(57)【要約】【課題】地震等の巨大な外力が作用した場合であっても、伝熱管を保護することが可能なボイラを提供する。【解決手段】内部を流体が流れる伝熱管と当該伝熱管が延びる方向に延在する板状のメンブレンバーとが交互に接合された複数のメンブレン壁で囲まれたボイラ（１）であって、複数のメンブレン壁のうち伝熱管の内部を流れる流体の上流側に配置された副側壁（３３）と下流側に配置されたケージ側壁（４３）との取合部（Ｘ）において、メンブレンバー（５）の止端部（５１）には、延在方向に向かって切り欠かれた切欠き（５１１）が形成されており、かつ、メンブレンバー（５）は、止端部（５１）では開先溶接により伝熱管（３０，４０）の外周面（３０Ａ，４０Ａ）に接合されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部を流体が流れる伝熱管と前記伝熱管が延びる方向に延在する板状のメンブレンバーとが交互に接合された複数のメンブレン壁で囲まれたボイラであって、
前記複数のメンブレン壁のうち前記伝熱管の内部を流れる流体の上流側に配置されたメンブレン壁と下流側に配置されたメンブレン壁との取合部において、
前記メンブレンバーの止端部には、延在方向に向かって切り欠かれた切欠きが形成されており、かつ、前記メンブレンバーは、前記止端部では開先溶接により前記伝熱管の外周面に接合されている
ことを特徴とするボイラ。
【請求項２】
請求項１に記載のボイラであって、
前記止端部には、前記伝熱管の前記外周面と対向する側部に開先が形成され、
前記開先の長さは、前記切欠きの最大長よりも長い
ことを特徴とするボイラ。
【請求項３】
請求項２に記載のボイラであって、
前記側部には、前記開先の形成に伴って、前記メンブレンバーの厚み方向の中央から外端に向かって傾斜する一対の傾斜面が形成され、
前記開先となる前記一対の傾斜面と前記伝熱管の前記外周面との間の隙間に溶接金属が充填されている
ことを特徴とするボイラ。
【請求項４】
請求項３に記載のボイラであって、
前記止端部の先端面は、前記溶接金属を介して前記伝熱管の前記外周面に接合されており、
前記切欠きの内面、前記溶接金属の表面、および前記伝熱管の前記外周面は滑らかに連続している
ことを特徴とするボイラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、火炉や熱交換器等が内部に搭載されてその周囲が壁で囲まれたボイラに関する。
【背景技術】
【０００２】
ボイラの周壁は、火炉壁、副側壁、およびケージ壁が連設されて構成されており、各壁は、伝熱管とメンブレンバーとが溶接により交互に接合されたパネル状のメンブレン壁からなっている。通常、伝熱管の内部を流れる流体の温度は各壁で異なっており、特にボイラの起動時や停止時においては、火炉壁と副側壁との間や、副側壁とケージ壁との間で大きな温度差が生じて取合部に熱応力が発生してしまう。そして、ボイラの起動や停止が頻繁に行われると、取合部において熱応力の発生が繰り返され、熱疲労によって伝熱管に亀裂が入り破損してしまう可能性がある。
【０００３】
そこで、例えば、特許文献１に開示されたボイラでは、火炉壁と副側壁との取合部や、副側壁とケージ壁との取合部において、メンブレンバーの一部を切除することにより伝熱管の周面同士が対向するようにスリットを設け、メンブレンバーのスリット端に溶接材で余盛した止端部を隣接させている。この止端部は、スリット側に向かって凹状になるように丸みがついた形状に形成されており、止端部と伝熱管との接合部における熱応力の集中を緩和させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平２−２０３１０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載のボイラでは、地震等の巨大な外力が作用した場合、溶接材で余盛して形成された止端部の強度では耐えられず、凹状部分から亀裂が入る可能性がある。さらに、メンブレンバーのスリット端と止端部との間には境界面が形成されているため、この境界面を伝って亀裂が伝熱管に入り損傷する可能性がある。伝熱管が損傷すると、内部を流れる流体が外部に漏れ出し、復旧までに大幅な時間を要してしまう。
【０００６】
そこで、本発明は、地震等の巨大な外力が作用した場合であっても、伝熱管を保護することが可能なボイラを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、代表的な本発明は、内部を流体が流れる伝熱管と前記伝熱管が延びる方向に延在する板状のメンブレンバーとが交互に接合された複数のメンブレン壁で囲まれたボイラであって、前記複数のメンブレン壁のうち前記伝熱管の内部を流れる流体の上流側に配置されたメンブレン壁と下流側に配置されたメンブレン壁との取合部において、前記メンブレンバーの止端部には、延在方向に向かって切り欠かれた切欠きが形成されており、かつ、前記メンブレンバーは、前記止端部では開先溶接により前記伝熱管の外周面に接合されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、上記の特徴により、地震等の巨大な外力が作用した場合であっても、伝熱管を保護することができる。なお、上記した以外の課題、構成、及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態に係るボイラの構成の一例を示す概略図である。
【図２】図１にて丸印で示す取合部における伝熱管とメンブレンバーとの接合構造を示す模式図である。
【図３】図２におけるメンブレンバーの止端部およびその周辺部の拡大図である。
【図４】メンブレンバーの止端部を示す斜視図である。
【図５】図３におけるＡ−Ａ線断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態に係るボイラについて、図１〜図５を参照して説明する。
【００１１】
＜ボイラ１の全体構成＞
まず、ボイラ１の全体構成について、図１を参照して説明する。
【００１２】
図１は、実施形態に係るボイラ１の構成の一例を示す概略図である。
【００１３】
ボイラ１は、燃焼空間が内部に形成された火炉２、火炉２で発生した燃焼ガスの流路を形成する副側壁部３、および過熱器や再熱器、節炭器等の熱交換器が内部に搭載されたケージ部４の主に３つの空間に分かれて構成されている。これら３つの空間は、燃焼ガスの流れ方向の上流側から下流側に向かって、火炉２、副側壁部３、ケージ部４の順に並んで配置されている。
【００１４】
なお、以下の説明において、火炉２、副側壁部３、およびケージ部４の並び方向を「奥行方向」とし、奥行方向における火炉２側を「前側」または「上流側」、その反対側であるケージ部４側を「後側」または「下流側」とする。また、ボイラ１が設置された床面に対して直交する方向を「上下方向」とする。
【００１５】
火炉２は、前側に配置されて火炉２の前面となる火炉前壁２１と、火炉前壁２１に対向して配置されて火炉２の後面となる火炉後壁２２と、火炉前壁２１と火炉後壁２２との間に配置されて火炉２の側面となる一対の火炉側壁２３と、一対の火炉側壁２３の上部に配置されて火炉２の天井となる火炉天井壁２４と、を備える。
【００１６】
火炉前壁２１および火炉後壁２２にはそれぞれ、燃料となる微粉炭と空気とを火炉２内に供給する複数のバーナ２０が下部に設置されている。本実施形態では、火炉前壁２１および火炉後壁２２のそれぞれにおいて、８つのバーナ２０が、上下方向に二段に分かれて４つずつ配置されている。
【００１７】
各バーナ２０から供給された微粉炭は火炉２内の燃焼空間において燃焼され、これにより燃焼ガスが発生する。発生した燃焼ガスは、火炉２の下側から上側に向かって流れ、その後、副側壁部３を通ってケージ部４へと流下する。
【００１８】
副側壁部３は、火炉２とケージ部４とを上部で奥行方向に連結する流路であり、一対の火炉側壁２３に接続されて副側壁部３の側面となる一対の副側壁３３と、火炉天井壁２４に接続されて副側壁部３の天井となる天井壁３４と、一対の副側壁３３の下部に配置されて副側壁部３の底面となる底壁３５と、を備える。なお、本実施形態では、底壁３５は、前側から後側にかけて斜め上方に向かって傾斜している。
【００１９】
ケージ部４は、火炉２の火炉後壁２２に対向して配置されてケージ部４の前面となるケージ前壁４１と、ケージ前壁４１に対向して配置されてケージ部４の後面となるケージ後壁４２と、ケージ前壁４１とケージ後壁４２との間に配置されてケージ部４の側面となる一対のケージ側壁４３と、副側壁部３の天井壁３４に接続されてケージ部４の天井となるケージ天井壁４４と、を備える。
【００２０】
ボイラ１では、火炉２、副側壁部３、およびケージ部４を構成する各壁は、内部を流体が流れる伝熱管と、伝熱管が延びる方向に延在する板状のメンブレンバーとが交互に接合されたパネル状のメンブレン壁で形成されている。すなわち、ボイラ１は、複数のメンブレン壁で囲まれた筐体構造をなしている。伝熱管の内部を流れる流体は、燃焼ガスの流れ方向と同様であり、火炉２、副側壁部３、ケージ部４の順に流れていく。
【００２１】
伝熱管とメンブレンバーとは、主に、延在方向に沿った隅肉溶接により接合されて一体に連結されているが、火炉２と副側壁部３との接続部分および副側壁部３とケージ部４との接続部分ではそれぞれ、上流側に配置されたメンブレン壁と下流側に配置されたメンブレン壁との取合部における伝熱管とメンブレンバーとの接合構造が異なっている。
【００２２】
そこで、次に、伝熱管の内部を流れる流体の上流側に配置されたメンブレン壁と下流側に配置されたメンブレン壁との取合部における伝熱管とメンブレンバーとの接合構造について説明する。なお、上流側に配置されたメンブレン壁と下流側に配置されたメンブレン壁との取合部として、火炉側壁２３と副側壁３３との取合部や、副側壁３３とケージ側壁４３との取合部等があるが、いずれの取合部においても伝熱管とメンブレンバーとの接合構造は同様であるため、以下では、図１にて丸印で示す副側壁３３とケージ側壁４３との取合部Ｘを例に挙げて説明する。
【００２３】
＜取合部Ｘにおける接合構造＞
副側壁３３とケージ側壁４３との取合部Ｘにおける伝熱管３０，４０とメンブレンバー５との接合構造について、図２〜５を参照して説明する。
【００２４】
図２は、図１にて丸印で示す取合部Ｘにおける伝熱管３０，４０とメンブレンバー５との接合構造を示す模式図である。図３は、図２におけるメンブレンバー５の止端部５１およびその周辺部の拡大図である。図４は、メンブレンバー５の止端部５１を示す斜視図である。図５は、図３におけるＡ−Ａ線断面図である。
【００２５】
取合部Ｘでは、メンブレンバー５は、副側壁３３側の伝熱管である副側壁伝熱管３０と、ケージ側壁４３側の伝熱管であるケージ側壁伝熱管４０と、を接続している。なお、適宜、「副側壁伝熱管３０およびケージ側壁伝熱管４０」をまとめて「伝熱管３０，４０」とする。
【００２６】
図２および図３に示すように、副側壁伝熱管３０の外径Ｒ１は、ケージ側壁伝熱管４０の外径Ｒ２よりも大きく形成されており（Ｒ１＞Ｒ２）、副側壁伝熱管３０は、ケージ側壁伝熱管４０よりも剛性が高い。よって、メンブレンバー５は、剛性の異なる伝熱管３０，４０の間を接続しているため、例えば、ボイラ１に地震等の巨大な外力が作用した場合に、取合部Ｘは、メンブレン壁における他の部分よりも損傷を受けやすい。
【００２７】
メンブレンバー５は、図２に示すように、ボイラ１の上下方向に沿って延在しており、上端から下端までの長さが１ｍほどの長尺メンブレンバーが用いられている。図２〜４に示すように、メンブレンバー５は、下端部となる止端部５１に、上方（延在方向）に向かって切り欠かれた切欠き５１１が形成されている。
【００２８】
本実施形態では、切欠き５１１は、下方から上方に向かうにつれて幅方向の寸法が漸次狭くなっており、上端部では内面５１１Ａが円弧状に形成されている。図４に示すように、切欠き５１１の下端の幅Ｗ１はメンブレンバー５の最大幅Ｗ２よりも小さく（Ｗ１＜Ｗ２）設定されており、これにより止端部５１の先端面（下端面）５１Ａが形成されている。
【００２９】
図２に示すように、メンブレンバー５は、延在方向および厚み方向に交差（直交）する幅方向の一端部（上流側端部）が副側壁伝熱管３０に、他端部（下流側端部）がケージ側壁伝熱管４０に、それぞれ溶接により接合されている。
【００３０】
より具体的には、メンブレンバー５は、止端部５１では、開先溶接により副側壁伝熱管３０の外周面３０Ａおよびケージ側壁伝熱管４０の外周面４０Ａのそれぞれに接合されており、止端部５１よりも上側では、隅肉溶接により副側壁伝熱管３０の外周面３０Ａおよびケージ側壁伝熱管４０の外周面４０Ａのそれぞれに接合されている。なお、図２では、止端部５１における溶接部分である開先溶接部６１と、止端部５１よりも上側における溶接部分である隅肉溶接部６２とを異なるハッチングで示している。
【００３１】
このように、メンブレンバー５の止端部５１に切欠き５１１を形成すると共に、止端部５１では開先溶接を用いて伝熱管３０，４０の外周面３０Ａ，４０Ａを溶かしながら止端部５１と伝熱管３０，４０とを溶け込ませて一体化させているため、開先溶接部６１はメンブレンバー５の幅方向の中央部分よりも強度が強くなる。
【００３２】
例えば、地震等の巨大な外力がボイラ１に作用した場合には、切欠き５１１の上端部を起点としてメンブレンバー５に亀裂が入るが、その場合であっても、亀裂は、開先溶接部６１よりも強度が弱い部分であるメンブレンバー５の幅方向の中央部分を上方に向かって進むことになり、開先溶接部６１側、すなわち伝熱管３０，４０側に向かって進みにくくなる。これにより、伝熱管３０，４０に亀裂が入ることを防ぎ、伝熱管３０，４０の保護を図ることができる。また、損傷を受けやすい取合部Ｘに適用することで、取合部Ｘにおける損傷を最小限に抑えることができる。
【００３３】
メンブレンバー５の止端部５１と伝熱管３０，４０との開先溶接による接合に関し、本実施形態では、止端部５１において、伝熱管３０，４０の外周面３０Ａ，４０Ａとそれぞれ対向する側部、すなわち幅方向の両端部のそれぞれに、開先５１２が延在方向（上下方向）に沿って形成されている。図２および図３に示す開先溶接部６１は、この開先５１２が形成された領域に亘って設けられている。
【００３４】
図５に示すように、止端部５１の幅方向の両端部にはそれぞれ、開先５１２の形成に伴って、厚み方向の中央から外端に向かって傾斜する一対の傾斜面５１３Ａ（図５において一点鎖線で示す）が延在方向に沿って形成されている。止端部５１の幅方向の一端部側に形成された一対の傾斜面５１３Ａと副側壁伝熱管３０の外周面３０Ａとの間には隙間Ｓ１が、他端部側に形成された一対の傾斜面５１３Ａとケージ側壁伝熱管４０の外周面４０Ａとの間には隙間Ｓ２が、それぞれ介在している。
【００３５】
すなわち、隙間Ｓ１，Ｓ２がそれぞれ開先５１２となり、これら隙間Ｓ１，Ｓ２に溶接金属６１０（図５において砂地で示す）が充填されている。このように、止端部５１において一対の傾斜面５１３Ａが形成されるように開先５１２を設けることにより、開先溶接を行う際に、止端部５１の厚み方向の両側から溶接金属６１０を均等に充填することができる。これにより、例えば止端部５１の厚み方向の一側から溶接金属６１０を充填する場合と比べて、厚み方向において止端部５１と伝熱管３０，４０との溶接がより確実となる。
【００３６】
また、本実施形態では、止端部５１の延在方向において、開先５１２の長さＨ１が切欠き５１１の最大長（上端から下端までの長さ）Ｈ２よりも長い（Ｈ１＞Ｈ２）ため、開先溶接部６１は、切欠き５１１よりも上方の領域まで設けられている。これにより、開先５１２の長さＨ１が切欠き５１１の最大長Ｈ２以下である場合（Ｈ１≦Ｈ２）と比べて、切欠き５１１の上端部を起点として止端部５１に入った亀裂がメンブレンバー５の幅方向の中央部分を上方に向かって進みやすくなる。
【００３７】
さらに、本実施形態では、図４において二点鎖線で示すように、止端部５１の先端面５１Ａの下側は溶接金属６１０で充填されている。これにより、図３に示すように、先端面５１Ａは、溶接金属６１０を介して副側壁伝熱管３０の外周面３０Ａおよびケージ側壁伝熱管４０の外周面４０Ａのそれぞれに接合されており、切欠き５１１の内面５１１Ａ、溶接金属６１０の表面６１０Ａ、および伝熱管３０，４０の外周面３０Ａ，４０Ａが滑らかに連続している。
【００３８】
これにより、溶接金属６１０の表面６１０Ａと伝熱管３０，４０の外周面３０Ａ，４０Ａとの境界部における構造的な段差を無くすことで応力集中を緩和し、当該境界部での亀裂の発生を抑制して伝熱管３０，４０の保護を図ることができる。
【００３９】
また、切欠き５１１の内面５１１Ａ、溶接金属６１０の表面６１０Ａ、および伝熱管３０，４０の外周面３０Ａ，４０Ａを滑らかに連続させることで、地震等の巨大な外力に対しては切欠き５１１の内面５１１Ａの上端部を最大とするような応力分布となるため、当該上端部が亀裂の起点となりやすくなる。切欠き５１１の内面５１１Ａの上端部は、伝熱管３０，４０のそれぞれから最も離れた位置（伝熱管３０，４０の間の中間地点）にあるため、より確実に伝熱管３０，４０の保護を図ることができる。
【００４０】
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、他の様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
【００４１】
例えば、上記実施形態では、メンブレンバー５は、止端部５１よりも上側では、隅肉溶接により伝熱管３０，４０の外周面３０Ａ，４０Ａに接合されているが、これに限らず、開先溶接により接合されていてもよい。
【００４２】
また、上記実施形態では、止端部５１には、切欠き５１１の最大長よりも長い開先５１２が形成されているが、これに限らず、少なくともメンブレンバー５が止端部５１において開先溶接により伝熱管３０，４０の外周面３０Ａ，４０Ａに接合されていれば開先５１２の形成手段等については特に制限はない。
【００４３】
また、上記実施形態では、止端部５１の先端面５１Ａの下側を溶接金属６１０で充填して、溶接金属６１０を介して先端面５１Ａと伝熱管３０，４０の外周面３０Ａ，４０Ａとを接合していたが、必ずしも止端部５１の先端面５１Ａの下側を溶接金属６１０で充填する必要はない。
【００４４】
また、ボイラ１は、火炉２、副側壁３、およびケージ部４の主に３つの空間に分かれて構成されているものであれば、使用する燃料の種類やバーナ２０の数および配置等については特に制限はなく、上記実施形態に記載したものに限らず適用することができる。
【符号の説明】
【００４５】
１  ボイラ
５  メンブレンバー
３０  副側壁伝熱管（伝熱管）
４０  ケージ側壁伝熱管（伝熱管）
３０Ａ，４０Ａ  外周面
５１  止端部
５１１  切欠き
５１１Ａ  内面
５１２  開先
５１３Ａ  傾斜面
６１０  溶接金属
６１０Ａ  表面
Ｓ１，Ｓ２  隙間
Ｘ  取合部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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