JP4031726B2 - エキスパンションジョイント及びその組み付け方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はエキスパンションジョイントに関し、特にガスタービン等の高温となるプラントの連結に対して好適に適用できるエキスパンションジョイントに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、ガスタービンとこれに接続された排気ダクトを示す側面図、図５は従来のエキスパンションジョイントを示す断面図である。図４において、ガスタービン１０１は燃焼ガスにより駆動し、その排気ガスは排気室１０１ａから排気ダクト１０３へ流れる。排気ダクト１０３は、エキスパンションジョイント１０２を介して排気室１０１ａと接続されている。排気ダクト１０３の構成はダクト１０３ａ、１０３ｂ、これらのダクト１０３ａ、１０３ｂを継ぐエキスパンションジョイント１０２からなり、排気ガスを排ガスボイラ１０９へ導く通路を構成している。
【０００３】
ガスタービン１０１、排気ダクト１０３は概略的には円筒形状であり、エキスパンションジョイント１０２はリング状のものである。ガスタービン１０１、排気ダクト１０３は常温で組み立てられ、運転時は内部に４００℃〜６００℃程度の高温のガスが流れる。そして、運転時の振動、熱による膨張によってガスタービン１０１、排気ダクト１０３は大きく変位する。その変位量の一例を挙げると、ガスタービン１０１と排気ダクト１０３の間隔が５０ｃｍの場合、最大でその間隔が７ｃｍ程度縮小する。このため、エキスパンションジョイント１０２は、熱による伸縮、運転時の振動を吸収する機能を備えるとともに、接続部から外部に熱が漏れないように断熱する機能を備えている。
【０００４】
図５は、そのエキスパンションジョイント１０２の断面図で、排気室１０１ａと排気ダクト１０３ａの間に設けられたエキスパンションジョイント１０２を示している。図５に示すように、排気室１０１ａの後端部にはフランジ部１０４が設けられ、排気ダクト１０３ａの前端部にはフランジ部１０５が設けられている。エキスパンションジョイント１０２は両フランジ部１０４、１０５の内径側を接続する断熱材抜け止めシール１０６、外径側を接続するブーツ１０７、及びシール１０６とブーツ１０７の間に充填された断熱材１０８から構成される。
【０００５】
断熱材抜け止めシール１０６、ブーツ１０７はシート状であるため、ガスタービン１０１の運転時には、内径側又は外径側へ変形してフランジ部１０４、フランジ部１０５間の距離の変動に対応して伸縮する。また、断熱材１０８はセラミックファイバーなどの細かい繊維の集合体であり、やはりフランジ部１０４、フランジ部１０５間の距離の変動に対応して伸縮する。このようにして、エキスパンションジョイント１０２は、運転時の熱、振動によるガスタービン１０１、ダクト１０３ａ、１０３ｂの変位を吸収するように構成されている。このようなエキスパンションジョイントの従来例としては、上記エキスパンションジョイント１０２の他、特許文献１に示すものが知られている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平７−２２４６８４ Ｐ３、図１
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、断熱材抜け止めシール１０６、ブーツ１０７は剛性が低く、図５に示すように幅方向の端部のみで支持されているため、幅方向の中間部近傍が内側、若しくは外側に変形してしまうという問題が生じる。
【０００８】
特に近時では、ブーツ１０７の素材を非金属にして、より高温での使用に耐えるようにしているが、ブーツ１０７を非金属材料で構成すると、単位長さあたりの伸縮量が低下してしまう。このため、図５に示すように、フランジ部１０４とフランジ部１０５の間隔をより広くとり、エキスパンションジョイント１０２の幅をより大きくすることで所望の伸縮量を確保するようにしている。このような状況下では、断熱材抜け止めシール１０６、ブーツ１０７がより変形し易くなっている。
【０００９】
このため、運転時のガスタービン１０１、排気ダクト１０３が振動、膨張すると、断熱材抜け止めシール１０６、ブーツ１０７が変形するという問題が生じていた。図６は、フランジ部１０４、１０５の間隔が近接し、断熱材抜け止めシール１０６、ブーツ１０７が内径側へ変形した状態をしている。
【００１０】
このようにブーツ１０７が内径側へ変形すると、ブーツ１０７の表面に局所的なしわが発生し、ガスタービン１０１の運転時の振動によってブーツ１０７が破断するという問題が生じていた。これにより、ガスタービン１０１、排気ダクト１０３内の熱が外部に漏れ、信頼性が損なわれるという問題があった。
【００１１】
また、断熱材抜け止めシール１０６とブーツ１０７の間には断熱材１０８が圧縮された状態で充填されているため、断熱材抜け止めシール１０６が内径側へ変形すると、断熱材１０８の体積が大きくなる。このため、断熱材１０８の密度が小さくなり、断熱の機能が低下する。これにより、ガスタービン１０１及び排気ダクト１０３内部の熱が外側に伝わり、ブーツ８の温度が上昇するという問題が生じていた。
【００１２】
特に、エキスパンションジョイント１０２を組み付ける際は、外側から断熱材抜け止めシール１０６、ブーツ１０７を固定していくため、内側に向かって力が加わる。このため、断熱材抜け止めシール１０６、ブーツ１０７は内側へ変形し易い。そして、一部の領域が内側へ変形すると、運転時の伸縮、振動によって内側へ変形した領域が拡大し、やがて全周に拡がるという問題がある。更に、ガスタービン１０１内には高速のガスが流れているため、負圧によって断熱材抜け止めシール１０６が内側へ変形し易いという問題も生じていた。
【００１３】
この発明は上述したような問題を解決するために成されたものであり、エキスパンションジョイントの内径側への変形を抑えて信頼性を高めることを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、請求項１に係るエキスパンションジョイントは、ガスタービン又は前記ガスタービンに接続された排気ダクトの連結部に取り付けられ、前記ガスタービン又は前記排気ダクトの変位を吸収するエキスパンションジョイントであって、前記ガスタービン又は前記排気ダクトの内径側に取り付けられた抜け止めシールと、前記ガスタービン又は前記排気ダクトの外径側に取り付けられたブーツと、前記抜け止めシールと前記ブーツの間に充填された断熱材とを備え、前記抜け止めシールを外側に向かって予め凸状に湾曲させたことを特徴とする。
【００１５】
このエキスパンションジョイントは、抜け止めシールを外側に向かって予め凸状に湾曲させておき、内径側へ変形しないようにしたものである。これにより、エキスパンションジョイントの損傷を抑えることができるので、信頼性・耐久性を高めることができる。ここで、ブーツは、ガスタービン、排気ダクトの内部から高温のガスが外側へ流れることを抑止するための部材であって、気密性、耐熱性、そして伸縮性を備えたものである。また、抜け止めシールは、断熱材がガスタービン、排気ダクトの内側へ抜けてしまうことを抑えるための部材である。そして、断熱材は、ガスタービン、排気ダクト内部の熱が外部に伝導することを抑える機能を有するものである。
【００１６】
また、請求項１に係るエキスパンションジョイントは、上記エキスパンションジョイントにおいて、前記抜け止めシールとともに前記ブーツを外側に向かって予め凸状に湾曲させたことを特徴とする。このように、抜け止めシールとともにブーツも外側に向かって予め凸状に湾曲させておくので、長期間の使用においても内径側へ変形しないようになる。
【００１７】
また、請求項１に係るエキスパンションジョイントは、上記エキスパンションジョイントにおいて、前記抜け止めシールの内径側に金属製プレートが設けられたことを特徴とする。このように、抜け止めシールの内径側に金属製プレートを設けてあるので、抜け目止めシールの内径側への変形を確実に抑えることができる。ここで、金属製プレートはステンレス、インコネル（登録商標）等の剛性の高い材料が好ましい。
【００１８】
また、請求項２に係るエキスパンションジョイントは、上記エキスパンションジョイントにおいて、前記抜け止めシールは複数の部材の積層から構成され、前記複数の部材の少なくとも１つが外側に向かって凸状に湾曲した形状を維持する成型部材であることを特徴とする。このような構成により、抜け止めシールは常に外側に向かって凸状の形状を維持できるので、長期間の使用においてもエキスパンションジョイントの内側に向かう変形を抑制できる。なお、成型部材は成型した形状を維持できるものが望ましい。
【００１９】
また、請求項３に係るエキスパンションジョイントは、上記エキスパンションジョイントにおいて、前記ブーツは複数の部材を積層して構成され、前記複数の部材の少なくとも１つが凸状に湾曲した形状を維持する成型部材であることを特徴とする。このような構成により、ブーツは常に外側に向かって凸状の形状を維持できるので、長期間の使用においてもエキスパンションジョイントの内側に向かう変形を抑制しできる。成型部材は成型した形状を維持できるものが望ましい。
【００２０】
また、請求項４に係るエキスパンションジョイントは、上記エキスパンションジョイントにおいて、前記成型部材が金属製メッシュであることを特徴とする。このように、金属製メッシュを用いることで、ある程度の剛性により凸状の形状を維持しつつ所望の伸縮性を得ることができる。これにより、エキスパンションジョイントが内側に向かう変形を抑えつつ、ダクトの熱伸びを十分に吸収できる。ここで、金属製メッシュの材料はステンレス、インコネル（登録商標）が適しており、特に高温での酸化を抑えるためにはインコネル（登録商標）が適している。
【００２１】
また、請求項５に係るエキスパンションジョイントは、上記エキスパンションジョイントにおいて、前記複数の部材の１つが金属箔であることを特徴とする。このように、金属箔を使用することで、ブーツや抜け止めシールの気密性を高めて、熱が外部に漏れないようにすることができる。これによって、エキスパンションジョイントを通過する排気温度の低下を抑制できるので、例えばガスタービンの排ガスをＨＲＳＧ（Heat Recovery Steam Generator：排熱回収ボイラ）に供給する場合には、温度の高い良質の排ガスを供給できる。
【００２２】
また、請求項６に係るエキスパンションジョイントの組み付け方法は、ガスタービン又は前記ガスタービンに接続された排気ダクトの連結部に、前記ガスタービン又は前記排気ダクトの変位を吸収するエキスパンションジョイントを組み付ける方法であって、前記連結部の内径側に、予め外側に向かって凸状に湾曲した抜け止めシールを取り付ける工程と、前記抜け止めシールの外周に断熱材を取り付ける工程と、前記断熱材の外周に、予め外側に向かって凸状に湾曲したブーツを取り付ける工程と、を有することを特徴とする。このように、抜け止めシール及びブーツを外側に向かって予め凸状に湾曲させておくので、エキスパンションジョイントの組み付け時には、内径側への変形を抑えることができる。
【００２３】
また、請求項６に係るエキスパンションジョイントの組み付け方法は、前記抜け止めシールの内径側に金属製プレートを設けた後、前記抜け止めシールを取り付けることを特徴とする。このように、抜け止めシールの内径側に金属製プレートを設けてから抜け止めシールを取り付けるので、抜け目止めシールの内径側への変形を確実に抑えることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの或いは実質的に同一のものが含まれる。
【００２５】
図１は、この発明の一実施の形態に係るエキスパンションジョイント２を示す断面図である。このエキスパンションジョイントはガスタービンと排気ダクトの接続部、排気ダクトを構成する各ダクト同士の接続部などに使用されるものである。ここでは、ガスタービンと排気ダクトの接続部に使用した場合を例に挙げて説明する。なお、ガスタービン、排気ダクトの全体構成は図４と同様である。
【００２６】
図１に示すように、ガスタービン１の排気室１ａの後端部にはフランジ４が設けられている。また、排気ダクト３の前端部にはフランジ５が設けられている。そして、フランジ４とフランジ５は所定の間隔をあけて対向している。
【００２７】
フランジ４とフランジ５の内径側には、両フランジの間を接続する断熱材抜け止めシール６が配置されている。また、フランジ４とフランジ５の外径側には、両フランジの間を接続するブーツ７が配置されている。そして、断熱材抜け止めシール６とブーツ７との間に断熱材８が充填されている。断熱材抜け止めシール６、ブーツ７は帯状のものをフランジ４、５の形状に丸めたものである。そして、断熱材抜け止めシール６、ブーツ７及び断熱材８からエキスパンションジョイント２が構成されている。
【００２８】
図１に示すように、断熱材抜け止めシール６はフランジ４及びフランジ５から突出したピン１０に挿入され、ワッシャ１１によって固定されている。また、ブーツ７は、フランジ４及びフランジ５に対してボルト１２で固定されている。また、断熱材抜け止めシール６のさらに内径側にはガイド１３が設けられている。
【００２９】
断熱材８は、セラミックファイバーなどの細かい繊維をガラスクロスで包んだものであり、ガスタービン１、排気ダクト３内部の熱が外部に伝導することを抑える機能を有する。断熱材８は、圧縮された状態で断熱材抜け止めシール６とブーツ７との間に充填されている。
【００３０】
図２はブーツ７の構成を示す断面斜視図である。ブーツ７は、ガスタービン１、排気ダクト３内部から高温のガスが外側へ流れることを抑止するための部材であって、気密性、耐熱性、そして伸縮性を備えたものである。図２に示すように、ブーツ７は、内径側の金属製メッシュ７ａ、中間の金属箔７ｂ及び外径側のガラスクロス７ｃの積層によって構成されている。金属製メッシュ７ａはインコネル（登録商標）、ステンレス等の素材からなり、高温での酸化を抑えるためには特にインコネル（登録商標）が好適である。中間の金属箔７ｂはブーツ７の気密性を高めるものであり、また、耐熱性を向上させるものである。なお、ブーツ７の温度がそれ程高くならない場合は、金属箔７ｂの代わりに耐熱性の高い樹脂シートを用いることもできる。
【００３１】
図１及び図２に示すように、ブーツ７は幅方向の中央が外側に向かって突出するように湾曲している。この形状は、ブーツ７をフランジ４、５に組み付ける前に予め成形したものであり、主に金属製メッシュ７ａによってその形状が維持される。このように、外側に膨らむように予めブーツ５を湾曲させておくことで、組み付け時、又はガスタービン１若しくは排気ダクト３が伸縮・振動した場合に、ブーツ７がガスタービン１の内側に向かって変形してしまうことを抑止できる。従って、ブーツ７に変形による亀裂が生じることを抑えることができ、ガスタービン１、排気ダクト３内の熱流が外部に漏れだすことを抑止できる。
【００３２】
図３は、断熱材抜け止めシール６の構成を示す断面斜視図である。断熱材抜け止めシール６は、断熱材８がガスタービン１、排気ダクト２の内側へ抜けてしまうことを抑えるための部材であり、内径側の金属製メッシュ６ａと外径側のガラスクロス６ｂとの積層から構成される。また、湾曲部の頂の内径側には、金属製メッシュ６ａ、ガラスクロス６ｂよりも幅の狭い金属製プレート６ｃが設けられている。金属製プレート６ｃはステンレス、インコネル（登録商標）等の材料で構成されるものである。
【００３３】
図１及び図３に示すように、断熱材抜け止めシール６もブーツ７と同様に、予め幅方向の中央が外側に向かって湾曲するように突出させてある。これにより、組み付け時、又はガスタービン１若しくは排気ダクト３が伸縮・振動した場合に、断熱材抜け止めシール６がガスタービン１の内側に向かって変形してしまうことを抑止できる。これにより、断熱材抜け止めシール６とブーツ７の間に充填された断熱材８の体積が、熱膨張や経年変化等によって増加することを抑えることができ、断熱材８の密度が小さくなることを抑止できる。これにより、エキスパンションジョイント２から外部に漏れるガスタービン１の排ガスの熱を最小限に抑えることができる。
【００３４】
また、ガスタービン１又は排気ダクト３が伸縮・振動した場合には、ブーツ７及び断熱材抜け止めシール６を外側に向かって同じ方向に変形させることができる。従って、ブーツ７が外側に変形した場合であっても断熱材８の体積が増加することを抑えることができ、断熱材８の密度が小さくなることを抑止できる。これにより、エキスパンションジョイント２から外部に漏れるガスタービン１の排ガスの熱を最小限に抑えることができる。
【００３５】
また、断熱材抜け止めシール６の内径側には剛性の高い金属製プレート６ｃを設けている。この金属製プレート６ｃは、断熱材抜け止めシール６を円状に形成すると、断熱材抜け止めシール６の径方向外側に向かう高い曲げ剛性を発揮する。これによって、エキスパンションジョイントの組み付け時、又はガスタービン１の運転時においても、断熱材抜け止めシール６が内側へ変形すること確実に抑えることができる。
【００３６】
次に、エキスパンションジョイント２の組み付け方法について説明する。ここでは、ガスタービン１と排気ダクト３の間にエキスパンションジョイント２の組み付ける方法を例に挙げて説明する。まず、ガスタービン１の後方に排気ダクト３を配置し、フランジ部４とフランジ部５の間隔を所定の距離に設定する。なお、ガイド１３は予めフランジ部４に取り付けておく。
【００３７】
次に、フランジ４とフランジ５の間の内径側に断熱材抜け止めシール６を巻きつけ、断熱材抜け止めシール６の孔をフランジ４、５に固定されているピン１０に挿入する。そして、ワッシャ１１をピン１０に挿入して固定する。断熱材抜け止めシール６は帯状のシートであるため、巻きつけた後、その両端同士を接続する。接続の際には、まず内径側の金属製メッシュ６ａを縫い合わせ、その後、外径側のガラスクロス６ｂを縫い合わせる。
【００３８】
次に、断熱材８を断熱材抜け止めシール６の上から巻きつける。巻きつけた後、その両端同士を接続する際には、セラミックファイバーを包んでいるガラスクロスを縫い合わせる。
【００３９】
次に、フランジ４とフランジ５の間の外径側にブーツ７を巻きつけ、ボルト１２で固定する。また、ブーツ７の両端同士を接続する。接続の際は、まず内径側の金属製メッシュ７ａを縫い合わせ、次に、中間の金属箔７ｂを重ねて折り込み、その後、外径側のガラスクロス７ｃを縫い合わせる。以上で、エキスパンションジョイント２の組み付けが完了する。
【００４０】
この実施の形態によれば、断熱材抜け止めシール６、ブーツ７を外側に膨らむ形状に湾曲させたため、組み付け時、あるいはガスタービン１の運転時に断熱材抜け止めシール６、ブーツ７が内側へ変形することを抑止できる。従って、ブーツ７の変形に起因する亀裂の発生を抑え、ガスタービン１、又は排気ダクト３内の熱流が外部に漏れだすことを抑止できる。また、断熱材抜け止めシール６の変形を抑えることができるので、断熱材８の密度が小さくなることを抑えることができる。これにより、所望の断熱性を確保できるので、安全性を確保でき、またＨＲＳＧには温度低下の少ない良質のガスタービン排ガスを供給できる。また、断熱材８の密度変化はほとんど発生しないので、エキスパンションジョイント２の寿命をより長くすることができ、また、メンテナンスの頻度を減らすことも可能となる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明のエキスパンションジョイント（請求項１）によれば、抜け止めシールを外側に向かって予め凸状に湾曲させたため、エキスパンションジョイントの内径側へ向かう変形を抑えることができる。また、抜け止めシールが内径側へ向かう変形を抑えることで、断熱材の密度が小さくなることを抑えることができ、断熱性が低下することを抑止できる。
【００４２】
また、この発明のエキスパンションジョイント（請求項１）によれば、ブーツも外側に向かって予め凸状に湾曲させたので、ブーツの内径側への変形を抑えることができる。これにより、ブーツに亀裂などの破損が生じることを抑止して、ブーツの耐久性を向上させることができる。
【００４３】
また、この発明のエキスパンションジョイント（請求項１）によれば、抜け止めシールの内径側に金属製プレートを設けた。これにより、抜け止めシールの内径側への変形をさらに確実に抑えて、エキスパンションジョイントの信頼性・耐久性をさらに向上させることができる。
【００４４】
また、この発明のエキスパンションジョイント（請求項２）によれば、抜け止めシールを構成する部材の少なくとも１つを凸状に湾曲させた成型部材とした。このため、エキスパンションジョイントの組み立て時、又は伸縮時であっても予め成型したエキスパンションジョイントの形状を維持できる。
【００４５】
また、この発明のエキスパンションジョイント（請求項３）によれば、ブーツを構成する部材の少なくとも１つを凸状に湾曲させた成型部材とした。これにより、エキスパンションジョイントの組み立て時、又は伸縮時であっても予め成型した形状を維持できる。
【００４６】
また、この発明のエキスパンションジョイント（請求項４）によれば、成型部材を金属製メッシュとしたため、ある程度の剛性を維持しつつ所望の伸縮性を得ることができる。従って、エキスパンションジョイントの内側に向かう変形を抑えつつ、ガスタービン又は排気ダクトの変位を効率良く吸収することができる。
【００４７】
また、この発明のエキスパンションジョイント（請求項５）によれば、ブーツを構成する部材の少なくとも１つを金属箔とした。これにより、エキスパンションジョイントの気密性を高めることができるので、ガスタービンや排気ダクトの外部に熱が漏れないようすることができる。
【００４８】
また、この発明のエキスパンションジョイントの組み付け方法（請求項６）によれば、抜け止めシール及びブーツを外側に向かって湾曲する形状に予め成型しておくようにしたので、組み付け時に抜け止めシールやブーツがその内径側へ変形することを抑止できる。
【００４９】
また、この発明のエキスパンションジョイントの組み付け方法（請求項６）によれば、抜け止めシールの内径側に金属製プレートを設けた状態で組み付けるようにしたので、組み付け時に抜け止めシールがその内径側へ変形することを確実に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の一実施の形態に係るエキスパンションジョイントを示す断面図である。
【図２】 ブーツの構成を示す断面斜視図である。
【図３】 断熱材抜け止めシールの構成を示す断面斜視図である。
【図４】 ガスタービンとこれに接続された排気ダクトを示す側面図である。
【図５】 従来のエキスパンションジョイントを示す概略断面図である。
【図６】 断熱材抜け止めシール、ブーツが内径側へ変形した状態を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１ ガスタービン
２ エキスパンションジョイント
３ 排気ダクト
４、５ フランジ部
６ 断熱材抜け止めシール
６ａ、７ａ 金属製メッシュ
６ｂ、７ｃ ガラスクロス
６ｃ 金属製プレート
７ ブーツ
７ｂ 金属箔
８ 断熱材
１０ ピン
１１ ワッシャ
１２ ボルト
１３ ガイド
【発明の属する技術分野】
この発明はエキスパンションジョイントに関し、特にガスタービン等の高温となるプラントの連結に対して好適に適用できるエキスパンションジョイントに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、ガスタービンとこれに接続された排気ダクトを示す側面図、図５は従来のエキスパンションジョイントを示す断面図である。図４において、ガスタービン１０１は燃焼ガスにより駆動し、その排気ガスは排気室１０１ａから排気ダクト１０３へ流れる。排気ダクト１０３は、エキスパンションジョイント１０２を介して排気室１０１ａと接続されている。排気ダクト１０３の構成はダクト１０３ａ、１０３ｂ、これらのダクト１０３ａ、１０３ｂを継ぐエキスパンションジョイント１０２からなり、排気ガスを排ガスボイラ１０９へ導く通路を構成している。
【０００３】
ガスタービン１０１、排気ダクト１０３は概略的には円筒形状であり、エキスパンションジョイント１０２はリング状のものである。ガスタービン１０１、排気ダクト１０３は常温で組み立てられ、運転時は内部に４００℃〜６００℃程度の高温のガスが流れる。そして、運転時の振動、熱による膨張によってガスタービン１０１、排気ダクト１０３は大きく変位する。その変位量の一例を挙げると、ガスタービン１０１と排気ダクト１０３の間隔が５０ｃｍの場合、最大でその間隔が７ｃｍ程度縮小する。このため、エキスパンションジョイント１０２は、熱による伸縮、運転時の振動を吸収する機能を備えるとともに、接続部から外部に熱が漏れないように断熱する機能を備えている。
【０００４】
図５は、そのエキスパンションジョイント１０２の断面図で、排気室１０１ａと排気ダクト１０３ａの間に設けられたエキスパンションジョイント１０２を示している。図５に示すように、排気室１０１ａの後端部にはフランジ部１０４が設けられ、排気ダクト１０３ａの前端部にはフランジ部１０５が設けられている。エキスパンションジョイント１０２は両フランジ部１０４、１０５の内径側を接続する断熱材抜け止めシール１０６、外径側を接続するブーツ１０７、及びシール１０６とブーツ１０７の間に充填された断熱材１０８から構成される。
【０００５】
断熱材抜け止めシール１０６、ブーツ１０７はシート状であるため、ガスタービン１０１の運転時には、内径側又は外径側へ変形してフランジ部１０４、フランジ部１０５間の距離の変動に対応して伸縮する。また、断熱材１０８はセラミックファイバーなどの細かい繊維の集合体であり、やはりフランジ部１０４、フランジ部１０５間の距離の変動に対応して伸縮する。このようにして、エキスパンションジョイント１０２は、運転時の熱、振動によるガスタービン１０１、ダクト１０３ａ、１０３ｂの変位を吸収するように構成されている。このようなエキスパンションジョイントの従来例としては、上記エキスパンションジョイント１０２の他、特許文献１に示すものが知られている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平７−２２４６８４ Ｐ３、図１
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、断熱材抜け止めシール１０６、ブーツ１０７は剛性が低く、図５に示すように幅方向の端部のみで支持されているため、幅方向の中間部近傍が内側、若しくは外側に変形してしまうという問題が生じる。
【０００８】
特に近時では、ブーツ１０７の素材を非金属にして、より高温での使用に耐えるようにしているが、ブーツ１０７を非金属材料で構成すると、単位長さあたりの伸縮量が低下してしまう。このため、図５に示すように、フランジ部１０４とフランジ部１０５の間隔をより広くとり、エキスパンションジョイント１０２の幅をより大きくすることで所望の伸縮量を確保するようにしている。このような状況下では、断熱材抜け止めシール１０６、ブーツ１０７がより変形し易くなっている。
【０００９】
このため、運転時のガスタービン１０１、排気ダクト１０３が振動、膨張すると、断熱材抜け止めシール１０６、ブーツ１０７が変形するという問題が生じていた。図６は、フランジ部１０４、１０５の間隔が近接し、断熱材抜け止めシール１０６、ブーツ１０７が内径側へ変形した状態をしている。
【００１０】
このようにブーツ１０７が内径側へ変形すると、ブーツ１０７の表面に局所的なしわが発生し、ガスタービン１０１の運転時の振動によってブーツ１０７が破断するという問題が生じていた。これにより、ガスタービン１０１、排気ダクト１０３内の熱が外部に漏れ、信頼性が損なわれるという問題があった。
【００１１】
また、断熱材抜け止めシール１０６とブーツ１０７の間には断熱材１０８が圧縮された状態で充填されているため、断熱材抜け止めシール１０６が内径側へ変形すると、断熱材１０８の体積が大きくなる。このため、断熱材１０８の密度が小さくなり、断熱の機能が低下する。これにより、ガスタービン１０１及び排気ダクト１０３内部の熱が外側に伝わり、ブーツ８の温度が上昇するという問題が生じていた。
【００１２】
特に、エキスパンションジョイント１０２を組み付ける際は、外側から断熱材抜け止めシール１０６、ブーツ１０７を固定していくため、内側に向かって力が加わる。このため、断熱材抜け止めシール１０６、ブーツ１０７は内側へ変形し易い。そして、一部の領域が内側へ変形すると、運転時の伸縮、振動によって内側へ変形した領域が拡大し、やがて全周に拡がるという問題がある。更に、ガスタービン１０１内には高速のガスが流れているため、負圧によって断熱材抜け止めシール１０６が内側へ変形し易いという問題も生じていた。
【００１３】
この発明は上述したような問題を解決するために成されたものであり、エキスパンションジョイントの内径側への変形を抑えて信頼性を高めることを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、請求項１に係るエキスパンションジョイントは、ガスタービン又は前記ガスタービンに接続された排気ダクトの連結部に取り付けられ、前記ガスタービン又は前記排気ダクトの変位を吸収するエキスパンションジョイントであって、前記ガスタービン又は前記排気ダクトの内径側に取り付けられた抜け止めシールと、前記ガスタービン又は前記排気ダクトの外径側に取り付けられたブーツと、前記抜け止めシールと前記ブーツの間に充填された断熱材とを備え、前記抜け止めシールを外側に向かって予め凸状に湾曲させたことを特徴とする。
【００１５】
このエキスパンションジョイントは、抜け止めシールを外側に向かって予め凸状に湾曲させておき、内径側へ変形しないようにしたものである。これにより、エキスパンションジョイントの損傷を抑えることができるので、信頼性・耐久性を高めることができる。ここで、ブーツは、ガスタービン、排気ダクトの内部から高温のガスが外側へ流れることを抑止するための部材であって、気密性、耐熱性、そして伸縮性を備えたものである。また、抜け止めシールは、断熱材がガスタービン、排気ダクトの内側へ抜けてしまうことを抑えるための部材である。そして、断熱材は、ガスタービン、排気ダクト内部の熱が外部に伝導することを抑える機能を有するものである。
【００１６】
また、請求項１に係るエキスパンションジョイントは、上記エキスパンションジョイントにおいて、前記抜け止めシールとともに前記ブーツを外側に向かって予め凸状に湾曲させたことを特徴とする。このように、抜け止めシールとともにブーツも外側に向かって予め凸状に湾曲させておくので、長期間の使用においても内径側へ変形しないようになる。
【００１７】
また、請求項１に係るエキスパンションジョイントは、上記エキスパンションジョイントにおいて、前記抜け止めシールの内径側に金属製プレートが設けられたことを特徴とする。このように、抜け止めシールの内径側に金属製プレートを設けてあるので、抜け目止めシールの内径側への変形を確実に抑えることができる。ここで、金属製プレートはステンレス、インコネル（登録商標）等の剛性の高い材料が好ましい。
【００１８】
また、請求項２に係るエキスパンションジョイントは、上記エキスパンションジョイントにおいて、前記抜け止めシールは複数の部材の積層から構成され、前記複数の部材の少なくとも１つが外側に向かって凸状に湾曲した形状を維持する成型部材であることを特徴とする。このような構成により、抜け止めシールは常に外側に向かって凸状の形状を維持できるので、長期間の使用においてもエキスパンションジョイントの内側に向かう変形を抑制できる。なお、成型部材は成型した形状を維持できるものが望ましい。
【００１９】
また、請求項３に係るエキスパンションジョイントは、上記エキスパンションジョイントにおいて、前記ブーツは複数の部材を積層して構成され、前記複数の部材の少なくとも１つが凸状に湾曲した形状を維持する成型部材であることを特徴とする。このような構成により、ブーツは常に外側に向かって凸状の形状を維持できるので、長期間の使用においてもエキスパンションジョイントの内側に向かう変形を抑制しできる。成型部材は成型した形状を維持できるものが望ましい。
【００２０】
また、請求項４に係るエキスパンションジョイントは、上記エキスパンションジョイントにおいて、前記成型部材が金属製メッシュであることを特徴とする。このように、金属製メッシュを用いることで、ある程度の剛性により凸状の形状を維持しつつ所望の伸縮性を得ることができる。これにより、エキスパンションジョイントが内側に向かう変形を抑えつつ、ダクトの熱伸びを十分に吸収できる。ここで、金属製メッシュの材料はステンレス、インコネル（登録商標）が適しており、特に高温での酸化を抑えるためにはインコネル（登録商標）が適している。
【００２１】
また、請求項５に係るエキスパンションジョイントは、上記エキスパンションジョイントにおいて、前記複数の部材の１つが金属箔であることを特徴とする。このように、金属箔を使用することで、ブーツや抜け止めシールの気密性を高めて、熱が外部に漏れないようにすることができる。これによって、エキスパンションジョイントを通過する排気温度の低下を抑制できるので、例えばガスタービンの排ガスをＨＲＳＧ（Heat Recovery Steam Generator：排熱回収ボイラ）に供給する場合には、温度の高い良質の排ガスを供給できる。
【００２２】
また、請求項６に係るエキスパンションジョイントの組み付け方法は、ガスタービン又は前記ガスタービンに接続された排気ダクトの連結部に、前記ガスタービン又は前記排気ダクトの変位を吸収するエキスパンションジョイントを組み付ける方法であって、前記連結部の内径側に、予め外側に向かって凸状に湾曲した抜け止めシールを取り付ける工程と、前記抜け止めシールの外周に断熱材を取り付ける工程と、前記断熱材の外周に、予め外側に向かって凸状に湾曲したブーツを取り付ける工程と、を有することを特徴とする。このように、抜け止めシール及びブーツを外側に向かって予め凸状に湾曲させておくので、エキスパンションジョイントの組み付け時には、内径側への変形を抑えることができる。
【００２３】
また、請求項６に係るエキスパンションジョイントの組み付け方法は、前記抜け止めシールの内径側に金属製プレートを設けた後、前記抜け止めシールを取り付けることを特徴とする。このように、抜け止めシールの内径側に金属製プレートを設けてから抜け止めシールを取り付けるので、抜け目止めシールの内径側への変形を確実に抑えることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの或いは実質的に同一のものが含まれる。
【００２５】
図１は、この発明の一実施の形態に係るエキスパンションジョイント２を示す断面図である。このエキスパンションジョイントはガスタービンと排気ダクトの接続部、排気ダクトを構成する各ダクト同士の接続部などに使用されるものである。ここでは、ガスタービンと排気ダクトの接続部に使用した場合を例に挙げて説明する。なお、ガスタービン、排気ダクトの全体構成は図４と同様である。
【００２６】
図１に示すように、ガスタービン１の排気室１ａの後端部にはフランジ４が設けられている。また、排気ダクト３の前端部にはフランジ５が設けられている。そして、フランジ４とフランジ５は所定の間隔をあけて対向している。
【００２７】
フランジ４とフランジ５の内径側には、両フランジの間を接続する断熱材抜け止めシール６が配置されている。また、フランジ４とフランジ５の外径側には、両フランジの間を接続するブーツ７が配置されている。そして、断熱材抜け止めシール６とブーツ７との間に断熱材８が充填されている。断熱材抜け止めシール６、ブーツ７は帯状のものをフランジ４、５の形状に丸めたものである。そして、断熱材抜け止めシール６、ブーツ７及び断熱材８からエキスパンションジョイント２が構成されている。
【００２８】
図１に示すように、断熱材抜け止めシール６はフランジ４及びフランジ５から突出したピン１０に挿入され、ワッシャ１１によって固定されている。また、ブーツ７は、フランジ４及びフランジ５に対してボルト１２で固定されている。また、断熱材抜け止めシール６のさらに内径側にはガイド１３が設けられている。
【００２９】
断熱材８は、セラミックファイバーなどの細かい繊維をガラスクロスで包んだものであり、ガスタービン１、排気ダクト３内部の熱が外部に伝導することを抑える機能を有する。断熱材８は、圧縮された状態で断熱材抜け止めシール６とブーツ７との間に充填されている。
【００３０】
図２はブーツ７の構成を示す断面斜視図である。ブーツ７は、ガスタービン１、排気ダクト３内部から高温のガスが外側へ流れることを抑止するための部材であって、気密性、耐熱性、そして伸縮性を備えたものである。図２に示すように、ブーツ７は、内径側の金属製メッシュ７ａ、中間の金属箔７ｂ及び外径側のガラスクロス７ｃの積層によって構成されている。金属製メッシュ７ａはインコネル（登録商標）、ステンレス等の素材からなり、高温での酸化を抑えるためには特にインコネル（登録商標）が好適である。中間の金属箔７ｂはブーツ７の気密性を高めるものであり、また、耐熱性を向上させるものである。なお、ブーツ７の温度がそれ程高くならない場合は、金属箔７ｂの代わりに耐熱性の高い樹脂シートを用いることもできる。
【００３１】
図１及び図２に示すように、ブーツ７は幅方向の中央が外側に向かって突出するように湾曲している。この形状は、ブーツ７をフランジ４、５に組み付ける前に予め成形したものであり、主に金属製メッシュ７ａによってその形状が維持される。このように、外側に膨らむように予めブーツ５を湾曲させておくことで、組み付け時、又はガスタービン１若しくは排気ダクト３が伸縮・振動した場合に、ブーツ７がガスタービン１の内側に向かって変形してしまうことを抑止できる。従って、ブーツ７に変形による亀裂が生じることを抑えることができ、ガスタービン１、排気ダクト３内の熱流が外部に漏れだすことを抑止できる。
【００３２】
図３は、断熱材抜け止めシール６の構成を示す断面斜視図である。断熱材抜け止めシール６は、断熱材８がガスタービン１、排気ダクト２の内側へ抜けてしまうことを抑えるための部材であり、内径側の金属製メッシュ６ａと外径側のガラスクロス６ｂとの積層から構成される。また、湾曲部の頂の内径側には、金属製メッシュ６ａ、ガラスクロス６ｂよりも幅の狭い金属製プレート６ｃが設けられている。金属製プレート６ｃはステンレス、インコネル（登録商標）等の材料で構成されるものである。
【００３３】
図１及び図３に示すように、断熱材抜け止めシール６もブーツ７と同様に、予め幅方向の中央が外側に向かって湾曲するように突出させてある。これにより、組み付け時、又はガスタービン１若しくは排気ダクト３が伸縮・振動した場合に、断熱材抜け止めシール６がガスタービン１の内側に向かって変形してしまうことを抑止できる。これにより、断熱材抜け止めシール６とブーツ７の間に充填された断熱材８の体積が、熱膨張や経年変化等によって増加することを抑えることができ、断熱材８の密度が小さくなることを抑止できる。これにより、エキスパンションジョイント２から外部に漏れるガスタービン１の排ガスの熱を最小限に抑えることができる。
【００３４】
また、ガスタービン１又は排気ダクト３が伸縮・振動した場合には、ブーツ７及び断熱材抜け止めシール６を外側に向かって同じ方向に変形させることができる。従って、ブーツ７が外側に変形した場合であっても断熱材８の体積が増加することを抑えることができ、断熱材８の密度が小さくなることを抑止できる。これにより、エキスパンションジョイント２から外部に漏れるガスタービン１の排ガスの熱を最小限に抑えることができる。
【００３５】
また、断熱材抜け止めシール６の内径側には剛性の高い金属製プレート６ｃを設けている。この金属製プレート６ｃは、断熱材抜け止めシール６を円状に形成すると、断熱材抜け止めシール６の径方向外側に向かう高い曲げ剛性を発揮する。これによって、エキスパンションジョイントの組み付け時、又はガスタービン１の運転時においても、断熱材抜け止めシール６が内側へ変形すること確実に抑えることができる。
【００３６】
次に、エキスパンションジョイント２の組み付け方法について説明する。ここでは、ガスタービン１と排気ダクト３の間にエキスパンションジョイント２の組み付ける方法を例に挙げて説明する。まず、ガスタービン１の後方に排気ダクト３を配置し、フランジ部４とフランジ部５の間隔を所定の距離に設定する。なお、ガイド１３は予めフランジ部４に取り付けておく。
【００３７】
次に、フランジ４とフランジ５の間の内径側に断熱材抜け止めシール６を巻きつけ、断熱材抜け止めシール６の孔をフランジ４、５に固定されているピン１０に挿入する。そして、ワッシャ１１をピン１０に挿入して固定する。断熱材抜け止めシール６は帯状のシートであるため、巻きつけた後、その両端同士を接続する。接続の際には、まず内径側の金属製メッシュ６ａを縫い合わせ、その後、外径側のガラスクロス６ｂを縫い合わせる。
【００３８】
次に、断熱材８を断熱材抜け止めシール６の上から巻きつける。巻きつけた後、その両端同士を接続する際には、セラミックファイバーを包んでいるガラスクロスを縫い合わせる。
【００３９】
次に、フランジ４とフランジ５の間の外径側にブーツ７を巻きつけ、ボルト１２で固定する。また、ブーツ７の両端同士を接続する。接続の際は、まず内径側の金属製メッシュ７ａを縫い合わせ、次に、中間の金属箔７ｂを重ねて折り込み、その後、外径側のガラスクロス７ｃを縫い合わせる。以上で、エキスパンションジョイント２の組み付けが完了する。
【００４０】
この実施の形態によれば、断熱材抜け止めシール６、ブーツ７を外側に膨らむ形状に湾曲させたため、組み付け時、あるいはガスタービン１の運転時に断熱材抜け止めシール６、ブーツ７が内側へ変形することを抑止できる。従って、ブーツ７の変形に起因する亀裂の発生を抑え、ガスタービン１、又は排気ダクト３内の熱流が外部に漏れだすことを抑止できる。また、断熱材抜け止めシール６の変形を抑えることができるので、断熱材８の密度が小さくなることを抑えることができる。これにより、所望の断熱性を確保できるので、安全性を確保でき、またＨＲＳＧには温度低下の少ない良質のガスタービン排ガスを供給できる。また、断熱材８の密度変化はほとんど発生しないので、エキスパンションジョイント２の寿命をより長くすることができ、また、メンテナンスの頻度を減らすことも可能となる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明のエキスパンションジョイント（請求項１）によれば、抜け止めシールを外側に向かって予め凸状に湾曲させたため、エキスパンションジョイントの内径側へ向かう変形を抑えることができる。また、抜け止めシールが内径側へ向かう変形を抑えることで、断熱材の密度が小さくなることを抑えることができ、断熱性が低下することを抑止できる。
【００４２】
また、この発明のエキスパンションジョイント（請求項１）によれば、ブーツも外側に向かって予め凸状に湾曲させたので、ブーツの内径側への変形を抑えることができる。これにより、ブーツに亀裂などの破損が生じることを抑止して、ブーツの耐久性を向上させることができる。
【００４３】
また、この発明のエキスパンションジョイント（請求項１）によれば、抜け止めシールの内径側に金属製プレートを設けた。これにより、抜け止めシールの内径側への変形をさらに確実に抑えて、エキスパンションジョイントの信頼性・耐久性をさらに向上させることができる。
【００４４】
また、この発明のエキスパンションジョイント（請求項２）によれば、抜け止めシールを構成する部材の少なくとも１つを凸状に湾曲させた成型部材とした。このため、エキスパンションジョイントの組み立て時、又は伸縮時であっても予め成型したエキスパンションジョイントの形状を維持できる。
【００４５】
また、この発明のエキスパンションジョイント（請求項３）によれば、ブーツを構成する部材の少なくとも１つを凸状に湾曲させた成型部材とした。これにより、エキスパンションジョイントの組み立て時、又は伸縮時であっても予め成型した形状を維持できる。
【００４６】
また、この発明のエキスパンションジョイント（請求項４）によれば、成型部材を金属製メッシュとしたため、ある程度の剛性を維持しつつ所望の伸縮性を得ることができる。従って、エキスパンションジョイントの内側に向かう変形を抑えつつ、ガスタービン又は排気ダクトの変位を効率良く吸収することができる。
【００４７】
また、この発明のエキスパンションジョイント（請求項５）によれば、ブーツを構成する部材の少なくとも１つを金属箔とした。これにより、エキスパンションジョイントの気密性を高めることができるので、ガスタービンや排気ダクトの外部に熱が漏れないようすることができる。
【００４８】
また、この発明のエキスパンションジョイントの組み付け方法（請求項６）によれば、抜け止めシール及びブーツを外側に向かって湾曲する形状に予め成型しておくようにしたので、組み付け時に抜け止めシールやブーツがその内径側へ変形することを抑止できる。
【００４９】
また、この発明のエキスパンションジョイントの組み付け方法（請求項６）によれば、抜け止めシールの内径側に金属製プレートを設けた状態で組み付けるようにしたので、組み付け時に抜け止めシールがその内径側へ変形することを確実に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の一実施の形態に係るエキスパンションジョイントを示す断面図である。
【図２】 ブーツの構成を示す断面斜視図である。
【図３】 断熱材抜け止めシールの構成を示す断面斜視図である。
【図４】 ガスタービンとこれに接続された排気ダクトを示す側面図である。
【図５】 従来のエキスパンションジョイントを示す概略断面図である。
【図６】 断熱材抜け止めシール、ブーツが内径側へ変形した状態を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１ ガスタービン
２ エキスパンションジョイント
３ 排気ダクト
４、５ フランジ部
６ 断熱材抜け止めシール
６ａ、７ａ 金属製メッシュ
６ｂ、７ｃ ガラスクロス
６ｃ 金属製プレート
７ ブーツ
７ｂ 金属箔
８ 断熱材
１０ ピン
１１ ワッシャ
１２ ボルト
１３ ガイド
Claims (6)
- ガスタービン又は前記ガスタービンに接続された排気ダクトの連結部に取り付けられ、前記ガスタービン又は前記排気ダクトの変位を吸収するエキスパンションジョイントであって、
前記ガスタービン又は前記排気ダクトの内径側に取り付けられた抜け止めシールと、
前記ガスタービン又は前記排気ダクトの外径側に取り付けられたブーツと、
前記抜け止めシールと前記ブーツの間に充填された断熱材とを備え、
前記抜け止めシールを外側に向かって予め凸状に湾曲させ、
前記抜け止めシールとともに前記ブーツを外側に向かって予め凸状に湾曲させ、
前記抜け止めシールの内径側に金属製プレートが設けられたことを特徴とするエキスパンションジョイント。 - 前記抜け止めシールは複数の部材の積層から構成され、前記複数の部材の少なくとも１つが外側に向かって凸状に湾曲した形状を維持する成型部材であることを特徴とする請求項１に記載のエキスパンションジョイント。
- 前記ブーツは複数の部材を積層して構成され、前記複数の部材の少なくとも１つが凸状に湾曲した形状を維持する成型部材であることを特徴とする請求項１又は２に記載のエキスパンションジョイント。
- 前記成型部材が金属製メッシュであることを特徴とする請求項２又は３に記載のエキスパンションジョイント。
- 前記複数の部材の１つが金属箔であることを特徴とする請求項３又は４に記載のエキスパンションジョイント。
- ガスタービン又は前記ガスタービンに接続された排気ダクトの連結部に、前記ガスタービン又は前記排気ダクトの変位を吸収するエキスパンションジョイントを組み付ける方法であって、
前記連結部の内径側に、予め外側に向かって凸状に湾曲した抜け止めシールを取り付ける工程と、
前記抜け止めシールの外周に断熱材を取り付ける工程と、
前記断熱材の外周に、予め外側に向かって凸状に湾曲したブーツを取り付ける工程と、
を有し、
前記抜け止めシールの内径側に金属製プレートを設けた後、前記抜け止めシールを取り付けることを特徴とするエキスパンションジョイントの組み付け方法。
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