JPH0522158B2 - - Google Patents

Description

請求の範囲 １ コア１９と、このコア１９を取り囲み、熱交
換器内部を通る高温流体の流通路３１を形成して
いるハウジング２１と、コア１９の両端に配置さ
れた一対の端ばり２２と、端ばりを相互に結合し
て、コア１９をこれらの端ばりの間で締結するた
めの相互結合手段３７とを備えた熱交換器１０に
おいて、 前記相互結合手段３７は、高温流体の流通路３
１を横切つて配列された複数本のタイロツド３８
を有し、これらのタイロツドは両端がそれぞれ端
ばり２２に接続されており、また、これらのタイ
ロツド３８のそれぞれは、両端の近傍位置にソケ
ツト３９を有すると共に、これらのソケツト３９
の間に配列され、しかもそれらのソケツトに接続
された複数本の小径ロツド４１を有していること
を特徴とする熱交換器１０。

２ 請求の範囲第１項に記載の熱交換器１０にお
いて、タイロツド３８の熱膨張特性は、コア１９
の熱膨張特性に極めて良く合致していることを特
徴とする熱交換器１０。

３ 請求の範囲第２項に記載の熱交換器１０にお
いて、前記コア１９は全体的にステンレススチー
ルから構成されており、小径ロツド４１はインコ
ネル718鋼製であることを特徴とする熱交換器１
０。

４ 請求の範囲第２項に記載の熱交換器１０にお
いて、前記小径ロツドのそれぞれの直径は約0.63
センチメートルであることを特徴とする熱交換器
１０。

５ 請求の範囲第１項に記載の熱交換器１０にお
いて、各ソケツト３９のそれぞれは、複数個の貫
通孔４４を有し、この孔の個数は小径ロツド４１
の本数と同一であり、これらの小径ロツド４１は
ソケツトの前記貫通孔４４を貫通して配列されて
いることを特徴とする熱交換器１０。

６ 請求の範囲第５項に記載の熱交換器１０にお
いて、各ソケツトは端面４３を有し、複数本の小
径ロツド４１は、それらの両端が貫通孔を貫通し
て端面から突出し、貫通孔内に固定された状態に
保持されていることを特徴とする熱交換器１０。

７ 請求の範囲第１項に記載の熱交換器１０にお
いて、前記相互結合手段３７は、各ソケツト３９
を対応する端ばり２２に対して調整可能に結合す
るための手段４２を有していることを特徴とする
熱交換器１０。

８ 請求の範囲第７項に記載の熱交換器１０にお
いて、前記端ばり２２は孔３６を有し、前記手段
４２は、ソケツト３９内に形成したねじ切り孔４
８と、スタツド４９と、ナツト５３とを有し、前
記スタツドはねじ切り孔４８内にねじ込まれた第
１のねじ付端部分５１と端ばり内の孔３６を貫通
して配置された第２のねじ付端部分５２を備えて
おり、ナツト５３がスタツド４９の第２のねじ付
端部分５２にねじ込まれていることを特徴とする
熱交換器１０。

９ 請求の範囲第１項に記載の熱交換器１０。に
おいて、前記タイロツド３９のそれぞれには、小
径ロツド４１の長手方向に沿つて間隔をおいて複
数個のスペーサーが配置されていることを特徴と
する熱交換器１０。

１０ 請求の範囲第１項に記載の熱交換器１０に
おいて、前記ソケツト３９のそれぞれは、密封し
た状態でハウジング２１に結合されていることを
特徴とする熱交換器１０。

１１ 排気パイプ１８と、熱交換器１０とを有
し、この熱交換器は、コア１９と、このコア１９
を取り囲み、熱交換器内部を通る流体の流通路３
１を形成しているハウジング２１と、コア１９の
両端に配置された一対の端ばり２２と、端ばりを
相互に結合して、コア１９をこれらの端ばりの間
で締結するための相互結合手段３７とを備え、前
記排気パイプ１８が熱交換器１０の流体流通路３
１に接続されているガスタービンエンジン１２に
おいて、 前記相互結合手段３７は、流体の流通路３１を
横切つて配列された複数本のタイロツド３８を有
し、これらのタイロツドは両端がそれぞれ端ばり
２２に接続されており、また、これらのタイロツ
ド３８のそれぞれは、両端の近傍位置にソケツト
３９を有すると共に、これらのソケツト３９の間
に配列され、しかもそれらのソケツトに接続され
た複数本の小径ロツド４１を有していることを特
徴とするガスタービンエンジン１２。

１２ 請求の範囲第１１項に記載のガスタービン
エンジン１２において、タイロツド３８の熱膨張
特性は、コア１９の熱膨張特性に極めて良く合致
していることを特徴とするガスタービンエンジン
１２。

１３ 請求の範囲第１２項に記載のガスタービン
エンジン１２において、前記コア１９は全体的に
ステンレススチールから構成されており、小径ロ
ツド４１はインコネル718鋼製であることを特徴
とするガスタービンエンジン１２。

１４ 請求の範囲第１２項に記載のガスタービン
エンジン１２において、前記小径ロツドのそれぞ
れの直径は約0.63センチメートルであることを特
徴とするガスタービンエンジン１２。

１５ 請求の範囲第１１項に記載のガスタービン
エンジン１２において、各ソケツト３９のそれぞ
れは、複数個の貫通孔４４を有し、この孔の個数
は小径ロツド４１の本数と同一であり、これらの
小径ロツド４１はソケツトの前記貫通孔４４を貫
通して配列されて、それらの貫通孔内に固定した
状態に保持されていることを特徴とするガスター
ビンエンジン１２。

１６ 請求の範囲第１５項に記載のガスタービン
エンジン１５において、前記相互結合手段３７
は、各ソケツト３９を対応する端ばり２２に調整
可能に結合するための手段４２を有していること
を特徴とするガスタービンエンジン１２。

１７ 請求の範囲第１６項に記載のガスタービン
エンジン１２において、前記端ばり２２は孔３６
を有し、前記手段４２は、ソケツト３９内に形成
したねじ切り孔４８と、スタツド４９と、ナツト
５３とを有し、前記スタツドねじ切り孔４８内に
ねじ込まれた第１のねじ付端部分５１と端ばり内
の孔３６を貫通して配置された第２のねじ付端部
分５２を備えでおり、ナツト５３がスタツド４９
の第２のねじ付端部分５２にねじ込まれているこ
とを特徴とするガスタービンエンジン１２。

１８ 請求の範囲第１１項に記載のガスタービン
エンジン１２において、前記タイロツド３９のそ
れぞれには、小径ロツド４１の長手方向に沿つて
間隔をおいて複数個のスペーサーが配置されてい
ることを特徴とするガスタービンエンジン１２。

１９ コア１９と、このコア１９を取り囲み、熱
交換器内部を通る流体の流通路３１を形成してい
るハウジング２１と、コア１９の両端に配置され
た一対の端ばり２２とを備えた熱交換器１０に装
着して用いるように構成されたタイロツド３８に
おいて、 離して配置した一対のソケツト３９と、複数本
の小径ロツド４１と、各ソケツトに接続された締
結部材４９とを有し、 前記複数本の小径ロツドは、前記ソケツト３９
の間に配列されていると共にこれらのソケツトに
接合されており、また各小径ロツドのそれぞれ
は、長さが直径よりも大きくなるような長さおよ
び直径を有していることを特徴とするタイロツド
３８。

２０ 請求の範囲第１９項に記載のタイロツド３
８において、前記ソケツト３９のそれぞれは、ロ
ツド４１が貫通している複数個の孔４４を有して
いることを特徴とするタイロツド３８。

２１ 請求の範囲第１９項に記載のタイロツド３
８において、前記ソケツト３９のそれぞれは、ね
じ切り孔４８を有し、前記締結部材はスタツド４
９とナツト５３とを有し、前記スタツドは、ねじ
切り孔４８内にねじ込まれた第１のねじ付端部分
５１と端ばり内の孔３６を貫通して配置された第
２のねじ付端部分５２を備えており、ナツト５３
がスタツド４９の第２のねじ付端部分５２にねじ
込まれていることを特徴とするタイロツド３８。

２２ 請求の範囲第１９項に記載のタイロツド３
８において、小径ロツド４１の長手方向に沿つて
等しい間隔をおいて複数個のスペーサーが配置さ
れ、これらが小径ロツドに接続されていることを
特徴とするタイロツド３８。

２３ コア１９と、このコア１９を取り囲み、熱
交換器内部を通る流体の流通路３１を形成してい
るハウジング２１と、コア１９の両端に配置され
た一対の端ばり２２と、端ばりを相互に結合し
て、コア１９をこれらの端ばりの間で締結するた
めの相互結合手段３７とを備えた熱交換器１０に
おいて、 前記相互結合手段３７は、高温流体の流通路３
１を横切つて配列された複数本のタイロツド３８
を有し、これらのタイロツドは両端がそれぞれ端
ばり２２に接続されていることを特徴とする熱交
換器１０。

２４ 請求の範囲第２３項に記載の熱交換器１０
において、タイロツド３８の熱膨張特性は、コア
１９の熱膨張特性に極めて良く合致していること
を特徴とする熱交換器１０。

２５ 請求の範囲第２４項に記載の熱交換器１０
において、前記コア１９は全体的にステンレスス
チールから構成されており、小径ロツド４１はイ
ンコネル718鋼製であることを特徴とする熱交換
器１０。

２６ 請求の範囲第２４項に記載の熱交換器１０
において、前記小径ロツドのそれぞれの直径は約
0.63センチメートルであることを特徴とする熱交
換器１０。

技術分野 本発明は熱交換器に関するものである。さらに
詳しくは、本発明は、熱交換器の内部における内
圧および熱負荷に起因して発生する荷重を支持す
るための熱平衡式拘束装置を備えた熱交換器の構
成に関するものである。

背景技術 ガスタービンの多くのものは、一次側表面の伝
熱式熱回収装置形式の熱交換器を使用して、排出
ガスからの熱を回収し、吸入空気を予備加熱する
ことによつて、エンジンの作動効率を高めるよう
にしている。一般に、ガスタービンに用いる熱回
収装置はサイクルの開始および停止を含む作動条
件下において、温度が約650℃、内部圧力が約
550kPaで作動が可能でなければならない。幾つ
かの大型のタービンエンジンの設置例において
は、このような熱回収装置は３メートルあるいは
それより長くなることがある。

このような熱回収装置に備わつているコアは、
通常はステンレススチール製の薄板を平行に複数
枚積み重ねた構造となつている。これらの薄板は
隣り合うもの同志がそれらの外周部分の位置で結
合されて、エア・セルといわれる通路を形成して
いる。エンジンのコンプレツサから排出された圧
縮空気は、これらのエア・セルを通り、一方、高
温の排出ガスは、隣接する各対のエア・セルの外
周表面によつて形成された通路を通つて流れる。
この排出ガスによつて薄板が加熱され、コンプレ
ツサからの吸入空気がその薄板の熱を吸収する。
これらのエア・セルの支持は、通常コアと呼んで
いるこれらエア・セルの集合部分を、二本の硬質
の端ばりの間に締結することによつて行なわれ
る。これら二本の端ばりによつて、吸入空気の内
圧に起因して生ずるエア・セルの「脹らみ」を押
さえている。この締結力は、従来においては、二
本の端ばりを強固に相互接続している内部あるい
は外部の拘束装置によつて発生させていた。

これらのうち外部の拘束装置の例が、1978年５
月23にCraig Youngに発行された米国特許第
4090358号の明細書に開示されている。この形式
の装置においては、拘束部材は熱回収装置の外部
に位置している。この形式の拘束装置における一
つの問題点は、コアの熱応答時間に比べて、拘束
部材の熱応答時間が全く異なつていることであ
る。例えば、エンジンを始動させたとき、排出ガ
スおよび熱回収装置は非常に速く加熱し、その結
果各部分の熱膨張によつてコアは急速に大きくな
る。拘束部材は熱回収装置の外部に位置している
ので、拘束部材はコアほどには速く加熱されるこ
とはなく、それらの熱膨張率はコアの膨張率より
も遥かに低い。内部の空気圧による荷重に加え
て、この熱膨張率の差によつて、拘束部材には熱
引張力が、また熱回収装置には熱圧縮力が発生す
る。。これらの荷重が組み合わさつて、熱回収装
置の圧縮強度を超える荷重となる恐れがあり、こ
の荷重によつて熱回収装置が撓み、その長さが圧
縮されてしまう。熱回収装置と拘束部材が熱的に
安定した状態になると、圧縮された熱回収装置は
もはや拘束装置によつては支持されず、熱回収装
置の内部構造は内部の空気圧によつて発生した力
を受けることになる。この内部の空気圧によつて
生ずる熱回収装置の過荷重状態が原因となつて、
低サイクル運転における疲れ寿命が短くなるおそ
れがある。この低サイクル運転における疲れ寿命
は、コアの各端に隣接したエア・セルの亀裂発生
の原因となり、この亀裂を通つてそこから空気が
漏れ出て熱回収装置の効率が低下する。

内部拘束装置の一例は、1982年５月25日に
Richard F. Gravedに発行された米国特許第
4331352号の明細書に開示されている。この明細
書に開始されたものにおいては、独立した直径の
太いタイロツドを複数本利用しており、これらの
タイロツドは、排出ガス通路を横切つて、熱回収
装置の両端のフランジ間に跨がつて延びている。
この特許においては、タイロツドとコアが受ける
熱膨張を認識しており、従つて、そのような熱膨
張を調整するための別個の装置が付加されてい
る。このように別個の装置を付加することは、熱
回収装置の構成を複雑にすると共に、その製造価
格も高騰させてしまう。

本発明は、上述した一つまたはそれ以上の問題
点を解決することを目的としている。

発明の開示 本願の発明によつて提供される熱交換器は、コ
アと、このコアを囲むと共に、熱交換器本体を通
る流体の通路を形成しているハウジングと、コア
の対向する両端に配置された一対の端ばりと、コ
アがこれらの端ばりの間に締結されるように、端
ばりを相互に結合するための手段とを備えてい
る。端ばりを相互に結合するための手段は、上記
の流体通路を貫通して延び、対向する両端が上記
の端ばりに接続されている複数本のタイロツドを
備えている。これらの各ロツトには、各端に隣接
した位置にソケツトが取付けられていると共に、
複数本の小径ロツドがこれらのソケツト間に延び
ているとともにそれらのソケツトに接合されてい
る。

本願の別の発明によつて提供されるガスタービ
ンエンジンは、排気ガスパイプと、熱交換器とを
備えており、熱交換器は、コアと、このコアを囲
むと共に、熱交換器本体を通る流体の通路を形成
しているハウジングと、コアの対向する両端に配
置された一対の端ばりと、コアがこれらの端ばり
の間に締結されるように、端ばりを相互に結合す
るための手段とを備えている。端ばりを相互に結
合するための手段は、上記の流体通路を貫通して
延び、対抗する両端が上記の端ばりに接続されて
いる複数本のタイロツドを備えている。これらの
各ロツドには、各端に隣接した位置にソケツトが
取付けられていると共に、複数本の小径ロツドが
これらのソケツト間に延びているとともにそれら
のソケツトに接合されている。

本願のさらに別の発明によつて提供されるタイ
ロツドは、熱交換器に取付けて使用するように構
成されており、熱交換器は、コアと、このコアを
囲むと共に、熱交換器本体を通る流体の通路を形
成しているハウジングと、コアの対向する両端に
配置された一対の端ばりとを備えている。上記の
タイロツドは、離して配置した一対のソケツト
と、これらのソケツトの間に配置され、これらの
ソケツトに接合された複数本の小径のロツドとを
備えている。小径ロツドの長さと直径との関係
は、その長さがその直径よりも実質的に大きい値
となつている。各ソケツトには、留め部材が取付
けられている。

本願のさらに別の発明の熱交換器は、コアと、
このコアを囲むと共に、熱交換器本体を通る流体
の通路を形成しているハウジングと、コアの対向
する両端に配置された一対の端ばりと、コアがこ
れらの端ばりの間に締結されるように、端ばりを
相互に結合するための手段とを備えている。端ば
りを相互に結合するための手段は、上記の流体通
路を貫通して延び、対向する両端が上記の端ばり
に接続されている複数本のタイロツドを備えてい
る。

本発明によつて実現される熱交換器用の熱平衡
式拘束装置は、熱膨張および熱収縮が、熱交換器
のコアとほぼ同一の割合となつている。このよう
に、コアおよび拘束システムにおける熱膨張およ
び熱収縮率がほぼ同一であるので、熱応力および
力に起因した亀裂の発生および故障を回避でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例にかかる装置を搭載
したガスタービンエンジンの側面図であり、第２
図は第１図の線で囲んだ部分を取り出して示す
拡大断面図である。

発明を実施するための最良の形態 図面に示すように、熱交換器である熱回収装置
１０は、熱平衡式拘束装置１１を備えており、ガ
スタービンエンジン１２に装着されている。ガス
タービンエンジンは、排出ノズル１４を備えたコ
ンプレツサ１３と、吸気ダクト１７および排気パ
イプ１８を備えた燃焼およびタービン領域１６と
を有している。

熱回収装置１０は、コア１９と、ハウジング２
１と、一対の端ばり２２と、熱平衡式拘束装置１
１とを有している。

上記のコア１９は複数の一次側表面板２３を有
しており、これらの板は相互に間隔をおいて並列
な状態で積み重ねられている。隣接する板２３の
外周部分は相互に通常の方法で接合され、この接
合が各板に渡つて順次に行なわれており、これに
よつて、板の間には空気通路と排出ガス通路とが
交互に形成されている（図示せず）。上記のコン
プレツサ１３の排出ノズル１４に対しては、ベロ
ーズ・タイプの管継手２６を介して入口ダクト２
４が接続されている。コアの空気通路の排出側お
よび吸入ダクト１７に対しては、ベローズ・タイ
プの管継手２８を介して出口ダクト２７が接続さ
れている。

上記のハウジング２１は、エンジン１２の排気
パイプ１８に接続されており、これとは反対の側
に排気開口２９を備えている。ハウジングはコア
１９を取り囲んで、矢印３１によつて代表される
排出ガス流通路を区画形成している。このガス流
通路によつて、排出ガスは、排気パイプ１８から
コア内の排気通路を通つて、排気開口２９に流れ
る。ハウジングは対向した端壁３２を有してお
り、各々の端壁には複数個の孔が形成されてい
る。これらの端壁の一方のものを、第２図におい
て符号３３によつて示してある。

一対の端ばり２２はコア１９の両端に配置され
ており、本例においてはこれらのはりは、溶接等
によつて好適な状態に相互接合された複数の箱形
はりおよび板部材によつて構成されて、強固な構
造体になつている。各端ばりには、複数個の孔３
６が形成されており、これらはハウジング２１の
端壁３２にあけた孔３３に一致している。端ばり
２２とコア１９との間には、断熱部材３５が好適
な状態に配置されている。

熱平衡式の拘束装置１１によつて、端ばり２２
を相互に結合するための手段３７が形成され、こ
の手段によつて端ばりの間にコア１９が締結され
ることになる。この相互結合手段３７は複数本の
熱応答性の良いタイロツド３８を備えており、こ
れらのタイロツド３８は排出ガス流通路３１を横
切つて配置されており、各タイロツトの両端は、
それぞれ一対の端ばり２２に接合されている。各
タイロツト３８は、離して配置した一対のソケツ
ト３９と、ソケツト間に配置され、これらのソケ
ツトに接続された複数本の小径ロツド４１と、ソ
ケツトを端ばりに結合するための手段４２とを備
えている。この手段４２を配置する代わりに、小
径のロツドを個別に端ばり２２に結合するように
することも可能である。各ソケツトは、端面４３
と、小径ロツドと同数の貫通孔４４とを有してい
る。上記の小径ロツドは貫通孔４４を貫通し、そ
れらの端は端面４３から突出した状態になつてい
る。各ロツドは貫通孔内に、溶接などの方法によ
つて固定した状態に保持されている。各ソケツト
は、端壁３２に形成した孔３３を貫通した状態に
配置されており、カラー４６によつて、密閉され
た状態で端壁に結合されている。各タイロツド３
８にはその長手方向にそつて所定の間隔置きに複
数個のスペーサー４７が配置され、これらは各タ
イロツドに対して固定されて、これによつてロツ
ドの振動が防止されるようになつている。

調整可能な接合手段４２は、ソケツト３９内の
ねじ切り孔４８と、ねじ付留め部材すなわちスタ
ツド４９と、ナツト５３とによつて構成されてお
り、上記のスタツドは、ねじ切り孔４８内にねじ
込まれた第１のねじ端部分５１と、端ばり内にお
いて孔３６を貫通して延びる第２のねじ端部分５
２とを有している。上記のナツト５３は、第２の
ねじ端部分５２にねじ込まれ、端ばりに当接した
状態になつている。

熱平衡式の拘束装置１１を特定の形式の熱交換
器に用いる場合を述べてきたが、この装置は、構
成部分間の熱応答速度が実質的に等しい他の形式
の熱交換器等にも使用することが可能である。

産業上の利用可能性 使用されている状態においては、エンジン１２
からの排出ガスは、矢印の方向に排気流通路３１
を流れて、コア１９内の排出ガス通路を通過し
て、排気開口２９から排出される。排出ガスは一
般に約650℃であり、ほぼ大気の状態となつてい
る。コア内のガス通路を通過した高温排出ガスに
よつて、板２３が加熱される。それと同時に、コ
ンプレツサ１３から排出された約550kPaの圧縮
空気が管継手２６、入口ダクト２４およびコア内
の空気通路を通つて流れ、この空気通路内におい
て板からの熱を受け取る。このように加熱された
空気は、次に出口ダクト２７、管継手２８を通つ
て、燃焼およびタービン領域に流入し、そこにお
いて、燃焼燃料と混合される。

タイロツド３８によつて、コア１９内の圧縮空
気により発生する圧力が拘束され、各エア・セル
の膨張が阻止される。熱回収装置１０の初期の状
態においては、ナツト５３を締めつけることによ
つてタイロツド３８に予引張力が与えられて、コ
アに対して、設定された締結力が作用している。

板２３およびコア１９の他の構成部分は薄い金
属板によつて構成されているので、コア１９は極
めて速く加熱され、熱膨張が非常に早い。しか
し、ロツド３８が数本の小径ロツド４１からなつ
ており、しかも排気流通路３１内に位置している
ので、排出ガスはこれらの小径ロツドの廻りを循
環し、これらのロツドも急速に加熱するので、こ
れらの小径ロツドも急速に熱膨張する。

タイロツド３８を形成する小径ロツド４１の寸
法および材質の選択は、それらのロツド４１の熱
膨張特性がコア１９の熱膨張特性に極めて良く合
致するように特別になされているので、加熱およ
び作動サイクルの間において、締結力は予め選択
した限度内に維持される。本実施例の小径ロツド
は、直径が約0.63センチメートルであり、インコ
ネル718鋼から作られている。この直径は、ロツ
ド４１の温度上昇率がコア１９の温度上昇率にほ
ぼ同様になるように選択した。インコネル718製
ロツドの熱膨張係数は、ステンレススチール製の
コアの熱膨張係数よりも小さいので、ロツドから
コアに作用する締結力は、僅かに上昇することに
なる。しかしながら、この締結力は、ステンレス
スチールの圧縮強度よりもずつと下の値に維持さ
れるので、この締結力の増加は、コアに対して悪
影響を及ぼすことはない。インコネル718鋼を材
料として選んだ理由は、高温における優れた強度
を有しているとともに、設計温度範囲においては
クリープが全く生じないからである。各タイロツ
ド３８を構成する小径ロツド４１の本数は、タイ
ロツドに塑性化の発生することのない予め選択さ
れた締結力が発生するように選択する。

上述の記載から、本発明の構成によつて、コア
および端ばりに比べて熱応答が遅いという従来の
拘束装置の問題点を解決した熱平衡式拘束装置が
実現されることは明らかである。また、複数本の
小径ロツドから構成した熱応答の早いタイロツド
を利用することによつて、コアとタイロツドとは
ほぼ等しい割合で熱膨張する。このようにして、
本発明の熱的に平衡した拘束装置では、公知の外
部拘束装置に比べて一時的な熱応力が著しく減少
し、低サイクル運転における疲れ寿命が、5000回
を遥かに越える開始、停止サイクルにまで延びる
ことになる。

本発明の他の構成、目的および効果は、明細
書、図面および添付した請求の範囲を考察するこ
とによつて明確に理解することができる。