JP6713261B2 - 一体型ミスト除去特徴要素を備えた媒体パッド - Google Patents

Description

本出願及び結果として得られる特許は、全体的に、ガスタービンエンジンに関し、より詳細には、出力増大を目的とした水流量分布及び蒸発を改善するための一体型ミスト除去特徴要素を備えた蒸発冷却媒体パッドの表面設計に関する。

従来のガスタービンエンジンは、周囲空気を圧縮するための圧縮機と、圧縮した周囲空気流を燃料流と混合して混合気を燃焼させる燃焼器と、燃焼混合気により駆動されて出力及び排気ガスを発生させるタービンとを含む。ガスタービンエンジンが発生させることができる出力量を増大させるための様々な方式が知られている。出力を増大させる方法の１つは、圧縮機の上流側の周囲空気流を冷却することに基づいている。このような冷却により空気がより高密度になり、これにより高い質量流量を圧縮機に提供することができる。圧縮機への質量流量がより高くなることにより、より多くの空気を圧縮して、ガスタービンエンジンがより多くの出力を発生できるようにすることができる。その上、周囲空気流の冷却は一般に、高温環境においてガスタービンエンジンの全体効率を高めることができる。

ガスタービンエンジンに流入する周囲空気流を冷却するのに、様々なシステム及び方法を利用することができる。例えば、熱交換器を用いて、潜熱冷却により又は顕熱冷却により周囲空気流を冷却することができる。このような熱交換器は、周囲空気流の冷却を促進させるために媒体パッドを利用することが多い。これらの媒体パッドは、周囲空気流と水の流れのような冷却剤流との間での熱及び／又は物質移動を可能にすることができる。周囲空気流は、熱交換を行うため媒体パッドにおいて冷却剤流と相互作用する。このような媒体パッドを通る空気流の通過は、効果的な水分蒸発をもたらし、周囲空気流と水の流れからの水蒸気との混合を提供することを目的としている。しかしながら、空気速度が増大すると、撥水が生じる可能性がある。具体的には、飛行中の水滴が下流側入口ダクトにおいて蓄積し及び／又は圧縮機内に流入する可能性がある。このような水滴は、ブレードアブレーション（摩耗）及び同様のものを引き起こす可能性がある。従って、既知の流入空気システムは、下流側ミスト除去装置を備えた蒸発冷却システムを組み込むことができる。しかしながら、このようなミスト除去装置は、多大なスペース及び追加材料を必要とする。その上、このようなミスト除去装置は一般に、定期保守及びこれに伴う運転停止時間が必要となる。既知のシステムはまた、圧力損失が加わり、ガスタービンの全体出力が低下する。従って、追加の下流側ミスト除去装置を必要とすることなく、効率的な冷却を提供する改善された媒体パッドに対する要求がある。このような媒体パッドは、既知のシステムと比べて、スペース要件が少なく且つより少ない材料で冷却効率を与えることができる。システムの圧力低下をより小さくすることができる。

米国特許第８，３６５，５３０号明細書

従って、本出願及び結果として得られる特許は、ガスタービンエンジンの圧縮機への流入空気流を冷却するための媒体パッドを提供する。媒体パッドは、第１のミスト除去装置を有するシェブロン様凹凸面を備えた第１の媒体シートと、第２のミスト除去装置を有する波状凹凸面を備えた第２の媒体シートと、を含むことができる。

本出願及び結果として得られる特許は更に、ガスタービンエンジンの流入空気流を冷却する方法を提供する。本方法は、第１の凹凸面及び第２の凹凸面を有する媒体パッド及び一体形ミスト除去装置をガスタービンエンジンの入口付近に位置付けるステップと、第１の凹凸面及び第２の凹凸面を通って媒体パッドの上部から底部まで水を流すステップと、流入空気流と水の流れとの間で熱交換を行うステップと、一体形ミスト除去装置において水の流れから何らかのミストを取り込むステップと、取り込んだミストを第１の凹凸面及び第２の凹凸面に流して戻すステップと、を含む。

本出願及び結果として得られる特許は更に、ガスタービンエンジンの圧縮機への流入空気流を冷却するための媒体パッドを提供する。媒体パッドは、第１のミスト除去装置に繋がっている複数のシェブロンチャンネルを有する第１の媒体シートと、第２のミスト除去装置に繋がっている複数の波状チャンネルを有する第２の媒体シートとを含むことができる。第１のミスト除去装置及び第２のミスト除去装置を組み合わせて一体形ミスト除去装置を形成し、何らかの水ミストを取り込んで戻すようにすることができる。

本出願及び結果として得られる特許のこれら及び他の特徴並びに改善点は、図面及び請求項を参照しながら以下の好ましい実施形態の詳細な説明を精査することによって当業者には明らかになるであろう。

流入空気流冷却システムを有するガスタービンエンジンの概略図。 本明細書で記載することができる媒体パッドの第１の側部の斜視図。 図２の媒体パッドの第２の側部の斜視図。 図２の媒体パッドの側面図。

次に、幾つかの図全体を通して様々な参照符号が同様の要素を表す図面を参照すると、図１は、ガスタービンエンジン１０の１つの実施例の概略図である。ガスタービンエンジン１０は、圧縮機１２、燃焼器１４、及びタービン１６を含むことができる。単一の燃焼器１４のみが図示されているが、あらゆる数の燃焼器１４を本明細書において用いて、円周方向アレイ及び同様のもの内に位置付けることができる。圧縮機１２及びタービン１６は、シャフト１８により結合することができる。シャフト１８は、単一のシャフト、又は共に結合された複数のシャフトセグメントとすることができる。シャフト１８はまた、発電機及び同様のものなどの負荷を駆動することができる。

ガスタービンエンジン１０は更に、ガスタービン空気入口２０を含むことができる。空気入口２０は、流入空気流２２を受け入れるように構成することができる。或いは、空気入口２０は、流入空気流２２を受け入れることができる圧縮機１２の何れかの部分又は圧縮機１２の上流側の何れかの装置など、ガスタービンエンジン１０の何れかの部分とすることができる。流入空気流２２は、周囲空気とすることができ、調和済み又は非調和とすることができる。

ガスタービンエンジン１０は更に、排気出口２４を含むことができる。排気出口２４は、ガスタービン排気流２６を吐出するよう構成することができる。排気流２６は、熱回収蒸気発生器（図示せず）に配向することができる。或いは、排気流２６は、例えば、吸収式チラー（図示せず）に配向されて水３２の流れを冷却し、熱回収蒸気発生器（図示せず）に配向し、淡水化プラントに配向し、又は全体又は部分的に大気中に分散することができる。

ガスタービンエンジン１０は更に、１又はそれ以上の熱交換器３０を含むことができる。熱交換器３０は、流入空気流２２を圧縮機１２に流入する前に冷却するように構成することができる。例えば、熱交換器３０は、ガスタービン空気入口２０の周りに配置することができる。或いは、熱交換器３０は、ガスタービン入口２０の上流側又は下流側に存在することができる。熱交換器３０は、流入空気流２２及び熱交換を行うための熱交換媒体（水３２の流れなど）を許容することができる。

熱交換器３０は、直接接触式熱交換器３０とすることができる。熱交換器３０は、熱交換媒体入口３４、熱交換媒体出口３６、及びこれらの間にある媒体パッド３８を含むことができる。水３２の流れ又は他のタイプの熱交換媒体は、熱交換媒体入口３４を通って媒体パッド３８に流れることができる。熱交換媒体入口３４は、ノズル、複数のノズル、１つ又は複数のオリフィスを備えたマニホルド、及び同様のものを含むことができる。熱交換媒体出口３６は、媒体パッド３８から排出された水３２の流れを受け入れることができる。水３２の流れは、媒体パッド３８を通って熱交換媒体入口３４から概して又はほぼ下流側方向に配向することができ、流入空気流２２は、水３２の流れの方向に対して概して又はほぼ垂直の方向に配向することができる。他のタイプの逆流又は直交流構成を用いることもできる。フィルタ４２は、流入空気流２２の方向で媒体パッド３８の上流側に配置することができる。フィルタ４２は、流入空気流２２から粒子状物質を除去して、粒子状物質がガスタービンエンジン１０に流入するのを防ぐように構成することができる。或いは、フィルタ４２は、流入空気流２２の方向で媒体パッド３８の下流側に配置することができる。ドリフトエリミネータ４４は、流入空気流２２の方向で媒体パッド３８の下流側に配置することができる。ドリフトエリミネータ４４は、流入空気流２２が圧縮機１２に流入する前に流入空気流２２から水３２の流れの液滴を除去する機能を果たすことができる。

熱交換器３０は、潜熱冷却又は顕熱冷却により流入空気流２２を冷却するよう構成することができる。潜熱冷却とは、空気などの気体から熱が奪われて、気体の水分含有量を変化させる冷却方法を指す。潜熱冷却は、気体を冷却するために湿球温度で液体の蒸発を含むことができる。具体的には、潜熱冷却は、湿球温度付近まで気体を冷却するのに利用することができる。

或いは、熱交換器３０は、顕熱冷却により流入空気流２２を冷却するよう構成することができる。顕熱冷却とは、空気などの気体から熱が奪われて空気の乾球及び湿球温度を変化させるようにする冷却方法を指す。顕熱冷却は、液体を冷却し、次いで冷却した液体を用いて気体を低温にすることを含むことができる。具体的には、顕熱冷却は、気体を冷却して湿球温度を下回るようにするのに利用することができる。

潜熱冷却及び顕熱冷却は、相互排他的な冷却法ではない点を理解されたい。むしろ、これらの方法は、排他的にも又は組み合わせてでも何れでも適用することができる。更に、本明細書で記載される熱交換器３０は、潜熱冷却法及び顕熱冷却法に限定されず、望ましいとすることができるあらゆる好適な冷却又は加熱法によって、流入空気流２２を冷却又は加熱することができる点を理解されたい。

図２〜４は、入口熱交換器及び同様のもの用として本明細書で説明することができる媒体パッド１００の１つの実施例を示している。媒体パッド１００は、媒体シート１２０の少なくとも１つのペアを含むことができる。この実施例では、第１の媒体シート１３０及び第２の媒体シート１４０が図示されているが、ここでは追加の媒体シートを用いてもよい。ここでは、あらゆる数の媒体シート１２０をあらゆる好適なサイズ、形状、又は構成で用いることができる。

媒体シート１２０は、親水性表面強化有り又は無しで、不織合成繊維から熱的に形成することができる。例えば、不織合成繊維は、ポリエチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）、ポリトリメチレンテレフタレート（ＰＴＴ）、ナイロン、ポリエステル、ポリプロピレン、及び同様のものを含むことができる。親水性表面強化は、高い加工温度下での強アルカリ処理の適用、アルカリ媒体中のポリビニル・アルコール、及び同様のものを含むことができる。ここでは他の材料及び処理を用いることができる。媒体シート１２０は、その表面領域を通じて水３２の流れ又は他のタイプの熱交換媒体を受け入れ、吸収、流動、及び分配するよう湿潤可能とすることができる。媒体シート１２０は、異なるタイプの熱交換媒体で利用することができる。

媒体シート１２０は、実質的に３次元の曲線輪郭形状１５０を有することができる。具体的には、媒体シート１２０は、流入空気流２２に対面する前縁１６０と、圧縮機１２の周りの下流側後縁１７０とを含むことができる。同様に、媒体シート１２０は、水３２の流れを受けるための上縁１８０と、下流側底縁１９０とを有することができる。

この実施例において、第１の媒体シート１３０は、シェブロン（山形）様の凹凸面２００を有することができる。シェブロン様凹凸面２００は、複数のシェブロンチャンネル２１０を有することができる。ここではあらゆる数のシェブロンチャンネル２１０をあらゆる好適なサイズ、形状、又は構成で用いることができる。具体的には、シェブロンチャンネル２１０は、斜め上がり部分２２０と、斜め下がり部分２３０とを有することができる。斜め上がり部分２２０は、前縁１６０から延びて、その頂点２４０付近で斜め下がり部分２３０と接触することができる。斜め上がり部分と斜め下がり部分の角度は変わることができる。シェブロンチャンネル２１０の各々は、第１の側部のミスト除去装置部分２５０で終端することができる。第１の側部のミスト除去装置部分２５０は、斜め下がり部分２３０の各々の最下点２６０にて鋭角で斜め上向きに延びることができる。第１の側部のミスト除去装置部分２５０は、最下点２６０から後縁１７０に向かって延びることができる。ここで他の構成要素及び他の構成を用いることもできる。

第２の媒体シート１４０は、波状の凹凸面２７０を有することができる。具体的には、波状の凹凸面２７０は、複数の波状チャンネル２８０を有することができる。ここではあらゆる数の波状チャンネル２８０をあらゆる好適なサイズ、形状、又は構成で用いることができる。具体的には、波状チャンネル２８０は、幾つかの山部３００と谷部３１０とを備えた実質的に正弦波様の形状２９０を有することができる。波状チャンネル２８０は、前縁１６０から第２の側部のミスト除去装置部分３２０まで延びることができる。第２の側部のミスト除去装置部分３２０は、正弦波様形状２９０の谷部３１０のうちの１つから鋭角で斜め上向きに延びることができる。第２の側部のミスト除去装置部分３２０は、谷部３１０から後縁１７０に向かって延びることができる。ここで他の構成要素及び他の構成を用いることもできる。

図４は、第２の媒体シート１４０に結合された第１の媒体シート１３０を示している。その結果、前縁１６０は、ダイアモンド様形状３３０を形成している。ダイアモンド様形状３３０は、媒体シート１３０，１４０が接触して接着剤により結合することができる結合部分３４０と、空気流が良好に通るための拡張部分３５０とを含むことができる。同様に、後縁１７０は、空気流が良好に通るためのダイアモンド様形状３３０を含むことができる。第１の側部のミスト除去装置部分２５０及び第２の側部のミスト除去装置部分３２０を組み合わせて、後縁１７０の周りで実質的に均一な形状の一体形ミスト除去装置３６０を形成することができる。ここで他の構成要素及び他の構成を用いることもできる。

使用時には、水３２の流れは、媒体シート１２０の上縁１８０から底縁１９０まで流れることができる。媒体シート１２０は、そこを流れる水３２の流れにより完全に湿潤化することができる。流入空気流２２は、前縁１６０を介して流入し、水３２の流れに接触してこれと熱交換を行う。媒体シート１２０間で発生する空気流の捩れ及び旋回に起因して、水３２の流れは、蒸発して流入空気流２２に入り、水３２の流れの温度を流入空気流の湿球温度付近まで低下させるようにすることができる。具体的には、空気流の捩れ及び旋回により熱及び物質移動が増大する。

第１の媒体シート１３０上でシェブロン様凹凸面２００を使用することで、後縁１６０に向けて水３２の流れを分配するのに役立つ。第２の媒体シート１４０の波状の凹凸面２７０は、剛性があり、水３２の流れを媒体深さにわたってより均等に拡散する。一体形ミスト除去装置３６０は、空気流に対して鋭角で上向きに延びる。この角度は、急旋回の何らかの水滴に作用する慣性力に依存する。従って、水滴は、重力により下方に流出し、媒体シート１２０内に留まる。この取り込まれた水は、一体形ミスト除去装置３６０を湿潤に保持し、更なる蒸発冷却を増強するのを助ける。一体形ミスト除去装置３６０の使用はまた、媒体パッド１００全体に更なる構造的強度を提供する。その上、一体形ミスト除去装置３６０は、独立のミスト除去装置４４を使用することなく、熱交換器全体の軸方向全長を短縮する。

前縁１６０及び後縁１７０でのダイアモンド様形状３３０の使用はまた、空気圧力損失を低減する役割を果たす。従って、本明細書で記載される媒体パッド１００は、高温天候における空気質量流量を増大させ、簡素化されたシステムにおいて全体としてのガスタービン出力低下及び性能劣化を回避又は制限することができる。

上記のことは、本出願及びその結果として得られる特許の特定の実施形態にのみに関連している点を理解されたい。添付の請求項及びその均等物によって定義される本発明の全体的な技術的思想及び範囲から逸脱することなく、当業者であれば多くの変更及び修正を本明細書において行うことができる。

１０ ガスタービンエンジン
１２ 圧縮機
１４ 燃焼器
１６ タービン
１８ シャフト
２０ 入口
２２ 流入空気流
２４ 出口
２６ 排気流
３０ 熱交換器
３２ 水
３４ 入口
３６ 出口
３８ 媒体パッド
４２ フィルタ
４４ ドリフトエリミネータ
１００ 媒体パッド
１１０ 入口熱交換器
１２０ 媒体シートのペア
１３０ 第１の媒体シート
１４０ 第２の媒体シート
１５０ 曲線輪郭形状
１６０ 前縁
１７０ 後縁
１８０ 上縁
１９０ 底縁
２００ シェブロン様凹凸面
２１０ シェブロンチャンネル
２２０ 斜め上がり部分
２３０ 斜め下がり部分
２４０ 頂点
２５０ 第１の側部のミスト除去装置部分
２６０ 最下点
２７０ 波状凹凸面
２８０ 波状チャンネル
２９０ 正弦波様の形状
３００ 山部
３１０ 谷部
３２０ 第２の側部のミスト除去装置部分
３３０ ダイアモンド様形状
３４０ 結合部分
３５０ 拡張部分
３６０ 一体形ミスト除去装置

Claims (18)

1. ガスタービンエンジン（１０）の圧縮機（１２）への流入空気流（２２）を冷却するための媒体パッド（１００）であって、
   第１のミスト除去装置（２５０）を有するシェブロン様凹凸面（２００）を含む第１の媒体シート（１３０）であって、前記シェブロン様凹凸面（２００）が、斜め上がり部分（２２０）及び斜め下がり部分（２３０）を有する複数のシェブロンチャンネル（２１０）を含み、前記第１のミスト除去装置（２５０）は前記斜め下がり部分（２３０）に隣接している、前記第１の媒体シート（１３０）と、
   第２のミスト除去装置（３２０）を有する波状凹凸面（２７０）を含む第２の媒体シート（１４０）であり、前記第１の媒体シート（１３０）に隣接している前記第２の媒体シート（１４０）であって、前記波状凹凸面（２７０）は前記第２のミスト除去装置（３２０）に隣接している実質的に横波を備えている、前記第２の媒体シート（１４０）と、
   を備える、媒体パッド（１００）。
2. 前記第１の媒体シート（１３０）及び前記第２の媒体シート（１４０）が、前縁（１６０）から後縁（１７０）まで延びる、請求項１に記載の媒体パッド（１００）。
3. 前記前縁（１６０）が、前記流入空気流（２２）に対面する、請求項２に記載の媒体パッド（１００）。
4. 前記シェブロン様凹凸面（２００）及び前記波状凹凸面（２７０）が、前記前縁（１６
   ０）から前記後縁（１７０）まで延びる、請求項２に記載の媒体パッド（１００）。
5. 前記第１のミスト除去装置（２５０）及び前記第２のミスト除去装置（３２０）が、前記後縁（１７０）付近に位置付けられる、請求項２に記載の媒体パッド（１００）。
6. 前記前縁（１６０）及び前記後縁（１７０）が、ダイアモンド様形状（３３０）を含む、請求項２に記載の媒体パッド（１００）。
7. 前記ダイアモンド様形状（３３０）が、接合部分（３４０）と拡張部分（３５０）とを含む、請求項６に記載の媒体パッド（１００）。
8. 前記第１の媒体シート（１３０）及び前記第２の媒体シート（１４０）が、上縁（１８０）から底縁（１９０）まで延びる、請求項１に記載の媒体パッド（１００）。
9. 前記上縁（１８０）が、水（３２）の流れに対面する、請求項８に記載の媒体パッド（１００）。
10. 前記第１のミスト除去装置（２５０）が、前記斜め下がり部分（２３０）から鋭角に延びる、請求項１に記載の媒体パッド（１００）。
11. 前記波状凹凸面（２７０）が、山部（３００）及び谷部（３１０）を有する複数の波状チャンネル（２８０）を含む、請求項１に記載の媒体パッド（１００）。
12. 前記第２のミスト除去装置（３２０）が、谷部（３１０）から鋭角で延びる、請求項１１に記載の媒体パッド（１００）。
13. 前記第１のミスト除去装置（２５０）及び前記第２のミスト除去装置（３２０）が、一体形ミスト除去装置（３６０）を含む、請求項１に記載の媒体パッド（１００）。
14. ガスタービンエンジン（１０）の流入空気流（２２）を冷却する方法であって、
    シェブロン構造を有する第１の凹凸面（２００）及び正弦波構造を有する第２の凹凸面（２７０）を有する媒体パッド（１００）及び一体形ミスト除去装置（３６０）を前記ガスタービンエンジン（１０）の入口（２０）付近に位置付けるステップと、
    前記第１の凹凸面（２００）及び第２の凹凸面（２７０）を通って前記媒体パッド（１００）の上部（１８０）から底部（１９０）まで水（３２）を流すステップと、
    前記流入空気流（２２）と前記水（３２）の流れとの間で熱交換を行うステップと、
    前記一体形ミスト除去装置（３６０）において前記水（３２）の流れからミストを取り込むステップと、
    前記取り込んだミストを前記第１の凹凸面（２００）及び第２の凹凸面（２７０）に流して戻すステップと、
    を含む、方法。
15. ガスタービンエンジン（１０）の圧縮機（１２）への流入空気流（２２）を冷却するた
    めの媒体パッド（１００）であって、
    第１のミスト除去装置（２５０）に繋がっている複数のシェブロンチャンネル（２１０）を有している第１の媒体シート（１３０）であって、前記複数のシェブロンチャンネル（２１０）は斜め上がり部分（２２０）及び斜め下がり部分（２３０）を有しており、前記第１のミスト除去装置（２５０）は前記斜め下がり部分（２３０）に隣接している、前記第１の媒体シート（１３０）と、
    第２のミスト除去装置（３２０）に繋がっている複数の実質的に水平の波状チャンネルを有している第２の媒体シート（１４０）と、を備え、
    前記第１のミスト除去装置（２５０）及び前記第２のミスト除去装置（３２０）が、一体形ミスト除去装置（３６０）を形成する、
    媒体パッド（１００）。
16. 前記第１の媒体シート（１３０）及び前記第２の媒体シート（１４０）が、流入空気流（２２）に対面している前縁（１６０）から、前記一体形ミスト除去装置（３６０）を有する後縁（１７０）まで延びる、請求項１５に記載の媒体パッド（１００）。
17. 前記前縁（１６０）及び前記後縁（１７０）が、ダイアモンド様形状（３３０）を含む、請求項１６に記載の媒体パッド（１００）。
18. 前記複数の波状チャンネルが、山部（３００）及び谷部（３１０）を有する、請求項１５に記載の媒体パッド（１００）。