(57)【要約】【課題】簡易な構造で熱応力を抑制し、装置の寿命を延ばすことのできるストラット構造及びガスエキスパンダを提供する。【解決手段】円筒形状をなす外ケーシング２と、前記外ケーシング２の内側に設けられる内ケーシング７と、前記外ケーシング２と前記内ケーシング７とによって高温流体が通過可能に形成される高温流体通路１４と、前記高温流体通路１４を横切って、前記外ケーシング２と前記内ケーシング７とを連結するストラット７０と、前記外ケーシング２又は前記内ケーシング７のいずれか一方に片持ちで固定され、前記高温流体通路１４内における前記ストラット７０の外側を覆うカバー８０とを備えるので、簡易な構造で熱応力を抑制し、装置の寿命を延ばすことのできるストラット構造及びガスエキスパンダを提供することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒形状をなす外ケーシングと、
前記外ケーシングの内側に設けられる内ケーシングと、
前記外ケーシングと前記内ケーシングとによって高温流体が通過可能に形成される高温流体通路と、
前記高温流体通路を横切って、前記外ケーシングと前記内ケーシングとを連結するストラットと、
前記外ケーシング又は前記内ケーシングのいずれか一方に片持ちで固定され、前記高温流体通路内における前記ストラットの外側を覆うカバーとを備えることを特徴とする、
ストラット構造。
【請求項２】
前記ストラットと前記カバーとの間に第１の断熱材を備えることを特徴とする、
請求項１に記載のストラット構造。
【請求項３】
前記ストラットと前記カバーとの間に、前記高温流体通路側に開口部を有する隙間が設けられ、該隙間が均一又は前記開口部側が広くなるように形成されることを特徴とする、
請求項１又は請求項２に記載のストラット構造。
【請求項４】
前記外ケーシングの外側から前記ストラットを通って前記内ケーシングの内側に低温流体を導入する低温流体通路と、
前記低温流体通路の外側を覆う第２の断熱材とを備えることを特徴とする、
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のストラット構造。
【請求項５】
前記ストラットは、両端面が閉じた筒状に形成され、前記低温流体通路が貫通する端面部の壁厚が前記外ケーシングと前記内ケーシングとを連結する連結部の壁厚よりも薄肉に形成されることを特徴とする、
請求項４に記載のストラット構造。
【請求項６】
前記ストラット内に設けられ、該ストラットの熱容量を増加させる熱吸収部を備えることを特徴とする、
請求項４又は請求項５に記載のストラット構造。
【請求項７】
前記ストラットと前記熱吸収部との間に隙間を設けることを特徴とする、
請求項６に記載のストラット構造。
【請求項８】
前記ストラットと前記熱吸収部と隙間に該ストラットと該熱吸収部との伝熱を促進する伝熱促進材を備えることを特徴とする、
請求項７に記載のストラット構造。
【請求項９】
前記外ケーシングの温度を調節する温度調節手段と、
前記外ケーシングと前記ストラットと前記内ケーシングの温度をそれぞれ検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段が検出する温度に基づいて前記温度調節手段を制御する制御手段を備えることを特徴とする、
請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載のストラット構造。
【請求項１０】
前記外ケーシングとしての流入ノズルと前記内ケーシングとしてのノーズコーンとによって形成される前記高温流体通路内に設けられる静翼と、主軸に固定されるロータディスクに設けられ前記静翼の下流に位置する動翼とを備えるガスエキスパンダにおいて、
請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載のストラット構造を適用したことを特徴とする、
ガスエキスパンダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ケーシングを支持するストラットの構造及びガスエキスパンダに関し、特に、原油からガソリン等を精製するための流動接触分解プラント等に好適に用いられるストラット構造及びガスエキスパンダに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、石油を接触分解する手法の一つとして、合成ゼオライト、シリカ、アルミナ等を主体とした硬質の固体触媒を用いて軽油、重質油等から高オクタン価ガソリン等を合成する流動接触分解法（ＦＣＣ法）が知られている。このようなＦＣＣ法を採用したプラントには、一般に、一旦使用された触媒を再利用するための再生器（再生塔）が配備されている。使用済み触媒は、空気と共に再生器内に送入される。そして、再生器内では、触媒に沈着した炭素質が焼却・除去され、再生器からは、高温の燃焼ガスが排出される。この燃焼ガスは、粗大な固形物が分離された後、ガスエキスパンダに送入され、このガスエキスパンダによってエネルギが回収されることになる（例えば、特許文献１）。
【０００３】
このようなガスエキスパンダ、あるいは、圧縮した圧縮空気に燃料を供給して燃焼し、発生した燃焼ガスをタービンに供給して回転動力を得るガスタービン等では、ケーシングとこれを支持するストラットの構造において、高温流体の流路を横切るように設けられるストラットとケーシングとの間に大きな温度差が生じ、このストラットとケーシングとの溶接部分などにクラックが発生することがあった。
【０００４】
そこで、このストラット構造に関し、ストラットを覆う２重構造のシールドを備えることで、ストラットとケーシングとの間に大きな温度差が生じることを抑制し、溶接部などにクラックが発生することを防止するものがある（例えば、特許文献２）。
【０００５】
また、別のストラット構造として、タービンを通過した燃焼ガスが導かれる中間ダクトにおいて、ケーシングに相当する環状の内周輪と外周輪とを複数のストラットによって連結保持することで燃焼ガス通路を構成し、さらに、外周輪、内周輪およびストラットを二重壁で構成して、この二重壁の隙間を冷却通路とし、この通路に冷却媒体を通流させて外周輪、内周輪およびストラットの過度な温度変化を抑制し、溶接部などにクラックが発生することを防止するものもある（例えば、特許文献３）。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−３１０１０１号公報
【特許文献２】実公平０４−０３０３４８号公報
【特許文献３】特開２００３−３１４２９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら上述した特許文献２に記載されているガスタービンの排気側ストラットシールド構造では、２重構造のシールドを備えることで、ストラットとケーシングとの間に大きな温度差が生じることが抑制され、この温度差に起因して過大な熱応力が発生することが抑制されているが、シールドの熱変形に対応するためシールドの端部をＵ字型に加工する必要があったことから、より簡易な構造でさらなる性能の向上を図ることのできる構造が望まれていた。また、上述した特許文献３に記載されているガスタービンでは、外周輪、内周輪およびストラットを二重壁とする構造を構成する部品点数が多くなり、さらに、構造も複雑になることから、装置が重量化し、製造コストも高くなってしまっていた。
【０００８】
そこで本発明は、簡易な構造で熱応力を抑制し、装置の寿命を延ばすことのできるストラット構造及びガスエキスパンダ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】
【０００９】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明によるストラット構造は、円筒形状をなす外ケーシングと、前記外ケーシングの内側に設けられる内ケーシングと、前記外ケーシングと前記内ケーシングとによって高温流体が通過可能に形成される高温流体通路と、前記高温流体通路を横切って、前記外ケーシングと前記内ケーシングとを連結するストラットと、前記外ケーシング又は前記内ケーシングのいずれか一方に片持ちで固定され、前記高温流体通路内における前記ストラットの外側を覆うカバーとを備えることを特徴とする。
【００１０】
請求項２に係る発明によるストラット構造では、前記ストラットと前記カバーとの間に第１の断熱材を備えることを特徴とする。
【００１１】
請求項３に係る発明によるストラット構造では、前記ストラットと前記カバーとの間に、前記高温流体通路側に開口部を有する隙間が設けられ、該隙間が均一又は前記開口部側が広くなるように形成されることを特徴とする。
【００１２】
請求項４に係る発明によるストラット構造では、前記外ケーシングの外側から前記ストラットを通って前記内ケーシングの内側に低温流体を導入する低温流体通路と、前記低温流体通路の外側を覆う第２の断熱材とを備えることを特徴とする。
【００１３】
請求項５に係る発明によるストラット構造では、前記ストラットは、両端面が閉じた筒状に形成され、前記低温流体通路が貫通する端面部の壁厚が前記外ケーシングと前記内ケーシングとを連結する連結部の壁厚よりも薄肉に形成されることを特徴とする。
【００１４】
請求項６に係る発明によるストラット構造では、前記ストラット内に設けられ、該ストラットの熱容量を増加させる熱吸収部を備えることを特徴とする。
【００１５】
請求項７に係る発明によるストラット構造では、前記ストラットと前記熱吸収部との間に隙間を設けることを特徴とする。
【００１６】
請求項８に係る発明によるストラット構造では、前記ストラットと前記熱吸収部と隙間に該ストラットと該熱吸収部との伝熱を促進する伝熱促進材を備えることを特徴とする。
【００１７】
請求項９に係る発明によるストラット構造では、該外ケーシングの温度を調節する温度調節手段と、前記外ケーシングと前記ストラットと前記内ケーシングの温度をそれぞれ検出する温度検出手段と、前記温度検出手段が検出する温度に基づいて前記温度調節手段を制御する制御手段を備えることを特徴とする。
【００１８】
上記目的を達成するために、請求項１０に係る発明によるガスエキスパンダは、前記外ケーシングとしての流入ノズルと前記内ケーシングとしてのノーズコーンとによって形成される前記高温流体通路内に設けられる静翼と、主軸に固定されるロータディスクに設けられ前記静翼の下流に位置する動翼とを備えるガスエキスパンダにおいて、請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載のストラット構造を適用したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１に係る発明によるストラット構造によれば、円筒形状をなす外ケーシングと、外ケーシングの内側に設けられる内ケーシングと、外ケーシングと前記内ケーシングとによって高温流体が通過可能に形成される高温流体通路と、高温流体通路を横切って、外ケーシングと内ケーシングとを連結するストラットと、外ケーシング又は内ケーシングのいずれか一方に片持ちで固定され、高温流体通路内におけるストラットの外側を覆うカバーを設けている。
【００２０】
したがって、高温流体通路内におけるストラットの外側をカバーにより覆うことで、高温流体がストラットに直接接触することを抑制し、このストラットの温度変化を緩やかにすることができ、これにより、装置の起動時、停止時などにおける外ケーシング、内ケーシングとストラットとの温度差が小さくなり、この温度差に起因して過大な熱応力が発生することが抑制され、熱応力が低減されるので、装置の疲労寿命を延ばすことができる。さらに、このカバーが外ケーシング又は内ケーシングのいずれか一方に片持ちで固定されていることから、カバーの温度変化によって生じる伸縮が拘束されることはないため、該カバーに熱応力が発生せず、また、連結部分も少ないことから熱伝達が抑制され、簡易な構造で熱応力を効果的に抑制することができる。
【００２１】
請求項２に係る発明によるストラット構造によれば、ストラットとカバーとの間に第１の断熱材を備える。したがって、第１の断熱材により高温流体が接触するカバーとストラットとの間を断熱することで両者間の放射伝熱が抑制されるので、ストラットの温度変化を緩やかにすることができ、熱応力を低減することができる。
【００２２】
請求項３に係る発明によるストラット構造によれば、ストラットとカバーとの間に、高温流体通路側に開口部を有する隙間が設けられ、該隙間が均一又は前記開口部側が広くなるように形成される。したがって、ストラットとカバーと隙間に高温流体中の含有物などが入り込んでも、この隙間が均一又は開口部側が広くなるように形成されることから、カバーが伸びたときに、この含有物を押し固めたりストラット側に押し込めたりせずに、開口部から排出するので、隙間にこの含有物がつまってカバーの伸びを拘束し高い応力が発生することを抑制することができる。
【００２３】
請求項４に係る発明によるストラット構造によれば、外ケーシングの外側からストラットを通って内ケーシングの内側に低温流体を導入する低温流体通路と、低温流体通路の外側を覆う第２の断熱材とを備える。したがって、低温流体の放射伝熱を第２の断熱材により断熱することで、低温流体の高温化及びストラットの低温化を抑制することができる。そのため、低温流体を効率的に使用することができると共に、ストラットの温度変化を抑制することで、外ケーシングとストラットとの温度差が大きくならずにすみ、外ケーシング、ストラットにかかる熱応力を低下させることができる。
【００２４】
請求項５に係る発明によるストラット構造によれば、ストラットは、両端面が閉じた筒状に形成され、低温流体通路が貫通する端面部の壁厚が外ケーシングと内ケーシングとを連結する連結部の壁厚よりも薄肉に形成される。したがって、連結部を十分な肉厚とし、ストラットによる外ケーシングと内ケーシングとの連結強度を維持しながら、端面部を薄肉にすることにより、低温流体が通る低温流体通路からストラットに伝達される冷熱が低減されることから、ストラットの温度変化を抑制することができ、このため、外ケーシングとストラットとの温度差が大きくならずにすみ、外ケーシング、ストラットにかかる熱応力を低下させることができる。
【００２５】
請求項６に係る発明によるストラット構造によれば、ストラット内に設けられ、該ストラットの熱容量を増加させる熱吸収部を備える。したがって、熱吸収部によりストラットの熱が吸収され、該ストラットの熱容量が増加し、ストラットの温度変化を遅くすることができ、これにより、装置の起動時、停止時などにおける外ケーシング、内ケーシングとストラットとの温度差が小さくなり、この温度差に起因して過大な熱応力が発生することが抑制されるので、熱応力を低減することができる。
【００２６】
請求項７に係る発明によるストラット構造によれば、ストラットと熱吸収部との間に隙間を設ける。したがって、ストラットと熱吸収部とが隙間をあけて縁を切って別体に設けられることからストラットの高剛性化が抑制され、このストラット周辺の低剛性部の応力増加を防止することができる。
【００２７】
請求項８に係る発明によるストラット構造によれば、ストラットと熱吸収部との隙間に該ストラットと該熱吸収部との伝熱を促進する伝熱促進材を備える。したがって、伝熱促進材によりストラットと熱吸収部との伝熱が促進され、この隙間での熱抵抗を低減することができ、熱吸収部によるストラットの熱容量増加を効果的に維持することができる。
【００２８】
請求項９に係る発明によるストラット構造によれば、該外ケーシングの温度を調節する温度調節手段と、外ケーシングとストラットと内ケーシングの温度をそれぞれ検出する温度検出手段と、温度検出手段が検出する温度に基づいて温度調節手段を制御する制御手段を備える。したがって、制御手段は、温度検出手段が検出する外ケーシング、ストラット、内ケーシングの温度に応じて各部の温度差が小さくなるように、温度調節手段により外ケーシングの温度を調節するので、装置の起動時、停止時などに外ケーシング、内ケーシングとストラットとの温度差に起因して過大な熱応力が発生することを抑制することができる。
【００２９】
請求項１０に係る発明によるガスエキスパンダによれば、外ケーシングとしての流入ノズルと内ケーシングとしてのノーズコーンとによって形成される高温流体通路内に設けられる静翼と、主軸に固定されるロータディスクに設けられ静翼の下流に位置する動翼とを備えるガスエキスパンダにおいて、請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載のストラット構造を適用する。
【００３０】
したがって、流入ノズルから導入され、高温流体通路を通過して静翼に至る高温流体により、動翼を有するロータディスク及びこれに固定される主軸が回転される。このとき、高温流体通路内におけるストラットの高温流体通路内の部分をカバーにより覆うことで、高温流体がストラットに直接接触することを抑制し、このストラットの温度変化を緩やかにすることができ、これにより、装置の起動時、停止時などにおける流入ノズルとストラットとの温度差が小さくなり、この温度差に起因して過大な熱応力が発生することが抑制され、熱応力が低減されるので、装置の疲労寿命を延ばすことができる。さらに、このカバーが流入ノズル又はノーズコーンのいずれか一方に片持ちで固定されていることから、温度変化によって生じるカバーの伸縮が拘束されることを抑制するため、該カバーに熱応力が発生しにくく、また、連結部分も少ないことから伝熱効率がおさえられるので、簡易な構造で熱応力を効果的に抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下に、本発明に係るストラット構造及びガスエキスパンダの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、或いは実質的に同一のものが含まれる。
【実施例１】
【００３２】
図１は、本発明の実施例１に係るガスエキスパンダの断面図である。本実施例では本発明に係るストラット構造をガスエキスパンダ１０１に適用して説明する。本図に示すガスエキスパンダ１０１は、例えば、ＦＣＣプラントに配備され、再生器（不図示）が排出する高温流体としての燃焼ガス（７００℃程度）からエネルギを回収するために用いられる。
【００３３】
ガスエキスパンダ１０１は、再生器（不図示）からの配管（不図示）に接続され、この再生器から燃焼ガスを導入する流入ノズル２（ストラット構造の外ケーシングに相当）と、流入ノズル２の内側に設けられるノーズコーン７（ストラット構造の内ケーシングに相当）と、流入ノズル２とノーズコーン７とによって燃焼ガスが通過可能に形成され内部に静翼６を有する高温流体通路１４（ストラット構造の高温流体通路に相当）と、静翼６の下流に設けられる動翼９を有し主軸１１に固定されるロータディスク８を備える。さらに、ガスエキスパンダ１０１は、高温流体通路１４を横切って流入ノズル２とノーズコーン７とを連結するストラット７０（ストラット構造のストラットに相当）と、流入ノズル２の外側からストラット７０を通ってノーズコーン７の内側に低温流体を導入する低温流体通路１７（ストラット構造の低温流体通路に相当）と、流入ノズル２に片持ちで固定され高温流体通路１４内におけるストラット７０の外側を覆うカバー８０（ストラット構造のカバーに相当）を備える。
【００３４】
流入ノズル２は、円筒状に形成され、ガスエキスパンダ１０１全体における燃焼ガスの流動方向上流側（図１における左側）に設けられており、燃焼ガスを略水平に導入する。さらに、流入ノズル２の下流側には、二重ケーシング３が接続されており、この二重ケーシング３の下流側には、下流側ケーシング４が配置される。二重ケーシング３と下流側ケーシング４とは排出通路２０を形成し、二重ケーシング３及び下流側ケーシング４には、この排出通路２０と連通して燃焼ガスを略鉛直上方に排出させる排出ノズル５が固定される。
【００３５】
ノーズコーン７は、頂点が丸みを帯びた略円錐状に形成される。また、ノーズコーン７は、複数のストラット７０により中央部で流入ノズル２と連結される。ストラット７０は、両端面が閉じた扁平の楕円筒状に形成され、流入ノズル２、ノーズコーン７等よりも肉薄に形成される。ストラット７０は、ノーズコーン７周りに放射状に６本設けられており、この６本のストラット７０によりノーズコーン７と流入ノズル２とが連結される。ストラット７０は端部がノーズコーン７及び流入ノズル２と溶接により連結される。また、ノーズコーン７内部の開口側にはバッフル１９が固定されている。
【００３６】
高温流体通路１４は、ノーズコーン７と流入ノズル２によって形成される断面がリング形状をなす通路であり、排出通路２０を介して排出ノズル５の内部に連通する。高温流体通路１４には、流入ノズル２とノーズコーン７の間にかけわたすように複数の静翼６が設けられる。複数の静翼６は、流入ノズル２とノーズコーン７の間に周方向に所定の間隔をあけて固定される。
【００３７】
主軸１１は、ノーズコーン７の下流側に設けられる主軸ケーシング２１に軸受部１２を介して一端部（図１における左側の上流側端部）が回転自在に支持される。主軸１１のこの端部にはカップリング１０を介してロータディスク８が結合されている。ロータディスク８は、円盤状に形成され、外周部には複数の動翼９が周方向に所定の間隔をあけて固定される。複数の動翼９は、高温流体通路１４にて上述した複数の静翼６と対向するようにその下流側に位置している。主軸１１の他端部（図１における右側の下流側端部）には、例えば、ＦＣＣプラントに含まれ、再生器で用いる圧縮空気を供給するためのコンプレッサ（不図示）が接続される。
【００３８】
したがって、流入ノズル２に導入される燃焼ガスは、高温流体通路１４を流通し、各静翼６及び各動翼９を通過することで、ロータディスク８を介して主軸１１を駆動して、この主軸１１に接続されたコンプレッサ（不図示）を駆動する。そして、主軸１１を駆動した燃焼ガスは、排出通路２０を通り排出ノズル５から装置外部に排出される。
【００３９】
低温流体通路１７は、ストラット７０を貫通する配管１３により構成される。この低温流体通路１７を構成する配管１３は、スチームアキュムレータ１８を介して蒸気源１６に接続される。蒸気源１６は、低温流体通路１７に低温流体としての蒸気を供給するものである。また、スチームアキュムレータ１８の下流側には、配管１３から分岐するように配管１５が接続され、この配管１５は二重ケーシング３に接続される。
【００４０】
蒸気源１６から供給される低温流体としての蒸気は、燃焼ガスよりも低温（２００℃程度）で、且つ、高圧の状態で供給される。蒸気源１６により供給される蒸気は、スチームアキュムレータ１８を介して配管１３と配管１５に導入され、配管１５は二重ケーシング３に蒸気を供給する。配管１３により構成される低温流体通路１７は流入ノズル２外側からストラット７０を通ってノーズコーン７内側に蒸気を導入する。なお、スチームアキュムレータ１８を設けることで蒸気の安定した供給が可能となる。
【００４１】
ノーズコーン７の内部に供給された蒸気は、バッフル１９の間を抜けてロータディスク８側に流れ込んだ後、静翼６、動翼９を冷却すると共に、ノーズコーン７とロータディスク８との間に形成される流路や、ノーズコーン７の開放端側内縁部を二重構造化することにより形成される流路などを介してノーズコーン７の内部を流通した後に、排出通路２０に流出することで、ノーズコーン７とロータディスク８との隙間に燃焼ガスが入り込むことを防止する。さらに、燃焼ガスに含有されている触媒の粉塵等がこれらの流路に滞留、付着することを防止する。
【００４２】
ところで、このガスエキスパンダ１０１は、ストラット７０における高温流体通路１４に露出する部分を覆うカバー８０を流入ノズル２に片持ちで固定することで、簡易な構造でストラット７０の熱応力を抑制するようにしている。
【００４３】
図２は、本発明の実施例１に係るガスエキスパンダのストラット及びカバーの断面図である。カバー８０は、上述したストラット７０の扁平楕円筒形状よりもひとまわり大きい扁平楕円筒形状に形成される。ストラット７０は、流入ノズル２及びノーズコーン７に溶接されて支持されており、カバー８０は、このストラット７０の流入ノズル２側の支持部分に取り付けられている。
【００４４】
つまり、カバー８０は、基端部がストラット７０の流入ノズル２側の支持部分に固定され、先端部がノーズコーン７側に伸びるようにして配置され、先端部の端面８０ａが自由端となるように設けられる。カバー８０の端面８０ａは、ストラット７０のノーズコーン７側の支持部分やノーズコーン７には接触しない。また、カバー８０は、高温流体通路１４内におけるストラット７０の外側を隙間をあけて覆う。この隙間は、ストラット７０の外周に沿った筒状部８２ａと、高温流体通路１４側に開口する開口部８２ｂを有する。このストラット７０とカバー８０との隙間の筒状部８２ａには、第１の断熱材８１が設けられる。
【００４５】
次に、図１、図２を参照して、本発明の実施例１に係るガスエキスパンダ１０１の作用について説明する。上述したガスエキスパンダ１０１を作動させて、ＦＣＣプラントの再生器から排出される燃焼ガスからエネルギを回収する場合、流入ノズル２に燃焼ガスを供給し、ロータディスク８に取り付けられた各動翼９を作動させる。すなわち、この供給された燃焼ガスは、高温流体通路１４を流通し、各静翼６及び各動翼９を通過することで、ロータディスク８を介して主軸１１を駆動して、この主軸１１に接続されたコンプレッサ（不図示）を駆動する。そして、主軸１１を駆動した燃焼ガスは、排出通路２０を通り排出ノズル５から装置外部に排出される。このように、高温流体通路１４に燃焼ガスを流通させることにより、各動翼９を介して主軸１１が回転し、燃焼ガスからエネルギを回収することができる。
【００４６】
また、この際、流入ノズル２内に配置されているノーズコーン７の内部には、蒸気源１６から低温流体通路１７を介して低温の蒸気が供給される。ノーズコーン７の内部に供給された蒸気は、ロータディスク８側に流れ込んだ後、静翼６、動翼９を冷却すると共に、上述した流路などを介してノーズコーン７の内部を流通した後に、排出通路２０に流出する。これにより、ノーズコーン７とロータディスク８との隙間に燃焼ガスが入り込むことを防止し、燃焼ガスに含有されている触媒の粉塵等がこれらの流路に滞留、付着することを防止するので、この触媒の粉塵等によってノーズコーン７やロータディスク８等を腐食、損傷されることを効果的に抑制することができる。
【００４７】
このガスエキスパンダ１０１は、起動直後、装置全体が低温状態にあり、燃焼ガスが流入ノズル２から供給されると、この燃焼ガスの影響で装置の各部の温度が上昇し、徐々に燃焼ガスの温度、すなわち、７００℃程度に近づく。このとき、ストラット７０の肉厚が流入ノズル２の肉厚よりも薄く、また、ストラット７０の一部が高温流体通路１４内に位置しているため、このストラット７０は燃焼ガスの影響を大きく受けやすく、流入ノズル２に比べて温度変化が速くなり、この流入ノズル２よりも先に７００℃程度の高温となり、この温度差に起因してストラット７０、流入ノズル２に過大な熱応力が発生して、熱変形がいびつになり、流入ノズル２とストラット７０の溶接部分等にクラックが発生するおそれがある。つまり、非定常熱応力による低サイクル疲労破壊が起こり、低サイクル寿命が短くなる可能性がある。
【００４８】
しかしながら、本実施例では、ストラット７０の高温流体通路１４内の部分をカバー８０によって覆うことで、高温の燃焼ガスがストラット７０に直接接触することを抑制しているので、このストラット７０の温度上昇を緩やかにし、流入ノズル２の温度上昇とほぼ等しくすることができる。また、このカバー８０は、流入ノズル２に片持ちで固定され、先端部が自由端となっていることから、加熱されても自由に伸縮する。また、ストラット７０とカバー８０との隙間に設けられる第１の断熱材８１により、高温の燃焼ガスが直接接触するカバー８０と内側のストラット７０とを断熱することから、ストラット７０とカバー８０との放射伝熱が抑制される。
【００４９】
以上で説明した本発明の実施例１に係るガスエキスパンダ１０１によれば、流入ノズル２から導入される高温の燃焼ガスをロータディスク８の動翼９に供給する高温流体通路１４と、この高温流体通路１４を横切って、流入ノズル２とノーズコーン７とを連結するストラット７０と、流入ノズル２に片持ちで固定され、高温流体通路１４内におけるストラット７０の外側を覆うカバー８０を備える。
【００５０】
したがって、高温流体通路１４内におけるストラット７０の外側をカバー８０により覆うことで、高温の燃焼ガスがストラット７０に直接接触することを抑制し、このストラット７０の温度変化を緩やかにすることができ、これにより、装置の起動時、停止時などにおける流入ノズル２とストラット７０との温度差が小さくなり、この温度差に起因して過大な熱応力が発生することが抑制され、熱応力が低減されるので、装置の疲労寿命を延ばすことができる。さらに、このカバー８０が流入ノズル２に片持ちで固定されていることから、カバー８０の温度変化によって生じる伸縮が拘束されることはないため、該カバー８０に熱応力が発生せず、また、連結部分も少ないことから熱伝達が抑制され、簡易な構造で熱応力を効果的に抑制することができる。
【００５１】
さらに、以上で説明した本発明の実施例１に係るガスエキスパンダ１０１によれば、ストラット７０とカバー８０との間に第１の断熱材８１を備える。したがって、第１の断熱材８１により燃焼ガスが直接接触するカバー８０とストラット７０との間を断熱することで両者間の放射伝熱を抑制されるので、ストラット７０の温度変化を緩やかにすることができ、熱応力が低減することができる。
【実施例２】
【００５２】
図３は、本発明の実施例２に係るガスエキスパンダのストラット及びカバーの断面図である。実施例２に係るガスエキスパンダ２０１は、実施例１に係るガスエキスパンダ１０１と略同様の構成であるが、低温流体通路１７を覆う第２の断熱材２８２を備え、ストラット２７０の一部が薄肉化されている点で実施例１に係るガスエキスパンダ１０１とは異なる。その他、実施例１と共通する構成、作用、効果については、重複した説明はできるだけ省略するとともに、同一の符号を付す。
【００５３】
本実施例のガスエキスパンダ２０１が備えるストラット構造は、低温流体通路１７の全周を巻くように覆う第２の断熱材２８２を有する。低温流体通路１７は、ストラット２７０の両端面部２７０ａを貫通し、この端面部２７０ａによってストラット２７０に支持され、内部に低温の蒸気が流れる。第２の断熱材２８２は、ストラット２７０内部において低温流体通路１７の外側を覆う。
【００５４】
このガスエキスパンダ２０１が起動すると、燃焼ガスの影響で装置各部の温度も昇温し、徐々に燃焼ガスの温度に近づくが、内部に低温の蒸気が流れる低温流体通路１７は他の部分よりも数十℃程度低い温度になる。しかしながら、第２の断熱材２８２によって低温流体通路１７を覆うことで、低温流体通路１７内部を流れる蒸気の冷却熱が外側、つまりストラット２７０側に伝わることが抑制される。これにより、流入ノズル２とストラット２７０との温度差が大きくならずにすむ。
【００５５】
また、ストラット２７０は、低温流体通路１７が貫通する端面部２７０ａの壁厚ｄ１が流入ノズル２とノーズコーン７とを連結する連結部２７０ｂの壁厚ｄ２よりも薄肉に形成される。本実施例では、ストラット２７０の端面部２７０ａを含む高温流体通路１４の外側の部分の壁厚ｄ１が連結部２７０ｂの壁厚ｄ２よりも薄くなっている。ここでは、壁厚ｄ１を壁厚ｄ２の２分の１程度としている。これにより、連結部２７０ｂを十分な肉厚とし、ストラット２７０による流入ノズル２とノーズコーン７との連結強度を維持しながら、端面部２７０ａを含む部分を薄肉にすることにより、低温の蒸気が通る低温流体通路１７からストラット２７０に伝達される冷熱が低減される。
【００５６】
以上で説明した本発明の実施例２に係るガスエキスパンダ２０１によれば、流入ノズル２の外側からストラット２７０を通ってノーズコーン７の内側に低温の蒸気を導入する低温流体通路１７と、低温流体通路１７の外側を覆う第２の断熱材２８２とを備える。したがって、低温の蒸気の放射伝熱を第２の断熱材２８２により断熱し、ストラット２７０の冷却を抑制することで、流入ノズル２とストラット２７０との温度差が大きくならずにすみ、流入ノズル２、ストラット２７０に定常運転時にかかる熱応力を低下させることができるので、装置のクリープ寿命を延ばすことができる。
【００５７】
また、以上で説明した本発明の実施例２に係るガスエキスパンダ２０１によれば、ストラット２７０は、低温流体通路１７が貫通する端面部２７０ａの壁厚ｄ１が流入ノズル２とノーズコーン７とを連結する連結部２７０ｂの壁厚ｄ２よりも薄肉に形成される。したがって、連結部２７０ｂを十分な肉厚とし、ストラット２７０による流入ノズル２とノーズコーン７との連結強度を維持しながら、端面部２７０ａを含む部分を薄肉にすることにより、低温流体が通る低温流体通路からストラット２７０に伝達される冷熱が低減されることから、ストラット２７０の冷却を抑制することができ、このため、流入ノズル２とストラット２７０との温度差が大きくならずにすみ、流入ノズル２、ストラット２７０に定常運転時にかかる熱応力を低下させることができるので、装置のクリープ寿命を延ばすことができる。
【実施例３】
【００５８】
図４は、本発明の実施例３に係るガスエキスパンダのストラット及びカバーの断面図である。実施例３に係るガスエキスパンダ３０１は、実施例２に係るガスエキスパンダ２０１と略同様の構成であるが、カバー３８０の端面３８０ａ全体が傾斜を有している点で実施例２に係るガスエキスパンダ２０１とは異なる。その他、実施例２と共通する構成、作用、効果については、重複した説明はできるだけ省略するとともに、同一の符号を付す。
【００５９】
本実施例のガスエキスパンダ３０１が備えるストラット構造のカバー３８０は、流入ノズル２に基端を片持ちで固定され、ストラット２７０の外側を隙間をあけて覆う。この隙間は、ストラット２７０の外側に沿った筒状部３８２ａと、高温流体通路１４側に開口する開口部３８２ｂを有し、カバー３８０の基端部側で行き止まりとなっている。この筒上部３８２ａに、上述した第１の断熱材８１が設けられる。開口部３８２ｂは、高温流体通路１４側の幅と筒状部３８２ａ側の幅がほぼ等しい幅となっている。すなわち、カバー３８０の先端部側の端面３８０ａがストラット２７０のノーズコーン７側の支持部分の傾斜面とほぼ平行になるように、この端面３８０ａに傾斜が形成される。カバー３８０は、上流側においてカバー３８０のストラット２７０側の面が反対側の面よりも短くなるように形成される。これにより、燃焼ガスに含有されている触媒の粉塵等が端面３８０ａの下側に入り込んでも、カバー３８０が伸びたときに、この触媒の粉塵を押し固めたりストラット２７０側に押し込めたりせずに、開口部３８２ｂから排出する。
【００６０】
以上で説明した本発明の実施例３に係るガスエキスパンダ３０１によれば、ストラット２７０とカバー３８０との間に、高温流体通路１４側に開口部３８２ｂを有する隙間が設けられ、該隙間が均一に形成される。したがって、開口部３８２ｂ（ストラット２７０とカバー３８０と隙間）に燃焼ガスに含有される触媒の粉塵等が入り込んでも、この隙間が均一に形成されることから、カバーが伸びたときに、この触媒の粉塵等を押し固めたりストラット２７０側に押し込めたりせずに、開口部３８２ｂから排出することができることから、隙間にこの含有物がつまってカバーの伸びを拘束し高い応力が発生することが抑制されるので、装置の寿命を延ばすことができる。
【００６１】
なお、上述した本発明の実施例３に係るガスエキスパンダ３０１は、上述した実施例に限定されず、特許請求の範囲に記載された範囲で種々の変更が可能である。以上の説明では、ストラット２７０とカバー３８０との間に、高温流体通路１４側に開口部３８２ｂを有する隙間が設けられ、該隙間が均一に形成されるものとして説明したが、開口部３８２ｂ側が広くなるよう形成してもよい。開口部３８２ｂは高温流体通路１４側の幅を筒状部３８２ａ側の幅よりも大きくすることで、触媒の粉塵等の排出性を向上することができる。
【実施例４】
【００６２】
図５は、本発明の実施例４に係るガスエキスパンダのストラット及びカバーの断面図である。実施例４に係るガスエキスパンダ４０１は、実施例３に係るガスエキスパンダ３０１と略同様の構成であるが、流入ノズル２の温度を調節する温度調節手段と、各部の温度をそれぞれ検出する温度検出手段と、温度調節手段を制御する制御手段を備える点で実施例３に係るガスエキスパンダ３０１とは異なる。その他、実施例３と共通する構成、作用、効果については、重複した説明はできるだけ省略するとともに、同一の符号を付す。
【００６３】
ガスエキスパンダ４０１の温度調節手段は、流入ノズル２のフランジ２ａ（上流側の肉厚部分）に溶接される加熱・冷却用配管４８３と、この加熱・冷却用配管４８３に加熱媒体としての高温ガス及び冷却媒体としての蒸気を供給する加熱・冷却用媒体供給装置４８３ａ（図６参照）により構成される。温度検出手段は、流入ノズル２に設けられ該流入ノズル２の温度を検出する流入ノズル側温度センサ４８４ａと、ストラット２７０に設けられ該ストラット２７０の温度を検出するストラット側温度センサ４８４ｂと、ノーズコーン７に設けられ該ノーズコーン７の温度を検出するノーズコーン側温度センサ４８４ｃにより構成される。流入ノズル側温度センサ４８４ａはフランジ２ａの下流側の面に設けられ、ストラット側温度センサ４８４ｂはストラット２７０の内周面の上流側に設けられ、ノーズコーン側温度センサ４８４ｃは略円錐状に形成されるノーズコーン７の頂点部分に設けられる。各温度センサには熱電対、測温抵抗体等を用いることができる。
【００６４】
図６は、本発明の実施例４に係るガスエキスパンダの制御装置を表す概略構成図である。加熱・冷却用媒体供給装置４８３ａ、流入ノズル側温度センサ４８４ａ、ストラット側温度センサ４８４ｂ、ノーズコーン側温度センサ４８４ｃは、制御手段としての制御装置４８５に接続される。流入ノズル側温度センサ４８４ａ、ストラット側温度センサ４８４ｂ、ノーズコーン側温度センサ４８４ｃは、流入ノズル２、ストラット２７０、ノーズコーン７の温度をそれぞれ検出し、この検出した温度信号を制御装置４８５に送信する。制御装置４８５は、受信した温度信号に基づいて加熱・冷却用媒体供給装置４８３ａに制御信号を送信し、加熱・冷却用配管４８３への高温ガスと低温蒸気の供給を制御する。
【００６５】
すなわち、制御装置４８５は、流入ノズル２、ストラット２７０、ノーズコーン７の各部の温度がほぼ等しくなるように高温ガス、蒸気の供給を制御する。制御装置４８５は、装置の起動時に、加熱・冷却用配管４８３に高温ガスを供給し、流入ノズル２をストラット２７０と同程度の温度になるまで加熱する。また、制御装置４８５は、装置の停止動作時に、加熱・冷却用配管４８３に蒸気を供給し、流入ノズル２をストラット２７０と同程度の温度になるまで冷却する。これにより、流入ノズル２とストラット２７０の温度差を小さくすることができ、この温度差に起因して過大な熱応力が発生することが抑制される。
【００６６】
以上で説明した本発明の実施例４に係るガスエキスパンダ４０１によれば、流入ノズル２の温度を調節する温度調節手段４８３、４８３ａと、流入ノズル２とストラット２７０とノーズコーン７の温度をそれぞれ検出する温度検出手段４８４ａ、４８４ｂ、４８４ｃと、温度検出手段４８４ａ、４８４ｂ、４８４ｃが検出する温度に基づいて温度調節手段４８３、４８３ａを制御する制御装置４８５を備える。したがって、制御装置４８５は、温度検出手段４８４ａ、４８４ｂ、４８４ｃが検出する流入ノズル２、ストラット２７０、ノーズコーン７の温度に応じて各部の温度差が小さくなるように、この温度調節手段４８３、４８３ａによって流入ノズル２の温度を調節するので、装置の起動時、停止時などに流入ノズル２、ストラット２７０、ノーズコーン７の温度差に起因して過大な熱応力が発生することを抑制することができる。
【００６７】
なお、上述した本発明の実施例４に係るガスエキスパンダ４０１は、上述した実施例に限定されず、特許請求の範囲に記載された範囲で種々の変更が可能である。以上の説明では、温度調節手段は、加熱・冷却用配管４８３と加熱・冷却用媒体供給装置４８３ａにより構成するものとして説明したが、冷却用の手段（例えば、冷媒管）と加熱用の手段（例えば、電気ヒータ）とをそれぞれ別々に設けてもよい。
【実施例５】
【００６８】
図７は、本発明の実施例５に係るガスエキスパンダのストラット及びカバーの断面図である。実施例５に係るガスエキスパンダ５０１は、実施例３に係るガスエキスパンダ３０１と略同様の構成であるが、ストラット２７０内に熱吸収部５９０と伝熱促進材５９２を備える点で実施例３に係るガスエキスパンダ３０１とは異なる。その他、実施例３と共通する構成、作用、効果については、重複した説明はできるだけ省略するとともに、同一の符号を付す。
【００６９】
本実施例のガスエキスパンダ５０１が備えるストラット構造は、ストラット２７０内に設けられ該ストラット２７０の熱容量を増加させる熱吸収部５９０を備える。熱吸収部５９０は、熱容量の大きい材料として鉄塊を用いることができる。さらに、熱吸収部５９０とストラット２７０の内周面との間には隙間５９１が設けられ、この隙間５９１に該熱吸収部５９０と該ストラット２７０との伝熱を促進する伝熱促進材５９２が設けられる。伝熱促進材５９２は、繊維状、小球状、粉状、あるいは薄板状の金属を用いることができる。
【００７０】
図８は、図７に示すＡ−Ａ断面図である。カバー３８０、第１の断熱材８１、ストラット２７０は、上述したように扁平の楕円筒状に形成され、この扁平楕円形状の広くなっている側が、図中矢印で示す燃焼ガスの流通方向上流側となる。このストラット２７０内の上流側に第２の断熱材２８２、低温流体通路１７が設けられ、第２の断熱材２８２、低温流体通路１７の下流側に、ストラット２７０の内周面と隙間５９１をあけて熱吸収部５９０が設けられる。伝熱促進材５９２は、この隙間５９１に充填される。熱吸収部５９０がストラット２７０の熱を吸収することで、壁厚を厚くすることなく該ストラット２７０の熱容量が増加するので、低温蒸気による冷却熱の伝達量を低減しながら、ストラットの温度変化を遅くすることができる。また、ストラット２７０の内周面と熱吸収部５９０との間に隙間５９１をあけて、ストラット２７０と熱吸収部５９０とが縁を切って別体に設けられることから、ストラット２７０の高剛性化が抑制され、他の部分に応力増加などの影響を及ぼすことがない。さらに、この隙間５９１に伝熱促進材５９２が充填されることで、この伝熱促進材５９２によりストラット２７０と熱吸収部５９０との伝熱が促進され、隙間５９１での熱抵抗を低減することができる。
【００７１】
以上で説明した本発明の実施例５に係るガスエキスパンダ５０１によれば、ストラット２７０内に該ストラット２７０の熱容量を増加させる熱吸収部５９０を備える。したがって、熱吸収部５９０によりストラット２７０の熱が吸収され、該ストラット２７０の熱容量が増加し、ストラット２７０の温度変化を緩やかにすることができ、これにより、装置の起動時、停止時などにおける流入ノズル２とストラット２７０との温度差が小さくなり、この温度差に起因して過大な熱応力が発生することが抑制されるので、装置の疲労寿命を延ばすことができる。
【００７２】
さらに、以上で説明した本発明の実施例５に係るガスエキスパンダ５０１によれば、ストラット２７０と熱吸収部５９０との間に隙間５９１を設ける。したがって、ストラット２７０と熱吸収部５９０とが隙間５９１をあけて縁を切って別体に設けられることから、この隙間５９１が緩衝領域となりストラット２７０の高剛性化が抑制され、このストラット２７０周辺の低剛性部の応力増加を防止することができるので、装置の寿命を延ばすことができる。
【００７３】
さらに、以上で説明した本発明の実施例５に係るガスエキスパンダ５０１によれば、ストラット２７０と熱吸収部５９０と隙間５９１に該ストラット２７０と該熱吸収部５９０との伝熱を促進する伝熱促進材５９２を備える。したがって、伝熱促進材５９２によりストラット２７０と熱吸収部５９０との伝熱が促進され、この隙間５９１での熱抵抗を低減することができ、熱吸収部５９０によるストラット２７０の熱容量増加を効果的に維持することができる。
【００７４】
なお、上述した本発明の実施例に係るガスエキスパンダ、ストラット構造は、上述した実施例に限定されず、特許請求の範囲に記載された範囲で種々の変更が可能である。以上の説明では、カバー８０、３８０は流入ノズル２に片持ちで固定されるものとして説明したが、ノーズコーン７に片持ちで固定されてもよい。また、以上の説明では、低温流体通路１７は、６本設けられるストラット７０、２７０のうちの１つを貫通するように設けるものとして説明したが、この低温流体通路１７を６つに分岐させ、６本すべてのストラット７０、２７０にそれぞれ低温流体通路１７が貫通するようにしてもよい。このようにすることで、適正な流速で十分な蒸気量を確保することができる。
【００７５】
また、以上の説明では、ストラット構造は、ガスエキスパンダに適用するものとして説明したが、例えば、ガスタービンや蒸気タービンに適用してもよい。ガスタービンは、圧縮機と燃焼器とタービンにより構成されており、空気取入口から取り込まれた空気が圧縮機によって圧縮されることで高温・高圧の圧縮空気となり、燃焼器にて、この圧縮空気に対して燃料を供給して燃焼させ、高温・高圧の燃焼ガスがタービンを駆動し、このタービンに連結された発電機を駆動する。この場合、タービンは、車室内に複数の静翼及び動翼が交互に配設されて構成されており、燃焼ガスにより動翼を駆動することで発電機の連結される出力軸を回転駆動している。そして、タービンを駆動した燃焼ガスは、排気車室のディフューザにより静圧に変換されてから大気に放出される。このディフーザを構成する複数の円筒形状のケーシングとこれらを連結するストラットの構造に、本発明に係るストラット構造を適用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明に係るストラット構造及びガスエキスパンダは、ケーシングに片持ちで固定されるカバーによってストラットを覆うことで、簡易な構造で熱応力を抑制し、装置の長寿命化を図ったものであり、ケーシングに連結されるストラットを有し、このストラットに流体が直接接触するガスエキスパンダ、ガスタービンに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の実施例１に係るガスエキスパンダの断面図である。
【図２】本発明の実施例１に係るガスエキスパンダのストラット及びカバーの断面図である。
【図３】本発明の実施例２に係るガスエキスパンダのストラット及びカバーの断面図である。
【図４】本発明の実施例３に係るガスエキスパンダのストラット及びカバーの断面図である。
【図５】本発明の実施例４に係るガスエキスパンダのストラット及びカバーの断面図である。
【図６】本発明の実施例４に係るガスエキスパンダの制御装置を表す概略構成図である。
【図７】本発明の実施例５に係るガスエキスパンダのストラット及びカバーの断面図である。
【図８】図７に示すＡ−Ａ断面図である。
【符号の説明】
【００７８】
２    流入ノズル（外ケーシング）
６    静翼
７    ノーズコーン（内ケーシング）
８    ロータディスク
９    動翼
１１    主軸
１２    軸受部
１４    高温流体通路
１７    低温流体通路
７０、２７０    ストラット
８０、３８０    カバー
８１    第１の断熱材
８２ａ、３８２ａ    筒状部
８２ｂ、３８２ｂ    開口部
１０１、２０１、３０１、４０１、５０１    ガスエキスパンダ
２７０ａ    端面部
２７０ｂ    連結部
２８２    第２の断熱材
４８３    加熱・冷却用配管（温度調節手段）
４８３ａ    加熱・冷却用媒体供給装置（温度調節手段）
４８４ａ    流入ノズル側温度センサ（温度検出手段）
４８４ｂ    ストラット側温度センサ（温度検出手段）
４８４ｃ    ノーズコーン側温度センサ（温度検出手段）
４８５    制御装置（制御手段）
５９０    熱吸収部
５９１    隙間
５９２    伝熱促進材
【図１】
2007297938.tif 000003
【図２】
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【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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