JPH11223328A

JPH11223328A - 音波式スートブロワ

Info

Publication number: JPH11223328A
Application number: JP2860498A
Authority: JP
Inventors: Ryosuke Yamaguchi; 良祐山口; Teruaki Matsumoto; 曜明松本; Koujirou Yamada; 紘二郎山田; Tomoyuki Fujimura; 朋之藤村
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1998-02-10
Filing date: 1998-02-10
Publication date: 1999-08-17

Abstract

(57)【要約】【課題】伝熱管表面に付着・堆積した燃焼灰を火炉内
に励起した気柱振動により除去する際、共振器での燃焼
灰除去に適切な気柱振動周波数の増幅効率を増加させる
ことにより、燃焼灰の除去効率を向上すること。【解決手段】管体表面に付着・堆積した粉塵を除去す
る音波式スートブロワにおいて、音波発振器１により発
生させた音波を増幅する共振器３内に、共振器音軸方向
以外の反射を抑制する乱反射防止構造物８を設置するこ
と。また、第１の音波発振器の振動板に振動を与える駆
動機構を取り付けて駆動機構により振動板の振動周波数
を制御するとともに、第２の音波発振器の振動板の固有
振動数で振動させて音波を発生し、第１と第２の音波発
振器により発生させた音波を増幅する共振器の長さを可
変制御して、共鳴モードの次数を複数に変化させるこ
と。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は例えばボイラ、燃焼
炉、焼却炉等のプラントに設置されている管体の清掃装
置に係わり、特に管体の表面に付着・堆積した粉塵を、
まわりのガス体を音波により振動させて、管体表面から
粉塵を除去する管体清掃装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図９はボイラ装置の概略構成を示す図で
ある。図９に示されているように、火炉１０１の後部に
設置されている後部伝熱前壁１０２と後部伝熱後壁１０
３によって囲まれている煙道内には、横置伝熱管群１０
４が配置されている。各横置伝熱管群１０４は多数本の
伝熱管で構成されており、これら伝熱管の表面は燃焼灰
を含む高温燃焼ガスに接している。

【０００３】したがって、これら伝熱管の表面には燃焼
灰が付着・堆積する。燃焼灰が伝熱管表面に過度に付着
・堆積すると、高温燃焼ガスから伝熱管内を流れる水／
蒸気流体への伝熱が阻害されてボイラ装置の性能低下を
きたすため、通常は設置されているスートブロワ（蒸気
噴射式のスートブロワが多く採用されている）を定期的
に運転して、伝熱管表面に付着・堆積している燃焼灰を
吹き飛ばして伝熱性能の低下を防止している。

【０００４】図１０は近年新しく採用されている音波を
利用した音波式スートブロワのボイラ装置への適用例で
ある。図１０に示すように音波式スートブロワの音波送
出部２０１は、ボイラ後部の横置伝熱管群１０４の管群
間部位の火炉壁の開口部に複数個設置されている。

【０００５】音波式スートブロワの動作原理は、ボイラ
の火炉壁で囲まれた煙道内に音波発生部２０２で作られ
る音波を共振器３０１、音波送出部２０１を経て火炉内
に送出される音波によって火炉内に気柱振動を励起さ
せ、燃焼ガスの気柱振動により、燃焼ガスが接している
伝熱管表面の付着・堆積燃焼灰に微小な変位を与え、最
終的に伝熱管表面から燃焼灰を落下させるものである。
またこの過程において、燃焼灰の伝熱管表面への付着・
堆積を抑制する効果も期待されている。

【０００６】したがって、音波式スートブロワでは、火
炉内に気柱振動を励起しやすい音波周波数を含む音波発
生部２０２を設け、気柱振動を励起しやすい音波周波数
を選択的に増幅して音波送出部２０１へ音波を伝送する
ことが肝要となる。

【０００７】図１１に従来用いられていた音波式スート
ブロワの構成図を示す。音波発生部２０２は圧縮空気
（圧力は通常７ｋｇ／ｃｍ²以下）の流れによって振動
円板を円板の固有振動数で振動させるものであり、この
振動と空気流れにより空力学的に音波を励起している。
通常２００Ｈｚなどの音波が励起されている。

【０００８】図１２に音波発生部から出る音波の周波数
特性例を示す。円板の固有振動数に相当する２００Ｈｚ
の他に数多くの高周波（整数倍の周波数だけでなく、１
／３倍波等も観測される）が観測されている。音波発生
部２０２からの音波は共振器接続管５を経由して共振器
３０１に伝送される。

【０００９】したがって、これら伝送される音波周波数
の中で、火炉の気柱振動励起に必要な周波数を選定し
て、図１１に示す当該周波数に共鳴する共振器３０１を
選定して接続し、共振器３０１に音波伝送のための音響
管３０２を接続し、音響管３０２の火炉側先端に設置し
た音波送出部２０１より、共振器で増幅された所要周波
数の音波を火炉内に送出するようになっている。

【００１０】この際留意する点は、火炉内各部の伝熱管
表面に付着・堆積した燃焼灰を落下させるためには、気
柱振動による励起エネルギを付着エネルギ以上に高める
必要があるが、効率的に高音圧を得るには共振器内での
音圧の減衰を小さくすることが求められる。

【００１１】また、留意すべき点は、火炉内各部の伝熱
管表面に付着・堆積した燃焼灰を効率的に落下させるた
めには、一つの周波数の気柱振動の励起では不十分であ
り複数の気柱振動周波数を励起するようにすることであ
る。図１１ではこのために共振器３０１の管長Ｌを機械
的に可動するか、異なる長さの共振器に接続し直すかし
ている。

【００１２】このように従来の音波式スートブロワで
は、励起する気柱振動を可変するために共振器長Ｌ（両
端閉を考える）を機械的に変化させる必要があり、例え
ば１００Ｈｚから１５０Ｈｚに周波数を変化させようと
すると（共振器内温度を常温と考えて音速３４０ｍ／秒
近似）、約０．５７ｍ長さを変化させる必要が生ずる。
このように機械的な長さ変化を大きくとる必要があるこ
とは、音波式スートブロワの構造を複雑にし、大形化に
つながり、操作性、制御性を損なうという問題点があっ
た。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】音波発振器から共振器
内に音波を伝送する際、図３に示すように共振器接続管
２の断面積と共振器入口壁の断面積の差により、音波が
点音源となり球面波として共振器内に伝搬される。球面
波の場合、あらゆる方向に伝搬されるため図３のＬ０の
他に共振器の内壁で複数回反射するＬ１のようなＬ０と
は伝搬経路、距離の異なる反射が発生する。このため、
共振器内での各音波の位相差が生じ、最終的に合成され
た音波の音圧は低下し、更に波形も変形し広帯域音波と
なる。従って、必要とする周波数の音波の音圧が全体の
音圧に対して小さくなり共鳴効率が低い。

【００１４】本発明の目的は、共振器内での各音波の位
相差を少なくし、必要とする周波数の音波を効率良く共
鳴させ、高音圧の音波を発生させる共振器構造を提供す
ることにある。

【００１５】また、音波式スートブロワで燃焼灰除去効
果を高めるためには少なくとも２つ以上の気柱振動周波
数を定期的に変化させることが必要になっている。即ち
例えば炉幅方向の４次の気柱振動（炉幅方向に振動強度
の腹が４つある）と６次の気柱振動を１０分毎に切り換
えるような操作を実施している。したがってこのような
短い周期で共振器長を変化させることは、共振器構造の
耐久性に問題が生じ、それを避けるために可変構造部の
信頼性をあげるために構造が複雑になったり、大形化す
るという問題点がある。

【００１６】本発明の他の目的は、複数の気柱振動周波
数を共振器において発生させるのに、大幅な共振器長の
変化を必要としない共振器構造を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的は、共振器の内
部に共振器音軸方向以外の反射を抑制する乱反射防止構
造物を設置することにより達成される。乱反射防止構造
物として、例えば細管を集合させたハニカム構造などを
用いる。

【００１８】上記他の目的は、共振器の一端に設置する
音波発生部（圧縮空気の流れと振動円板を利用して音波
を発生するもの）の振動円板に加振機構を設け、振動円
板の固有振動数を制御し、共鳴モードの次数を複数に変
化させることにより達成される。

【００１９】

【発明の実施の形態】図１に本発明の第１の実施形態に
係る音波式スートブロワの構成図を示す。本実施形態
は、音波発振器１、音波発振器１からの音波を共振器３
に接続するための共振器接続管２、乱反射防止構造物８
を内部に設置した共振器３、共振器からの出力音波を音
波送出部５に伝搬する音響管４、火炉壁９の開口部に設
置された火炉内に音波を送出するための音波送出部５、
音波発振器の駆動源となる圧縮空気を発生するコンプレ
ッサ７、コンプレッサ７からの圧縮空気のオン，オフ等
を制御するための制御弁６、から構成される。

【００２０】コンプレッサ７の圧縮空気の圧力は約５．
５ｋｇ／ｃｍ²、音波発振器１への空気供給流量は約
０．８ｍ³Ｎ／分である。音波発振器１により発生され
た音波は共振器接続管２内を介して共振器３に伝搬され
る。共振器３中に伝搬された音波は、共振器３の出口側
に設置された乱反射防止構造物８により、共振器内で狭
帯域の状態で増幅され、増幅された音波の一部は音響管
４によって音波送出部５に伝送され、火炉内に出射され
る。

【００２１】ここで、具体的に本実施形態の作用を説明
すると、共振器入口から入射された音波は、あらゆる方
向に伝搬され、例えば図４のＬ１のような経路をたどり
乱反射防止構造物に入射する。入射した音波は乱反射防
止構造物の内部でさらに反射、伝搬し共振器出口壁側で
反射して共振器入口側に折り返す。折り返した音波は乱
反射防止構造物のＬとｄで決まる拡がり角の範囲で乱反
射防止構造物から共振器内に出射されるため、理想的な
伝搬経路Ｌ０に近い経路をたどりながら反射を繰り返す
ようになる。即ち、図４で、Ｌ０を理想的な音波伝搬経
路とすると、音波の理想的な共振のためにはＬ０方向の
入口側から出口側への音波伝搬と、出口側から入口側へ
の反射波（Ｌ１’）の伝搬が必要である（Ｌ１’の経路
のように、乱反射防止構造物により理想的伝搬経路Ｌ０
と反対向き経路で反射すると、理想的な共振が得られ
る）。乱反射防止構造物８は細管の集合体で構成され、
１つの細管の軸方向の長さＬと内径ｄの比率Ｌ／ｄは３
としている。

【００２２】以上の作用により、共振器内の各経路の音
波の位相差が小さくなり、最終的に合成された音波の音
圧は複数の周波数への分散が抑制される。従って、全体
の音圧に対する必要とする周波数の音波の音圧の割合が
大きくなり共鳴効率が高くなる。

【００２３】図５に乱反射防止構造物の設置前と設置後
の周波数と音圧の関係のモデルを示す。乱反射防止構造
物の設置前では広帯域の音波となるのに対し、設置後で
は狭帯域の音波共振となる。

【００２４】本発明の第２の実施形態として、共振器３
の内部に設置する乱反射防止構造物８を共振器内部の出
口側のみでなく、図２に示すように、共振器入口側にも
設置することにより、さらに狭帯域の共鳴を実現でき、
必要な周波数の音波を効率良く送出することが可能とな
る。ここで、乱反射防止構造物８の共振器内部での設置
個所は、共振器の入口側または出口側の少なくとも一方
に設置すればその機能が達成されるものである。即ち、
共振器では内部の音波伝搬方向（入口→出口、出口→入
口）での反射を利用して音波の共振を行わせているの
で、入口または出口または出入口両方に設置すればよ
い。

【００２５】次に、本発明の第３の実施形態について説
明する。図６に本発明の第３の実施形態に係る音波式ス
ートブロワの構成図を示す。本実施形態は、音波を発生
する音波発振器１、音波発振器１と共振器３を接続する
共振器接続管２、音波を共振させる共振器３、共振器３
と音波送出部５を接続する音響管４、火炉内に音波を発
射するために火炉壁９の開口部に設置された音波送出部
５、音波発振器１内の振動円板２０の振動を制御する駆
動装置１６、振動円板２０の振動数を検出する歪ゲージ
２２、駆動装置１６を制御する制御装置１７、音波発振
器１の駆動源となる圧縮空気を発生させるコンプレッサ
ー７、圧縮空気のオン／オフを行う制御弁６、圧縮空気
を音波発振器に導く圧縮空気配管１０、等から構成され
る。

【００２６】音波発振器１には、コンプレッサー７より
圧縮空気（圧力約５．５ｋｇ／ｃｍ²）を圧縮空気配管
１０を経由して供給する。配管途中には音波発振器のオ
ン／オフ等を制御するために制御弁６を設置している。
音波発振器１への空気供給流量は約０．８ｍ³Ｎ／分で
ある。共振器接続管２を介し共振器３に伝送された音波
は共振器３で増幅され、増幅された音波の一部は音響管
４によって音波送出部５に伝送される。音波送出部の構
造は火炉側の出口音響インピーダンスが火炉内空間の音
響インピーダンスに近くなるように、指数関数的に管径
を大きくするいわゆるラッパ形状を採用している。

【００２７】共振周波数を変える手段としては、音波発
振器１内の振動円板２０の加振点２１に取り付けられた
駆動装置１６により振動円板の固有振動のモードを変化
させる。加振周波数は振動円板２０に取り付けた歪ゲー
ジ２２により振動数を検出し、制御装置１７にフィード
バックすることにより制御する。尚、一旦、振動円板の
固有振動のモードが変化した後は、加振を停止しても共
振により同一の共振モードが保持される。

【００２８】具体的な加振態様について説明すると、振
動円板２０はＯリングが押し当てられて後部カバーに固
設されている。図６において、振動円板２０に外部から
加振を与えない従来の場合は、振動円板は図８（ａ）に
示すように、円の中心が最大振幅となるような振動を起
こし、この場合の振動数をｆ１とする。次に、振動数が
１．５９ｆ１の振動を図６の駆動装置１６によって振動
円板に外部から加えると（図６の図示上で、左右に駆動
装置１６を振動させて振動円板に伝える）、振動円板は
図８（ｂ）に示すようなモードの振動に変化し、振動数
は元の１．５９倍となる。同様に、外部から２．０３ｆ
１の振動数で振動円板に加振すると、図８（ｃ）のモー
ドの振動に変化し、振動円板の振動数は元の２．０３倍
となる。以上のように、圧縮空気による振動円板の振動
の周波数を変化させるために、きっかけとして加振機構
により振動円板の振動モードを変化させる。

【００２９】再度、具体的に本実施形態の作用を説明す
る。両端閉の共振器の一端に一つの音波発生部を設置す
ると、その共振器は１次（共振強度の腹が１個）の共鳴
モードで最大に共鳴するか高次の共鳴モードで最大に共
鳴するかは共振器の構造（音波発生部の取付位置や、そ
の大きさと一端の面積の比等）でほぼ決まってしまう。
従って、共鳴周波数を変えるにあたっては、当該共鳴モ
ードを維持するように共振器の長さを大幅に変化させる
か、音波発生部の振動円板の面積を変化させる必要があ
る。

【００３０】ここで、音波発生部の振動円板２０に加振
機構を設け、振動円板の固有振動数を制御することによ
り、共鳴モードの次数を複数に変化させることができ
る。振動円板の固有振動は図８（ａ），（ｂ），
（ｃ），（ｄ）に示すようになる。加振機構がない場合
は、図８（ａ）に示すように半径ａの円の中心で振幅が
最大であり、固定端の円周上で振幅が０となるような１
山の周波数ｆ１の基本振動がメインとなるが、振動円板
に加振機構を設け、周波数１．５９ｆ１の振動を与えた
状態で圧縮空気を供給することにより、図８（ｂ）に示
すような２山の高次の固有振動がメインの振動となる。

【００３１】同様に加振周波数を変えることにより図８
（ｃ），（ｄ）の固有振動がメインの振動に変化させる
ことができる。一旦、高次の固有振動で振動が開始した
後は共振により加振制御をオフしても同一の振動が継続
される。

【００３２】以上のように振動円板の振動数を変化させ
ることにより、音波発生部の大きさや共振器の長さを大
幅に変化させることなく共振器での共鳴周波数を変化さ
せることが可能となる。

【００３３】本実施形態では振動円板の直径は１５０ｍ
ｍ、共振器長さ５ｍであり基本周波数は１５５Ｈｚ，５
次のモードの共振である。振動円板の固有振動のモード
を１．５９ｆ１に変化させると２４６．５Ｈｚで約７次
の共振モードに変化させることが可能である。

【００３４】図７に本発明の第４の実施形態に係る音波
式スートブロワの構造図を示す。前記第３の実施形態に
対して、音波発振器を１系統１ｂ追加し、更に、共振器
の長さを共振器端部駆動装置１８、駆動制御装置１９に
より可変できる構成としている。追加した音波発振器１
ｂ側には加振機構はなく、振動円板２０は単一の固有振
動数となる。なお、追加する音波発振器は、１個に限ら
ず複数個であっても良い。

【００３５】それぞれの音波発振器１ａ，１ｂへの圧縮
空気のオン，オフ及び音波発振器の振動円板の固有振動
のモード制御及び共振器長の可変制御により、更に他種
類の共振周波数を調整可能となる。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、伝熱管表面に付着・堆
積した燃焼灰を火炉内に励起した気柱振動により除去す
る際、共振器での燃焼灰除去に適切な気柱振動周波数の
増幅効率を増加させることにより、燃焼灰の除去効率を
向上できる。

【００３７】また、除去効率の向上によって音波式スー
トブロワの大型化抑制につながるという効果も期待でき
る。

【００３８】また、伝熱管表面に付着・堆積した燃焼灰
を火炉内に励起した気柱振動により除去する際、燃焼灰
除去に適切な気柱振動周波数を容易に変化させることの
できる音波式スートブロワを構成することが可能にな
り、火炉内設置の伝熱管の各所に付着・堆積した燃焼灰
の除去効率が向上するという効果が得られる。

【００３９】また、音波式スートブロワの特定周波数の
音圧レベルを増加するために設置する共振器の長さを機
械的に変化させることが不要となり、あるいは変化させ
る場合にもその変化長を大幅に低減でき、音波式スート
ブロワ構造の簡素化、大形化抑制につながるという効果
も期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る音波式スートブ
ロワの構成図である。

【図２】本発明の第２の実施形態に係る音波式スートブ
ロワの構成図である。

【図３】従来の共振器内での音波伝搬経路の模式図であ
る。

【図４】共振器内に乱反射防止構造物を設置した場合の
音波伝搬経路の模式図である。

【図５】共振器内への乱反射防止構造物の設置前、設置
後の音波周波数特性の模式図である。

【図６】本発明の第３の実施形態に係る音波式スートブ
ロワの構成図である。

【図７】本発明の第４の実施形態に係る音波式スートブ
ロワの構成図である。

【図８】振動円板の固有振動の種類を示す図である。

【図９】従来のボイラ装置の概略構成を示す図である。

【図１０】音波式スートブロワのボイラ装置への適用例
を示す図である。

【図１１】従来の音波式スートブロワの構成図である。

【図１２】音波式スートブロワの音波発生部の周波数特
性例を示す図である。

【符号の説明】

１音波発振器２共振器接続管３共振器４音響管５音波送出部６制御弁７コンプレッサ８乱反射防止構造物９火炉壁１０圧縮空気配管１１共振器入口１２共振器入口壁１３共振器出口１４共振器出口壁１５制御弁制御装置１６駆動装置１７制御装置１８共振器他端部駆動装置１９駆動制御装置２０振動円板２１加振点２２歪ゲージ１０１火炉１０２後部伝熱前壁１０３後部伝熱後壁１０４横置伝熱管群２０１音波送出部２０２音波発生部３０１共振器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者藤村朋之広島県呉市宝町６番９号バブ日立工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】音波を送出することにより励起される気
体の振動を用いて、管体表面に付着・堆積した粉塵を除
去または粉塵の付着・堆積を抑制する音波式スートブロ
ワにおいて、音波発振器により発生させた音波を増幅する共振器内
に、共振器音軸方向以外の反射を抑制する乱反射防止構
造物を設置することを特徴とする音波式スートブロワ。
【請求項２】請求項１に記載の音波式スートブロワに
おいて、前記乱反射防止構造物を前記共振器の入口側と出口側に
設置して狭帯域の共鳴を実現することを特徴とする音波
式スートブロワ。
【請求項３】音波を送出することにより励起される気
体の振動を用いて、管体表面に付着・堆積した粉塵を除
去または粉塵の付着・堆積を抑制する音波式スートブロ
ワにおいて、音波発振器の振動板に振動を与える駆動機構を取り付
け、前記駆動機構により前記振動板の振動周波数を制御して
音波を発生することを特徴とする音波式スートブロワ。
【請求項４】音波を送出することにより励起される気
体の振動を用いて、管体表面に付着・堆積した粉塵を除
去または粉塵の付着・堆積を抑制する音波式スートブロ
ワにおいて、第１の音波発振器の振動板に振動を与える駆動機構を取
り付けて前記駆動機構により前記振動板の振動周波数を
制御するとともに、第２の音波発振器の振動板の固有振動数で振動させて音
波を発生し、前記第１と第２の音波発振器により発生させた音波を増
幅する共振器の長さを可変制御することを特徴とする音
波式スートブロワ。
【請求項５】請求項１乃至４のいずれか１つの請求項
に記載の音波式スートブロワにおいて、前記音波発振器は圧縮空気を利用して音波を発生させる
ことを特徴とする音波式スートブロワ。