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論文

コンパクト熱交換器用超細密オフセットフィン多段ろう接構造体の機械的強度特性

石山 新太郎

日本金属学会誌, 68(7), p.490 - 497, 2004/07

 パーセンタイル:100(Metallurgy & Metallurgical Engineering)

再生熱交換器コア部を模擬したSUS304製の多段ろう接試験体の高温強度,高温疲労及び高温クリープ試験を実施した結果、試験体の破壊はすべてSUS304母材フィン部で生じ、試験体の高温強度,疲労及びクリープ強度はほぼSUS304と同程度であった。

論文

プレートフィン型熱交換器の強度解析

松井 真吾*; 武藤 康*; 椎名 保顕

日本原子力学会和文論文誌, 2(2), p.175 - 186, 2003/06

高温ガス炉ガスタービン発電システムでは細密フィン型プレートフィン再生熱交換器が用いられる。本熱交換器では数億個にも及ぶ微細なフィンとプレートが積層されており、その解析手法は未だ確立されていない。本解析では、内圧,定常熱荷重及び非定常熱荷重の各荷重ごとに、それぞれ適切な解析を行い、得られた応力を重ね合わせることにより求める応力を算出することとした。内圧による解析では、フィンに生ずる応力機構が2種類考えられることを明らかにした。定常熱解析では、フィンプレート要素より等価な弾性定数を求めて全体モデルの解析を行い、最大応力を生じた要素のひずみを境界条件として部分モデルの応力を求めた。非定常解析では4段階モデルにより解析を行った。以上の方法により、実用的な計算時間で複雑なモデルの解析を行えることを明らかにした。

論文

コンパクト熱交換器用超細密オフセットフィン多段ろう接構造体の機械的強度特性

石山 新太郎; 武藤 康

日本機械学会論文集,A, 69(679), p.682 - 688, 2003/03

600MWtHTGR-GTシステム用の再生熱交換器伝熱コア部を模擬した超細密三層プレートフィンろう接合試験体を試作し、この試験体の室温から873Kまでの高温における機械的特性を把握するために大気中における高温強度試験及び高温疲労試験を実施し、下記結論を得た。(1)各試験温度におけるろう接試験体の高温強度は、SUS304母材とほぼ同等の値となった。しかしながら、破断歪みは母材の1/4以下と激減することが明らかとなった。(2)高温疲労試験においては、各試験温度における疲労寿命はSUS304母材に比べて短寿命となった。(3)高温強度及び疲労試験における試験体の破断箇所はSUS304製プレートフィン側壁で生じる。(4)この破壊箇所のミクロ組織を観察した結果、高温強度試験で破壊した場合、破壊箇所にくびれが生じるのに対して、疲労破壊した場合このくびれは生ぜず、破断面にストライエーションが観察された。(5)これらの材料劣化の原因は主に、超細密フィン加工時の強加工による影響であるものと考えられる。(6)ろう接試験体の機械的特性を向上させるため、ろう接時にフィン側両面をろう材で固めることにより、高温強度ならびに疲労寿命を改善することができた。

論文

高温ガス炉ガスタービン発電システム(GTHTR300)の発電系設計

高田 昌二; 滝塚 貴和; 國富 一彦; Yan, X.; 片西 昌司; 小杉山 真一; 皆月 功*; 三好 保行*

日本原子力学会和文論文誌, 1(4), p.341 - 351, 2002/12

GTHTR300発電系設計では、経済性を高めるため、動力変換機器の高性能化,中間冷却器無サイクルの採用による物量低減を行った。タービンと圧縮機には3次元翼設計により、スラスト力を10kNに低減し、各々93.90%の高ポリトロープ効率を達成し、発電効率45.8%を得た。圧縮機ではサージマージン30%を得た。ターボマシンは横置とし、またダイヤフラムカップリングにより発電機とターボ圧縮機の振動絶縁を行い、磁気軸受負荷容量を低減しつつ軸系振動振幅をISO管理値75$$mu$$m以下とした。熱交換器設計では、小型化・物量低減を行った。プレートフィン型再生熱交換器では1.2$$times$$1.2mmの正方フィンを採用し、温度効率95%を確保した。前置冷却器はローフィン管ヘリカルコイル型とした。本件は文部科学省から原研への委託により実施している電源特会「核熱利用システム技術開発」の「高温発電システム」の内容に関するものである。

論文

高温ガス炉ガスタービン発電システム(GTHTR300)発電系の設計

高田 昌二; 滝塚 貴和; 國富 一彦; Yan, X.; 片西 昌司; 小杉山 真一; 塩沢 周策

日本機械学会第8回動力・エネルギー技術シンポジウム講演論文集, p.189 - 192, 2002/00

本論文では、GTHTR300実証プラントの発電系設計により得られた成果について報告する。本プラント設計では、経済性を高めるために、主要機器の物量を低減することと高性能化を目指した。本プラントでは、ターボマシン,発電機及び再生熱交換器,前置冷却器を動力変換容器及び熱交換機収容器内に収納する。これらの機器や容器の寸法を最小化させて物量を低減する必要がある。本プラントでは中間冷却器のないサイクルを採用するとともに、前置冷却器はコンパクトなローフィン質ヘリカルコイル型として物量を低減した。タービンと圧縮機のポリトロープ効率の設計目標値をそれぞれ93%,90%まで高くして、翼形状を3次元化するなどして設計目標値を満足できるようにした。なお、本件は文部科学省から原研への委託により実施している電源特会「核熱利用システム技術開発」の「高温発電システム」の内容に関するものである。

論文

高温ガス炉高温発電システム用コンパクト熱交換器の性能に及ぼす流量アンバランスの影響

石山 新太郎; 武藤 康; 緒方 寛*; 山田 誠也*

日本原子力学会誌, 43(11), p.1136 - 1148, 2001/11

 パーセンタイル:100(Nuclear Science & Technology)

コンパクト熱交換器の概念設計の結果、超細密オフセットフィン型伝熱エレメントを流路幅890mm$$times$$高さ約6800mm$$times$$流路長さ940mmにすることにより、温度効率95%を達成できる見通しを得た。しかしながら、コンパクト熱交換器寸法がこのように大型となるとヘッダから伝熱エレメント高さ方向に供給される被加熱流体に流量アンバランスが生じ易くなり、その結果コンパクト熱交換器の伝熱性能が低下する可能性がある。そこで、コンパクト熱交換器の三次元熱流動解析を実施することにより、被加熱流体(低温側)側ダクト高さ方向に仮想流量アンバランスが生じた場合のコンパクト熱交換器の伝熱に関する性能評価を行った。その結果、下記結論が得られた。(1)被加熱流体の流量アンバランスは全ヘリウム流量に対して最大で-20%~14%生じる。(2)加熱流体側に被加熱流体と同一の流量アンバランスが生じた場合、被加熱側に流量アンバランスが生じない場合のコンパクト熱交換器1ユニット当たりの温度効率(=95%)に対して約0.5%低下する。(3)加熱流体側に被加熱側と対称の流量アンバランスが生じた場合、コンパクト熱交換器の伝熱性能が低下する割合が最も大きく、被加熱側に流量アンバランスが生じない場合のコンパクト熱交換器1ユニットあたりの温度効率に対して約1.3%低下する。以上の結果、想定される流量アンバランスが生じた場合でも設計要求仕様を満足するコンパクト熱交換器の設計が可能であることが結論された。

論文

高温ガス炉ガスタービンシステム用コンパクト再生熱交換器の開発研究, 1; 超細密オフセットフィンの試作

石山 新太郎; 武藤 康; 谷平 正典*; 緒方 寛*; 上戸 好美*; 猪狩 敏秀*

日本原子力学会誌, 43(6), p.603 - 611, 2001/06

 被引用回数:4 パーセンタイル:62.89(Nuclear Science & Technology)

日本原子力研究所(以下原研)では、600MWt級の高温ガス炉のガスタービン直接発電システム(HTGR-GT)において約50%の高い熱効率を達成するため、高性能タービン機器のほかに95%以上の高い温度効率のほか、15MW/m$$^{3}$$以上の伝熱密度を有し、高さ6mを越す大型構造体でかつ6MPa以上の高差圧に耐える耐圧構造を有する高性能再生熱交換器の開発を行っている。本論文では、細密オフセットフィン(厚さ$$times$$高さ$$times$$ピッチ(mm): 0.15$$times$$1.5$$times$$1.4)を有するプレートフィン型高性能コンパクト熱交換器実機の製作技術を確立するため、実機の1/20スケールモデル(コアサイズ: 200mm角)試作し、この試験体モデルの気密・耐圧試験などを行うことにより製作健全性を実証し、高性能熱交換器実機を製作するための基本的製作技術の確立を行うことができた。また、本試作を通じて得られた製作精度をもとに、熱交換形式や欠陥率の実機性能に与える影響について考察を行った。

論文

アルミナ分散強化銅の高性能コンパクト熱交換器用プレートフィン加工性シミュレーション解析と加工試験

石山 新太郎; 武藤 康; 西井 崇*; 笠羽 道博*

日本金属学会誌, 65(6), p.524 - 533, 2001/06

高温発電システムの熱交換器用薄版矩形細密プレートフィンに高強度・高熱伝導性アルミナ分散同材料(AL-25)を適用するためAl-25薄板の細密フィン加工技術の確立を目的に、大規模弾塑性有限要素解析によって得られた応力フィン折り加工における成形限界の予測に基づき新しい加工法の加工装置の設計試作を行い、さらにAL-25薄板の加工実験を実施した。その結果、下記の結論が得られた。(1)難加工材であるAL-25薄板(厚さ=0.156mm)からフィン高さ$$times$$山谷ピッチ$$times$$厚みが3mm$$times$$4mmの細密矩形フィンの加工技術シミュレーションを大規模弾塑性有限要素解析により行った結果、ダブルアクション折り加工性により上記加工条件で細密矩形フィンの加工が可能であることを見いだした。さらに、この知見を基にダブルアクション折り加工装置を設計試作し、この装置により最適加工条件を設定するため、試作した加工試験装置に関する上記加工技術シミュレーション及び加工試験を実施し、装置のダイスR部及びクリアランスをそれぞれ0.8mm及び0.25mmに設定した。(2)AL-25薄板(厚み,0.156mm)から矩形型フィン高さ$$times$$山谷ピッチ,3mm$$times$$4mmの薄板細密フィン加工試験を実施した結果、高さ$$times$$山谷ピッチ$$times$$厚みが3mm$$times$$4mm$$times$$(0.156$$pm$$0.001mm)の薄板細密フィンの加工に成功した。(3)大規模弾塑性有限要素法解析によって予測した加工板の加工変形課程ならびに板厚変化量は、加工実験の結果と良い一致を示し、この結果からダブルアクション折り法による難加工性材料の薄板細密フィンの加工実用化の加工予測として本解析方法が有効であることを明らかにした。

報告書

プレートフィン型再生熱交換器フィン・プレート構造の強度解析

松井 真吾*; 武藤 康; 椎名 保顕

JAERI-Tech 2000-083, 107 Pages, 2001/01

JAERI-Tech-2000-083.pdf:3.46MB

高温ガス炉から出る6MPa,850~950$$^{circ}C$$の高圧,高温ヘリウムガスを用いたガスタービンサイクルにおいて、約50%の高い熱効率で発電を行うために、再生熱交換器としてプレートフィン型熱交換器を用いることが不可欠である。しかしこのような高圧,高温下で使用されたものはなく、また可能な限りコンパクト化を進めることが必要であることから、プレートフィン型熱交換器の強度解析及び評価の手法を確立することが必要である。本報告書では、内圧荷重に対するフィン・プレート構造のモデル化方法を検討し、フィン内部の応力状態及びその特徴を明らかにした。また各設計パラメータに対する強度特性を明らかにし、ここで対象とした設計条件の下では、最適なフィン傾斜角が76°近傍にあり、セパレートプレートの薄肉化の可能性があることも示した。

論文

高温ガス炉ガスタービンシステムの技術課題とその解決法

武藤 康; 石山 新太郎

日本原子力学会誌, 42(10), p.1020 - 1027, 2000/10

 被引用回数:1 パーセンタイル:86.46(Nuclear Science & Technology)

熱効率が高く核燃料資源の節約や放射性廃棄物量低減に有効な高温ガス炉ガスタービン発電プラントの基本的特徴及び技術課題について、特会受託研究「高温発電システムフィージビリティスタディ」の成果に基づいて記述した。すなわち、最適な原子炉入り口ガス温度が圧力容器材料温度には厳しすぎる問題については2種類の解決策を考えていること、ヘリウムガスタービンは段数が多くなる傾向があり、一方ガスタービン機器はまとめて圧力容器内に配置する必要があることから、軸振動と保守が最重要課題となること、これについては横置きでタービン容器と熱交換容器を分離する方法によりほぼ解決されること、経済性の観点から重要な再生熱交換機効率95%のプレートフィン型熱効率器について試作及び流動解析により見通しが得られつつあることにつき述べた。

論文

高圧ガス炉ガスタービン発電システム開発,1; 我が国における開発の現状

武藤 康; 宮本 喜晟; 田中 利幸

火力原子力発電, 50(9), p.1123 - 1130, 1999/09

高温ガス炉に閉サイクルガスタービンを接続することにより、高効率の原子力発電所になると期待できる。それゆえ、本プラントは地球温暖化問題を解決する有効な手段であり、科学技術庁の予算により原研においてフィージビリティスタディが開始された。本プラントの備える特徴、本スタディの成果である600Mwtプラントの設計及び試作した細密プレートフィン型再生熱交換器モデルの内容、将来の高性能化の可能性(原子炉出力ガス温度の上昇、高温FPフィルター、原子炉圧力容器温度、セラミックヘリウムガスタービン)、回転数を3倍にすることにより出力を1/20にするタービンの開発試験方法について述べる。

論文

Preliminary design of 600MWt HTGR-gas turbine plant

武藤 康; 宮本 喜晟; 塩沢 周策

Proceedings of 7th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-7) (CD-ROM), 10 Pages, 1999/00

本研究は科学技術庁から原研への電源特別会計による研究「高温発電システムのフィージビリティスタディ」の成果である。熱出力600MWtの高温ガス炉に直接ガスタービン中間冷却再生サイクルを接続した発電プラントの設計を行うことにより、構成機器の仕様及び熱効率を明らかにした。本設計の特徴は、原子炉においては一体成形型燃料ピン及びC/C制御棒被覆管の採用により、出力密度6MW/m$$^{3}$$と燃焼度100GWD/tonを達成するとともに、原子炉入口ガス温度を通常よりもやや低い460$$^{circ}$$Cに選定することにより、原子炉圧力容器重量を製造可能範囲まで軽減したことである。タービン系に関しては、タービン、圧縮機の断熱効率をそれぞれ93%及び90%と高い値とし、かつ製作・保守可能な軸系設計及び配置を達成したことである。このような設計により、原子炉プラントとしては非常に高い46%の正味熱効率を達成することができた。

論文

高温ガス炉ガスタービン発電の技術的可能性

武藤 康; 羽田 一彦

動力・エネルギー技術の最前線 : シンポジウム講演論文集 1994, 0, p.311 - 316, 1994/00

出口温度950$$^{circ}$$C、熱出力450MWのモジュラー高温ガス炉と閉サイクルガスタービンサイクルを組み合わせることにより50%近い高熱効率の発電プラントを実現できると期待されている。高温ガス炉とガスタービンを直接接続するシステム(直接サイクル)では、ターボ機械へのFPのプレートアウトによる保守やガスタービン系統の機器を1つの圧力容器に収納する必要性といった難点があり、この解決等として間接サイクルや間接複合サイクルが提案されている。これらの3つのシステム形式の熱効率は、原子炉出入口温度、ターボ機械の断熱効率、再生熱交換器効率、IHXを含む熱交換器類の熱交換温度差に強く依存している。本報告では、これらの条件について検討し、標準的な値のケース、保守的な値のケース、及び将来の開発を見込んだケースを設定し、各システム形式の熱効率を求めることにより、これらの優劣についての検討を行った。

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