(57)【要約】【課題】ボイラの支持構造において、十分な曲げ強度を有するとともに十分な曲げ剛性を確保して支持構造の変形で生じるたわみを一定以下に抑え、加えて、支持構造の質量を低減すること。【解決手段】ボイラの水冷壁面及び／又はケージ壁面に設けられるホリゾンタルバックステー構造において、ホリゾンタルバックステーの軸方向全長Ｌに対する端部Ｌ１の両端部合計２×Ｌ１の板厚は、軸方向全長Ｌの残りの中央部の板厚よりも小さいこと。また、ホリゾンタルステーの板厚は、Ｈ型鋼の２つのフランジ部とフランジ部を結合するウェブ部の板厚であること。また、両端部合計２×Ｌ１は、Ｌ／８〜Ｌ／２の範囲とするＨ型鋼であるホリゾンタルバックステー構造。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボイラの水冷壁面及び／又はケージ壁面に設けられるホリゾンタルバックステー構造において、
前記ホリゾンタルバックステーの軸方向全長Ｌに対する端部Ｌ１の両端部合計２×Ｌ１の板厚は、前記軸方向全長Ｌの残りの中央部の板厚よりも小さい
ことを特徴とするホリゾンタルバックステー構造。
【請求項２】
請求項１において、
前記ホリゾンタルステーの板厚は、Ｈ型鋼の２つのフランジ部と前記２つのフランジ部を結合するウェブ部の板厚であることを特徴とするホリゾンタルバックステー構造。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記両端部合計２×Ｌ１は、Ｌ／８〜Ｌ／２の範囲とするＨ型鋼であることを特徴とするホリゾンタルバックステー構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、火力発電用ボイラの火炉内圧による火炉壁面及び／又はケージ壁面に生じる膨らみや変形を支持する構造に係わり、特にホリゾンタルバックステー構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のボイラ１の水冷壁２及びケージ壁８の支持構造とその機能について、図７〜図１１を用いてその背景を説明する。図７は従来技術に関する火力発電用ボイラの側面とバックステーの配置を示す図である。図８は図７のＡ−Ａ線断面図であり、ボイラ停止状態におけるホリゾンタルバックステーの設置状況を示す図である。図９は図７のＡ−Ａ線断面図であり、ボイラ運転状態におけるボイラ水冷壁とホリゾンタルバックステーの変形状況を示す図である。図１０はバックステーの構造強度計算における計算モデルを示す図である。図１１はバックステーの構造強度計算におけるたわみ制限及び曲げ強度制限とバックステー軸方向長さとの関係を示す図である。図１２は従来技術に関するバックステーの構造を示す図である。
【０００３】
図７に示すように、ボイラ１の水冷壁２は、スパイラル管３と垂直管４で構成されている。さらに、ボイラ１は、副側壁７、天井壁６及びケージ壁８で構成されている。そして、ボイラ１の運転時において水冷壁２は、水冷壁２の内部の燃焼用空気及び燃焼ガスで生じる炉内圧１７を受ける。この炉内圧１７は正負の形態で水冷壁２、副側壁７及びケージ壁８に作用し、水冷壁２、副側壁７及びケージ壁８は膨らみや変形挙動を呈することになる。ボイラ１は、水冷壁２、副側壁７及びケージ壁８の過度の変形を防止するために、ホリゾンタルバックステー１８（以下、「ＨＢＳ１８」と記す）やバーチカルバックステー１９（以下、「ＶＢＳ１９」）と記す）を水冷壁２、副側壁７及びケージ壁８の外表面に具備している。
【０００４】
図７〜図９にＨＢＳ１８とＶＢＳ１９の設置状態を示しており、炉内圧１７が水冷壁２に作用し、垂直管４の外表面に設けたタイバー１１を介してサポートプレート１２，１３に伝達され、最終的にＨＢＳ１８で支持して水冷壁２を保護している。ＨＢＳ１８に伝達された力は（図８を参照）、ＨＢＳ１８の両端部に設けたサポートプレート１３を介し、タイバー１１で支持される。また、図７に示すＶＢＳ１９もＨＢＳ１８と同様の機能を有する。
【０００５】
図８は、ＨＢＳ１８を水冷壁２の外表面に取付けし、ボイラ１の炉内圧が作用していない停止状態を示す。図９は、ボイラ１が正の炉内圧１７で運転されている状態で水冷壁２及びＨＢＳ１８が炉内圧１７を受けて膨らんでいる状態（変形状態）を模式的に示す。
【０００６】
また、ＨＢＳ１８の構造設計において適用する計算モデルを図１０に示す。図１０によると、ＨＢＳのスパン長さＬの各箇所においてたわみδと剪断力Ｆと曲げモーメントＭを求める。たわみの最大値δｍａｘと曲げモーメントの最大値Ｍｍａｘはスパン長さの中央部で生じる。また、剪断力はＨＢＳの端部で最大値を示す。
【０００７】
ここで、ＨＢＳ１８の設置の目的は、水冷壁２の変形を防止するために十分な曲げ強度を備える必要性のためであり、また、ＨＢＳ１８の曲げ強度とともに十分な曲げ剛性を確保してＨＢＳ１８の変形で生じるたわみを一定以下に抑える必要性のためである。すなわち、ＨＢＳ１８にとって、たわみに関連する障害を未然に防止することが重要な機能となる。
【０００８】
そこで、上述した機能を奏させるために、ＨＢＳ１８を設計する上で要求される内容は、（１）曲げ強度の健全性が確保できる断面係数を有すること（曲げ応力制限）と、（２）一定以下のたわみを維持できる曲げ剛性を有すること（たわみ制限）、である。
【０００９】
上記（１）と（２）のそれぞれの制限条件は次の式で表される。  
（１）曲げ応力制限の場合、
σａ≧σｄ＝Ｍ／Ｚ＝（ｗ×Ｌ２）／（８×Ｚ）  …（１）
ここで、σａ：許容曲げ応力（Ｎ／ｍｍ２）、σｄ：設計曲げ応力（Ｎ／ｍｍ２）、Ｍ：ｗの作用でバックステーに発生する曲げモーメント、ｗ：バックステーに作用する炉内圧等の分布荷重（Ｎ／ｍｍ）、Ｌ：バックステーのスパン長さ（ｍｍ）、Ｚ：バックステーの断面係数（ｍｍ３）。
【００１０】
（２）たわみ制限の場合、
δａ≧δｄ＝（５×ｗ×Ｌ４）／（３８４×Ｅ×Ｉ）  …（２）
ここで、δａ：許容たわみ（ｍｍ）、δｄ：設計たわみ（ｍｍ）、ｗ：バックステーに作用する炉内圧等の分布荷重（Ｎ／ｍｍ）、Ｌ：バックステーのスパン長さ（ｍｍ）、Ｅ：バックステーの縦弾性係数（ヤング率）（Ｎ／ｍｍ２）、Ｉ：バックステーの断面二次モーメント（ｍｍ４）。
【００１１】
上記の（１）と（２）の要求に対応できるＨＢＳ１８の構造として、従来技術においては、図１２に示すようなＨ型鋼（以下、「Ｈ鋼」と記す）が広く採用されている。すなわち、軽量でかつ断面二次モーメントや断面係数が有効に確保できる断面形状としてＨ鋼が使用されている。
【００１２】
以上説明した従来技術は、基本的なバックステー構造とその機能を示したものであるが、他の従来技術のバックステー構造が特許文献１などで提案されている。特許文献１によると、バックステーに作用する炉内圧の等分布荷重による曲げモーメントの分布に対応して、バックステーの高さを連続的に変化させる構造を採用している。
【特許文献１】特開平８−２９６８０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、図１２に示すようなＨ鋼を用いた従来技術においては次のような課題が生じた。先ず第１は、ＨＢＳ１８のスパン長さＬが大となると、図１１、式（１）及び式（２）で示すように、ＨＢＳ１８のサイズは曲げ応力制限よりもたわみ制限で決定されることになる。すなわち、式（１）の設計曲げ応力強度の観点からはＨＢＳ１８の断面特性値にはかなりの余裕があるにもかかわらず、式（２）のたわみ制限で決定されるサイズが支配的となることから、非常に大きい断面特性（断面二次モーメントＩ）を確保する必要があった。図１１によると、所定のスパンＬａにおいて、たわみ制限は許容限度であるが曲げ強度は許容範囲内である。
【００１４】
また、式（１）の設計曲げ応力、式（２）の設計たわみは、ＨＢＳ１８のスパン長さＬの位置によって変化するにもかかわらず断面特性を一定としていた。すなわち、ＨＢＳ１８のスパン長さＬの全長にわたり設計曲げ応力及び設計たわみが断面特性によって大きく変化することに対する配慮が欠けていた。
【００１５】
換言すると、従来のボイラ壁の支持構造において、支持構造が保有する断面形状が支持構造の長さに関係なく一定であることから必要以上に裕度を維持しており、支持構造物自身の質量を増加させる要因になっていた。図１２に示すＨ鋼の寸法として、スパンの全長に亘って一定のサイズとしていた。例えば、ｈ＝１４５０ｍｍ、ｂ＝４００ｍｍ、Ｔ＝５０ｍｍ、ｔ＝２２ｍｍ、単位長さ当たりの質量が約５４７ｋｇ／ｍとなり、スパン＝３４ｍでは約１８．６ｔｏｎを有する大型のＨＢＳ１８となる。ボイラ１の全体ではＨＢＳ１８が複数個設置されていることから質量が極めて大となる課題があった。
【００１６】
第２の課題は、ＨＢＳ１８の質量大に伴い、ボイラ１を支持するスリングボルト２１（図７を参照）に作用する荷重の増加に繋がるとともに、スリングボルト２１を支持する鉄骨２２（図７を参照）に影響を与え、スリングボルト２１や鉄骨２２のサイズが上昇することに繋がる。また、第３の課題は、上述した質量大に伴い、材料コストをはじめ、製作・加工、輸送及び現地での据付作業性にも影響を与え、トータルコスト増に繋がっていた。
【００１７】
また、上記の特許文献１に示すような従来技術では、曲げモーメントによって発生するバックステーの断面の曲げ応力を断面の位置によらずに一定にすることができるが、大型の構造物では、片側が曲線形状のウェブを精度良く製作し、このウェブにフランジを接合させてバックステー構造とするには、精密な加工技術と大きな労力を必要とする。さらに、ボイラ設置時にバックステー外周側に、従来直線状に設けられている点検用歩道との間に隙間を生じることとなり、安全上の配慮から、隙間の領域における歩道を拡張する等の必要があり、構造の複雑化、コストの増大にも繋がる。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
前記課題を解決するために、本発明は次のような構成を採用する。
【００１９】
ボイラの水冷壁面及び／又はケージ壁面に設けられるホリゾンタルバックステー構造において、前記ホリゾンタルバックステーの軸方向全長Ｌに対する端部Ｌ１の両端部合計２×Ｌ１の板厚は、前記軸方向全長Ｌの残りの中央部の板厚よりも小さい構成とする。
【００２０】
また、前記ホリゾンタルバックステー構造において、ホリゾンタルステーの板厚は、Ｈ型鋼の２つのフランジ部と前記２つのフランジ部を結合するウェブ部の板厚である構成とする。さらに、前記ホリゾンタルバックステー構造において、両端部合計２×Ｌ１は、Ｌ／８〜Ｌ／２の範囲とするＨ型鋼である構成とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によると、ボイラの水冷壁及び／又はケージ壁の支持構造において、曲げ強度健全性が確保できる断面係数（式（１）のＺ）を有することができるとともに、たわみ制限を維持できる曲げ剛性（式（２）のＥ，Ｉ）を有することができる。さらに、バックステー構造を採用することでボイラの壁面の防振機能を維持することができる。
【００２２】
また、支持構造の質量を低減できることから、材料コストをはじめ、製作・加工、輸送及び現地での据付作業性を容易とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明の実施形態に係るボイラの水冷壁及び／又はケージ壁におけるホリゾンタルバックステー構造について、図１〜図６を参照しながら以下説明する。図１は本発明の実施形態に係るボイラの水冷壁及び／又はケージ壁を含めたボイラ全体構造の概要を示す見取図である。図２は図１のＡ方向から見たボイラ側面であり、ボイラ壁面のホリゾンタルバックステーとバーチカルバックステーの構造を示す図である。図３は図２のＡ−Ａ線断面図であり、ボイラ停止状態におけるホリゾンタルバックステーの設置状況を示す図である。図４はボイラの副側壁に設けられたバーチカルバックステーの設置状況を示す図である。図５は本実施形態に係るホリゾンタルバックステーの構造を示す図である。図６は本実施形態に係るホリゾンタルバックステーのサイズ決定における制限条件の内で、ホリゾンタルバックステーの断面特性値の変化におけるたわみ制限とスパンとの関係を無次元化して示す図である。
【００２４】
図１〜図６において、１はボイラ、２は水冷壁、２Ａは下部炉壁管、２Ｂは上部炉壁管、３はスパイラル管、４は垂直管、５は底部壁、６は天井壁、７は副側壁、８はケージ壁、９，９Ａ，９Ｂはホリゾンタルバックステー（ＨＢＳ）、１０はバーチカルバックステー（ＶＢＳ）、１１，１４はタイバー、１２，１３，１５，１６はサポートプレート、１７は炉内圧、２１はスリングボルト、２２は鉄骨、をそれぞれ表す。
【００２５】
図１に示すように、ボイラ１の水冷壁２は、スパイラル管３で構成された下部炉壁管２Ａと、垂直管４で構成された上部炉壁管２Ｂの二つの部分からできている。また、ボイラ１は、副側壁７、天井壁６及びケージ壁８で構成されている。
【００２６】
図２に示すように、ボイラ１の運転時において水冷壁２は、水冷壁２の内部の燃焼用空気及び燃焼ガスで生じる炉内圧１７を受ける。この炉内圧１７は正負の形態で水冷壁２、副側壁７及びケージ壁８に作用し、水冷壁２、副側壁７及びケージ壁８は膨らみや変形挙動を呈することになる。ボイラ１が正常の機能で運転できるように、これら水冷壁２、副側壁７及びケージ壁８の過度の変形を防止するため、ホリゾンタルバックステー９（ＨＢＳ９）やバーチカルバックステー１０（ＶＢＳ１０）を水冷壁２、副側壁７及びケージ壁８の外表面に具備している。これらＨＢＳ９やＶＢＳ１０の機能を以下に述べる。
【００２７】
図２は、図１のＡ方向から見た側面図でＨＢＳ９やＶＢＳ１０の設置状態を示し、図３〜図５にＨＢＳ９やＶＢＳ１０の詳細構造を示す。炉内圧１７は垂直管４に作用し、垂直管４の外表面に設けたタイバー１１を介してサポートプレート１２に伝達され、最終的にＨＢＳ９で支持して水冷壁２を保護している。図４に示すＶＢＳ１０も、図３に示すＨＢＳ９の機能と同様である。
【００２８】
次に、ボイラの支持構造の主要部材であるＨＢＳ９の詳細を図５及び図６に示す。ＨＢＳ９の設置の目的は、上記の「背景技術」欄や「発明が解決しようとする課題」欄で述べたように、水冷壁２の変形を防止するために十分な曲げ強度を有することに加え、十分な曲げ剛性を確保してＨＢＳ９の変形で生じるたわみを一定以下に抑え、たわみに関連する障害を未然に防止することにある。
【００２９】
そして、本発明の実施形態に関するＨＢＳ９は、図６に示すようにスパン長さＬの範囲内で２種類のＨ鋼の断面特性スパン長さを有していることを特徴としている。ＨＢＳ９のサイズは、上記の「背景技術」欄の式１と式２の制限値を満足する必要があるが、ＨＢＳ９のスパン長さＬが大となると、式１及び式２の制限値を満足するＨＢＳ９のサイズは曲げ応力制限よりもたわみ制限で決定されることになる（図１１を参照）。
【００３０】
そこで、本発明の実施形態では、たわみ制限を確保するとともに曲げ強度も満足できる断面特性のＨ鋼を提案するものである。たわみ制限と曲げ応力制限を満足できる断面特性として、スパン長さＬの両端部は曲げ剛性を低下させない条件と範囲で、両端部の板厚Ｔ１，ｔ１は中央部の板厚Ｔ２，ｔ２より小としている。ここで、ＴはＨ鋼のフランジ部の厚さであり、ｔは上下のフランジ部を連結するウェブ部の厚さを表し、Ｌ１は板厚Ｔ１，ｔ１をもつ端部のスパン長さ、Ｌ２は両端部（２×Ｌ１）を除いた残りの中央部のスパン長さをそれぞれ表す。
【００３１】
図６は本実施形態に係るホリゾンタルバックステー（ＨＢＳ）のサイズ決定における制限条件の内で、ホリゾンタルバックステーの断面特性値の変化におけるたわみ制限とスパンとの関係を無次元化して示す図である。上述した図１１、式１及び式２の説明にあるように、ＨＢＳは式２のたわみ制限で決定されるサイズが支配的になることから（曲げ応力制限に比べて）、図６ではたわみ制限（無次元化したたわみ）とホリゾンタルバックステーのスパン（両端部のスパン長さをスパン比率で無次元化した長さ２×Ｌ１／Ｌ）との関係を表している。
【００３２】
なお、図６に示す曲線は、両端部２Ｌ１のＴ１とｔ１の板厚を（２．５ｃｍ，１．２ｃｍ）とし、残りの中央部のＴ２とｔ２の板厚を（５．０ｃｍ，２．５ｃｍ）としたときの特性を示す。
【００３３】
バックステーのサイズにもよるが、断面特性が異なる２種類のＨ鋼を使用する場合に、図６に示すように、２×Ｌ１／Ｌが約０．３０において設計たわみと等しくなり、図５にしめすように各端部の長さをＬ／６にしてもたわみ制限を同様に満足することができる。すなわち、２Ｌ１／Ｌが０．３であれば、２Ｌ１を設けたときのたわみが、２Ｌ１を設けないときの設計たわみと異ならないので、たわみに関しては変わらずに、質量が低減する（２Ｌ１の分だけ質量低減）と云う効果が生じる。
【００３４】
実際の使用状態では、両端部合計がＬ／８〜Ｌ／２程度の範囲の断面特性を小さくすることで差し支えないことが確かめられた。図６に示すグラフの横軸が０．１２５〜０．５のときの縦軸の数値であれば、実用的なたわみ、曲げ強度が確保できるものである。このように、従来技術で余分な駄肉となっていた板厚を低減させることができ、その結果、ＨＢＳ９の質量を低減することができる。なお、図６に示す「分割時のたわみ」は両端部の断面特性を小さくしたときのたわみ、「設計たわみ」は断面特性を一定としたときのたわみをそれぞれ表す。
【００３５】
以上説明したように、本発明の実施形態に関する水冷・蒸気冷却壁支持構造は、支持構造物に作用する外部からの作用力（外荷重）で支持構造物が影響を受ける構造強度特性（曲げ応力制限）と、支持構造物に作用する外部からの作用力（外荷重）で支持構造物が影響を受ける構造変形特性（たわみ制限）、の両者の制限値を満足できる最小限の曲げ剛性並びに曲げ強度を有する支持構造物の断面特性値を設定することで、支持構造物の質量を低減することを主たる特徴とするものである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施形態に係るボイラの水冷壁及び／又はケージ壁を含めたボイラ全体構造の概要を示す見取図である。
【図２】図１のＡ方向から見たボイラ側面であり、ボイラ壁面のホリゾンタルバックステーとバーチカルバックステーの構造を示す図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線断面図であり、ボイラ停止状態におけるホリゾンタルバックステーの設置状況を示す図である。
【図４】ボイラの副側壁に設けられたバーチカルバックステーの設置状況を示す図である。
【図５】本実施形態に係るホリゾンタルバックステーの構造を示す図である。
【図６】本実施形態に係るホリゾンタルバックステーのサイズ決定における制限条件の内で、ホリゾンタルバックステーの断面特性値の変化におけるたわみ制限とスパンとの関係を無次元化して示す図である。
【図７】従来技術に関する火力発電用ボイラの側面とバックステーの配置を示す図である。
【図８】図７のＡ−Ａ線断面図であり、ボイラ停止状態におけるホリゾンタルバックステーの設置状況を示す図である。
【図９】図９は図７のＡ−Ａ線断面図であり、ボイラ運転状態におけるボイラ水冷壁とホリゾンタルバックステーの変形状況を示す図である。
【図１０】バックステーの構造強度計算における計算モデルを示す図である。
【図１１】バックステーの構造強度計算におけるたわみ制限及び曲げ強度制限とバックステー軸方向長さとの関係を示す図である。
【図１２】従来技術に関するバックステーの構造を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  ボイラ
２  水冷壁
２Ａ  下部炉壁管
２Ｂ  上部炉壁管
３  スパイラル管
４  垂直管
５  底部壁
６  天井壁
７  副側壁
８  ケージ壁
９，９Ａ，９Ｂ  ホリゾンタルバックステー（ＨＢＳ）
１０  バーチカルバックステー（ＶＢＳ）
１１，１４  タイバー
１２，１３，１５，１６  サポートプレート
１７  炉内圧
１８  ホリゾンタルバックステー（ＨＢＳ）
１９  バーチカルバックステー（ＶＢＳ）
２１  スリングボルト
２２  鉄骨
【図１】
2007127371.tif 000003
【図２】
2007127371.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2007127371.tif 000012
【図１１】
2007127371.tif 000013
【図１２】
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