JP2003014237A - フランジ付中空構造物 - Google Patents

フランジ付中空構造物

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JP2003014237A JP2001198916A JP2001198916A JP2003014237A JP 2003014237 A JP2003014237 A JP 2003014237A JP 2001198916 A JP2001198916 A JP 2001198916A JP 2001198916 A JP2001198916 A JP 2001198916A JP 2003014237 A JP2003014237 A JP 2003014237A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 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。 【解決手段】 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。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】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。
【０００２】
【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。
【０００３】たとえば、ガスタービンにおいて、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
のロータ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。
【０００４】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、タービンに燃焼ガ
スを供給することができる。
【０００５】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。
【０００６】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℃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℃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。
【０００７】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。
【０００８】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。
【０００９】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。
【００１０】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、図８に示すように、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。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】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タービン
燃焼器を提供することにある。
【００１２】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。
【００１３】
【課題を解決するための手段】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、ガスター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。
【００１４】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。
【００１５】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。
【００１６】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、タービンロータを中心として環状
に互いに隣接して複数配置される、ガスタービンの燃焼
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構成としてある。
【００１７】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。
【００１８】このとき、１つの出口コーナー部に着目し
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、
この出口コーナー部に発生する熱応力を低減することが
可能である。
【００１９】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。
【００２０】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。
【００２１】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。
【００２２】
【発明の実施の形態】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。
【００２３】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
れぞれ、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。
【００２４】燃焼器１０は、タービンロータを中心とし
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１０はそれぞれ、燃焼ノ
ズル（図示せず）を一端に有するライナー１２と、この
ライナー１２と連結された尾筒１４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、ロー
タから半径方向に近い側を腹側部１６、半径方向に遠い
側を背側部１８、ロータのまわりに周方向に互い隣接す
る面をサイド部２０と称する。
【００２５】尾筒１４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２２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２４を有する。環状端フランジ２４は、流出開
口２２からロータ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２６を有する。
【００２６】流出開口２２は、背側部１８及び腹側部１
６が長辺、及びサイド部２０が短辺となる矩形状であ
る。
【００２７】図３に示すように、環状端フランジ２４
は、環状端フランジ２４の内縁３０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２４の外縁３２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２２のま
わりに第１金属材料からなる第１環状部３４と、この第
１環状部３４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３６とを有する。両環状部３４、３６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３４と第２環状部３６との接合面３８
は、図４に示すように、流出開口２２と平行であるのが
好ましい。
【００２８】第１金属材料は、線膨張係数が約1.5E−5
（1／℃）(400℃)であるハステロイ−Ｘであり、一方第
２金属材料は、線膨張係数が約1.7E−5（1／℃）(400
℃)であるＡ−286或いは線膨張係数が約1.８E−5（1／
℃）(400℃)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。
【００２９】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。
【００３０】以上の構成を有する燃焼器１０について、
以下にその作用を説明する。
【００３１】通常運転の際、まず燃焼ガスが燃焼ノズル
からライナー１２の内部に尾筒１４の流出開口２２に向
かって噴射される。次いで、燃焼器１０内部で空気と混
合され、流出開口２２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。
【００３２】尾筒１４の内面は、最大1500℃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
１４の板厚方向に数百℃に及ぶ温度差が生じる。
【００３３】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、低減量によっては熱疲労に伴うクラックの発
生を防止し、以って機器の長寿命化を達成することが可
能となる。
【００３４】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、腹側及びサイド
部すべ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、腹側のみ、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。
【００３５】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。
【００３６】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２４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
の温度条件或いは採用する金属材料に応じて、適宜設定
すればよい。
【００３７】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、以ってそり変形量
を減らして、特に出口コーナー部に発生する熱応力を低
減することが可能となる。
【００３８】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
とに起因するガスタービンの熱効率の低下を抑制するこ
とが可能である。
【００３９】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。
【００４０】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。
【００４１】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）としたときより、環状フラ
ンジ52はそれぞれ、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。
【００４２】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２４の全周に亘っ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２４
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。
【００４３】また、本実施形態では、環状端フランジ２
４の内縁３０まわりは、従来尾筒１４の金属材料として
用いられているハステロイ−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２４の
外縁３２まわりには、内縁３０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２４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。
【００４４】
【発明の効果】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。
【００４５】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ックの発生を防止し
て、構造健全性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】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】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】図２の線A-A、線B-Bに沿う断面図である。
【図４】環状端フランジの平面図である。
【図５】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】フランジ付中空構造物の概略図である。
【符号の説明】
１０ 燃焼器 １２ ライナー １４ 尾筒 １６ 腹側部 １８ 背側部 ２０ サイド部 ２２ 流出開口 ２４ 環状端フランジ ２６ 当接面 ３０ 内縁 ３２ 外縁 ３４ 第1環状部 ３６ 第2環状部 ３８ 接合面 ５０ 排気室 ５２ 環状フランジ ５４ 外面
フロントページの続き (72)発明者 箱田 浩信 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号 三菱重工業株式会社高砂研究所内 (72)発明者 橋本 幸弘 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号 三菱重工業株式会社高砂研究所内 (72)発明者 田中 克則 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号 三菱重工業株式会社高砂製作所内 (72)発明者 中村 聡介 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号 三菱重工業株式会社高砂製作所内

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項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. 【請求項２】 前記フランジ付中空構造物は、タービン
    ロータを中心として環状に互いに隣接して複数配置され
    る、ガスタ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形構造の尾筒を
    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、請求項１に記載のフランジ付中
    空構造物。
  3. 【請求項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、請求項１また
    は請求項２に記載のフランジ付中空構造物。
  4. 【請求項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、請求項３に記載のフランジ付中空構造物。
  5. 【請求項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である請求項１ないし請
    求項４のいずれか１項に記載のフランジ付中空構造物。
  6. 【請求項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−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系である請求項１ないし請求
    項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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