JP4215930B2 - 熱交換器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温空気と低温水との間で熱交換を行う熱交換器に関し、ガスタービンにて、燃焼のために圧縮機により高圧高温となった空気を冷却してタービンブレード冷却用の冷却空気とするための熱交換器に用いて好適である。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、ガスタービンは、圧縮機と燃焼器とタービンとを有しており、圧縮機で高温高圧となった空気と、燃料圧縮機及び燃焼加熱器で高温高圧となった燃料ガスとを燃焼器に送って燃焼してタービンを駆動するようになっている。この場合、燃焼器では高温高圧の燃焼ガスが発生することからタービンのブレードが高温に加熱されてしまうため、冷却空気により冷却する必要がある。一般的には、ガスタービンの圧縮機で高温高圧となった空気の一部を抽出して熱交換器に送り、この熱交換器で高温高圧空気を空冷して冷却空気を生成し、この冷却空気をタービンに戻してタービンブレードを冷却している。
【０００３】
このような熱交換器としては、例えば、特開平９−１５２２８３号公報に開示されたものがある。この公報に開示された熱交換器は、内部に設けられたハウジング内に多数の管を曲がりくねって配設し、下部の入口収集管に連結すると共に、上部の出口収集管に連結する一方、上部に入口管片を設けてハウジングに連通すると共に、上部側壁に出口管片を設けて中間空間と連結したものである。
【０００４】
従って、入口管片からハウジング内に高温空気を供給する一方、入口収集管からハウジング内の多数の管に冷却水を供給すると、ハウジング内を高温空気は下降して冷却水は上昇することで熱交換が行われる。そして、冷却空気はハウジング下部から上方に反転して中間空間を上昇し、出口管片から排出される一方、冷却水は出口収集管から排出される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の熱交換器では、ハウジング内を高温空気が下降して冷却水が上昇することで、効率的に熱交換を行うことができる。ところが、この場合、ハウジング内を下降する高温空気の流路断面積は大きく、冷却後に下部で反転して中間空間を上昇する冷却空気の流路断面積は小さくなっているため、熱交換器の下部で空気が反転して上昇するとき、空気の平均流速が速く、また流れの乱れにより局部的に流速が速くなる。
【０００６】
そして、この熱交換器にて、ガスタービンの圧縮機で生成された高温高圧を冷却してタービンブレード冷却用の冷却空気を生成する場合、この冷却空気に水滴が含有しないようにすることが重要となる。従来の熱交換器では、高温高圧の空気を冷却水が流通する管に接触させて冷却しているが、この管の老朽化等による破損時には冷却水が漏れて下部に溜まる。熱交換器の下部で空気が反転して上昇するときに空気の流れに乱れが生じると、局部的に流速が速くなった部分で水滴を随伴した空気や下部に溜まっている冷却水を巻き上げた空気が水滴を含有したままタービンに導入され、タービンブレードなどに損傷を与える虞がある。
【０００７】
本発明はこのような問題を解決するものであり、熱交換効率の向上を図ると共に均一化した空気の流れを確保することのできる熱交換器を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するための請求項１の発明の熱交換器は、縦形密閉式の筒形状をなすシェルと、内部に第１通路を有するように縦形筒形状であって矩形断面形状をなして該シェルの内壁との間に第２通路を形成するように該シェル内に配設されて下端部が該シェルに開口するシュラウドと、前記シェルの上端部から該シュラウドの第１通路に高温空気を供給する空気入口部と、前記シェルの上部側壁に設けられて前記第２通路に連通する空気出口部と、前記シュラウド内に前記第１通路を横切るように配設された複数の伝熱管と、前記シェルの下部側壁を貫通して該複数の伝熱管の下端部から冷却水を供給する冷却水導入部と、前記シェルの上部側壁を貫通して該複数の伝熱管内の冷却水を排出する冷却水排出部とを有する熱交換器において、前記シュラウドの下開口部に正方形断面となるように絞り込み部を形成することで、前記第１通路出口と前記第２通路入口を対称構造とすることと、前記第２通路における前記絞り込み部の外周辺に整流板を設けたことと、前記第２通路の上部に空気を前記空気入口部の周辺部まで導く導風板を設けたことと、前記シュラウドの少なくとも上外周部に熱遮蔽板を設けたことと、前記空気入口部は、筒形状の入口管の下端に内管の上端が溶接され、前記内管の外側に空間部を有して外管が配設されて前記入口管の下端に溶接されて構成され、前記内管の下端が前記シェルに形成された開口内に挿入されて前記シュラウド上端部に連結されると共に、前記外管の下端が該シェルの開口周辺に溶接されたことと、前記空気入口部と前記シュラウドとの連結部に熱膨張吸収部を設けたことと、前記シェルの上部にて内壁面から中心部に向かって４つのブラケットが固定され、このブラケットに２つの支持梁が架設されており、この支持梁に前記シュラウドが吊り下げられていることとを特徴とするものである。
【０００９】
また、請求項２の発明の熱交換器は、縦形密閉式の筒形状をなすシェルと、内部に第１通路を有するように縦形筒形状であって矩形断面形状をなして該シェルの内壁との間に第２通路を形成するように該シェル内に配設されて下端部が該シェルに開口するシュラウドと、前記シェルの上端部から該シュラウドの第１通路に高温空気を供給する空気入口部と、前記シェルの上部側壁に設けられて前記第２通路に連通する空気出口部と、前記シュラウド内に前記第１通路を横切るように配設された複数の伝熱管と、前記シェルの下部側壁を貫通して該複数の伝熱管の下端部から冷却水を供給する冷却水導入部と、前記シェルの上部側壁を貫通して該複数の伝熱管内の冷却水を排出する冷却水排出部とを有する熱交換器において、前記シュラウドの下開口部に正方形断面となるように絞り込み部を形成することで、前記第１通路出口と前記第２通路入口を対称構造とし、且つ、前記第２通路に上下方向に沿って配設され、上端部が屈曲し前記シュラウド内に挿通されて前記第１通路の上部に連通する一方、下端部が屈曲し前記シュラウド内に挿通されて前記第１通路の下部に連通しているバイパス管と、一端部は前記バイパス管を貫通して回転自在に支持され、他端部は前記シェルを外部に貫通して操作部材が固定された回転軸と、この回転軸に固結され、前記バイパス管の管路内を開閉自在な開閉弁とを備えたダンパとを有することを特徴としている。
【００１０】
また、請求項３の発明の熱交換器は、請求項２の発明の熱交換器において、前記空気出口部に固定された取付ブラケットに装着された回転軸と、この回転軸に取付けられ、前記シェルから排出される冷却空気により旋回可能な旋回羽根とを有することを特徴としている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１６】
図１に本発明の第１実施形態に係る熱交換器としてのＴＣＡクーラの縦断面、図２に図１のII−II断面、図３に図１のIII−III断面、図４に空気入口部のの断面、図５に冷却水出口部の断面、図６に本実施形態の熱交換器が適用された複合発電プラントの概略構成を示す。
【００１７】
本実施形態の複合発電プラントにおいて、図６に示すように、ガスタービン１１は、圧縮機１２と燃焼器１３とタービン１４とを有している。また、蒸気タービン１５は、高圧タービン１６と中圧タービン１７及び低圧タービン１８とが一軸に連結されて構成されている。ガスタービン１１からの排気ガスＧが排熱回収ボイラ１９に送られるようになっており、この排熱回収ボイラ１９は、低圧ユニット２０と中圧ユニット２１と高圧ユニット２２を有している。この排熱回収ボイラ１９内では、ガスタービン１１からの排気ガスＧにより低圧ユニット２０、中圧ユニット２１、高圧ユニット２２を介して蒸気を発生させ、発生した蒸気を蒸気タービン１５に送って駆動し、発電機２３を運転するようになっている。そして、蒸気タービン１５の排気蒸気は復水器２４で凝縮され、復水ポンプ２５により排熱回収ボイラ１９の予熱器２６に送られるようになっている。
【００１８】
上述した排熱回収ボイラ１９において、低圧ユニット２０は、低圧節炭器２７、低圧ドラム２８及び低圧蒸発器２９、低圧過熱器３０を有している。即ち、復水器２４及び復水ポンプ２５により蒸気を凝縮した水が予熱器２６で温められてから低圧節炭器２９に送られ、ここで加熱された給水が低圧ドラム２８に送られる。そして、低圧ドラム２８の水は低圧蒸発器２９で加熱されて低圧蒸気を発生する。この低圧蒸発器２９で発生した低圧蒸気は低圧ドラム２８で気水分離された後、低圧過熱器３０で過熱されて低圧蒸気ライン３１から蒸気タービン１５の低圧タービン１８に導入される。
【００１９】
また、中圧ユニット２１は、中圧節炭器３２、中圧ドラム３３及び中圧蒸発器３４、中圧過熱器３５を有している。即ち、予熱器２６で温められて給水ポンプ４１で圧送された水が中圧節炭器３２に送られ、ここで加熱された給水が中圧ドラム３３に送られる。そして、中圧ドラム３３の水は中圧蒸発器３４で加熱されて中圧蒸気を発生する。この中圧蒸発器３４で発生した中圧蒸気は中圧ドラム３３で気水分離された後、中圧過熱器３５で過熱されて中圧蒸気ライン３６から蒸気タービン１５の中圧タービン１７に導入される。
【００２０】
更に、高圧ユニット２２は、高圧節炭器３７、高圧ドラム３８及び高圧蒸発器３９、高圧過熱器４０を有している。即ち、予熱器２６で温められて給水ポンプ４１で圧送された水が高圧節炭器３７に送られ、ここで加熱された給水が高圧ドラム３８に送られる。そして、高圧ドラム３８の水は高圧蒸発器３９で加熱されて高圧蒸気を発生する。この高圧蒸発器３９で発生した高圧蒸気は高圧ドラム３８で気水分離された後、高圧過熱器４０で過熱て高圧蒸気ライン４２を通って蒸気タービン１５の高圧タービン１６側に導入される。
【００２１】
また、この複合発電プラントでは、高圧ユニット２２にて、給水ポンプ４１により高圧節炭器３７へ圧送される給水ライン４３の給水を、分岐した冷却水供給ライン４４により熱交換器としてのＴＣＡ(TURBINE COOLING AIR) クーラ４５に送り、冷却水返却ライン４６を通して高圧節炭器３７から高圧ドラム３８への給水ライン４７に戻される。一方、ガスタービン１１の圧縮機１２にて高温高圧となった空気の一部を抽出し、この高温高圧の抽出空気を空気供給ライン４８を通してＴＣＡクーラ４５に送り、ここで給水ライン４３から冷却水供給ライン４４により供給された給水により冷却し、空気返却ライン４９を通してタービン１４に戻され、例えば、タービンブレードなどを冷却する。この場合、高圧空気は約５００℃から約２００℃に冷却され、給水は約１５０℃から約３５０℃に加熱される。
【００２２】
また、中圧ユニット２１にて、中圧節炭器３２から中圧ドラム３３への給水ライン５０の給水を、加熱水供給ライン５１を通して熱交換器としてのＦＧＨ(FUEL GAS HEATER) ５２に送り、加熱水返却ライン５３を通して復水器２４及び復水ポンプ２５から予熱器２６への給水ライン５４に戻される。一方、圧縮機５６にて高圧となった燃料ガスを、燃料供給ライン５７を通してＦＧＨ５２に送り、ここで給水ライン５０から加熱水供給ライン５１により供給された給水により加熱し、燃料送気ライン５８を通して燃焼器１３に供給する。燃料ガスは常温からから約２００℃まで加熱され、給水は約３００℃から５０℃に冷却される。
【００２３】
本実施形態の熱交換機は、上述したＴＣＡクーラ４５に適用されており、その構造を詳細に説明する。このＴＣＡクーラ４５において、図１乃至図３に示すように、シェル６１は縦形密閉式の円筒形状をなし、下端部が架台６２により所定位置に設置されている。このシェル６１の上部にて内壁面から中心部に向かって４つのブラケット６３が固定され、このブラケット６３には２つの支持梁６４が架設されており、この各支持梁６４にシュラウド６５が吊り下げられている。このシュラウド６５は縦形矩形の筒形状をなして上下端部が開口し、シェル６１の中央位置に配設されることで、内部に第１通路Ｐ1 を有すると共にシェル６１の内壁との間に第２通路Ｐ2 が形成されている。そして、このシェル６１の上端部には空気入口部としての入口ノズル６６が固定され、この入口ノズル６６の下部は連結部６７を介してシュラウド６５の上部開口に連結されている。従って、入口ノズル６６から供給された空気が外部に漏れることなく連結部６７を通って第１通路Ｐ1 を下降することとなる。この場合、入口ノズル６６の下部には熱膨張吸収部としてのエキスパンジョン６８が設けられており、入口ノズル６６の熱膨張あるいは熱収縮を吸収し、シュラウド６５等に熱変形の影響が伝わらないようになっている。
【００２４】
また、シェル６１の上部の側壁には空気出口部としての２つの出口ノズル６９が対向する位置に固定されており、この各出口ノズル６９を区画するように導風板７０が固定されている。従って、第２通路Ｐ2 を上昇する空気が直接出口ノズル６９から排出されずに入口ノズル６６の外周辺まで上昇し、反転してから導風板７０とシェル６１の内壁との出口通路Ｐ3 を通って出口ノズル６９から排出されることとなる。そして、シュラウド６５の上部にはその外周部を被覆するように熱遮蔽板７１が取付けられている。
【００２５】
一方、シュラウド６５内には一対の取付板７２が固定され、この取付板７２に跨がるように複数の伝熱管７３が掛け渡されて取付けられている。そして、シェル６１の下部側壁には外部から冷却水導入部としての給水管７４が挿通し、更にシュラウド６５を貫通してシェル６１の内壁に固定されたブラケット７５に支持されており、この給水管７４に複数の伝熱管７３の下端部が連結されている。一方、シェル６１の上部側壁には外部から冷却水排出部としての排水管７６が挿通し、更にシュラウド６５を貫通してシェル６１の内壁に固定されたブラケット７７に支持されており、この排水管７６に複数の伝熱管７３の上端部が連結されている。従って、給水管７４に導入された冷却水は各伝熱管７３に導かれ、第１通路Ｐ1 を横切るように複数の伝熱管７３内を流動して上昇し、排水管７６から外部に排出されることとなる。
【００２６】
また、本実施形態のＴＣＡクーラ４５では、シュラウド６５の下部に絞り込み部７８を形成することで、第１通路Ｐ1 の断面積を縮小する一方、第２通路Ｐ2 の断面積を拡大するようにしている。即ち、シュラウド６５は全体が矩形断面形状であるが、下部に絞り込む（絞り込み部７８）ことで正方形断面としている。また、シェル６１の下部内壁面にはこの絞り込み部７８の外側に位置するようにリング形状の整流板７９を固定することで、第２通路Ｐ2 の空気上昇流速を整流化している。
【００２７】
従って、シュラウド６５の第１通路Ｐ1 を通って下降する空気は、絞り込み部７８で流路断面積が小さくなるので流速が上がり、下部開口を出たところで外側に広がって上方に反転する。このとき、絞り込み部７８とリング形状の整流板７９の相互作用により第２通路Ｐ2 を上昇する流れが整流されて乱れが抑制される。
【００２８】
なお、シェル６１の下端部は球面形状をなして伝熱管７３の破損により漏れた冷却水を貯溜可能となっており、排水管８０が連結されている。また、シェル６１の上部及び下部には内部点検用のマンホール８１が設けられている。
【００２９】
ところで、このＴＣＡクーラ４５では、前述したように、約５００℃の高温空気を取り込んで約２００℃まで冷却するために入口ノズル６６は熱応力に耐え得る特殊な構造となっている。即ち、図４に示すように、入口ノズル６６は、円筒形状の入口管８２の下端に内管８３の上端を溶接Ｗ1 し、この内管８３の外側に所定間隔の空間部Ｓが形成されるように大径の外管８４を配設し、入口管８２の下端にこの外管８４の上端を溶接Ｗ2 して構成されている。そして、内管８３の下端をシェル６１に形成された開口８５内に挿入し、シュラウド６５の上端部に連結すると共に、外管８５の下端をシェル６１の開口周辺に溶接Ｗ3 している。このように入口ノズル６６は間に空間部Ｓを有する内管８３と外管８４との二重筒形状となっている。
【００３０】
また、ＴＣＡクーラ４５では、高温空気を冷却水により冷却することで約３５０℃まで加熱され、空気の出口温度約２００℃と温度差がついて熱応力が発生するため、排水管７６も特殊な構造となっている。即ち、図５に示すように、排水管７６は、円筒形状の入口管８６の外側に所定間隔の空間部Ｓが形成されるように大径の外管８７を配設し、入口管８６の外周部８８にこの外管８７の端部を溶接Ｗ1 して構成されている。そして、入口管８６の先端をシェル６１に形成された開口８９内に挿入すると共に、外管８７の先端を開口８９に嵌合して溶接Ｗ2 している。このように排水管７６は間に空間部Ｓを有する入口管８６と外管８７との二重筒形状となっている。
【００３１】
このように構成されたＴＣＡクーラ４５にて、約５００℃の高温空気が入口ノズル６６からシュラウド６５内に供給されると共に、約１５０℃の冷却水が給水管７４から各伝熱管７３に流入される。すると、シュラウド６５の第１通路Ｐ1 と交差するように伝熱管７３内を流れて上昇する冷却水に対して、第１通路Ｐ1 を高温空気が伝熱管７３に接して下降することとなり、冷却水と高温空気との間で熱交換が行われる。そして、冷却空気は第１通路Ｐ1 を下降し、絞り込み部７８で流路断面積が小さくなるために一時的に流速が上がり、下部開口を出たところで外側に広がって上方に反転する。このとき、絞り込み部７８と整流板７９の相互作用により整流されて均一化した状態で第２通路Ｐ2 を上昇する。
【００３２】
従って、伝熱管７３からの漏水がシェル６１の下部に溜まっいて、第１通路Ｐ1 から第２通路Ｐ2 に反転する空気がこの漏水を巻き上げた場合でも、均一化した所定の上昇流速であるため、水滴が落下あるいは蒸発することにより水滴がシェル６１から排出されることはない。なお、第２通路Ｐ2 を上昇する空気は１００ミクロン単位の水滴を含むことはあるが、伝熱管７３から漏れた水の温度は沸点以上であり、空気が第２通路Ｐ2 を上昇するときに蒸発する。この場合、水分の落下あるいは蒸発は空気の上昇流速に影響されるが、この流速にするために第２通路Ｐ2 の断面積を設定しているものである。
【００３３】
そして、第２通路Ｐ2 を上昇した冷却空気は導風板７０によりシェル６１の上部まで導かれた後に再び反転し、出口通路Ｐ3 を通って出口ノズル６９から外部に排出される。このとき、シュラウド６５の上部の熱遮蔽板７１は冷却空気がシュラウド６５内に入ってきたばかりの高温空気により加熱されるのを防止している。一方で、入口ノズル６６には約５００℃の高温空気が流れており、シェル６１の上部のメタル温度が上昇するため、冷却空気をこの入口ノズル６６の周辺部に導いて冷却する。また、伝熱管７３を介して高温空気を冷却して加熱された冷却水は排水管７６を通して外部に排出される。
【００３４】
このように本実施形態の熱交換器としてのＴＣＡクーラ４５にあっては、冷却空気が第１通路Ｐ1 から反転して第２通路Ｐ2 に流れ込むとき、空気の流速が絞り込み部７８及び整流板７９により整流化されることとなり、シェル６１の下部に水が溜まっていて冷却空気がこの水を巻き上げたとしても、水分を含んだ空気がシェル６１から排出されてタービン１４へ供給されることはなく、タービンブレードの損傷を未然に防止できる。
【００３５】
なお、上述の実施形態では、ＴＣＡクーラ４５におけるシェル６１の下部内壁にリング板状の整流板７９を設けたが、この形状に限定されるものではなく、多孔を有する整流板７９としてもよく、また、第２通路Ｐ2 全体に金網を設けることで、上昇する冷却空気に水分が含有したとしても、この金網を通過する際に流れが均一化され、蒸発あるいは落下するようにしてもよい。
【００３６】
図７に本発明の第２実施形態に係る熱交換器としてのＴＣＡクーラの縦断面、図８にバイパス管のダンパの概略、図９にダンパの作動を表す概略、図１０に出口ノズルの断面を示す。なお、前述した実施形態で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
【００３７】
図７に示すように、シェル６１内にはシュラウド６５が吊り下げ支持されることで第１通路Ｐ1 と第２通路Ｐ2 が形成されており、シェル６１の上端部には第１通路Ｐ1 に連通する入口ノズル６６が固定され、上部側壁には第２通路Ｐ2 に連通する出口ノズル６９が固定されている。一方、シュラウド６５内には複数の伝熱管７３が波形に配設され、下部が給水管７４に連結され、上部が排水管７６に連結されている。また、シュラウド６５の下開口部には正方形断面の絞り込み部７８を形成しており、第１通路Ｐ1 の出口及び第２通路Ｐ2 の入口を対称構造としている。
【００３８】
そして、シェル６１とシュラウド６５との間、つまり、第２通路Ｐ2 には上下方向に沿ってバイパス管９１が配設され、上端部が屈曲してシュラウド６５内に挿通し、第１通路Ｐ1 の上部に連通する一方、下端部が屈曲してシュラウド６５内に挿通し、第１通路Ｐ1 の下部に連通している。そして、このバイパス管９１にはダンパ９２が装着されている。
【００３９】
図８に示すように、回転軸９３の一端部がバイパス管９１を貫通して回転自在に支持されており、この回転軸９３にはバイパス管９１の管路内を開閉自在な開閉弁９４が固結される一方、回転軸９３の他端部はシェル６１を外部に貫通して操作部材９５が固定されている。この場合、バイパス管９１が四角筒形状であるためにそれに合わせて開閉弁９４を正方形としたが、バイパス管９１を円筒形状にすれば開閉弁９４を円形とすればよい。
【００４０】
また、図１０に示すように、出口ノズル６９に固定された取付ブラケット９６には回転軸９７が装着され、この回転軸９７に旋回羽根９８が取付けられており、シェル６１から排出される冷却空気により旋回可能となっている。
【００４１】
従って、通常は、図９(ａ)に示すように、開閉弁９４によりバイパス管９１を閉止することで、入口ノズル６６から入った高温空気はシュラウド６５内に供給され、第１通路Ｐ1 の流動時に伝熱管７３内を流れる冷却水により冷却されながら下降する。そして、冷却空気は絞り込み部７８を出て上方に反転し、第２通路Ｐ2 を上昇して出口ノズル６９から外部に排出される。このとき、出口ノズル６９では、シェル６１から排出される冷却空気により旋回羽根９８が旋回することで、バイパスした空気による温度のアンバランス空気が攪拌され、バイパスにより生じた温度アンバランスが均一化される。
【００４２】
そして、出口ノズル６９から排出する冷却空気の温度を上昇させたい場合には、図９(ｂ)に示すように、操作部材９５により開閉弁９４を操作してバイパス管９１を開放することで、シュラウド６５（第１通路Ｐ1 ）の上部に供給された高温空気の一部をバイパス管９１を介してシュラウド６５（第１通路Ｐ1 ）の下部にバイパスする。そのため、バイパス管９１を通って高温空気はほとんど冷却されず、第１通路Ｐ1 の下部で伝熱管７３により冷却された冷却空気と混合し、上方に反転して第２通路Ｐ2 を上昇し、出口ノズル６９から排出されるため、この冷却空気はやや高温となる。
【００４３】
なお、開閉弁９４によりバイパス管９１を常時半開とし、入口ノズル６６に設けた温度計の測定値と冷却空気の目標温度とに基づいて開閉弁９４の開度を調整するようにしてもよい。
【００４４】
なお、上述した各実施形態では、本発明の熱交換器を複合発電プラントに用いられるＴＣＡクーラ４５に適用して説明したが、この用途に限定されるものではない。
【００４５】
【発明の効果】
以上、実施形態において詳細に説明したように請求項１の発明の熱交換器によれば、シェル内に第１通路を有するシュラウドを配設して両者の間に第２通路を形成し、シェルの上端部に第１通路へ高温空気を供給する空気入口部を設け、シェルの上部側壁に第２通路に連通する空気出口部を設ける一方、シュラウド内に波状の複数の伝熱管を設け、下端部に冷却水を供給する冷却水導入部を連結し、上端部に冷却水を排出する冷却水排出部を設け、シュラウドの下開口部に絞り込み部を形成することで第１通路出口と前記第２通路入口を対称構造とするようにしたので、高温空気をシェルの上部から入れて下部で反転して上部から排出するようにしたことで、高温空気と冷却水との間での熱交換効率を向上することができ、また、冷却空気が第１通路から反転して第２通路に流れ込むとき、流速が絞り込み部で均一化されることとなってスムースな空気の流れを確保することができ、シェルの下部に水が溜まっていたとしても、冷却空気がこの水を巻き上げることはなく、水分を含んだ空気のシェル外への排出を防止することができる。
【００４６】
また、請求項１の発明の熱交換器によれば、第２通路における絞り込み部の外周辺に整流板を設けたので、冷却空気が第１通路から反転して第２通路に流れ込むとき、空気の流速が絞り込み部で均一化し、整流板で整流化することができ、スムースな空気の流れを確保することができる。
【００４７】
また、請求項１の発明の熱交換器によれば、第２通路の上部に空気を空気入口部の周辺部まで導く導風板を設けたので、シェル次要部を冷却することで、しぇの上部のメタル温度を下げて部材の耐久性を向上することができる。
【００４８】
また、請求項１の発明の熱交換器によれば、シュラウドの少なくとも上外周部に熱遮蔽板を設けたので、シュラウド内に入った高温空気による冷却空気の再加熱を防止することができる。
【００５０】
また、請求項１の発明の熱交換器によれば、空気入口部が、筒形状の入口管の下端に内管の上端を溶接し、この内管の外側に空間部を有して外管を配設して入口管の下端に溶接して構成し、内管の下端をシェルに形成された開口内に挿入してシュラウド上端部に連結すると共に、外管の下端をシェルの開口周辺に溶接したので、空気入口部の二重筒構造を容易に構成することで、空間部が断熱層となって入口管と外内との溶接部の高温化を防止することができる。
【００５１】
また、請求項１の発明の熱交換器によれば、空気入口部とシュラウドとの連結部に熱膨張吸収部を設けたので、シェル及びシュラウドの熱膨張あるいは熱収縮を熱膨張吸収部で吸収することで、シュラウド等への熱変形の影響を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る熱交換器の縦断面図である。
【図２】図１のII−II断面図である。
【図３】図１のIII−III断面図である。
【図４】入口ノズルの断面図である。
【図５】排水管の断面図である。
【図６】本実施形態の熱交換器が適用された複合発電プラントの概略構成図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る熱交換器としてのＴＣＡクーラの縦断面図である。
【図８】バイパス管のダンパの概略図である。
【図９】ダンパの作動を表す概略図である。
【図１０】出口ノズルの断面図である。
【符号の説明】
１１ ガスタービン
１２ 圧縮機
１３ 燃焼器
１４ タービン
１５ 蒸気タービン
１９ 排熱回収ボイラ
２３ 発電機
２４ 復水器
４５ ＴＣＡクーラ
５２ ＦＧＨ
６１ シェル
６５ シュラウド
６６ 入口ノズル（空気入口部）
６８ エキスパンジョン（熱膨張吸収部）
６９ 出口ノズル（空気出口部）
７０ 導風板
７１ 熱遮蔽板
７３ 伝熱管
７４ 給水管（冷却水導入部）
７６ 排水管（冷却水排出部）
７８ 絞り込み部
７９ 整流板
Ｐ1 第１通路
Ｐ2 第２通路
Ｐ3 出口通路
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温空気と低温水との間で熱交換を行う熱交換器に関し、ガスタービンにて、燃焼のために圧縮機により高圧高温となった空気を冷却してタービンブレード冷却用の冷却空気とするための熱交換器に用いて好適である。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、ガスタービンは、圧縮機と燃焼器とタービンとを有しており、圧縮機で高温高圧となった空気と、燃料圧縮機及び燃焼加熱器で高温高圧となった燃料ガスとを燃焼器に送って燃焼してタービンを駆動するようになっている。この場合、燃焼器では高温高圧の燃焼ガスが発生することからタービンのブレードが高温に加熱されてしまうため、冷却空気により冷却する必要がある。一般的には、ガスタービンの圧縮機で高温高圧となった空気の一部を抽出して熱交換器に送り、この熱交換器で高温高圧空気を空冷して冷却空気を生成し、この冷却空気をタービンに戻してタービンブレードを冷却している。
【０００３】
このような熱交換器としては、例えば、特開平９−１５２２８３号公報に開示されたものがある。この公報に開示された熱交換器は、内部に設けられたハウジング内に多数の管を曲がりくねって配設し、下部の入口収集管に連結すると共に、上部の出口収集管に連結する一方、上部に入口管片を設けてハウジングに連通すると共に、上部側壁に出口管片を設けて中間空間と連結したものである。
【０００４】
従って、入口管片からハウジング内に高温空気を供給する一方、入口収集管からハウジング内の多数の管に冷却水を供給すると、ハウジング内を高温空気は下降して冷却水は上昇することで熱交換が行われる。そして、冷却空気はハウジング下部から上方に反転して中間空間を上昇し、出口管片から排出される一方、冷却水は出口収集管から排出される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の熱交換器では、ハウジング内を高温空気が下降して冷却水が上昇することで、効率的に熱交換を行うことができる。ところが、この場合、ハウジング内を下降する高温空気の流路断面積は大きく、冷却後に下部で反転して中間空間を上昇する冷却空気の流路断面積は小さくなっているため、熱交換器の下部で空気が反転して上昇するとき、空気の平均流速が速く、また流れの乱れにより局部的に流速が速くなる。
【０００６】
そして、この熱交換器にて、ガスタービンの圧縮機で生成された高温高圧を冷却してタービンブレード冷却用の冷却空気を生成する場合、この冷却空気に水滴が含有しないようにすることが重要となる。従来の熱交換器では、高温高圧の空気を冷却水が流通する管に接触させて冷却しているが、この管の老朽化等による破損時には冷却水が漏れて下部に溜まる。熱交換器の下部で空気が反転して上昇するときに空気の流れに乱れが生じると、局部的に流速が速くなった部分で水滴を随伴した空気や下部に溜まっている冷却水を巻き上げた空気が水滴を含有したままタービンに導入され、タービンブレードなどに損傷を与える虞がある。
【０００７】
本発明はこのような問題を解決するものであり、熱交換効率の向上を図ると共に均一化した空気の流れを確保することのできる熱交換器を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するための請求項１の発明の熱交換器は、縦形密閉式の筒形状をなすシェルと、内部に第１通路を有するように縦形筒形状であって矩形断面形状をなして該シェルの内壁との間に第２通路を形成するように該シェル内に配設されて下端部が該シェルに開口するシュラウドと、前記シェルの上端部から該シュラウドの第１通路に高温空気を供給する空気入口部と、前記シェルの上部側壁に設けられて前記第２通路に連通する空気出口部と、前記シュラウド内に前記第１通路を横切るように配設された複数の伝熱管と、前記シェルの下部側壁を貫通して該複数の伝熱管の下端部から冷却水を供給する冷却水導入部と、前記シェルの上部側壁を貫通して該複数の伝熱管内の冷却水を排出する冷却水排出部とを有する熱交換器において、前記シュラウドの下開口部に正方形断面となるように絞り込み部を形成することで、前記第１通路出口と前記第２通路入口を対称構造とすることと、前記第２通路における前記絞り込み部の外周辺に整流板を設けたことと、前記第２通路の上部に空気を前記空気入口部の周辺部まで導く導風板を設けたことと、前記シュラウドの少なくとも上外周部に熱遮蔽板を設けたことと、前記空気入口部は、筒形状の入口管の下端に内管の上端が溶接され、前記内管の外側に空間部を有して外管が配設されて前記入口管の下端に溶接されて構成され、前記内管の下端が前記シェルに形成された開口内に挿入されて前記シュラウド上端部に連結されると共に、前記外管の下端が該シェルの開口周辺に溶接されたことと、前記空気入口部と前記シュラウドとの連結部に熱膨張吸収部を設けたことと、前記シェルの上部にて内壁面から中心部に向かって４つのブラケットが固定され、このブラケットに２つの支持梁が架設されており、この支持梁に前記シュラウドが吊り下げられていることとを特徴とするものである。
【０００９】
また、請求項２の発明の熱交換器は、縦形密閉式の筒形状をなすシェルと、内部に第１通路を有するように縦形筒形状であって矩形断面形状をなして該シェルの内壁との間に第２通路を形成するように該シェル内に配設されて下端部が該シェルに開口するシュラウドと、前記シェルの上端部から該シュラウドの第１通路に高温空気を供給する空気入口部と、前記シェルの上部側壁に設けられて前記第２通路に連通する空気出口部と、前記シュラウド内に前記第１通路を横切るように配設された複数の伝熱管と、前記シェルの下部側壁を貫通して該複数の伝熱管の下端部から冷却水を供給する冷却水導入部と、前記シェルの上部側壁を貫通して該複数の伝熱管内の冷却水を排出する冷却水排出部とを有する熱交換器において、前記シュラウドの下開口部に正方形断面となるように絞り込み部を形成することで、前記第１通路出口と前記第２通路入口を対称構造とし、且つ、前記第２通路に上下方向に沿って配設され、上端部が屈曲し前記シュラウド内に挿通されて前記第１通路の上部に連通する一方、下端部が屈曲し前記シュラウド内に挿通されて前記第１通路の下部に連通しているバイパス管と、一端部は前記バイパス管を貫通して回転自在に支持され、他端部は前記シェルを外部に貫通して操作部材が固定された回転軸と、この回転軸に固結され、前記バイパス管の管路内を開閉自在な開閉弁とを備えたダンパとを有することを特徴としている。
【００１０】
また、請求項３の発明の熱交換器は、請求項２の発明の熱交換器において、前記空気出口部に固定された取付ブラケットに装着された回転軸と、この回転軸に取付けられ、前記シェルから排出される冷却空気により旋回可能な旋回羽根とを有することを特徴としている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１６】
図１に本発明の第１実施形態に係る熱交換器としてのＴＣＡクーラの縦断面、図２に図１のII−II断面、図３に図１のIII−III断面、図４に空気入口部のの断面、図５に冷却水出口部の断面、図６に本実施形態の熱交換器が適用された複合発電プラントの概略構成を示す。
【００１７】
本実施形態の複合発電プラントにおいて、図６に示すように、ガスタービン１１は、圧縮機１２と燃焼器１３とタービン１４とを有している。また、蒸気タービン１５は、高圧タービン１６と中圧タービン１７及び低圧タービン１８とが一軸に連結されて構成されている。ガスタービン１１からの排気ガスＧが排熱回収ボイラ１９に送られるようになっており、この排熱回収ボイラ１９は、低圧ユニット２０と中圧ユニット２１と高圧ユニット２２を有している。この排熱回収ボイラ１９内では、ガスタービン１１からの排気ガスＧにより低圧ユニット２０、中圧ユニット２１、高圧ユニット２２を介して蒸気を発生させ、発生した蒸気を蒸気タービン１５に送って駆動し、発電機２３を運転するようになっている。そして、蒸気タービン１５の排気蒸気は復水器２４で凝縮され、復水ポンプ２５により排熱回収ボイラ１９の予熱器２６に送られるようになっている。
【００１８】
上述した排熱回収ボイラ１９において、低圧ユニット２０は、低圧節炭器２７、低圧ドラム２８及び低圧蒸発器２９、低圧過熱器３０を有している。即ち、復水器２４及び復水ポンプ２５により蒸気を凝縮した水が予熱器２６で温められてから低圧節炭器２９に送られ、ここで加熱された給水が低圧ドラム２８に送られる。そして、低圧ドラム２８の水は低圧蒸発器２９で加熱されて低圧蒸気を発生する。この低圧蒸発器２９で発生した低圧蒸気は低圧ドラム２８で気水分離された後、低圧過熱器３０で過熱されて低圧蒸気ライン３１から蒸気タービン１５の低圧タービン１８に導入される。
【００１９】
また、中圧ユニット２１は、中圧節炭器３２、中圧ドラム３３及び中圧蒸発器３４、中圧過熱器３５を有している。即ち、予熱器２６で温められて給水ポンプ４１で圧送された水が中圧節炭器３２に送られ、ここで加熱された給水が中圧ドラム３３に送られる。そして、中圧ドラム３３の水は中圧蒸発器３４で加熱されて中圧蒸気を発生する。この中圧蒸発器３４で発生した中圧蒸気は中圧ドラム３３で気水分離された後、中圧過熱器３５で過熱されて中圧蒸気ライン３６から蒸気タービン１５の中圧タービン１７に導入される。
【００２０】
更に、高圧ユニット２２は、高圧節炭器３７、高圧ドラム３８及び高圧蒸発器３９、高圧過熱器４０を有している。即ち、予熱器２６で温められて給水ポンプ４１で圧送された水が高圧節炭器３７に送られ、ここで加熱された給水が高圧ドラム３８に送られる。そして、高圧ドラム３８の水は高圧蒸発器３９で加熱されて高圧蒸気を発生する。この高圧蒸発器３９で発生した高圧蒸気は高圧ドラム３８で気水分離された後、高圧過熱器４０で過熱て高圧蒸気ライン４２を通って蒸気タービン１５の高圧タービン１６側に導入される。
【００２１】
また、この複合発電プラントでは、高圧ユニット２２にて、給水ポンプ４１により高圧節炭器３７へ圧送される給水ライン４３の給水を、分岐した冷却水供給ライン４４により熱交換器としてのＴＣＡ(TURBINE COOLING AIR) クーラ４５に送り、冷却水返却ライン４６を通して高圧節炭器３７から高圧ドラム３８への給水ライン４７に戻される。一方、ガスタービン１１の圧縮機１２にて高温高圧となった空気の一部を抽出し、この高温高圧の抽出空気を空気供給ライン４８を通してＴＣＡクーラ４５に送り、ここで給水ライン４３から冷却水供給ライン４４により供給された給水により冷却し、空気返却ライン４９を通してタービン１４に戻され、例えば、タービンブレードなどを冷却する。この場合、高圧空気は約５００℃から約２００℃に冷却され、給水は約１５０℃から約３５０℃に加熱される。
【００２２】
また、中圧ユニット２１にて、中圧節炭器３２から中圧ドラム３３への給水ライン５０の給水を、加熱水供給ライン５１を通して熱交換器としてのＦＧＨ(FUEL GAS HEATER) ５２に送り、加熱水返却ライン５３を通して復水器２４及び復水ポンプ２５から予熱器２６への給水ライン５４に戻される。一方、圧縮機５６にて高圧となった燃料ガスを、燃料供給ライン５７を通してＦＧＨ５２に送り、ここで給水ライン５０から加熱水供給ライン５１により供給された給水により加熱し、燃料送気ライン５８を通して燃焼器１３に供給する。燃料ガスは常温からから約２００℃まで加熱され、給水は約３００℃から５０℃に冷却される。
【００２３】
本実施形態の熱交換機は、上述したＴＣＡクーラ４５に適用されており、その構造を詳細に説明する。このＴＣＡクーラ４５において、図１乃至図３に示すように、シェル６１は縦形密閉式の円筒形状をなし、下端部が架台６２により所定位置に設置されている。このシェル６１の上部にて内壁面から中心部に向かって４つのブラケット６３が固定され、このブラケット６３には２つの支持梁６４が架設されており、この各支持梁６４にシュラウド６５が吊り下げられている。このシュラウド６５は縦形矩形の筒形状をなして上下端部が開口し、シェル６１の中央位置に配設されることで、内部に第１通路Ｐ1 を有すると共にシェル６１の内壁との間に第２通路Ｐ2 が形成されている。そして、このシェル６１の上端部には空気入口部としての入口ノズル６６が固定され、この入口ノズル６６の下部は連結部６７を介してシュラウド６５の上部開口に連結されている。従って、入口ノズル６６から供給された空気が外部に漏れることなく連結部６７を通って第１通路Ｐ1 を下降することとなる。この場合、入口ノズル６６の下部には熱膨張吸収部としてのエキスパンジョン６８が設けられており、入口ノズル６６の熱膨張あるいは熱収縮を吸収し、シュラウド６５等に熱変形の影響が伝わらないようになっている。
【００２４】
また、シェル６１の上部の側壁には空気出口部としての２つの出口ノズル６９が対向する位置に固定されており、この各出口ノズル６９を区画するように導風板７０が固定されている。従って、第２通路Ｐ2 を上昇する空気が直接出口ノズル６９から排出されずに入口ノズル６６の外周辺まで上昇し、反転してから導風板７０とシェル６１の内壁との出口通路Ｐ3 を通って出口ノズル６９から排出されることとなる。そして、シュラウド６５の上部にはその外周部を被覆するように熱遮蔽板７１が取付けられている。
【００２５】
一方、シュラウド６５内には一対の取付板７２が固定され、この取付板７２に跨がるように複数の伝熱管７３が掛け渡されて取付けられている。そして、シェル６１の下部側壁には外部から冷却水導入部としての給水管７４が挿通し、更にシュラウド６５を貫通してシェル６１の内壁に固定されたブラケット７５に支持されており、この給水管７４に複数の伝熱管７３の下端部が連結されている。一方、シェル６１の上部側壁には外部から冷却水排出部としての排水管７６が挿通し、更にシュラウド６５を貫通してシェル６１の内壁に固定されたブラケット７７に支持されており、この排水管７６に複数の伝熱管７３の上端部が連結されている。従って、給水管７４に導入された冷却水は各伝熱管７３に導かれ、第１通路Ｐ1 を横切るように複数の伝熱管７３内を流動して上昇し、排水管７６から外部に排出されることとなる。
【００２６】
また、本実施形態のＴＣＡクーラ４５では、シュラウド６５の下部に絞り込み部７８を形成することで、第１通路Ｐ1 の断面積を縮小する一方、第２通路Ｐ2 の断面積を拡大するようにしている。即ち、シュラウド６５は全体が矩形断面形状であるが、下部に絞り込む（絞り込み部７８）ことで正方形断面としている。また、シェル６１の下部内壁面にはこの絞り込み部７８の外側に位置するようにリング形状の整流板７９を固定することで、第２通路Ｐ2 の空気上昇流速を整流化している。
【００２７】
従って、シュラウド６５の第１通路Ｐ1 を通って下降する空気は、絞り込み部７８で流路断面積が小さくなるので流速が上がり、下部開口を出たところで外側に広がって上方に反転する。このとき、絞り込み部７８とリング形状の整流板７９の相互作用により第２通路Ｐ2 を上昇する流れが整流されて乱れが抑制される。
【００２８】
なお、シェル６１の下端部は球面形状をなして伝熱管７３の破損により漏れた冷却水を貯溜可能となっており、排水管８０が連結されている。また、シェル６１の上部及び下部には内部点検用のマンホール８１が設けられている。
【００２９】
ところで、このＴＣＡクーラ４５では、前述したように、約５００℃の高温空気を取り込んで約２００℃まで冷却するために入口ノズル６６は熱応力に耐え得る特殊な構造となっている。即ち、図４に示すように、入口ノズル６６は、円筒形状の入口管８２の下端に内管８３の上端を溶接Ｗ1 し、この内管８３の外側に所定間隔の空間部Ｓが形成されるように大径の外管８４を配設し、入口管８２の下端にこの外管８４の上端を溶接Ｗ2 して構成されている。そして、内管８３の下端をシェル６１に形成された開口８５内に挿入し、シュラウド６５の上端部に連結すると共に、外管８５の下端をシェル６１の開口周辺に溶接Ｗ3 している。このように入口ノズル６６は間に空間部Ｓを有する内管８３と外管８４との二重筒形状となっている。
【００３０】
また、ＴＣＡクーラ４５では、高温空気を冷却水により冷却することで約３５０℃まで加熱され、空気の出口温度約２００℃と温度差がついて熱応力が発生するため、排水管７６も特殊な構造となっている。即ち、図５に示すように、排水管７６は、円筒形状の入口管８６の外側に所定間隔の空間部Ｓが形成されるように大径の外管８７を配設し、入口管８６の外周部８８にこの外管８７の端部を溶接Ｗ1 して構成されている。そして、入口管８６の先端をシェル６１に形成された開口８９内に挿入すると共に、外管８７の先端を開口８９に嵌合して溶接Ｗ2 している。このように排水管７６は間に空間部Ｓを有する入口管８６と外管８７との二重筒形状となっている。
【００３１】
このように構成されたＴＣＡクーラ４５にて、約５００℃の高温空気が入口ノズル６６からシュラウド６５内に供給されると共に、約１５０℃の冷却水が給水管７４から各伝熱管７３に流入される。すると、シュラウド６５の第１通路Ｐ1 と交差するように伝熱管７３内を流れて上昇する冷却水に対して、第１通路Ｐ1 を高温空気が伝熱管７３に接して下降することとなり、冷却水と高温空気との間で熱交換が行われる。そして、冷却空気は第１通路Ｐ1 を下降し、絞り込み部７８で流路断面積が小さくなるために一時的に流速が上がり、下部開口を出たところで外側に広がって上方に反転する。このとき、絞り込み部７８と整流板７９の相互作用により整流されて均一化した状態で第２通路Ｐ2 を上昇する。
【００３２】
従って、伝熱管７３からの漏水がシェル６１の下部に溜まっいて、第１通路Ｐ1 から第２通路Ｐ2 に反転する空気がこの漏水を巻き上げた場合でも、均一化した所定の上昇流速であるため、水滴が落下あるいは蒸発することにより水滴がシェル６１から排出されることはない。なお、第２通路Ｐ2 を上昇する空気は１００ミクロン単位の水滴を含むことはあるが、伝熱管７３から漏れた水の温度は沸点以上であり、空気が第２通路Ｐ2 を上昇するときに蒸発する。この場合、水分の落下あるいは蒸発は空気の上昇流速に影響されるが、この流速にするために第２通路Ｐ2 の断面積を設定しているものである。
【００３３】
そして、第２通路Ｐ2 を上昇した冷却空気は導風板７０によりシェル６１の上部まで導かれた後に再び反転し、出口通路Ｐ3 を通って出口ノズル６９から外部に排出される。このとき、シュラウド６５の上部の熱遮蔽板７１は冷却空気がシュラウド６５内に入ってきたばかりの高温空気により加熱されるのを防止している。一方で、入口ノズル６６には約５００℃の高温空気が流れており、シェル６１の上部のメタル温度が上昇するため、冷却空気をこの入口ノズル６６の周辺部に導いて冷却する。また、伝熱管７３を介して高温空気を冷却して加熱された冷却水は排水管７６を通して外部に排出される。
【００３４】
このように本実施形態の熱交換器としてのＴＣＡクーラ４５にあっては、冷却空気が第１通路Ｐ1 から反転して第２通路Ｐ2 に流れ込むとき、空気の流速が絞り込み部７８及び整流板７９により整流化されることとなり、シェル６１の下部に水が溜まっていて冷却空気がこの水を巻き上げたとしても、水分を含んだ空気がシェル６１から排出されてタービン１４へ供給されることはなく、タービンブレードの損傷を未然に防止できる。
【００３５】
なお、上述の実施形態では、ＴＣＡクーラ４５におけるシェル６１の下部内壁にリング板状の整流板７９を設けたが、この形状に限定されるものではなく、多孔を有する整流板７９としてもよく、また、第２通路Ｐ2 全体に金網を設けることで、上昇する冷却空気に水分が含有したとしても、この金網を通過する際に流れが均一化され、蒸発あるいは落下するようにしてもよい。
【００３６】
図７に本発明の第２実施形態に係る熱交換器としてのＴＣＡクーラの縦断面、図８にバイパス管のダンパの概略、図９にダンパの作動を表す概略、図１０に出口ノズルの断面を示す。なお、前述した実施形態で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
【００３７】
図７に示すように、シェル６１内にはシュラウド６５が吊り下げ支持されることで第１通路Ｐ1 と第２通路Ｐ2 が形成されており、シェル６１の上端部には第１通路Ｐ1 に連通する入口ノズル６６が固定され、上部側壁には第２通路Ｐ2 に連通する出口ノズル６９が固定されている。一方、シュラウド６５内には複数の伝熱管７３が波形に配設され、下部が給水管７４に連結され、上部が排水管７６に連結されている。また、シュラウド６５の下開口部には正方形断面の絞り込み部７８を形成しており、第１通路Ｐ1 の出口及び第２通路Ｐ2 の入口を対称構造としている。
【００３８】
そして、シェル６１とシュラウド６５との間、つまり、第２通路Ｐ2 には上下方向に沿ってバイパス管９１が配設され、上端部が屈曲してシュラウド６５内に挿通し、第１通路Ｐ1 の上部に連通する一方、下端部が屈曲してシュラウド６５内に挿通し、第１通路Ｐ1 の下部に連通している。そして、このバイパス管９１にはダンパ９２が装着されている。
【００３９】
図８に示すように、回転軸９３の一端部がバイパス管９１を貫通して回転自在に支持されており、この回転軸９３にはバイパス管９１の管路内を開閉自在な開閉弁９４が固結される一方、回転軸９３の他端部はシェル６１を外部に貫通して操作部材９５が固定されている。この場合、バイパス管９１が四角筒形状であるためにそれに合わせて開閉弁９４を正方形としたが、バイパス管９１を円筒形状にすれば開閉弁９４を円形とすればよい。
【００４０】
また、図１０に示すように、出口ノズル６９に固定された取付ブラケット９６には回転軸９７が装着され、この回転軸９７に旋回羽根９８が取付けられており、シェル６１から排出される冷却空気により旋回可能となっている。
【００４１】
従って、通常は、図９(ａ)に示すように、開閉弁９４によりバイパス管９１を閉止することで、入口ノズル６６から入った高温空気はシュラウド６５内に供給され、第１通路Ｐ1 の流動時に伝熱管７３内を流れる冷却水により冷却されながら下降する。そして、冷却空気は絞り込み部７８を出て上方に反転し、第２通路Ｐ2 を上昇して出口ノズル６９から外部に排出される。このとき、出口ノズル６９では、シェル６１から排出される冷却空気により旋回羽根９８が旋回することで、バイパスした空気による温度のアンバランス空気が攪拌され、バイパスにより生じた温度アンバランスが均一化される。
【００４２】
そして、出口ノズル６９から排出する冷却空気の温度を上昇させたい場合には、図９(ｂ)に示すように、操作部材９５により開閉弁９４を操作してバイパス管９１を開放することで、シュラウド６５（第１通路Ｐ1 ）の上部に供給された高温空気の一部をバイパス管９１を介してシュラウド６５（第１通路Ｐ1 ）の下部にバイパスする。そのため、バイパス管９１を通って高温空気はほとんど冷却されず、第１通路Ｐ1 の下部で伝熱管７３により冷却された冷却空気と混合し、上方に反転して第２通路Ｐ2 を上昇し、出口ノズル６９から排出されるため、この冷却空気はやや高温となる。
【００４３】
なお、開閉弁９４によりバイパス管９１を常時半開とし、入口ノズル６６に設けた温度計の測定値と冷却空気の目標温度とに基づいて開閉弁９４の開度を調整するようにしてもよい。
【００４４】
なお、上述した各実施形態では、本発明の熱交換器を複合発電プラントに用いられるＴＣＡクーラ４５に適用して説明したが、この用途に限定されるものではない。
【００４５】
【発明の効果】
以上、実施形態において詳細に説明したように請求項１の発明の熱交換器によれば、シェル内に第１通路を有するシュラウドを配設して両者の間に第２通路を形成し、シェルの上端部に第１通路へ高温空気を供給する空気入口部を設け、シェルの上部側壁に第２通路に連通する空気出口部を設ける一方、シュラウド内に波状の複数の伝熱管を設け、下端部に冷却水を供給する冷却水導入部を連結し、上端部に冷却水を排出する冷却水排出部を設け、シュラウドの下開口部に絞り込み部を形成することで第１通路出口と前記第２通路入口を対称構造とするようにしたので、高温空気をシェルの上部から入れて下部で反転して上部から排出するようにしたことで、高温空気と冷却水との間での熱交換効率を向上することができ、また、冷却空気が第１通路から反転して第２通路に流れ込むとき、流速が絞り込み部で均一化されることとなってスムースな空気の流れを確保することができ、シェルの下部に水が溜まっていたとしても、冷却空気がこの水を巻き上げることはなく、水分を含んだ空気のシェル外への排出を防止することができる。
【００４６】
また、請求項１の発明の熱交換器によれば、第２通路における絞り込み部の外周辺に整流板を設けたので、冷却空気が第１通路から反転して第２通路に流れ込むとき、空気の流速が絞り込み部で均一化し、整流板で整流化することができ、スムースな空気の流れを確保することができる。
【００４７】
また、請求項１の発明の熱交換器によれば、第２通路の上部に空気を空気入口部の周辺部まで導く導風板を設けたので、シェル次要部を冷却することで、しぇの上部のメタル温度を下げて部材の耐久性を向上することができる。
【００４８】
また、請求項１の発明の熱交換器によれば、シュラウドの少なくとも上外周部に熱遮蔽板を設けたので、シュラウド内に入った高温空気による冷却空気の再加熱を防止することができる。
【００５０】
また、請求項１の発明の熱交換器によれば、空気入口部が、筒形状の入口管の下端に内管の上端を溶接し、この内管の外側に空間部を有して外管を配設して入口管の下端に溶接して構成し、内管の下端をシェルに形成された開口内に挿入してシュラウド上端部に連結すると共に、外管の下端をシェルの開口周辺に溶接したので、空気入口部の二重筒構造を容易に構成することで、空間部が断熱層となって入口管と外内との溶接部の高温化を防止することができる。
【００５１】
また、請求項１の発明の熱交換器によれば、空気入口部とシュラウドとの連結部に熱膨張吸収部を設けたので、シェル及びシュラウドの熱膨張あるいは熱収縮を熱膨張吸収部で吸収することで、シュラウド等への熱変形の影響を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る熱交換器の縦断面図である。
【図２】図１のII−II断面図である。
【図３】図１のIII−III断面図である。
【図４】入口ノズルの断面図である。
【図５】排水管の断面図である。
【図６】本実施形態の熱交換器が適用された複合発電プラントの概略構成図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る熱交換器としてのＴＣＡクーラの縦断面図である。
【図８】バイパス管のダンパの概略図である。
【図９】ダンパの作動を表す概略図である。
【図１０】出口ノズルの断面図である。
【符号の説明】
１１ ガスタービン
１２ 圧縮機
１３ 燃焼器
１４ タービン
１５ 蒸気タービン
１９ 排熱回収ボイラ
２３ 発電機
２４ 復水器
４５ ＴＣＡクーラ
５２ ＦＧＨ
６１ シェル
６５ シュラウド
６６ 入口ノズル（空気入口部）
６８ エキスパンジョン（熱膨張吸収部）
６９ 出口ノズル（空気出口部）
７０ 導風板
７１ 熱遮蔽板
７３ 伝熱管
７４ 給水管（冷却水導入部）
７６ 排水管（冷却水排出部）
７８ 絞り込み部
７９ 整流板
Ｐ1 第１通路
Ｐ2 第２通路
Ｐ3 出口通路
Claims (3)
- 縦形密閉式の筒形状をなすシェルと、内部に第１通路を有するように縦形筒形状であって矩形断面形状をなして該シェルの内壁との間に第２通路を形成するように該シェル内に配設されて下端部が該シェルに開口するシュラウドと、前記シェルの上端部から該シュラウドの第１通路に高温空気を供給する空気入口部と、前記シェルの上部側壁に設けられて前記第２通路に連通する空気出口部と、前記シュラウド内に前記第１通路を横切るように配設された複数の伝熱管と、前記シェルの下部側壁を貫通して該複数の伝熱管の下端部から冷却水を供給する冷却水導入部と、前記シェルの上部側壁を貫通して該複数の伝熱管内の冷却水を排出する冷却水排出部とを有する熱交換器において、
前記シュラウドの下開口部に正方形断面となるように絞り込み部を形成することで、前記第１通路出口と前記第２通路入口を対称構造とすることと、
前記第２通路における前記絞り込み部の外周辺に整流板を設けたことと、
前記第２通路の上部に空気を前記空気入口部の周辺部まで導く導風板を設けたことと、
前記シュラウドの少なくとも上外周部に熱遮蔽板を設けたことと、
前記空気入口部は、筒形状の入口管の下端に内管の上端が溶接され、前記内管の外側に空間部を有して外管が配設されて前記入口管の下端に溶接されて構成され、前記内管の下端が前記シェルに形成された開口内に挿入されて前記シュラウド上端部に連結されると共に、前記外管の下端が該シェルの開口周辺に溶接されたことと、
前記空気入口部と前記シュラウドとの連結部に熱膨張吸収部を設けたことと、
前記シェルの上部にて内壁面から中心部に向かって４つのブラケットが固定され、このブラケットに２つの支持梁が架設されており、この支持梁に前記シュラウドが吊り下げられていることとを特徴とする熱交換器。 - 縦形密閉式の筒形状をなすシェルと、内部に第１通路を有するように縦形筒形状であって矩形断面形状をなして該シェルの内壁との間に第２通路を形成するように該シェル内に配設されて下端部が該シェルに開口するシュラウドと、前記シェルの上端部から該シュラウドの第１通路に高温空気を供給する空気入口部と、前記シェルの上部側壁に設けられて前記第２通路に連通する空気出口部と、前記シュラウド内に前記第１通路を横切るように配設された複数の伝熱管と、前記シェルの下部側壁を貫通して該複数の伝熱管の下端部から冷却水を供給する冷却水導入部と、前記シェルの上部側壁を貫通して該複数の伝熱管内の冷却水を排出する冷却水排出部とを有する熱交換器において、
前記シュラウドの下開口部に正方形断面となるように絞り込み部を形成することで、前記第１通路出口と前記第２通路入口を対称構造とし、
且つ、前記第２通路に上下方向に沿って配設され、上端部が屈曲し前記シュラウド内に挿通されて前記第１通路の上部に連通する一方、下端部が屈曲し前記シュラウド内に挿通されて前記第１通路の下部に連通しているバイパス管と、
一端部は前記バイパス管を貫通して回転自在に支持され、他端部は前記シェルを外部に貫通して操作部材が固定された回転軸と、この回転軸に固結され、前記バイパス管の管路内を開閉自在な開閉弁とを備えたダンパとを有することを特徴とする熱交換器。 - 請求項２に記載の熱交換器において、
前記空気出口部に固定された取付ブラケットに装着された回転軸と、
この回転軸に取付けられ、前記シェルから排出される冷却空気により旋回可能な旋回羽根とを有することを特徴とする熱交換器。
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