JP5039684B2 - サイレンサー - Google Patents

Description

本願発明は、ガスタービンの排気経路に設けられるサイレンサーに関するものである。

一般に、ガスタービンの排気経路においては、排気経路を流れる排気ガスによって発生する騒音を低減するためにサイレンサーが用いられている。このようなサイレンサーの消音方式としては、吸音型、共鳴型、拡張型、複合型を挙げることができ、騒音の特長に合わせて各消音方式が適宜選択される。

例えば、吸音型のサイレンサーとしては、下記特許文献１のものがある。このサイレンサーは、排気ガス通過用の多孔質筒体と、この多孔質筒体の周囲に形成された複数の共鳴室と、この共鳴室を多孔質筒体側の内側共鳴室及び多孔質筒体から離間した外側共鳴室に分割する多孔質隔壁とを備えており、この多孔質隔壁の多孔質筒体に対する設置位置が共鳴室毎に相違するように構成されている。すなわち、多孔質筒体を通過する排気ガスの騒音のうち、内側共鳴室の高さと内側共鳴室の高さとに適合した周波数の音が「共鳴現象」によってそれぞれ吸音されると共に、多孔質隔壁の多孔質筒体からの設置位置が各共鳴室に相違することにより各共鳴室が吸音する周波数の音がそれぞれ異なり、広い周波数の音を吸音するようになっている。

また、拡張型のサイレンサーとしては、図６に示すものが知られている。図６に示すサイレンサー１０１は、比較的に大型のものであって、排気経路から排気ガスＧを導入する内筒１２０と、この内筒１２０の先端側を囲繞する周壁１３２及び内筒１２０の挿入孔１３３ａが形成された端壁１３３を備え、内筒１２０と接合された外筒１３０と、この外筒１３０の外面１３０ａに設けられて外筒１３０の耐久性を向上させる複数の補強リブ１４０と、外筒１３０の内面１３０ｂに設けられた断熱材１５０とを備えたものである。
特開平８−１５２８８９８号公報

ところで、図６に示すサイレンサー１０１は、ガスタービンの起動時において、内筒１２０が排気ガスＧに直接晒されて昇温するのに対して、外筒１３０が外気に晒されながら断熱材１５０を介して昇温することとなるため、両者の温度が大きく異なるものとなる。このため、内筒１２０及び外筒１３０の熱変形量の差分が大きくなって、両者の接合部に大きな熱応力が発生し、この熱応力による変形で安定的に消音性能を発揮することが困難になるという問題があった。

本願発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、安定的に消音性能を発揮することができるサイレンサーを提供することにある。

上記目的を達成するために、本願発明は以下の手段を採用している。
すなわち、本願発明は、ガスタービンの排気経路に設けられるサイレンサーであって、前記排気経路から排気ガスを導入する内筒と、該内筒のうち少なくとも先端側の一部を囲繞する周壁及び挿通孔が設けられた端壁を備え、前記挿通孔に前記内筒が径方向に間隙を有した状態で挿通された外筒と、該外筒の内面を覆う断熱材とから構成されてなり、前記内筒及び前記外筒は、前記径方向に相対移動可能に支持されることを特徴とする。

この構成によれば、外筒の挿通孔に内筒が径方向に間隙を有した状態で挿通され、内筒と外筒とが径方向に相対移動可能に支持されているので、一方が他方に拘束されずに熱変形する。これにより、内筒と外筒とに熱変形量の差があったとしても、熱応力が発生しないので、熱応力に起因する変形の発生を抑止することができる。従って、消音性能の低下を抑止することができ、安定的に消音性能を発揮することができる。

また、前記断熱材は、前記端壁の内端から前記径方向に延在して前記間隙を閉塞する延設断熱部を備え、該延設断熱部を支持すると共に、前記内筒及び前記外筒の少なくとも一方に対して前記径方向に相対移動可能な可動被覆板を備えることを特徴とする。
この構成によれば、間隙を閉塞する延設断熱部と、この延設断熱部を支持する可動被覆板を備えるので、内筒と外筒とが熱変形により相対移動したとしても、延設断熱部が可動被覆板に継続支持される。これにより、内筒と外筒との間隙から排気ガスが漏出するのを防止することができる。

また、前記内筒及び前記外筒を前記排気経路上流側に設けられた部材から独立支持する支持機構を備えることを特徴とする。
この構成によれば、内筒及び外筒を、排気経路上流側に設けられた部材から独立支持する支持機構を備えるので、内筒及び外筒を支持するために排気経路上流の部材の強度を大きくする必要がなく、また、既存の設備に付加的に設置することが可能となる。

本願発明に係るサイレンサーによれば、外筒の挿通孔に内筒が径方向に間隙を有した状態で挿通され、内筒と外筒とが径方向に相対移動可能に支持されているので、一方が他方に拘束されずに熱変形する。これにより、内筒と外筒とに熱変形量の差があったとしても、熱応力が発生しないので、熱応力に起因する変形の発生を抑止することができる。従って、消音性能の低下を抑止することができ、安定的に消音性能を発揮することができる。

以下、図面を参照し、本願発明の実施の形態について説明する。
図１は、本実施の形態に係る排気経路Ｒを示す概略図である。
図１に示すように、排気経路Ｒは、ガスタービン９０の後方排気室９０ａに直結された第一円形排気ダクト９１と、この第一円形排気ダクト９１にエクスパンション９２を介して接続された第二円形ダクト９３と、この第二円形ダクト９３にエクスパンション９４を介して接続された矩形ダクト９５と、この矩形ダクト９５に接続された排ガスボイラ接続口９６と、この排ガスボイラ接続口９６の上方に接続された上流側消音器９７と、この上流側消音器９７の上方に付加的に接続されたサイレンサー１とから概略構成されている。このような構成により、排気経路Ｒは、水平方向に延在した後に屈曲して鉛直方向に延在するように構成されている。

図２は、本実施の形態に係るサイレンサー１の縦断面図である。
図２に示すように、サイレンサー１は、内筒２０と、外筒３０と、外筒３０の外面３０ａに設けられた複数の補強リブ４０と、外筒３０の内面３０ｂに設けられた断熱材５０と、内筒２０及び外筒３０を径方向に相対移動可能に支持する支持機構６０と、内筒２０及び上流側消音器９７と外部とを封止する封止機構７０とを備えている。

内筒２０は、両端部が開放されたものであって、筒内が上流側消音器９７に連通して排気ガスＧを下方から上方に向けて導くものである。この内筒２０の材質としては、例えば、ステンレス鋼を用いることができる。
内筒２０は、内筒２０の下端部における外面２０ａから径方向外方に突出して等間隔環状配置された複数の突部２０ｃと、比較的に短く切断されたＨ鋼材で構成されてフランジ部が突部２０ｃの下面に面接合された接続体２０ｄとを備えている。
なお、この内筒２０の上方には、複数の貫通孔が形成された多孔板からなる整流部２１が設けられている。

外筒３０は、内筒２０と同軸配置されたものであり、内筒２０の下端部以外の大部分を径方向に間隔を空けた状態で囲繞する周壁３２と、この周壁３２の下端３２ａ及び上端３２ｂとにそれぞれ連接された中空円板状の下端壁（端壁）３３及び上端壁３４と、内筒２０の流路断面と略同大の流路断面を有し、上端壁３４の内縁から上方に向かって延在する煙突部３５とを備えている。

下端壁３３には、外筒３０の中心軸上に内筒２０よりも大径の挿通孔３３ａが形成されており、この挿通孔３３ａに内筒２０が径方向に間隙Ｃを有した状態で挿通されている。この状態においては、外筒３０の上端壁３４が、内筒２０の整流部２１よりも上方に位置するようになっている。
この外筒３０の材質としては、例えば、軟鋼を用いることができる。
このような構成の内筒２０及び外筒３０は、後述の支持機構６０によって径方向に相対移動可能に支持されている。

複数の補強リブ４０は、外筒３０の外面３０ａに設けられている。
各補強リブ４０は、三本のＨ形鋼が接合されて構成されており、それぞれ一方のフランジ部の端面を外面３０ａに密着させた状態で配設されている。各補強リブ４０は、延在方向を外筒３０の径方向に向けて下端壁３３の内縁から外縁を超えて延設された下リブ４０ａと、この下リブ４０ａの径方向外方側における端部に接合され、延在方向を鉛直方向に向けて周壁３２の両端に亘って延設された鉛直リブ４０ｂと、この鉛直リブ４０ｂの上端部に接合され、延在方向を外筒３０の径方向に向けて上端壁３４の外縁から煙突部３５の基端部３５ａまで延設された上リブ４０ｃとから構成されている。
このような補強リブ４０が、外筒３０の周方向に複数、等間隔環状配置されることで、外筒３０の補強が図られている。

断熱材５０は、外筒３０の内面３０ｂを被覆する外筒断熱部５０ａと、下端壁３３の内縁から内筒２０の外周まで径方向に延設されて、内筒２０と外筒３０との間隙Ｃを閉塞する延設断熱部５０ｂとを備えている。

図３は、サイレンサー１の要部拡大図であって、図２におけるＰ拡大図である。
断熱材５０は、図２に示すように、三つの断熱層が積層されて概略構成されている。この断熱材５０には、例えば、生体溶解性ファイバーやロックウールを用いることができ、弾性を有するものが好適である。

外筒断熱部５０ａは、全面に亘って磁性材料で形成された固定被覆板５２で表面が覆われ、この固定被覆板５２と共にピン５５で外筒３０に固定されている。
また、延設断熱部５０ｂは、上面及び下面が複数の可動被覆板５３で覆われている。

図４は、可動被覆板５３の上面図である。
図４に示すように、可動被覆板５３は、上面視が扇形の板状部材であり、面方向外方にせり出した円弧縁５３ａに沿って等間隔に三つ形成された長孔５３ｂと、他方の円弧縁５３ｃに沿って等間隔に三つの形成された円孔５３ｄとを有している。
長孔５３ｂは、長径が径方向に向くように形成されており、短径がピン５５のピン径よりも僅かに大きく構成されている。
なお、可動被覆板５３の径方向の長さＬは、間隙Ｃの径方向の長さと、外筒３０と内筒２０との径方向の熱伸び量の差分の最大量とを加えた長さよりも大きくされている。

このような可動被覆板５３は、延設断熱部５０ｂの上面及び下面のそれぞれにおいて、複数枚が周方向に連設されており、全体として環状に並べられている。より具体的には、隣接する可動被覆板５３の側縁部が互いに重なるように連続して設けられて、延設断熱部５０ｂの上面及び下面をそれぞれ被覆しており、図３に示すように、長孔５３ｂを固定被覆板５２の内縁部に重ねている。

このような可動被覆板５３は、円孔５３ｄにボルト５６が挿通されて内筒２０の外周にボルト止めされている。一方、長孔５３ｂには外筒３０に固定されたピン５５が挿通されており、このピン５５により可動被覆板５３の周方向の移動が拘束されると共に、径方向にスライド可能となっている。

支持機構６０は、図１及び図２に示すように、床面Ｆから上方の下リブ４０ａに延びる複数の脚部６１と、この脚部６１の上端６１ａに接合されて下端壁３３の下方において環状に延在する外筒支持盤部６２と、脚部６１の側部から径方向内方に延出する内筒支持盤部６３とを備えている。外筒支持盤部６２及び内筒支持盤部６３には、外筒３０及び内筒２０を相対移動可能に支持する台座６４が設けられている。

台座６４は、図２に示すように、各接続体２０ｄの下部に一つ、各下リブ４０ａの下部に二つずつ配設されている。この台座６４は、基台６５と、この基台６５の両側部に二つずつ設けられて接続体２０ｄ（図３において不図示）及び下リブ４０ａを径方向に直動可能かつ周方向に拘束する一対のスライド部材６６とを備えている。

図５は、図３におけるＱ矢視図である。
基台６５は、方形板状に形成された部材が積層されてなり、外筒支持盤部６２又は内筒支持盤部６３に固定されて、接続体２０ｄを介して内筒２０が、下リブ４０ａを介して外筒３０が載置されている。

一対のスライド部材６６は、基端部が固定されて基台６５に立設された基部６６ａと、この基部６６ａの先端側から接続体２０ｄ又は下リブ４０ａ側に延びた腕部６６ｂとをそれぞれ備えている。
これら一対のスライド部材６６は、接続体２０ｄ又は下リブ４０ａを挟んで、腕部６６ｂを互いに向けた状態で固定されており、この二つの腕部６６ｂと基台６５とで接続体２０ｄ又は下リブ４０ａの下側のフランジ部を挟むようになっている。
このような構成により、支持機構６０は、内筒２０及び外筒３０を、径方向に摺動可能に、かつ、周方向に拘束した状態で支持している。すなわち、内筒２０及び３０は、被支持部が径方向に拘束されない自由支持となる。

図３に戻って、封止機構７０は、上流側消音器９７の上端から径方向外方に延出した中空円盤部材７１と、内筒２０の下端部における内面２０ｂから径方向内方側に突出した環状部材７２と、この環状部材７２の下面７２ａに固定され、中空円盤部材７１と環状部材７２との間を封止する環状封止部材７３とを備えている。
この封止機構７０は、内筒２０を支持機構６０に支持させた場合に、環状封止部材７３が中空円盤部材７１に押圧されるようになっている。

次に、上記の構成からなるサイレンサー１の動作について説明する。
まず、図１に示すように、ガスタービンが起動されると排気経路Ｒを排気ガスＧが流れ始める。この排気ガスＧは、比較的に高温（約６００℃）のものである。

排気ガスＧは、図２に示すように、上流側消音器９７から内筒２０の筒内に流入し、この筒内を上方に向けて流れ、整流部２１を介して内筒２０の上端の開口部から流れ出て、内筒２０と外筒３０との間の空間に流入する。
この排気ガスＧは、内筒２０の外面２０ａと断熱材５０に接触する。この際、内筒２０及び外筒３０の間隙Ｃを延設断熱部５０ｂが閉塞しているため、排気ガスＧが間隙Ｃから外部に漏出することはない。

内筒２０と外筒３０との間の空間に流入した排気ガスＧは、煙突部３５に流入して最終的にサイレンサー１の外部へと流出していく。
このようにして、高温の排気ガスＧが連続的にサイレンサー１内に流れるため、ガスタービン起動直後は、内筒２０及び外筒３０の温度が時間の経過と共に上昇していく。

内筒２０及び外筒３０の温度上昇により、内筒２０及び外筒３０が径方向及び軸方向にそれぞれ熱膨張し、支持機構６０上の各支持位置が熱膨張分だけ径方向に移動する。この移動と共に、間隙Ｃに設けられた延設断熱部５０ｂと可動被覆板５３とが、内筒２０の移動量と外筒３０の移動量との差分だけ径方向にスライドする。
これら内筒２０、外筒３０並びに延設断熱部５０ｂ及び可動被覆板５３の動作について、以下詳細に説明する。

内筒２０は、図２に示すように、内面２０ｂが筒内を流れる排気ガスＧと、外面２０ａが内筒２０と外筒３０との間の径方向の空間に流出した排気ガスＧと、それぞれ直接的に接触することにより、急速に温度が上昇していく。すなわち、内筒２０は、軸方向及び径方向に急激に熱膨張する。

内筒２０は、図３に示すように、径方向外方への熱膨張に応じて、台座６４上において接続体２０ｄを径方向外方に摺動させる。すなわち、内筒２０の被支持部が径方向に拘束されない自由支持であるため、この被支持部が内筒２０の熱膨張分だけ径方向外方へと移動する。

内筒２０は、外面２０ａに固定された可動被覆板５３を、外筒３０に固定されたピン５５に長孔５３ｂを沿わせて、内筒２０の熱膨張分だけ径方向外方に移動させる。なお、内筒２０と可動被覆板５３との径方向における相対的位置は不変である。
また、延設断熱部５０ｂを径方向外方の外筒断熱部５０ａ側に押し付ける。

この内筒２０の移動により、環状部材７２を介して環状封止部材７３が中空円盤部材７１に押圧された状態で径方向外方に移動する。すなわち、内筒２０及び上流側消音器９７と外部とを継続して封止する。

一方、外筒３０は、図２に示すように、排気ガスＧと接触せずに断熱材５０を介して、内面３０ｂが間接的に暖められ、内筒２０と比べて徐々に温度が上昇していく。すなわち、外筒３０は、軸方向及び径方向に徐々に熱膨張する。
なお、補強リブ４０は、内筒２０からの接触熱伝導によって温度が上昇していくが、外筒３０が断熱材５０によって徐々に昇温していくために外筒３０と補強リブ４０との接合部に発生する熱応力は非常に小さいものとなる。

外筒３０は、径方向外方への熱膨張に応じて、台座６４上において径方向外方に下リブ４０ａを摺動させる。すなわち、外筒３０の被支持部が外筒３０の熱膨張分だけ径方向外方へと移動する。
外筒３０の移動に伴って、外筒３０に固定されたピン５５が移動する。すなわち、このピン５５が長孔５３ｂに沿って、外筒３０の熱膨張分だけ径方向外方に移動すると共に、延設断熱部５０ｂを径方向外方の外筒断熱部５０ａ側に引き付ける。

上述したように、可動被覆板５３は、内筒２０との相対的位置が不変であり、内筒２０の径方向の熱膨張の分だけ径方向外方に移動するが、外筒３０も熱膨張によって径方向外方へと移動する。このため、内筒２０と外筒３０の径方向における熱膨張量の差分だけ間隙Ｃが縮小される。
この際、内筒２０と外筒３０との間に間隙Ｃが形成されているため、内筒２０と外筒３０の径方向における熱膨張により両者に熱応力が発生することがない。

また、内筒２０の軸方向の熱膨張により、下端壁３３の内縁に対して内筒２０に設けられたボルト５６の鉛直方向の位置が上方に移動し、可動被覆板５３と延設断熱部５０ｂとが径方向内方に向けて上方に傾く。
この際、内筒２０と外筒３０との間に間隙Ｃが形成されているため、内筒２０の軸方向の熱膨張により両者に熱応力が発生することがない。

このようにして、内筒２０と外筒３０とに熱応力が発生しないため、熱応力による変形が生じることなく、安定的に消音性能を発揮する。

以上説明したように、本実施形態によれば、外筒３０の挿通孔３３ａに内筒２０が径方向に間隙Ｃを有した状態で挿通され、内筒２０と外筒３０とが径方向に相対移動可能に支持されているので、内筒２０と外筒３０とに熱伸び量の差が発生したとしても、一方が他方に拘束されずに熱変形する。これにより、内筒２０及び外筒３０が相互干渉して熱応力が発生することなく、熱応力による変形の発生を防止することができる。従って、内筒２０及び外筒３０の変形に伴って消音性能が低下することを抑制することができるので、安定的に消音性能を発揮することができる。

また、本実施形態によれば、間隙Ｃを閉塞する延設断熱部５０ｂと、この延設断熱部５０ｂを支持すると共に移動可能な可動被覆板５３を備えるので、内筒２０と外筒３０とが熱変形により相対移動したとしても、延設断熱部５０ｂが可動被覆板５３に継続支持される。これにより、内筒２０と外筒３０の間隙Ｃから排気ガスＧが漏出することを防止することができる。

また、本実施形態によれば、内筒２０及び外筒３０を排気経路上流を構成する上流側消音器９７から独立支持する支持機構６０を備えるので、内筒２０及び外筒３０を支持するために、排気経路上流を構成する部材の強度を大きくする必要がなく、また、既存の設備に付加的に設置することが可能となる。

なお、上述した実施の形態において示した動作手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本願発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
例えば、上述した実施の形態では、可動被覆板５３と内筒２０との相対位置を固定したが、外筒３０と可動被覆板５３との相対位置を固定する構成としてもよい。また、相対位置を完全に固定する必要はなく、一定の可動範囲を超えた後に相対位置が固定される構成としてもよい。

本願発明の実施形態に係る排気経路Ｒを示す概略図である。 本願発明の実施形態に係るサイレンサー１の縦断面図である。なお、図２において、理解容易のために内筒２０及び外筒３０の厚さ寸法を誇張して示している。 本願発明の実施形態に係るサイレンサー１の要部拡大図であって、図１におけるＰ拡大図である。 本願発明の実施形態に係る可動被覆板５３の上面図である。 本願発明の実施形態に係る可動機構６０の概略構成図であって、図３におけるＱ矢視図である。 従来の拡張型のサイレンサー１０１を示す図であって、サイレンサー１０１の縦断面図である。

符号の説明

１…サイレンサー
２０…内筒
３０…外筒
３０ａ…外面
３０ｂ…内面
３２…周壁
３３…下端壁
３３ａ…挿通孔
４０…補強リブ
５０…断熱材
５０ｂ…延設断熱部
５３…可動被覆板
６０…支持機構
９０…ガスタービン
９７…上流側消音器（排気経路上流側に設けられた部材）
Ｃ…間隙
Ｇ…排気ガス
Ｒ…排気経路

Claims (3)

1. ガスタービンの排気経路に設けられるサイレンサーであって、
   前記排気経路から排気ガスを導入する内筒と、
   該内筒のうち少なくとも先端側の一部を囲繞する周壁及び挿通孔が設けられた端壁を備え、前記挿通孔に前記内筒が径方向に間隙を有した状態で挿通された外筒と、
   該外筒の内面を覆う断熱材とから構成されてなり、
   前記内筒及び前記外筒は、前記径方向に相対移動可能に支持されることを特徴とするサイレンサー。
2. 前記断熱材は、前記端壁の内端から前記径方向に延在して前記間隙を閉塞する延設断熱部を備え、
   該延設断熱部を支持すると共に、前記内筒及び前記外筒の少なくとも一方に対して前記径方向に相対移動可能な可動被覆板を備えることを特徴とする請求項１に記載のサイレンサー。
3. 前記内筒及び前記外筒を前記排気経路上流側に設けられた部材から独立支持する支持機構を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のサイレンサー。

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