WO2003002914A1 - Structure creuse a rebord - Google Patents

Description

明細書

フランジ付中空構造物

技術分野

本発明は、 フランジ付中空構造物に関し、 特に環状フランジまわりの構造健全 性を向上したフランジ付中空構造物に関する。

従来の技術

外面のまわりに固定された環状フランジを有し、 板厚方向に温度差を生じるフ ランジ付中空構造物が多種の技術分野に用いられている。

たとえば、 ガス夕一ビンにおいて、 ガスタービンに作動ガスとして燃焼ガスを 供給する燃焼器が、 従来から使用されている。 この燃焼器は、 ガスタービンの口 一夕を中心として環状に互いに隣接して複数配置されている。 各々は、 筒構造体 からなり、 燃焼ノズルを一端に備えたライナーと、 このライナーと連結する尾筒 とを有する。 尾筒は、 流出開口のまわりに、 タービン側と連結するための環状端 フランジを有する。

このような構成により、 燃焼ノズルから内部に噴射された燃焼ガスは、 内部で 空気と混合されて、 長手方向に流出開口に向かって流れ、 夕一ビンに燃焼ガスを 供給することができる。

しかしながら、 従来の燃焼器は、 特に尾筒の環状端フランジの板厚方向の内外 温度差が原因で、 以下のような技術的問題点を有する。

すなわち、 ガスタービンの通常運転時、 燃焼ガスの温度は、 最大約 1500°Cとな るため、 燃焼ガスに触れる尾筒の内面温度は、 燃焼ガスにより加熱されて非常に 高温となり、 一方外気温度に触れる尾筒の外面温度は、 内面温度より相当低温と なる結果、 尾筒の板厚方向に数百。 C度に及ぶ急激な温度差を生じる。 この温度差 が原因で、 端フランジには、 矩形流出開口の場合、 長辺の中央がへこみ、 逆に長 辺の両端がふくらむようにそり変形が生じ、 その結果矩形開口の四隅には、 高い 熱応力が発生し、 時間経過とともに熱疲労によるクラックが生じることがある。 このような問題に対処するために、 従来から、 板厚方向の温度差を低減するこ とが行われている。 より詳細には、 高温側の尾筒内面の温度を低減するために、 尾筒内面近傍に、 冷媒を流す流路を備えた冷却構造を設けている。

しかしながら、 いずれの温度差低減対策も以下のような技術的な問題を有する すなわち、 高温側の温度を下げる場合には、 それによりガスタービン自体の熱 効率の低下を引き起こす。

一方、 たとえば排気ダクトのように、 筒形の中空構造物であって、 その長手方 向所定間隔を隔てて、 複数の環状ダクトが外面のまわりに固定されているものも ある。 この排気ダクトの内部には、 高温の排気ガスが流れるため、 燃焼器と同様 に、 板厚方向に急激な温度差を生じ、 これに起因して、 中空構造物は外方に熱膨 張する。 このとき、 この熱膨張は、 フランジによって拘束されるため、 中空構造 物は、 フランジの固定部が谷部となる形態で長手方向に波形の変形、 すなわち板 材はフランジ間でそり変形を生じる。 このため、 各フランジの付け根部には、 燃 焼器の場合と同様に、 過大な熱応力が発生する問題が生じる。

以上の問題点に鑑み、 本発明の目的は、 ガスタービンの熱効率の低下を引き起 こすことなしに、 通常運転の際発生する、 環状端フランジまわりの熱応力を低減 することが可能なガス夕ービン燃焼器を提供することにある。

本発明の別の目的は、 フランジまわりに熱疲労に伴うクラックの発生を防止す ることにより、 構造健全性を向上したフランジ付中空構造物を提供することにあ る。

発明の開示

熱膨張は、 一般的に線膨張係数、 温度差及び初期長さが支配因子であるが、 従 来は、 このうち温度差に着目し、 高温側の温度を下げて冷却性能を向上させるこ とにより、 通常運転時に発生する燃焼器の環状端フランジの熱応力に対処してい たが、 温度差を低減する仕方は、 ガス夕一ビン自体の熱効率に悪影響を及ぼすこ とから、 本発明においては、 材料固有の特性である線膨張係数に着目して、 線膨 張係数が異なる金属材料をフランジまわりに採用することにより、 熱応力の低減 を達成する。

以上の課題を解決するために、 本発明のフランジ付中空構造物は、

外面のまわりに固定された環状フランジを有し、 板厚方向に温度差を生じるフ ランジ付中空構造物において、

前記環状フランジは、 前記環状フランジの内縁のまわりの金属材料の線膨張係 数より大きい線膨張係数を有する金属材料を、 前記環状フランジの外縁に沿って 有する構成としてある。

以上の構成によれば、 フランジの低温側に、 フランジの高温側の金属材料より 線膨張係数の高い金属材料を採用することにより、 低温側を高温側の金属材料と 同じ材料を採用する場合に比して、 通常運転時、 高温側の金属材料の熱膨張量と 低温側のそれとの差を低減する （いわゆるバイメタル効果） ことによって、 フラ ンジの外方への変形量を増加させ、 その結果フランジによる中空構造物の半径方 向外方への膨張の拘束が緩和されることにより、 フランジ固定部が谷部となるフ ランジ付中空構造物の長手方向への波形変形が低減し、 それによりフランジ部付 け根部に発生する熱応力が低減する結果、 熱疲労に伴うクラックの発生を起こり にくくすることが可能となる。

以上の課題を解決するために、 本発明のガスタービン燃焼器は、

夕一ビンロー夕を中心として環状に互いに隣接して複数配置される、 ガス夕ービ ンの燃焼器であって、 内部に燃焼ガスが流出開口に向かって長手方向に流れる筒 構造の尾筒を有し、 この尾筒は、 流出開口のまわりに、 タービン側と連結するた めの環状端フランジを有するものにおいて、 前記環状端フランジは、 前記環状端フランジの内縁のまわりの金属材料の線 B彭 張係数より大きい線膨張係数を有する金属材料を、 前記環状端フランジの外縁に 沿って有する構成としてある。

以上の構成によれば、 低温側に、 高温側の金属材料より線膨張係数の高い金属 材料を採用することにより、 低温側を高温側の金属材料と同じ材料を採用する場 合に比して、 通常運転時、 高温側の金属材料の熱膨張量と低温側のそれとの差を 低減する （いわゆるバイメタル効果） ことによって、 そり変形量を減らし、 その 結果この変形に伴う熱応力、 特に出口コーナ部の熱応力を低減し、 それにより熱 疲労に伴うクラックの発生を起こりにくくすることが可能となる。

このとき、 1つの出口コーナ一部に着目した場合、 この出口コーナー部を形成 する長辺及び短辺の少なくとも一方をバイメタル構成とすることによって、 この 出口コーナ一部に発生する熱応力を低減することが可能である。

また、 前記環状端フランジは、 前記流出開口のまわりに第 1金属材料からなる 第 1環状部と、 この第 1環状部のまわりに前記第 1金属材料の線膨張係数より大 きい線膨張係数を有する第 2金属材料からなる第 2環状部とを有し、 両環状部は 、 前記第 1金属材料の線膨張係数と前記第 2金属材料のそれとの間の線膨張係数 を有する溶材を用いた溶接によって接合されるのがよい。

さらに、 前記第 2金属材料の線膨張係数は、 前記第 1金属材料の線膨張係数の 少なくとも 10%であるのがよい。

加えて、 前記端フランジの内縁のまわりの金属材料は、 ハステロイ— Xであり 、 前記端フランジの外縁のまわりの金属材料は、 A— 286或いは SUS系であるのが 好ましい。

図面の簡単な説明

図 1は、 本発明による第 1の実施形態の燃焼器の尾筒の拡大図である。

図 2は、 図 1の尾筒の環状端フランジの部分拡大斜視図である。 図 3は、 図 2の線 A-A、 線 B-Bに沿う断面図である。

図 4は、 環状 ¾ ^フランジの平面図である。

図 5は、 本発明による第 2の実施形態の燃焼器の図 3に相当する図である。 図 6は、 フランジ付中空構造物の概略図である。

発明を実施するための形態

以下、 図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

図 1は、 本発明による第 1の実施形態の燃焼器の尾筒の拡大図である。 図 2は 、 図 1の尾筒の環状端フランジの部分拡大斜視図である。 図 3及び図 5はそれそ れ、 図 2の線 A-A、 線 B-Bに沿う断面図である。 図 4は、 環状端フランジの平面図 である。

燃焼器 1 0は、 夕一ビン口一夕を中心として環状に互いに隣接して複数、 たと えば 10基配置される。 図 1に示すように、 燃焼器 1 0はそれそれ、 燃焼ノズル （ 図示せず） を一端に有するライナ一 1 2と、 このライナ一 1 2と連結された尾筒 1 4とからなる筒構造である。 図 2に示すように、 便宜上、 筒構造のうち、 口一 夕から半径方向に近い側を腹側部 1 6、 半径方向に遠い側を背側部 1 8、 ロー夕 のまわりに周方向に互い隣接する面をサイド部 2 0と称する。

尾筒 1 4は、 内部に燃焼ガスが流出開口 2 2に向かって長手方向に流れるよう にしてあり、 流出開口 2 2のまわりに、 夕一ビン側と連結するための環状端フラ ンジ 2 4を有する。環状端フランジ 2 4は、 流出開口 2 2からロー夕の半径方向 外方に延びる、 タービン側と連結するための当接面 2 6を有する。

流出開口 2 2は、 背側部 1 8及び腹側部 1 6が長辺、 及びサイド部 2 0が短辺 となる矩形状である。

図 3に示すように、 環状端フランジ 2 4は、 環状端フランジ 2 4の内縁 3 0の まわりの金属材料の線膨張係数より大きい線膨張係数を有する金属材料を、 環状 端フランジ 2 4の外縁 3 2に沿って有する構成としてあり、 特に図 4に示すよう に、 流出開口 2 2のまわりに第 1金属材料からなる第 1璟状部 3 4と、 この第 1 環状部 3 4のまわりに第 1金属材料の線膨張係数より大きい線膨張係数を有する 第 2金属材料からなる第 2環状部 3 6とを有する。 両環状部 3 4、 3 6は、 第 1 金属材料の線膨張係数と第 2金属材料のそれとの間の線膨張係数を有する溶材に よる溶接によって接合されるのがよい。 第 1環状部 3 4と第 2環状部 3 6との接 合面 3 8は、 図 4に示すように、 流出開口 2 2と平行であるのが好ましい。 第 1金属材料は、 線膨張係数が約 1.5E—5 (1/°C) (400°C)であるハステロィ — Xであり、 一方第 2金属材料は、 線膨張係数が約 1.7E— 5 (1/°C) (400。C)で ある A—286或いは線膨張係数が約 1. 8 E— 5 (1/°C) (400°C)である SUS系である のが好ましい。 材料強度の観点から、 A— 286がより好ましい。

特に、 熱疲労に伴うクラックの発生を防止する観点からは、 第 2金属材料の線 膨張係数は、 第 1金属材料の線膨張係数の少なくとも 10%であるのがよい。 以上の構成を有する燃焼器 1 0について、 以下にその作用を説明する。

通常運転の際、 まず燃焼ガスが燃焼ノズルからライナー 1 2の内部に尾筒 1 4 の流出開口 2 2に向かって噴射される。 次いで、 燃焼器 1 0内部で空気と混合さ れ、 流出開口 2 2から燃焼ガスが作動ガスとしてタービン側に供給される。 尾筒 1 4の内面は、 最大 1500°Cの燃焼ガスに晒され、 一方外面は、 外気温度に 晒されるため、 尾筒 1 4の板厚方向に数百。 Cに及ぶ温度差が生じる。

このとき、 低温側に、 高温側の第 1金属材料より線膨張係数の高い第 2金属材 料を採用することにより、 低温側を高温側の金属材料と同じ材料を採用する場合 に比して、 通常運転時、 高温側の第 1金属材料の熱膨張量と低温側のそれとの差 を低減する （いわゆるバイメタル効果） ことによって、 そり変形量を減らし、 そ の結果この変形に伴う熱応力、 特に出口コーナ部の熱応力を低減し、 低減量によ つては熱疲労に伴うクラヅクの発生を防止し、 以つて機器の長寿命ィ匕を達成する ことが可能となる。 第 1の実施形態によるバイメタルを利用した熱応力低減効果は、 フランジの背 側、 ）3复側及びサイド部すベてをバイメタルにするのが最も有効であるが、 フラン ジの背側、 腹側 み、 或いはサイド部のみをバイメタルにする場合でも、 熱応力 低減に有効である。

以下に本発明の第 2の実施形態を説明する。 本実施の形態において、 第 1の実施 形態と同様な構成要素には、 同様な参照番号を付することによりその説明は省略 し、 以下には特徴部分について説明する。 図 5は、 本発明による第 2の実施形態 の燃焼器の図 3に相当する図である。

本実施形態の特徴は、 熱応力低減策として、 環状端フランジ 2 4のフランジ高 さ hを低減した点にある。 フランジ高さの低減割合は、 低温側及び高温側の温度 条件或 、は採用する金属材料に応じて、 適宜設定すればよい。

このような構成によれば、 フランジ高さを低減することにより、 高温側の尾筒 内面の温度を下げると同時に、 低温側の尾筒外面の温度を上げることが可能とな るので、 両者の温度差を低減し、 以つてそり変形量を減らして、 特に出口コーナ 一部に発生する熱応力を低減することが可能となる。

この場合、 従来のように、 高温側の温度を下げるだけの場合に比べれば、 高温 側の温度を下げることに起因するガス夕一ビンの熱効率の低下を抑制することが 可能である。

以下に本発明の第 3の実施形態を説明する。 図 6は、 フランジ付中空構造物の 概略図である。

フランジ付中空構造物、 例えば排気室 50は、 その長手方向に所定間隔を隔てて 、 複数の環状フランジ 52が外面 54のまわりに固定されている。複数の環状フラン ジ 52はそれぞれ、 第 1の実施の形態と同様に、 排気室 50のフランジ高温側に第 1 金属材料、 低温側に第 2金属材料を用いている。

このような構成によれば、 排気室 50内部には高温の排気ガスが流れるため、 第 1の実施の形態の燃焼器と同様に、 板厚方向に急激な温度差を生じ、 これに起因 して中空構造物は、 点線で示すように外方に熱膨張する。 このとき、 フランジ低 温側の第 2金属材料は第 1金属材料より線膨張係数が大きいため、 フランジ単一材 料（例えば第 1金属材料のみ） としたときょり、 環状フランジ 52はそれそれ、 外 方に熱膨張する。 この環状フランジ 52の第 2金属材料部の熱膨張によってフラン ジ間における板材のそり変形は相対的に減少し、 フランジ付け根部に発生する熱 応力を低減することが可能である。

以上、 本発明の実施形態を詳細に説明したが、 請求の範囲に記載された本発明 の範囲内で種々の変更、 修正が可能である。 たとえば、 本実施形態では、 環状端 フランジ 2 4の全周に亘つて熱応力低減対策を施したが、 それに限定されること なく、 環状端フランジ 2 4の一部、 例えば背側のみ、 腹側のみ、 サイドのみ、 背 側と腹側のみ等任意の組み合わせにも適用可能である。

また、 本実施形態では、 環状端フランジ 2 4の内縁 3 0まわりは、 従来尾筒 1 4の金属材料として用いられているハステロィ一 Xとしているが、 これに限定さ れることはない。 その場合、 環状端フランジ 2 4の外縁 3 2まわりには、 内縁 3 0まわりの金属材料の線膨張係数より大きい線膨張係数を有する金属材料を用い れば、 少なくともそり変形に伴う端フランジ 2 4の出口コーナ部の熱応力を低減 することができ、 線膨張係数の差が一定範囲を越える金属材料を用いれば、 熱疲 労に伴うクラックの発生を押さえ、 機器の長寿命化に寄与することが可能となる 本発明のガスタービン燃焼器によれば、 ガスタービンの熱効率の低下を引き起 こすことなしに、 通常運転の際発生する、 環状端フランジまわりの熱応力を低減 することが可能である。

本発明のフランジ付中空構造物によれば、 フランジまわりの熱疲労に伴うクラ ヅクの発生を防止して、 構造健全性を向上することができる。

Claims

請求の範囲

1 . 外面のまわりに固定された環状フランジを有し、 板厚方向に温度差を生じ るフランジ付中空構造物において、

前記環状フランジは、 前記環状フランジの内縁のまわりの金属材料の線膨張係 数より大きい線膨張係数を有する金属材料を、 前記環状フランジの外縁に沿って 有することを特徴とするフランジ付中空構造物。

2 . 前記フランジ付中空構造物は、 タービン口一夕を中心として環状に互いに 隣接して複数配置される、 ガス夕一ビンの燃焼器であって、 内部に燃焼ガスが流 出開口に向かって長手方向に流れる筒形構造の尾筒を有し、 この尾筒は、 流出開 口のまわりに、 夕ービン側と連結するための環状 フランジを有するものであり 前記環状端フランジは、 前記環状端フランジの内縁のまわりの金属材料の線膨 張係数より大きい線膨張係数を有する金属材料を、 前記環状端フランジの外縁に 沿って有することを特徴とする、 請求の範囲 1に記載のフランジ付中空構造物。

3 . 前記環状端フランジは、 前記流出開口のまわりに第 1金属材料からなる第 1環状部と、 この第 1環状部のまわりに前記第 1金属材料の線膨張係数より大き い線膨張係数を有する第 2金属材料からなる第 2環状部とを有し、 両環状部は、 前記第 1金属材料の線膨張係数と前記第 2金属材料のそれとの間の線膨張係数を 有する溶材を用いた溶接によって接合される、 請求の範囲 1または請求の範囲 2 に記載のフランジ付中空構造物。

4 . 前記第 2金属材料の線膨張係数は、 前記第 1金属材料の線膨張係数の少な くとも 10%以上である、 請求の範囲 3に記載のフランジ付中空構造物。

5 . 前記端フランジの内縁のまわりの金属材料は、 ハステロィ一 Xであり、 前 記端フランジの外縁のまわりの金属材料は、 A— 286である請求の範囲 1ないし 請求の範囲 4のいずれか 1項に記載のフランジ付中空構造物。

6 . 前記端フランジの内縁のまわりの金属材料は、 ハステロイ一 Xであり、 前 記端フランジの外縁のまわりの金属材料は、 SUS系である請求の範囲 1ないし請 求の範囲 4のいずれか 1項に記載のフランジ付中空構造物。

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