抜き矢印Ａの方向の方が、これに直交する方向よりも揺れが大きくなるものとし、これを主振動方向Ａということにする。
また、バッファ機構２０をなす架台２１及びエネルギ吸収体２５は、内部エレメント４及び火炉壁１１と同様の耐熱鋼で構成される。

次に、図３を参照して、バッファ機構２０を備えるボイラ１が地震動を受けたときの、バッファ機構２０の作用及び効果を説明する。
図３（ａ）に示す定常状態から地震動を受けて内部エレメント４が相対変位してエネルギ吸収体２５に接近し、ついには干渉、衝突すると、図３（ｂ）に示すようにエネルギ吸収体２５が収縮して塑性変形し、地震動によるエネルギを吸収する。地震動による揺れ戻しによって、内部エレメント４は、エネルギ吸収体２５から一旦は離れるが、再度、エネルギ吸収体２５に干渉する。このときの内部エレメント４の変位量は先の相対変位よりも大きくなる。したがって、エネルギ吸収体２５は先の干渉のときよりも大きく収縮して、地震動エネルギを吸収する。
エネルギ吸収体２５は、以上の挙動を繰り返すので、図３（ｃ）に示す荷重−変位の関係を呈しながら、内部エレメント４の地震時応答を低減する。

バッファ機構２０において、エネルギ吸収体２５がエネルギを吸収するものの、架台２１も荷重を受けるので、この荷重は架台２１が固定されている火炉壁１１に伝わる。この荷重によって、火炉壁１１がその機能を失わないことが望まれるが、本実施形態はこの要望に応えるために、架台２１をフィン１６に固定して荷重をフィン１６で受ける一方、水管１５では荷重を直接は受けないようにしている。前述したように、水管１５はボイラ１の機能を司るということができるので、架台２１は、水管１５を跨いでフランジ２３，２３をフィン１６に取りつけ、万一、フィン１６に損傷が生じた場合でも、ボイラ１の機能を担保している。

以上説明したように、本実施形態によれば、クリアランスＣ内でエネルギを吸収するバッファ機構２０を備えるので、内部エレメント４の地震時応答を低減できるとともに、エネルギ吸収効果によりボイラ１の支持鉄骨５全体としても地震応答低減効果が得られる。
さらに、本実施形態によれば、バッファ機構２０からの荷重をフィン１６で受け、水管１５には直接は伝わらない構造を採用しているので、ボイラ１の機能を担保することができる。

以上では、一つのバッファ機構２０を説明したが、地震動により想定される荷重に応じて、平面方向、高さ方向に複数のバッファ機構２０を設置してもよく、内部エレメント４の振動モードに基づき、最も効果的と考えられる位置に適切な数量を設置することができる。一般的には、内部エレメント４の振動モードが最も大きくなる箇所を確認し、そこにバッファ機構２０を設ければよい。

また、以上では、水管１５の損傷を避けるために、水管１５にはウェブ２２及びフランジ２３，２３が接触しない構成としているが、水管１５の機能を維持できるのであれば、水管１５にウェブ２２及びフランジ２３，２３が接触することを許容する。ただし、この場合でも、主にフィン１６が荷重を受けることが前提である。
また、以上では、バッファ機構２０のエネルギ吸収体２５が塑性変形することにしているが、同時に又は遅れて架台２１が塑性変形してエネルギを吸収してもよい。

次に、本実施形態に用いるエネルギ吸収体は、以上で説明した作用を発現する限り任意であるが、図４を参照して好ましい例を説明する。なお、図４において、図２に示す構成要素と同じ構成要素については、図２と同じ符号を付している。
エネルギ吸収体の好ましい例として、図４（ｂ）に示すハニカムコア２６を提案する。
ハニカムコア２６は、図４（ｂ）に示すように、多数の例えば六角形のセル２７が集合した構造を有しする。各セル２７には、その軸線Ｌに沿って貫通する六角形状の貫通孔２８が形成されており、この貫通孔２８はそれぞれのセル２７の両端に開口している。

図４（ａ），（ｂ）に示すように、ハニカムコア２６からなるエネルギ吸収体は、内部エレメント４がハニカムコア２６に干渉した時の圧縮方向が、軸線Ｌ方向と一致するように架台２１に固定される。
ハニカムコア２６は、内部エレメント４が干渉すると、収縮、変形することにより、内部エレメント４の衝突力によるエネルギを吸収する。図５を参照して、その変遷の一例を説明する。

内部エレメント４の干渉により、ハニカムコア２６は、図５（ａ）に破線で示す初期状態から変形、収縮して、ついには、図５（ｂ）に示すように完全な圧潰状態に至る。ハニカムコア２６はこの時点でエネルギ吸収能を失う。その後にさらに内部エレメント４に大きな相対変位が生じると、図５（ｃ）に示すように、ハニカムコア２６に代わって架台２１が塑性変形をし、バッファ機構２０が全体としてエネルギの吸収を担う。この図５（ａ），（ｂ），（ｃ）の変遷を荷重−変位線図に示したのが図５（ｄ）である。なお、図５（ｄ）における（ａ），（ｂ），（ｃ）は、図５（ａ），（ｂ），（ｃ）の状態に対応している。

エネルギ吸収体としてのハニカムコア２６も、前述したエネルギ吸収体２５と同様に、内部エレメント４及び火炉壁１１が損傷するよりも早期に降伏する機械的な特性が与えられており、また、内部エレメント４の振動モードに基づき、最も効果的と考えられる位置に適切な数量を設置することができる。具体的には、図６（ａ）に示すように、間隔をあけて複数のバッファ機構２０を設けることができるし、図６（ｂ）に示すように、三つのフィン１６に跨る寸法を有するバッファ機構２０を設けることもできる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態を、図７を参照して説明する。なお、第１実施形態と同じ構成については、図７に図２と同じ符号を付している。
第２実施形態に係るバッファ機構３０は、曲げ及びせん断を受けるダンパ構造を採用するとともに、地震動による往復の振動に対してエネルギ吸収が可能に構成されている。

バッファ機構３０は、図７（ａ），（ｂ）に示すように、火炉壁１１に最も近い内部エレメント４の水平（幅）方向Ｈの一端部であって、鉛直（上下）方向Ｖの下端部に設けられるものであり、火炉壁１１の側に設けられる主ダンパ要素３１と、内部エレメント４の側に設けられ、主振動方向Ａに所定値を超える振動が生じたときに主ダンパ要素３１と干渉するダンパ受け３５と、を備えている。
主ダンパ要素３１は、火炉壁１１のフィン１６に一端（固定端）側が固定され、火炉壁１１から垂直に延びる第一アーム３２と、第一アーム３２の他端（自由端）側に一端（固定端）側が固定され、火炉壁１１に平行に延びる第二アーム３３と、備えている。
主ダンパ要素３１は、第一アーム３２が内部エレメント４の水平方向Ｈの端部から所定距離だけ離れたところに位置し、また、第二アーム３３が内部エレメント４の鉛直方向Ｖの下端部よりも所定距離だけ離れたところに位置している。

ダンパ受け３５は、内部エレメント４の下面４Ａに取り付けられる、横断面が門型の例えば溝型鋼からなる部材である。ダンパ受け３５は、下面４Ａに固定される固定部３６と、固定部３６の幅方向の両端から垂れ下がる一対の係止片３７Ａ，３７Ｂと、を備えている。なお、ここでいう幅方向は、地震動が生じる方向と一致する。また、固定部３６及び係止片３７Ａ，３７Ｂは、矩形の平板からなるが、あくまで一例であり、所期の目的を達成できる限り、その形態は限定されない。
ダンパ受け３５は、係止片３７Ａ，３７Ｂの間に挿入空隙３８が設けられ、この挿入空隙３８には主ダンパ要素３１の第二アーム３３が挿入されている。挿入空隙３８の幅Ｗ３８は、内部エレメント４の厚さＴよりも大きく設定されており、定常時には、内部エレメント４が係止片３７Ａ，３７Ｂから離れている。

次に、バッファ機構３０を備えるボイラ１が地震動を受けたときの、バッファ機構３０の作用及び効果を説明する。
定常状態から地震動を受けて内部エレメント４が相対変位すると、ダンパ受け３５の係止片３７Ａが第二アーム３３と接近し、ついには干渉する。そうすると、主ダンパ要素３１の第二アーム３３が曲げ及びせん断を受けて塑性変形し、地震動によるエネルギを吸収する。地震動による揺れ戻しによって、第二アーム３３は係止片３７Ａから一旦は離れるが、今度は、係止片３７Ｂに干渉する。このときの内部エレメント４の変位量は先の相対変位よりも大きくなる。したがって、に示すように、第二アーム３３が曲げ及びせん断を受けて塑性変形し、先の干渉のときよりも大きく収縮して、地震動エネルギを吸収する。
主ダンパ要素３１をなす第二アーム３３は、以上の挙動を繰り返すので、図７（ｄ）に示す荷重−変位の関係を呈しながら、内部エレメント４の地震時応答を低減する。なお、図７（ｃ）に示すように、第一アーム３２を補強する補強アーム３４を第一アーム３２とフィン１６の間に設けることにより、第一アーム３２の構造を小さくできる。
なお、塑性変形によるエネルギ吸収は第二アーム３３で行うことを主とするが、第一実施形態に示したように、支持部材である図７（ａ）、（ｂ）の第一アーム３２、図７（ｃ）の第一アーム３２、補強アーム３４、係止片３７Ａ、３７Ｂが塑性化する構成としても問題ないことは言うまでもない。

以上説明した通りであり、第２実施形態にかかるバッファ機構３０も、第１実施形態のバッファ機構２０と同様に、内部エレメント４の地震時応答を低減できるとともに、エネルギ吸収効果によりボイラ１の支持鉄骨５全体としても地震応答低減効果が得られる。また、バッファ機構２０からの荷重をフィン１６で受け、水管１５には直接は伝わらない構造を採用しているので、ボイラ１の機能を担保することができる。

加えて第２実施形態は、主振動方向Ａに間隔をあけて一対の係止片３７Ａ，３７Ｂを備えているので、往復振動の往路側と復路側のそれぞれに対してエネルギ吸収が可能であり、地震動のように往復振動が繰り返しして生じる場合には、よりエネルギ吸収量が大きくなり、地震応答低減効果が向上する。
また、第１実施形態のバッファ機構２０は、内部エレメント４と火炉壁１１の間に設置する必要があるため、内部エレメント４と火炉壁１１の間の間隔によって、設置位置が制約されることもある。これに対して、第２実施形態のバッファ機構３０は内部エレメント４の下面４Ａに設けることができるため、設置位置の制約はほとんどない。また、バッファ機構２０は、エネルギ吸収体２５の収縮量（変形量）が内部エレメント４と火炉壁１１の間の間隔よりも小さくならざるを得ないが、ダンパ受け３５が内部エレメント４の下面４Ａに設けられるバッファ機構３０はそのような制約がないため、変形量を大きくできる。

以上、本発明の好ましい二つの実施形態を説明したが、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更したりすることが可能である。

１ ボイラ
３ ボイラ本体
４ 内部エレメント
４Ａ 下面
５ 支持鉄骨
７ 吊り部材
１０ ボイラ缶
１１ 火炉壁
１２ 内面
１３ 外面
１５ 水管
１６ フィン
２０ バッファ機構
２１ 架台
２２ ウェブ
２３ フランジ
２５ エネルギ吸収体
２６ ハニカムコア
２７ セル
２８ 貫通孔
３０ バッファ機構
３１ 主ダンパ要素
３２ 第一アーム
３３ 第二アーム
３４ 補強アーム
３６ 固定部
３７Ａ，３７Ｂ 係止片
３８ 挿入空隙
Ｃ クリアランス

Claims (9)

1. ボイラ本体と、
   前記ボイラ本体を吊り下げて支持する支持鉄骨と、を備え、
   前記ボイラ本体は、
   水管と平板状のフィンとが交互に組み合わされた火炉壁と、
   前記火炉壁の内部に収容される内部エレメントと、
   前記火炉壁に対する前記内部エレメントの所定値を超える相対的な変位が生じると、前記内部エレメントと干渉して振動エネルギを吸収するバッファ機構と、を備える、
   ことを特徴とするボイラ。
2. 前記バッファ機構は、
   前記内部エレメントの主振動方向の相対的な変位に基づく前記干渉による荷重が前記フィンに加えられる、
   請求項１に記載のボイラ。
3. 前記バッファ機構は、
   前記干渉により圧縮して塑性変形するエネルギ吸収体を備える、
   請求項１又は請求項２に記載のボイラ。
4. 前記バッファ機構は、
   前記エネルギ吸収体と、
   前記エネルギ吸収体を支持するとともに、前記火炉壁に固定される架台と、を備え、
   前記架台は、前記火炉壁の前記フィンに固定される、
   請求項３に記載のボイラ。
5. 前記架台は、
   前記干渉により圧縮して塑性変形するエネルギ吸収能を備える、
   請求項４に記載のボイラ。
6. 前記エネルギ吸収体は、ハニカム構造体からなり、
   前記ハニカム構造体は、前記主振動方向に軸線が沿って配置されている、
   請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載のボイラ。
7. 前記バッファ機構は、
   前記主振動方向における往路側と復路側の両側に一対設けられている、
   請求項２〜６のいずれか一項に記載のボイラ。
8. 前記バッファ機構は、
   前記火炉壁に固定される、曲げ及びせん断が生じるダンパ要素と、
   前記内部エレメントに固定され、前記ダンパ要素が干渉する干渉体と、を備える、
   請求項１に記載のボイラ。
9. 前記干渉体は、
   前記主振動方向における往路側と復路側の両側に一対設けられている、
   請求項８に記載のボイラ。

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