JPS6161037B2

JPS6161037B2 -

Info

Publication number: JPS6161037B2
Application number: JP54137856A
Authority: JP
Inventors: Efu Gureibusu Richaado
Original assignee: Garrett Corp
Current assignee: Garrett Corp
Priority date: 1978-10-26
Filing date: 1979-10-26
Publication date: 1986-12-23
Also published as: US4331352A; GB2042672B; NL7907843A; JPS5560190A; GB2042672A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は熱交換器の支承装置に関する。

本発明による熱交換器は好ましくは大型の再生
ガスタービン機構に使用されその効率および性能
を向上させかつ運転費を低廉可能になし得る。こ
のような熱交換器はガスパイプを介しコンプレツ
サ駆動機構を具備した再生ガスタービン機構と連
係されている。

過去約20年来数百もの熱交換器が再生ガスター
ビン機構用として提案されている。タービンに使
用される熱交換器の大半は使用される材料上、
1000〓以下で作動されている。この場合の熱交換
器はフイン並びにプレートを有し連続作動可能に
設けられている。一方近年の燃料費の上昇により
熱交換器には高熱効率であることが要求され、か
つ高温でも高効率で作動すると共に数千回もの起
動・停止に耐え更には維持費が低廉であることが
望まれていた。この点を考慮し、熱伝導の遅延な
く繁多の起動・停止に耐え繰り返し1100乃至1200
〓（約594℃乃至650℃）までの温度に耐えうるス
テンレス鋼製のプレート並びにフインを有した熱
交換器も提案されている。

従来フインを具備した熱交換器においては、内
部の加圧面に、100万ポンド（約453t）以上の大
きく不均等な力がかかつていた。このような不均
等な力に対応するため外フレームにより熱交換器
を補強して裂断を防止している。しかしながら外
フレームで熱交換器を補強する場合、熱交換器の
各部に均一に応力がかかる反面、熱膨脹および熱
収縮により全体の寸法が大巾に変化することにな
り、特に配設空間が制限されるから、熱膨張に充
分対応させねばならず、また反復して起動・停止
されるコンプレツサの駆動機構に連係して数千回
もの加熱・冷却に対応させねばならないので問題
となつていた。

1000〓（約538℃）以上の極めて高温となる部
分が熱交換器の中心部に位置するよう形成し、そ
の中心部と熱交換器のケーシングおよび支承体と
を熱的絶縁して、高価な材料を使用せずに熱交換
器を構成せしめ、従来の熱交換器の製造費用程度
に抑え得る各種のものが提案されている。

上述した形の熱交換器は1977年４月11日付の
「デイオイルアンドガスジヤーナル（The
Oil ＆ Gas Journal）」にケイ・オー・パーカ
ー（K.O.Parker）による「プレート形熱交換器
による熱効率およびサイクル効率を上げる方法」
と題した記事に開示されている。

断熱部材を介し異なる２部材を固定又は連結
し、熱膨張を抑える装置は周知である。例えばイ
グホース（Ygfors）による米国特許第3690705号
には、２金属部材を断熱状態で連結する装置が開
示されている。この装置の主要部は２金属部材間
に装着される周知の断熱材で作られたブツシング
である。

ヤング（Young）による米国特許第3710853号
には熱交換器の両側部に２ヘツダ又は２タンクを
有する放熱器を配設した構成が開示されている。
２タンクの一方はフレームに固設され他方は前記
フレームの拡大穴を貫通する肩スタツドを介し前
記肩スタツドが移動可能になるよう前記フレーム
に取り付けられる。しかしながら放熱器をその取
付フレームから断熱する構成はなく、専らフレー
ムと放熱器の膨張を抑えることに重点が置かれて
いる。上記米国特許による装置の主要部は放熱器
の流路に連結するフレキシブルな導管、通常ゴム
ホースにある。

これら従来の装置は寸法、重量および熱勾配の
みが問題となる装置に対してはある程度有効であ
るが1000〓（538℃）以上で作動し、フレームを
150〓（約65℃）以下の温度に維持する熱交換器
に対しては全く不向きであつた。

本発明による熱交換器には、フレームにより熱
交換器のダクトを支承し、前記フレームと一体の
フレーム部材に対し前記ダクトを断熱しかつ軸方
向および半径方向の熱膨張による変位を吸収し熱
交換器の移動を抑止するよう機能する部材が包有
される。本発明の一実施態様によれば、ダクトと
フレーム間に付設した薄壁の金属部材を用いて必
要な支承力および断熱効果が得られる。前記金属
部材は取付ボルトと螺合する端部が付設された薄
壁シリンダとして形成される。前記薄壁シリンダ
は一端部に取り付けられたボルトを介し低温のフ
レーム部材に付設される。シリンダの他端部は、
その他端部に螺合され高温のダクトに付設される
フランジの開口に遊合される肩付ボルトを介し軸
方向に締められる。この開口はボルトの胴部より
大きく、かつボルト頭又はワツシヤと係合可能な
程度に小さい、フランジ内の半径方向に延びるス
ロツトあるいは丸穴である。このボルトのネジ山
部の直径は肩部より小さいのでシリンダの端部と
保持部（ボルト頭又はワツシヤ）との間に確実に
好適な間隙が与えられ、フランジが薄壁シリンダ
に対し半径方向に摺動可能である。薄壁シリンダ
は強度上金属製であることが好ましいが薄壁シリ
ンダの壁部が薄手であり熱伝導率が小さいのでダ
クトとフレーム部材との間を好適に断熱可能であ
る。

更に長手の熱伝達路を持つカラー部を有しダク
トとフレーム部材との間に配設された環状のベロ
ー部によつて、断熱しかつダクトの熱膨張を吸収
する。熱交換器の両端部にあるフランジはダクト
を支承しフレームに対し熱交換器の内部圧力を平
衡にすなわち均等にして保持させるよう機能す
る。フランジは熱交換器の外形の変化を抑えるた
め熱交換器本体を囲繞する空間に延びる連結棒を
介して連結される。支承ピンは熱交換器の盲ダク
トを被覆するフランジ上の延長部の開口を貫通し
ており、フランジとダクトを支承しかつ熱交換器
本体とダクトとが数センチ軸方向に変位可能にな
るよう機能する。

以下、本発明を好ましい実施例に沿つて説明す
る。

本発明の熱交換器はフインと連係するプレート
を重ねてろう付けして熱交換器基体が得られる。
第１図および第２図に示すように、熱交換器基体
１０が６個で熱交換器本体１２が形成され得る。
この場合、前記熱交換器本体１２は前記熱交換器
本体１２と連係する他の部材と相俟つて熱交換器
モジユール２０を形成することになり、前記熱交
換器モジユール２０は一以上の他の熱交換器モジ
ユールと連結し得、所望容量の熱交換器を構成す
ることできる。

上記の熱交換器に外気が再生タービン機構に入
口フイルタを介して導入され、約100psi乃至
150psi（約70t／m²乃至105t／m²）まで圧縮され
て温度は約600〓（約318℃）になる。次に空気は
パイプを介し、入口フランジ２２ａおよび前記熱
交換器基体のマニホルド流路と連通する入口ダク
ト２４ａを経て熱交換器本体１２に導入される。
熱交換器モジユール２０で空気は約900〓（約482
℃）まで加熱される。次いで加熱された空気は出
口ダクト２４ｂおよび出口フランジ２２ｂを介
し、好適なパイプを経て再生ガスタービン機構の
タービンへ戻される。この場合、タービンからの
排出ガスの温度は約1100〓（約594℃）で、圧力
はほぼ外気圧に等しい。この排気ガスは第１図中
“導入ガス”、“導出ガス”として示した矢印方向
に沿つて熱交換器モジユール２０を流動し、熱交
換器モジユール２０内で排出ガスの熱が熱交換器
モジユール２０内を流動する空気に与えられる。
熱交換器モジユール２０を通過する際、排出ガス
の温度は約600〓（約318℃）まで低下し好適な排
気筒を経て外部へ放出される。通常では失なわれ
る熱がタービンに導入される空気に与えられるの
で、熱効率が良好となりタービンの駆動に必要な
燃料の消費量を減少しうる。30000馬力のタービ
ンの場合、熱交換器は通常の運転状態で一日当り
1000万ポンド（約4530t）の空気を加熱し得る。

熱交換器は定期的に修理を行なわない場合で、
120000時間5000サイクルにて駆動され、寿命が15
乃至20年であることが望まれる。この場合タービ
ンの排気温度が1100〓（約594℃）になるよう駆
動可能にされ且燃料を浪費することなく一定した
温度で再生ガスタービン機構を駆動せしめるよう
に、タービンの駆動と円滑に連係させて作動可能
に、熱交換器を構成する必要がある。フインと共
に、薄手プレートをろう付けして熱交換器基体を
形成することによりこの条件を満たすことができ
る。一方熱交換器の動作温度の範囲が極めて広く
かつ熱交換器モジユール２０の外形が大である場
合熱により立体的に大巾に膨張する。例えば第１
図および第２図の熱交換器モジユール２０の外形
は長さ17フイート（約5.1ｍ）、幅12フイート（約
3.6ｍ）、高さ7.5フイート（2.25ｍ）であつた。

熱交換器本体１２は熱膨張加能に保持機構によ
りビーム１６を介して保持され得る。又入口、出
口フランジ２２ａ，２２ｂにかかる外部の空気を
流動せしめるパイプ荷重を熱交換器本体１２に加
わらないように、かつ上述の熱膨張を吸収するよ
うに機能する装置が入口、出口ダクト２４ａ，２
４ｂと入口、出口フランジ２２ａ，２２ｂとの間
に間装される。

更に第２図を参照するに熱交換器モジユール２
０の入口、出口ダクト２４ａ，２４ｂの入口、出
口フランジ２２ａ，２２ｂと反対端側に盲ダクト
２６（第１図参照）を介してマンホールカバー部
材３０ａ，３０ｂを有するフランジ２８ａ，２８
ｂが付設されており、前記入口、出口フランジ２
４ａ，２４ｂとの間に連結棒３６が橋架されてい
て、熱交換器本体１２のマニホルド流路にかかる
内部圧力を均等にしかつ検査および保守の時には
前記連結棒３６を外すことによりマニホルド流路
に容易に接近可能にされている。

一方フレーム３２は1000〓（538℃）以上の高
温に達する熱交換器本体１２並びに熱交換器本体
１２と直接連係される部材と断熱され、フレーム
の温度が大巾に抑止されるよう構成されており、
フレーム３２を低廉な剛材により製作できかつ耐
熱性材料を用いるものは熱交換器本体１２のみに
される。

熱交換器モジユール２０においては熱交換器本
体１２を直接囲繞する空間の、タービン排出ガス
を受入する側が最高温度になることが理解されよ
う。前記の熱交換器本体１２を直接囲繞する空間
とフレーム３２とは断熱ブランケツトおよび断熱
ブロツク３４により完全に断熱される。従つて前
記の空間には外気圧か又は外気圧より僅かに高い
圧力の排出ガスが導入されるが、フレーム３２は
断熱ブランケツト３４により断熱され、大巾な昇
温が抑止される。

また上記入口、出口フランジ２２ａ，２２ｂは
フレーム３２に対し、熱交換器本体１２に熱膨張
が生じたとき、例えば第１図の右から左へ移動し
得るように連結されている。熱交換器本体１２の
マニホルド流路内を流動する圧縮空気により生じ
る圧力は、熱交換器本体１２を直接囲繞する空間
を貫通し両端部が夫々フランジ２２ａ，２２ｂ並
びに２８ａ，２８ｂに連結された連結棒３６によ
り抑止されるが、これら連結棒３６の実質的長さ
は約18フイート（5.4ｍ）であり、ほぼ全長に亘
つて前記空間を貫通しているので、連結棒３６自
体も熱膨張され、熱交換器モジユール２０の盲ダ
クト２６およびフランジ２８ａ，２８ｂ等の熱膨
張を吸収しかつフレーム３２により確実に支承さ
れ得るように構成されることが好ましい。

上述のように、出口フランジ２２ｂから熱交換
器モジユール２０を出る空気の温度は約900〓
（約482℃）である。従つて出口フランジ２２ｂで
さえも実質的に約900〓（約482℃）となる。従つ
てフランジ２２ａ，２２ｂは例えば第３図に示す
ような断熱装置４０を介してフレーム３２に取り
付けられる。このような断熱装置４０が夫々４
個、各入口、出口フランジ２２ａ，２２ｂを中心
に約90度離間されて、入口、出口フランジ２２
ａ，２２ｂに各々取り付けられる。

第３図並びに第４図に示す断熱装置４０には例
えば溶接により端部４４，４５に固定される薄壁
シリンダ４２が包有される。一方の端部４４はフ
レーム部材４８およびプレート４９を貫通する取
付ボルト４６に螺合され、前記プレート４９自体
はフレーム部材４８に溶着されている。またフレ
ーム部材４８は断熱装置４０内の低温部をなすこ
とになり、フレーム３２に固設される。

一方断熱装置４０の対向端の端部４５は肩部５
２を有するボルト５０に螺合され、前記肩部５２
はボルト５０が端部５５に螺合される時端部４５
に当接しボルト５０による締付力を好適にして、
ボルト５０のボルト頭と端部４５との間の間隙が
所定の最小値になるよう機能する。

また入口、出口フランジ２２ａ，２２ｂにはボ
ルト５０を受容するスロツト付突出部すなわち耳
部５４が設けられる。前記ボルト５０のボルト頭
と断熱装置４０の端部４５との間の最小間隙には
ワツシヤ５６が間装されており、前記ワツシヤ５
６は0.005インチ（0.13mm）以上の間隙を維持す
るため耳部５４の肉厚より充分大である。又フレ
ーム部材４８上において入口、出口フランジ２２
ａ，２２ｂに対し断熱装置４０を位置決めする
際、半径方向の間隙５８が0.20インチ（約５mm）
以上となるようにする。これにより入口、出口フ
ランジ２２ａ，２２ｂを介しフレーム部材４８に
対して断熱装置４０が好適な位置で支承されかつ
入口、出口フランジ２２ａ，２２ｂの半径方向の
熱膨張を吸収できる。すなわち入口、出口フラン
ジ２２ａ，２２ｂは温度が上昇するに応じ、半径
方向外向きに膨張し耳部５４がボルト５０および
ワツシヤ５６に対し摺動して間隙５８が減少され
ることになる。タービンが停止し入口、出口フラ
ンジ２２ａ，２２ｂが冷却する際には逆方向に同
様の動作が生じる。

第５図は第２図の空気導出部近傍の断面図であ
り、マンホールカバー部材３０ｂが付設されたフ
ランジ２８ｂを支承しかつ連結棒３６の長手方向
への膨張を吸収可能な支承構造体６０が示されて
いる。支承構造体６０にはフレーム３２に一体化
されたフレーム部材６４に取り付けられる支承ピ
ン６２が具備される。前記支承ピン６２の周囲に
は出口フランジ２８ｂの延長部６６が位置してお
り、連結棒３６が熱膨張により長手方向に延びる
に応じ支承ピン６２に沿つて半径方向外向きに
（図の左へ）移動する。前記支承構造体６０は実
際上入口、出口フランジ２８ａ，２８ｂの双方の
外周部に約90度離間されて夫々４個づつ付設され
る。温度差が幾分小さい半径方向の熱膨張も上述
の構成をとることにより同様に吸収され得る。

第５図には又円筒形のハウジング７０内に支承
された盲ダクト２６の一部が示されている。ハウ
ジング７０の外面７２は第５図に示されるように
その内部端近傍が熱交換器モジユール２０の内部
の空間に露出される。フレーム３２と一体のフレ
ーム部材７４は前記外面７２に近接して配置され
ており、例えば第２図の断熱ブランケツト３４の
ような断熱ブランケツトがこの部分に置かれるが
図面には省略してある。前記フレーム部材７４と
外面７２との間隙には、金属製のベロー部７８お
よびカラー部８０を有する円筒状の断熱密封部材
７６が付設され密封されている。前記カラー部８
０は薄手のシート材で成り一端部は前記外面７２
に固定され他端部はベロー部７８に固定される。
ベロー部７８はカラー部８０との連結部と対向す
る端部がフレーム部材７４に取り付けられる。図
示の構成をとる場合、断熱密封部材７６の断面が
小さく、伝達される熱の径路が長いので、ハウジ
ング７０の外面７２とフレーム部材７４との間は
実質的に断熱される。同時に、ハウジング７０の
外面７２とフレーム部材７４との間にベロー部７
８が位置しているから、フレーム部材７４に伝達
されるような連結棒３６の熱膨張によるハウジン
グ７０の変位が吸収可能であり、且ハウジング７
０延いては外面７２およびダクト２６とハウジン
グ７０の軸方向の変位を吸収しても環状部材７６
の密封機能に支障を与えない。

第６図に熱交換器本体１２の対向端部に付設さ
れる入口、出口ダクト２４ａ，２４ｂを拡大して
示してある。入口、出口ダクト２４ａ，２４ｂに
は外面８２を有した支承ハウジング８０が具備さ
れる。フレーム部材８４と外面８２との間隙には
断熱密封部材８６が付設され好適に密封される。
前記断熱密封部材８６にもベロー部８８と一組の
シート部９２，９４を有する円錐Ｖ形部材９０と
が包有される。前記断熱密封部材８６はダクト２
４ａ，２４ｂおよびハウジング８０を囲繞してお
り、シート部９４の一端部がハウジング８０の外
面８２に付設され、シート９２の他端がベロー部
８８に付設される。前記断熱密封部材８６によ
り、フレーム部材８４に対する外面８２の軸方向
変位およびダクト２４ａ，２４ｂとハウジング８
０との熱膨張による軸方向変位が吸収され、かつ
断熱密封部材８６の熱伝達路が長いので、高温の
外面８２とフレーム部材８４とが好適に断熱され
る。

上述から明らかなように本発明によれば大きな
動作温度の変化を受け起動並びに停止を繰り返す
熱交換器の各部を断熱して支承可能な装置が提供
される。本発明によれば熱交換器モジユールを保
持するフレームを約140〓（60℃）以下に保持す
ることにより断熱作用を与え、フレームとして随
意の金属を使用できる。本発明による断熱装置と
して、支承荷重を高温になる部材から低温に維持
される支承体へ伝達し、かつ熱伝達を阻止するた
め支承体の温度上昇および強度低下を防止する熱
伝導率の小さな円筒体を用いることもできる。ま
た本発明によればフレームに対する熱膨張による
高温の部材の半径方向の部材の変位も吸収可能で
ある。

本発明の実施例を要約すると以下の通りであ
る。

(1) 低温の支承体に固設される第１の取付部材
と、高温部材と摺動可能に連結される第２の取
付部材と、前記第１および第２の取付部材間に
軸方向に連結される低熱伝導率の薄壁を有した
金属シリンダとを備え、前記高温部材から前記
低温支承体へ大きな荷重を伝達する断熱支承装
置を備えた熱交換器。

(2) 第２の取付部材には薄壁を有したシリンダの
一端に付設される端部と前記端部に螺合される
肩付のボルトとが包有される断熱支承装置を備
えた前記第１項記載の熱交換器。

(3) 肩付のボルトおよび肩付のボルトと螺合する
端部により前記ボルトの頭と前記端部との間に
所定の最小間隙を形成し、高温部材の一部に対
し前記ボルトを摺動可能に設けた断熱支承装置
を備えた前記第２項記載の熱交換器。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明による熱交換器の
斜視図、第３図は同部分拡大断面図、第４図は第
３図の線４−４から見た端面図、第５図および第
６図は部分拡大断面図である。１０……熱交換器基体、１２……熱交換器本
体、１６……ビーム、２０……熱交換器モジユー
ル、２２ａ，２２ｂ……フランジ、２４ａ，２４
ｂ，２６……ダクト、２８ａ，２８ｂ……フラン
ジ、３０ａ，３０ｂ……マンホールカバー部材、
３２……フレーム、３４……断熱ブランケツト、
３６……連結棒、４０……断熱装置、４２……薄
壁シリンダ、４４，４５……端部、４６……取付
ボルト、４８……フレーム部材、４９……プレー
ト、５０……ボルト、５２……肩部、５４……耳
部、５６……ワツシヤ、５８……間隙、６０……
支承構造体、６２……支承ピン、６４……フレー
ム部材、６６……延長部、７０……ハウジング、
７２……外面、７４……フレーム部材、７６……
断熱密封部材、７８……ベロー部、８０……カラ
ー部、８２……外面、８４……フレーム部材、８
６……断熱密封部材、８８……ベロー部、９０…
…円錐形部材、９２，９４……シート部。

Claims

【特許請求の範囲】

１フレームに対しビームを介して保持された熱
交換器本体のダクトとフレームとを断熱を図つて
連結する装置が具備され、ダクトとフレームとを
連結する装置には断熱密封部材が包有され、断熱
密封部材は薄手のシート状の金属でなるカラー部
とこのカラー部に連結されたベロー部とでなり、
カラー部はダクト側に連結され且ベロー部はフレ
ーム側に連結されてなることを特徴とする熱交換
器の支承装置。