JP4067924B2 - 音波式スートブロワ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、音波発振装置と該音波発振装置を音波発振対象装置の壁面の音波投入用開口部に設けた音波式スートブロワに関する。
【0002】
【従来の技術】
音波発振対象装置の典型例である石炭火力発電プラントのボイラ火炉は、複数の伝熱管と該伝熱管間を接続する鋼板により構成される火炉壁を備え、該火炉壁内へも伝熱管を備えている。
ボイラ火炉の火炉壁及び火炉内に設置される伝熱管には石炭燃焼灰が堆積しやすいので、灰が堆積しないように抑制すること及び堆積した灰を除去するために高音圧の音波を炉内に発振させる音波式スートブロワが知られている。
【0003】
【特許文献1】
国際公開第01/53754号パンフレット
【0004】
【特許文献2】
特開平11−179310号公報
【0005】
【特許文献3】
特開平9−61090号公報
【0006】
【特許文献4】
特開平9−61089号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
音波式スートブロワは火炉壁の音波投入用開口部から音波を火炉内に供給するが、前記開口部は直径約450mmの大きな穴であり、火炉壁にこのような大きな開口部を設けるためには、火炉壁の伝熱管を曲げ加工して直径約450mmの開口部を火炉壁の製造工場で事前に製作する必要があり、長納期、高コストとなった。
【0008】
また、火炉の高熱負荷部に開口部を設けたとしても、直径約100mm以上の穴をあけることができないので、前記高熱負荷部の火炉壁には音波式スートブロワの音波投入用開口部を設けるには制限があった。
【0009】
さらに、ボイラ火炉壁の開口部と音波発振装置はそれぞれのフランジ面で接続されるが、ボイラの運転条件により火炉壁が熱膨張し、前記フランジ面に微小な隙間が発生し、高音圧の音が漏れて騒音問題を発生させるおそれがある。
【0010】
このように上記従来技術の音波式スートブロワは、音波発振装置からの音波が通過する火炉壁に音波が通過する範囲に対して完全な開口部を設置することで対応しようとするため、取付制限や高コスト化をもたらし、どの程度の大きさで、どのような形状の開口部であれば炉内へ投入する音波の音圧を低下させないで音波を通過させることができるかの技術的な確立がなされていなかった。また、音波発振装置の取付部の高音圧漏れによる騒音問題は、取付フランジ面が加熱状態にあり、絶えず膨張、収縮変化するためフランジ面には微小な隙間が発生する現象がある点を考慮していなかった。
【0011】
本発明の課題は、高熱負荷の状態にある火炉壁においても、低熱負荷の状態にある火炉壁と同等に取付制限無しに音波発振装置を火炉壁に取り付けることができ、また騒音が外部に漏れない音波式スートブロワを提供することである。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記本発明の課題は、次の解決手段により達成される。
請求項1記載の発明は、圧縮空気にて振動板を振動させて音波を発生させる音波発振部と該音波発振部で発振された音波を共振、増幅する音波増幅部を有する音波発振装置と該音波発振装置を音波発振対象装置の壁面の音波投入用開口部(例えば直径約450mm)に設けた音波式スートブロワにおいて、音波投入用開口部には格子からなるスリット状の音波通過部を形成した音波式スートブロワである。
【0013】
請求項2記載の発明は、音波発振対象装置が複数の伝熱管と該伝熱管間を接続する鋼板により構成される火炉壁を備え、該火炉壁内に伝熱管を備えた火炉である場合には、前記火炉壁の音波投入用開口部は前記火炉壁を構成する伝熱管間を接続する鋼板に設けられる請求項1記載の音波式スートブロワである。
【0014】
請求項3記載の発明は、火炉壁の音波投入用開口部の厚み方向には防音用の内面スリーブ(例えば、内径450mm、肉厚9mm)を設ける請求項2記載の音波式スートブロワである。
【0015】
【作用】
音波を発振し、炉内へ音波を投入する方法において、従来は音波が通過する経路は音波発振源から連続して同一面積となるように取付けていた。この考えは音波式スートブロワで発振した音波の音圧を減衰無しに炉内へ発振させようという考慮により要求された仕様条件であった。
【0016】
これは音波通過断面積が変化した場合、式(1)に示すように前記断面積が変化した位置で音響インピーダンスZが変化し、反射が発生するため音圧の減衰の発生が危惧されていた。
Z=P/SV=ρC/S (1)
Z:音響インピーダンス
P:音圧
S:断面積
V:粒子速度
ρ:空気密度
C:音速
【0017】
また、音波通過断面積が変化することによる音圧の減衰Rは次式(2)で表される。
R=Log10{1/4(m+1/m+2)} (2)
Po<Pi のとき m=S2/S1
Po:透過音圧
Pi:入射音圧
S1:入射側断面積
S2:透過側断面積
【0018】
さらに従来、音響上のスリットにおいてはスリット部で気柱共振が発生し、この気柱の振動にエネルギーが使用されることで、スリットを通過する間に音波の音圧が減衰することが危惧されていた。なお、この減衰現象は特定の周波数で発生するため、音波式スートブロワの発振周波数で発生するかを確認する必要があった。
【0019】
音波式スートブロワでは、ボイラ火炉などの音波発振対象装置の壁面には直径約450mmの音波投入用開口部を設けないと、ボイラ火炉の火炉壁及び火炉内に設置される伝熱管に堆積した石炭燃焼灰を除去できないと考えられていた。
【0020】
しかし、本発明では、音波投入用の開口部にスリット状の音波通過部を形成し、このスリット状の空間より音波式スートブロワからの音波発振対象装置(ボイラ火炉)内へ音波を発振しても、音圧(例えば145dB)がスリットで減衰されることなく、高音圧の音波を音波発振対象装置(ボイラ火炉)内に発振することができる。
【0021】
そのため音波発振対象装置がボイラ火炉である場合には、伝熱管は火炉を構成している形状(直管部)のため、熱負荷による管内の流れ状況の変化が発生しないため熱負荷の制約がなくなり、火炉壁面および火炉内の伝熱管への堆積した灰の除去および灰の堆積を抑制することができる。また、この場合には、複数の伝熱管と該伝熱管の間に溶接接続される鋼板からなる火炉壁管の構成を現状のままとし(伝熱管の直管部分を曲げる必要がない)、前記鋼板部のみに対して音波が通過する範囲(直径約450mm)の音波投入用開口部を形成し、該開口部にスリット状の音波通過部を形成できる。このため、この方法においても熱負荷による管内の流れの状況の変化が発生しないため、熱負荷の制約がなくなる。
【0022】
また、音波発振対象装置がボイラ火炉である場合には、火炉壁の保温材は断熱用の素材であるため、火炉壁へ取り付けられる音波式スートブロワの音波発振装置の高音圧(145dB)に対し、防音効果が十分に取れないため音波式スートブロワの音波発振装置と火炉壁開口部にわたり、防音用の内面スリーブ(内径450mm、肉厚9mm程度の鋼管)を設置することで、従来のボイラ火炉壁の構造のままで音波式スートブロワの騒音が低減できる。
【0023】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図面と共に説明する。
図1にボイラ火炉開口部への音波式スートブロワの取付部の断面図を示し、図2に図1のA−A線矢視図を示す。
【0024】
音波式スートブロワ1はホーン2、音波発振器3及び共鳴筒4などから構成され、水管6と鋼板7を備えたボイラ火炉壁8の開口部へ取付けられている。ボイラ火炉壁8の開口部へ臨むホーン2から出る音圧がボイラ火炉10の外へ出るのを防止するための遮熱を兼ねる防音用の取付ボックス11内にホーン2が保持されている。また、ホーン2には音波発振器3が周波数調整用の共鳴筒4を介して接続されている。また、火炉壁8と取付ボックス11との接続部にも断熱性の覆い12を設けている。
【0025】
音波は圧縮空気が音波発振器3内に配置されている振動板(図示せず)を振動することにより発生するが、音波発振器3から発振された音波は共鳴筒4で発振周波数の波長が調節され、ホーン2により音圧138〜145dB(A)までその音圧が増幅される。
【0026】
また、ボイラ火炉開口部に位置する鋼板7にはスリット13を設け、該スリット13の空間より音波を発振させる音波式スートブロワ1を火炉壁8に取り付ける。スリット13のボイラ火炉開口部の全面積に対する開口率は30%〜60%であり、これを式(2)の断面積変化として取扱うとm=0.3〜0.6となる。この断面積変化による音圧減衰量Rを式(2)より計算すると、R=1.5dB〜0.3dBと極めて小さいことが予想された。
【0027】
この予想が正しいかどうかを確認するため、スリット無しのボイラ火炉開口部の開口率100%から30%スリット構造までの複数のモデルを使用して音波発振試験を行った結果、減衰率は1%以下となり、試験結果においてはスリット通過後の音圧は音波発振源とほぼ同一の音圧が得られた。以上により、ボイラ火炉開口部にスリット部を設けた構造によっても音圧の減衰がない状態で炉内へ音波が発振できることを確認した。
【0028】
次に直径30mmにおける伝熱管6をスリットとして考えた場合、スリット部で発生する気柱共振周波数は次のようになると考えられる。
スリット開口率30%では共振を発生させる周波数は約2500Hz以上
スリット開口率60%では共振を発生させる周波数は約1030Hz以上
従って、音波式スートブロワ1の発振周波数115Hz〜150Hzではスリット仕様に対し、波長が長すぎて減衰がない状態で音波が火炉10内へ発振できることが確認できた。
【0029】
ところで、音波式スートブロワ1は火炉壁開口部に設けたフランジ15等に取付けられているが、ボイラの運用状況により火炉壁開口部のフランジ15の加熱条件が変化するため、フランジ15の音波式スートブロワ1の取付部には微小な隙間が発生する。このためボイラが定格負荷になった時点でフランジ15の取付ボルト、ナット(図示せず)に対して増締めを行い、フランジ15を音波式スートブロワ1の取付部に密着させる作業等を行っていたが、その後のボイラ運転条件の変化により、フランジ15のブロワ1の取付部には隙間が発生してしまっていた。
【0030】
以上の現象はボイラ等の高温の燃焼ガスが流れるダクト等の取付部においては避けられない現象であるため、このような微小な隙間が生じても限られたスペースで炉外へ出る騒音を低減するため、図1に示すように音波式スートブロワ1の炉壁開口部への取付部において火炉壁8の厚み以上の長さの内面スリーブ16を炉壁開口部の壁断面方向の内側であって、その厚み方向に設置した。この内面スリーブ16は肉厚9mm程度の鋼管で作られているが、通常の防音ラギングに使用されている厚さ200mm程度のロックウールの騒音減衰量に相当する騒音低減効果を有する。
【0031】
なお、本発明の比較例として示す火炉壁開口部への音波式スートブロワ1の取り付け構造断面図である図5に示すように、騒音対策のために厚さ200mmの防音ラギング19を音波式スートブロワ1の内部に取付けた場合には、直径450mmの音波通過領域が直径50mmとなってしまい、音圧は大幅に低下してしまう。
【0032】
また、図5に示すように厚さ200mmの防音ラギング19を音波式スートブロワ1の取付フランジ15の回りで、火炉壁8の外部に取付けた場合、取付フランジ15の増締め等を行う時に防音ラギング19を撤去し、増締め後、再度防音ラギング19を施工することになるが、ボイラの運転状況下では作業環境が高温となり、施工が困難である。
【0033】
これに対して、図1で示す内面スリーブ16を施工することで、火炉10内へ十分な音波が発振され、ボイラ運転中における取付フランジ15部分に隙間が生じるかどうかの確認が容易となる。
【0034】
図3には本発明の他の実施例のボイラ火炉開口部への音波式スートブロワ1の取付部の断面図を示し、図4には図3のA−A線矢視図を示す。図3、図4は音波式スートブロワ1を既設の火炉壁面のマンホール20に取付けた状況を示す図である。
【0035】
火炉壁にはマンホール20という開口部が既にあるため、音波式スートブロワ1をマンホール20に取り付けると、音波は、このマンホール20を通して火炉10内に発振されるが、マンホール20への音波式スートブロワ1の取付部に内面スリーブ16を実装して騒音対策を実施することができる。
【0036】
【発明の効果】
請求項1記載の発明によれば、音波発振装置の取付開口部の大きさに制限がなく、該開口部に格子からなるスリットを設けて音波発振対象装置(ボイラ火炉)内へ音波を発振しても音圧が前記スリットで減衰されることなく高音圧の音波を音波発振対象装置(ボイラ火炉)内に発振することができるため、運用効果の高い取付配置に音波式スートブロワを取り付けることができ、取付工期の短縮、取付費用の低減ができる。
【0037】
請求項2記載の発明によれば、ボイラ火炉壁の熱負荷の大きさに制限されずに自由な位置へ音波式スートブロワが取付けられるため、運用効果の高い取付配置ができるとともに、ボイラ火炉壁に対しては従来と同様な安全性を維持して、音波式スートブロワ取付部の騒音に対しても騒音値を低く押さえ、取付工期の短縮、取付費用の低減ができる。
【0038】
請求項3記載の発明によれば、音波式スートブロワの取付開口部を大きくしても、該開口部の厚み方向に防音用の内面スリーブを設置することで、音波式スートブロワから外部に漏れる騒音が低減効果が高くなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態のボイラ火炉開口部への音波式スートブロワの取付部の断面図を示す。
【図2】 図1のA−A線矢視図を示す。
【図3】 本発明の他の実施の形態のボイラ火炉開口部への音波式スートブロワの取付部の断面図を示す。
【図4】 図3のA−A線矢視図を示す。
【図5】 本発明の比較例のボイラ火炉開口部への音波式スートブロワの取付部の断面図を示す。
【図6】 図5のA−A線矢視図を示す。
【符号の説明】
1 音波式スートブロワ 2 ホーン
3 音波発振器 4 共鳴筒
6 水管 7 鋼板
8 火炉壁 10 ボイラ火炉
11 取付ボックス 12 覆い
13 スリット 15 フランジ
16 内面スリーブ 19 防音ラギング
20 マンホール
Claims (3)
- 圧縮空気にて振動板を振動させて音波を発生させる音波発振部と該音波発振部で発振された音波を共振、増幅する音波増幅部を有する音波発振装置と該音波発振装置を音波発振対象装置の壁面の音波投入用開口部に設けた音波式スートブロワにおいて、
音波投入用開口部には格子からなるスリット状の音波通過部を形成したことを特徴とする音波式スートブロワ。 - 音波発振対象装置が複数の伝熱管と該伝熱管間を接続する鋼板により構成される火炉壁を備え、該火炉壁内に伝熱管を備えた火炉である場合には、前記火炉壁の音波投入用開口部は前記火炉壁を構成する伝熱管間を接続する鋼板に設けられることを特徴とする請求項1記載の音波式スートブロワ。
- 火炉壁の音波投入用開口部の厚み方向には防音用の内面スリーブを設けることをことを特徴とする請求項2記載の音波式スートブロワ。
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