特許 5868713 ウィンドボックスの支持構造体及びこれを備えたボイラの鉄骨構造体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5868713

(24)【登録日】2016年1月15日

(45)【発行日】2016年2月24日

(54)【発明の名称】ウィンドボックスの支持構造体及びこれを備えたボイラの鉄骨構造体

(51)【国際特許分類】

   F22B 37/24 20060101AFI20160210BHJP

【ＦＩ】

   F22B37/24 Z

【請求項の数】3

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2012-11074(P2012-11074)

(22)【出願日】2012年1月23日

(65)【公開番号】特開2013-148317(P2013-148317A)

(43)【公開日】2013年8月1日

【審査請求日】2014年11月19日

(73)【特許権者】

【識別番号】514030104

【氏名又は名称】三菱日立パワーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000442

【氏名又は名称】特許業務法人 武和国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】当瀬 紳介

(72)【発明者】

【氏名】横尾 博典

【審査官】 渡邉 洋

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−２５７０８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開平０２−００７４０６（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特許第２５８２５２２（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特開２００７−０６３９４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開平０６−０３０６０５（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 米国特許第０４２８６５４９（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１６４７３２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２２Ｂ３７／００−３７／７８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ボイラの火炉壁面に配置されるウィンドボックスの支持構造体において、
前記ウィンドボックスを吊り下げる吊下げ部材が、ボイラの幅方向に沿って且つ前記火炉壁面に対向して複数設けられ、
前記ボイラの鉄骨構造体である鉄骨柱の間にトラス構造体が設けられ、
前記トラス構造体は、前記ボイラの鉄骨構造体である一の鉄骨梁である支持梁と、上辺の梁を形成する中間梁と、を含む構造であり、さらに、前記鉄骨柱と前記鉄骨梁とで形成される平面と同一平面内に配置され、
前記複数の吊下げ部材は、それぞれの一端が前記火炉壁面に設けられた吊り金具に取り付けられ、他端が前記鉄骨柱に取り付けられる、ことを特徴とするウィンドボックスの支持構造体。

【請求項2】

請求項１において、
隣接する二組以上の鉄骨柱の間に、前記支持梁と前記中間梁を含むトラス構造体をそれぞれ独立に設けることを特徴とするウィンドボックスの支持構造体。

【請求項3】

請求項１または２に記載のウィンドボックス支持構造体を備え、前記鉄骨柱と前記鉄骨梁からなるボイラの鉄骨構造体であって、
前記トラス構造体が設置された鉄骨柱と前記ボイラ幅方向でその外側に位置する鉄骨柱との間に、前記支持梁のレベルより上側と下側のそれぞれの梁部材同士を結合する鉛直ブレースをそれぞれ設ける
ことを特徴とするボイラの鉄骨構造体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は火炉のウィンドボックスの支持構造体に係わり、特に、ボイラ鉄骨構造体の天井梁から吊り下げ支持されたボイラ本体における火炉のウィンドボックスの支持構造体及びこれを備えたボイラの鉄骨構造体に関する。

【背景技術】

【0002】

火力発電プラントに用いられる大型のボイラにおけるウィンドボックスの支持構造体及びこれを備えたボイラの鉄骨構造体に関する従来技術として、例えば特許文献１に示すように、ウィンドボックスを吊り下げる吊り替え梁６の一端をボイラ本体の上部壁に取り付けられた吊り金具１０に連結し、吊り替え梁６の他端をボイラ支持鉄骨に取り付けられたコンスタントハンガー（調整吊り具）７に連結する構造が開示されています。この特許文献１の開示内容によると、このコンスタントハンガーは火炉の下部壁近傍のボイラ支持鉄骨２に取り付けられている。ボイラの熱膨張により下部壁や上部壁が伸張すると、上部壁に応じた吊り金具の相対移動をコンスタントハンガーのバネが吸収するようになっている。

【0003】

さらに、本発明に関するウィンドボックスの支持構造体とボイラ鉄骨構造体の前提技術となる従来構造について、図３〜図５を用いて説明する。図３は従来技術に関するウィンドボックスの支持構造体及びこの支持構造体を備えたボイラの鉄骨構造体を示し、図３（１）はボイラ本体を側面からみた断面図であり、図３（２）はボイラ本体を前方から見た正面図である。図４は従来技術に関するウィンドボックスの支持構造体をボイラ側面から見た断面図である。図５は従来技術に関するボイラの鉄骨構造体を示す図であり、この鉄骨構造体に付設されウィンドボックスを吊り下げ支持するトラス構造体の構造と機能を示す図である。

【0004】

図３〜図５において、ボイラ本体１００は、燃料を燃焼させる火炉、火炉と異なる水平位置に設けられた後部伝熱壁３、後部伝熱壁３下部に位置するケーシング４、から構成され、ボイラ上部の天井梁１０３から吊り下げられてその荷重が支持されている。火炉は垂直管からなる上部壁１と傾斜管からなる下部壁２で構成され、火炉の下部壁外側にウィンドボックス５ａ，５ｂを設置し燃焼用空気を図示しないバーナや二段燃焼用空気ポート等を通じて火炉に投入している。なお、図３（１）では、ボイラの前後二つの壁面にウィンドボックス５ａ，５ｂが設けられた例であるが、前壁側５ａのみのボイラもある。

【0005】

このような傾斜管からなる下部壁を具えたボイラではウィンドボックス５の全荷重を下部壁２に負担させることは、下部壁２の機械的強度上の観点から困難であるため、ウィンドボックス５の荷重の一部は上部壁１に支持され、引いてはボイラ上部の天井梁１０３から支持され、残りの荷重は中間レベルの柱部材１０１から張り出した別設の張り出し鉄骨１４に支持される（詳細は図４を用いて後述する）。

【0006】

ボイラの主な鉄骨構造体は、水平方向の梁部材１０２とこれを支える柱部材１０１の組合せであり、ボイラ本体１００は、図示しない吊下げ部材を介して、天井梁１０３により吊下げられる。

【0007】

ここで、ボイラ本体１００の幅方向（図３（２）の図示例で左右方向）に拡がる梁部材１０２と柱部材１０１を組合せた一組の鉄骨構造体について説明する。図３（２）に示すように、ボイラ最前方の鉄骨構造体２０１は、基礎部分から最上部の梁部材１０２に達する少なくとも５本の柱部材１０１を備えている。柱部材１０１は、最も外側の１０１ａ，１０１ｅ（以下、これらを外側柱と称すこともある）、ボイラ本体１００より外側で１０１ａと１０１ｅとの間に位置する１０１ｂ，１０１ｄ（以下、これらを内側柱と称すこともある）、ボイラ本体１００のほぼ中央部に位置する１０１ｃ（以下、これを中央柱と称すこともある）、からなる。そして、それらの柱部材１０１の間の水平方向には梁部材１０２が上下方向に複数段設置され、柱部材１０１と結合している。

【0008】

また、ボイラ最前方の鉄骨構造体２０１よりも後方で、ボイラ本体１００前側のウィンドボックス５ａを支持する支持構造体が設置される鉄骨構造体２０２についても、同様の柱部材１０１と梁部材１０２の組合せからなる。

【0009】

図４は、従来のウィンドボックスをボイラ本体１００側面から見た支持構造体の図であり、図３（１）の点線で囲った部分が、鉄骨構造体２０２側の該当部位付近である。ウィンドボックス５はウィンドボックスケーシング６、バックステー７、支持ポスト８で構成されており、バーナ９の荷重を含めウィンドボックスの荷重は支持ポスト８を経て吊りボルト１０により上部に伝達される。

【0010】

ウィンドボックス上部に伝達された荷重は、ボイラ本体１００の幅方向に沿って複数設けられた吊り替え梁１１を介して、その一部は、バーチカルストラップと呼ばれる吊り金具１２を介して上部壁１に伝達され、引いてはボイラ上部の天井梁１０３から支持されている。

【0011】

残りの荷重は、吊り替え梁１１からコンスタントハンガー１３を介してトラス構造体１５を経由し、柱部材１０１から水平で奥行方向（ボイラ前後方向）に張り出した別設の張り出し鉄骨１４から支持されている。換言すると、中間レベルの張り出し鉄骨１４は、図３（１）に示す鉄骨構造体２０２の内側柱１０１ｂと１０１ｄから、図３（１）で、ウィンドボックス５ａよりも上側において、鉄骨構造体２０２よりもボイラ後方側に張り出すように設けられるものである。

【0012】

図５（２）に示すトラス構造体（補強用斜め材）１５は、その配置位置が水平の奥行き方向において、鉄骨構造体２０２の柱部材１０１と相前後しており、ボイラ本体１００側に張り出している。トラス構造体１５は、ウィンドボックス５の荷重が大きく、これを伝達する中間レベルの張り出し鉄骨１４の両端を支持する幅方向（ボイラを正面から見た水平方向、図５の左右方向）の柱間距離（内側柱１０１ｂと１０１ｄとの間隔）が広いため、曲げモーメント大となり部材サイズが大きく且つ大規模な構造となる。

【0013】

図５は、ボイラ前方から見た、鉄骨構造体２０２における鉛直ブレースの組構造の例（図５（１））と、トラス構造体（図５（２））と、梁モデルの簡略図（図５（３）で、ウィンドボックス１５の荷重の作用点とトラス構造体の対応）と、を示す。図５（１）におけるＡ−Ａ矢視図が図５（１）の右側の図に対応し、当該右側の図のＢ矢視図、即ちトラス構造体が図５（２）に対応している。また、当該トラス構造体の梁に作用するウィンドボックス５の質量の作用点を図５（３）の「Ｗ」で表現しており、内側柱１０１ｂと１０１ｄ間に亘って荷重Ｗが掛かっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0014】

【特許文献1】特開２００２−３４０３０５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0015】

ところで、上記の特許文献１を含めた図３〜図５の従来技術においては、内側柱１０１ｂと１０１ｄとの間隔は大型のボイラでは例えば約３５ｍ程度と大きく、鉄骨構造体としての強度を保つため、図５（１）に示すように、鉄骨構造体２０２のウィンドボックス５の荷重支持部（張り出し鉄骨１４が接続される柱部材１０１のレベル）の直上および直下において、中央柱１０１ｃとその左右の内側柱１０１ｂ，１０１ｄとを接続するように鉛直ブレース１７１を設置している。

【0016】

このため、ウィンドボックス５の支持構造体は、これらの鉛直ブレース１７１との干渉を回避するため、上述の張り出し構造（柱部材１０１ｂ，１０１ｄに対してトラス構造体１５がボイラ前後方向の張り出し鉄骨１４で結合される構造）が採られ、部材サイズが大きく且つ大規模な構造となっていた。

【0017】

本発明の課題は、ウィンドボックスの荷重を伝達するトラス構造体を含めたウィンドボックスの支持構造体と当該支持構造体を備えたボイラ鉄骨構造体に用いられる諸部材のサイズ小型化を図り、全体として物量を低減することにある。より詳しくは、コンスタントハンガーと鉛直ブレースの配置上の干渉を回避するように、鉛直ブレースの配置を組み換え、ウィンドボックス荷重の一部を支持する鉄骨の張り出しを無くすることにより、トラス構造を含めた鉄骨物量を低減する構造を提供することである。

【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、本発明は主として次のような構成を採用する。
ボイラの火炉壁面に配置されるウィンドボックスの支持構造体において、前記ウィンドボックスを吊り下げる吊下げ部材が、ボイラの幅方向に沿って且つ前記火炉壁面に対向して複数設けられ、前記ボイラの鉄骨構造体である鉄骨柱の間にトラス構造体が設けられ、前記トラス構造体は、前記ボイラの鉄骨構造体である一の鉄骨梁である支持梁と、上辺の梁を形成する中間梁と、を含む構造であり、さらに、前記鉄骨柱と前記鉄骨梁とで形成される平面と同一平面内に配置され、前記複数の吊下げ部材は、それぞれの一端が前記火炉壁面に設けられた吊り金具に取り付けられ、他端が前記鉄骨柱に取り付けられる、構成とする。

【0019】

また、前記ウィンドボックスの支持構造体において、隣接する二組以上の鉄骨柱の間に、前記支持梁と前記中間梁を含むトラス構造体をそれぞれ独立に設けること。さらに、前記ウィンドボックス支持構造体を備え、前記鉄骨柱と前記鉄骨梁からなるボイラの鉄骨構造体であって、前記トラス構造体が設置された鉄骨柱と前記ボイラ幅方向でその外側に位置する鉄骨柱との間に、前記支持梁のレベルより上側と下側のそれぞれの梁部材同士を結合する鉛直ブレースをそれぞれ設けること。

【発明の効果】

【0020】

本発明によれば、ボイラの鉄骨構造体の強度を保持しながら、ウィンドボックスの支持構造体およびこれに関連するボイラの鉄骨構造体の大幅な物量低減を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】本発明の実施形態に係るボイラの鉄骨構造体を示す図であり、この鉄骨構造体に付設されウィンドボックスを吊り下げ支持するトラス構造体の構造と機能を示す図である。

【図2】本実施形態に係るウィンドボックスの支持構造体をボイラ側面から見た詳細断面図である。

【図3】従来技術に関するウィンドボックスの支持構造体及びこの支持構造体を備えたボイラの鉄骨構造体を示し、図３（１）はボイラ本体を側面からみた断面図であり、図３（２）はボイラ本体を前方から見た正面図である。

【図4】従来技術に関するウィンドボックスの支持構造体をボイラ側面から見た詳細断面図である。

【図5】従来技術に関するボイラの鉄骨構造体を示す図であり、この鉄骨構造体に付設されウィンドボックスを吊り下げ支持するトラス構造体の構造と機能を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

本発明の実施形態に係るウィンドボックス支持構造体とこれを備えたボイラ鉄骨構造体について、図１と図２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鉄骨構造体を示し、この鉄骨構造体に付設されウィンドボックスを吊り下げ支持するトラス構造体の構造と機能を示す図であり、図１（１）はボイラの鉄骨構造体２０２における鉛直ブレースの組構造の構造例であり、図１（２）は梁モデルの簡略図であって、ウィンドボックスの荷重の作用点とトラス構造体の対応関係を示す説明図である。また、図２は本実施形態に係るウィンドボックスの支持構造体をボイラ側面から見た詳細断面図である。

【0023】

図面において、１は上部壁、２は下部壁、５はウィンドボックス、６はウィンドボックスケーシング、７はバックステー、８は支持ポスト、９はバーナ、１０は吊りボルト、１１は吊り替え梁（本発明の「吊下げ部材」に相当する）、１２は吊り金具、１３はコンスタントハンガー、１５はトラス構造体、１６は主鉄骨、１０１は柱部材（鉄骨柱）、１０２は梁部材（鉄骨梁）、１０３は天井梁、１１２ａ〜１１２ｄはウィンドボックス支持レベルの梁部材、１１４は中間梁（鉄骨）、１７１は鉛直ブレース、１７２は鉛直ブレース、１２０は支柱部材、１３０はブレース部材、２０１はボイラ最前方の鉄骨構造体、２０２はウィンドボックス支持用の鉄骨構造体、３０１はウィンドボックス支持レベル、をそれぞれ表す。

【0024】

本発明の実施形態に係るウィンドボックス支持構造体は、その詳細について図２の説明で後述するが、吊りボルト１０、吊り替え梁１１、吊り金具１１、上部壁１、コンスタントハンガー１３、中間梁（鉄骨）１１４、トラス構造体１５などを有している。そして、これらの構成要素で支持されたウィンドボックス５の荷重が鉄骨構造体２０２側に伝達される梁部材（図１に示すウィンドボックス支持レベル３０１における梁部材）としては、外側柱１０１ａと内側柱１０１ｂとに結合される梁部材１１２ａ、内側柱１０１ｂと中央柱１０１ｃとに結合される梁部材１１２ｂ、中央柱１０１ｃと内側柱１０１ｄとに結合される梁部材１１２ｃ、内側柱１０１ｄと外側柱１０１ｅとに結合される梁部材１１２ｄ、から構成されている。上述した構成要素の存在自体は、図３〜図５に示す従来技術と同様である。

【0025】

図１において、梁部材１１２ｂと梁部材１１２ｃはトラス構造体１５の構成の一部を成している（以下、支持梁と称すこともある）。トラス構造体１５は、支持梁１１２ｂ，１１２ｃと、隣接する柱部材１０１ｂと１０１ｃ間、１０１ｃと１０１ｄ間に水平に配される鉄骨１１４（以下、中間梁と称すこともある）と、支柱部材１２０と、ブレース部材１３０と、などによって形成される。トラス構造体１５の支持梁１１２ｂ，１１２ｃはボイラの鉄骨構造体２０２の梁部材１０２が兼用している。図１に示す構成例によると、トラス構造体１５は、互いに隣接する二組の柱、すなわち内側柱１０１ｂと中央柱１０１ｃ、内側柱１０１ｄと中央柱１０１ｃとをそれぞれ独立して結合するように二組設置される。

【0026】

また、ウィンドボックス支持レベル３０１とその上側および下側の梁レベルとを結合する鉛直ブレース１７２は、互いに隣接する外側柱と内側柱との間を結合するように設けられる（柱部材１０１ａと１０１ｂとの間、及び柱部材１０１ｄと１０１ｅとの間に設置）。これに対して、図５に示す従来技術では、中央柱１０１ｃと左右の内側柱１０１ｂ，１０１ｄとの間に鉛直ブレース１７１が設けられている。

【0027】

本実施形態では、中間梁１１４、および支持梁１１２ｂまたは１１２ｃを含めたトラス構造体１５は、ウィンドボックスの荷重を支持する部材であると同時に、ウィンドボックス支持レベル３０１とその上側および下側の梁レベルにおける鉄骨構造体２０２の変形を抑制して、鉛直ブレース１７２と相俟って強度を従来の鉄骨構造体２０２と同等以上に保持することができる。

【0028】

ここで、外側柱１０１ａ，１０１ｅと内側柱１０１ｂ，１０１ｄの柱間距離をｄｏｕｔ、内側柱１０１ｂ，１０１ｄと中央柱１０１ｃの柱間距離をｄｉｎとすると、ｄｏｕｔ＜ｄｉｎ の関係がある。図５に示す従来技術では、鉄骨構造物の大きな変形を防ぐため、中央柱と左右の内側柱との間に鉛直ブレース１７１を設ける必要があった。このため、従来の鉛直ブレース１７１は、上述した柱間距離の関係によって、長く且つ重量も大きくなっていた。

【0029】

本実施形態は、鉄骨構造物の大きな変形を、中間梁１１４を含めた二組のトラス構造体１５と鉛直ブレース１７２とによって防ぐものであり、本実施形態の鉛直ブレース１７２は従来技術の鉛直ブレース１７１に比べて短く且つ軽量にできる。ここで、本実施形態ではトラス構造体を二組として説明しているが、本発明はこの二組が必須要件ではなくて、ウィンドボックスの荷重、ボイラ鉄骨構造体２０２の強度によっては一組であってもよく、また、三組以上であってもよい。

【0030】

図２は本実施形態に係るウィンドボックスの支持構造体をボイラ側面から見た断面図である。吊り替え梁１１を設けて、吊り替え梁１１の一端の荷重は、吊り金具１２を介して上部壁１（上部壁１はスリングボルトによって天井梁１０３に吊り下げられている）に伝達する手法は従来技術と同じ構造である。ここで、本実施形態においては、吊り替え梁１１の一端の荷重が上部壁１に伝達されることとしているが、本発明は荷重伝達の対象が上部壁１に限定されることはなく、上部壁を含む火炉壁であればよい。

【0031】

また、吊り替え梁１１の他端はコンスタントハンガー１３を介してウィンドボックスの荷重を、柱部材１０１間に設けた支持梁（鉄骨）１１２並びに主鉄骨１６で支持する。図２と図１に示すように、支持梁１１２（ウィンドボックス支持レベル３０１の梁部材１０２が兼用している）と中間梁１１４（トラス構造体１５の上辺の梁部材）とトラス構造体１５は、同一の垂直平面内に配置されている（図４に示す従来技術では、柱部材１０１と梁部材１０２から形成される平面と、トラス構造体１５の平面とは、張り出し鉄骨１４の存在によって、ボイラ前後方向において異なっている）。さらに、コンスタントハンガー１３もその吊り下げ条体との結合部分が当該同一の垂直平面内に収容されるようになっている。

【0032】

図１（２）に示す本実施形態に係る鉄骨構造体のモデル簡略図によると、図５（３）に示す従来構造のモデル簡略図と比較して、中央部に主鉄骨（中央柱１０１ｃ）があることによってサポート点が増加するため、本実施形態の曲げモーメントは従来構造に対して、１／２にすることが可能である。

【0033】

また、本実施形態は、トラス構造体１５におけるウィンドボックス荷重の作用点Ｗと上部壁１又は下部壁２との距離（ボイラ前後方向の間隔）を広げたことになり（張り出し鉄骨１４を無くしたことにより）、吊りボルト１０と作用点Ｗの距離が図４に示す従来構造より広くなるため、従来の張り出し鉄骨１４と主鉄骨１６にて支持していたウィンドボックス荷重の割合が小さくなる。したがって、本実施形態では、鉄骨構造体２０２側に伝達されるウィンドボックス荷重を支持する構造物（鉄骨１１４を含むトラス構造体１５、コンスタントハンガー１３）のサイズ・物量の低減が可能になる。このように、本実施形態ではコンスタントハンガーと鉛直ブレースの干渉を回避するため、鉛直ブレースの配置を組み換え、鉄骨の張り出しを止めることにより、トラス構造を含めた鉄骨物量を低減する構造とすることができる。

【0034】

図４に示すように、従来、ボイラはボイラ上部を基準として運転中は下側に熱伸びするため、ウィンドボックス５の荷重を張り出し鉄骨１４に伝達する部位にはコンスタントハンガー１３を使用している。コンスタントハンガー１３はボイラ運転中の熱伸びを吸収しウィンドボックス荷重を支持できる装置である。なお、ウィンドボックス５内のバーナー９は下部壁２と一体的に設置されていて、下部壁２の熱伸びに合わせてウィンドボックス５もその位置を下降させる必要があり、そのために、コンスタントハンガー１３が設けられている。

【0035】

コンスタントハンガー１３のサイズはボイラの熱伸び量と支持する荷重によって決定されるものであり、本実施形態では、支持するウィンドボックス荷重を上述のように小さくすることが可能であることから、コンスタントハンガー１３のサイズも小さくすることが可能となり、コンスタントハンガー１３のコスト低減を図ることができる。

【符号の説明】

【0036】

１ 上部壁
２ 下部壁
３ 後部伝熱壁
４ ケーシング
５ ウィンドボックス
６ ウィンドボックスケーシング
７ バックステー
８ 支持ポスト
９ バーナ
１０ 吊りボルト
１１ 吊り替え梁
１２ 吊り金具
１３ コンスタントハンガー
１４ ボイラ前後方向に張り出した張り出し鉄骨
１５ トラス構造体
１６ 主鉄骨
１００ ボイラ本体
１０１ 柱部材（鉄骨柱）
１０２ 梁部材（鉄骨梁）
１０３ 天井梁
１０５ 柱部材
１１２ａ〜１１２ｄ ウィンドボックス支持レベルの梁部材（支持梁）
１１４ 中間梁（鉄骨）
１７１ 鉛直ブレース
１７２ 鉛直ブレース
１２０ 支柱部材
１３０ ブレース部材
２０１ ボイラ最前方の鉄骨構造体
２０２ ウィンドボックス支持用の鉄骨構造体
３０１ ウィンドボックス支持レベル

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】