JP2004516423A

JP2004516423A - タービンの復熱装置

Info

Publication number: JP2004516423A
Application number: JP2002553064A
Authority: JP
Inventors: レンツ，ローレンス・エドワード
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2000-12-27
Filing date: 2001-12-12
Publication date: 2004-06-03
Also published as: KR20020077921A; WO2002052211A3; US20020079085A1; WO2002052211A2; EP1348098A2

Abstract

タービンの復熱装置は、ハウジング（６６）とハウジング内に配置された支持部材（６２）とを含む。通路（６７）は、ハウジング（６６）と支持部材（６２）との間を延びる。複数の熱伝導セル（６３）は、支持部材（６２）に固定される。各セル（６３）は、折り重ねられて支持部材（６２）に固定された側部（５４、５６）を備えた、それ自体が折り重ねられた波形シート（５２）を含む。シート（５２）の端部（５８、６０）は、シールされてチャンバ（６４）を形成する。入口ヘッダ（６８）は、支持ヘッダ（６２）に形成された複数の入口（７２）を経由して、各チャンバ（６４）と流体連通する。出口ヘッダ（７４）は、支持ヘッダ（６２）に形成された複数の出口（７６）を経由して、各チャンバ（６４）と流体連通する。

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、タービンの復熱装置に関し、より具体的には、熱伝導を改善し、組立てを容易にするタービンの復熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
小型のガスタービン及びマイクロタービンは、それらの効率を高めるために復熱装置を用いる。復熱装置は、加熱された排出空気を取り込み、それを用いてタービンに導入される低温空気を予熱する。復熱装置には、通常、予熱される低温空気が通過する低温セルと加熱された排出空気が通過する高温セルとが含まれる。
【０００３】
先行技術の復熱装置設計の１例が、図１及び図２に示される。復熱装置２は、その内部に支持部材６が収納された円筒形ハウジング４を含む。複数の低温セル８及び高温セル１０が、支持部材６の周囲周まわりで交互に、支持部材６から外向きに延びる。低温セル８及び高温セル１０は、好ましくは、該セルの膨張及び収縮に適応させるように、それらの半径方向長さに沿って湾曲させられる。予熱される低温空気は、支持部材６のヘッダを通り、続いて、図２に関連して以下に説明するように、低温セル８を通過する。加熱された排出空気は、ハウジング４と支持部材６との間に形成された環状通路１２を通って流れ、したがって、高温セル１０の表面上を通過する。図２に明らかなように、低温セル８には、通常その縁部周辺で溶接されたシェル１６に入れられた波形金属シートで形成された熱伝導フィン１４（図２には、簡略化のために、一方の端部板を取り外し、平坦な非湾曲配向で示される）が含まれる。低温セル８は、側縁部２１に沿って支持部材６に固定される。低温空気１８は、ヘッダ（図示せず）を介して低温空気の供給部と流体連通する入口２０を通って、シェル１６の内部に入る。加熱された空気２２は、出口２４を通してヘッダ（図示せず）に向けて、シェル１６を出ていく。低温空気１８は、シェル１６に入ると、該シェル１６内を移動して出口２４に達するまでの間に徐々に暖められながら、熱伝導フィン１４の表面上を通過する。図３において明らかなように、高温セル１０は熱伝導フィン１４により形成されており、また波形金属シート（簡略化のために、平坦な非湾曲配向で示される）から形成される。高温のタービン排出空気２６は、フィン１４に沿って移動する間に冷却されながら、高温セル１０の熱伝導フィン１４の表面上を通過し、低温の排出空気２８となって高温セルを出ていく。図１に見られるように、復熱装置２において、熱は、通路１２内を通って高温セル１０上を移動する高温のタービン排出空気から低温セル８に伝達され、したがって、タービン内において用いられる空気が予熱される。
【０００４】
こうした復熱装置の設計には、大量の材料を用いる必要があり、その組立てには、大量の溶接及び材料の取り扱いが必要となる点で、限界がある。更には、高温空気と低温空気との間の熱伝導が主に平坦なシート間で起き、そのため、熱伝導に用いられる表面積の最適化ができなくなる。
【０００５】
低温及び高温セルを備えた復熱装置２９の別の例が、図４に示される。複数の高温セル３０がチューブ即ち導管で形成される。低温セル３２もまた、高温セル３０に沿って平行に延びるように、チューブ即ち導管で形成される。明確化のために、ここでは高温セル３０及び低温セル３２の幾つかのみが示される。高温セル３０は、１組のヘッダ３４と相互に連結されており、そのうちの１つのみが示される。低温セル３２も同様に、ヘッダ（図示せず）を介して相互に連結される。加熱された排出空気３５は、見えないが、入口を通して最端部の高温セル３０に入り、ヘッダ３５を経由して、蛇行しながら各高温セルを通過する。冷却された排出空気３６が、次に、高温セル３０の出口３６を通して反対側の端部から出ていく。同様に、低温空気４０は、入口（図示せず）を通して低温セル３２に入り、各低温セル及び関連するヘッダ（図示せず）を蛇行しながら通過し、加熱された空気４２が出口（図示せず）を通して低温セル３２を出ていく。この設計は、図１から図３の先行技術の復熱装置に比べ、空気の流れが通過する経路の長さのために、熱伝導をより多く行うが、結局のところ、空気を流す必要がある蛇行経路のために、最適とはいえない圧力低下をもたらす。過度な圧力低下は、タービンサイクルの効率全体を低下させる。この設計もまた、複雑なヘッダの組の使用が必要となり、したがって、高価な製作設備と、労働集約的で費用の嵩む組立工程が必要とされることになり、限界がある。
【０００６】
こうした複雑な復熱装置の設計は費用がかかり、実際には、所望の効率を達成するために要求されるその設計の複雑さ及び材料の量のために、マイクロタービン費用全体の２５％から４０％の間にまで達する可能性がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
かくして、従来公知である装置固有の難題の幾つか又は全てを軽減するような、或いは完全に克服するような、タービンの復熱装置を提供する特別な必要性がある。以下における本発明の開示及び好ましい実施の形態の詳細な説明を考慮すれば、当業者即ち本技術分野に精通する者又は経験を積んだ者にとって、本発明の具体的目的及び利点が明らかになるであろう。
【０００８】
それ故に、タービンサイクルの効率を最適化し、復熱装置における圧力低下を最小限に抑え、同時に、用いられる材料の量及び該復熱装置の組立てに必要な製造工程数を最小限に抑えるような、復熱装置の提供が望まれることが分かるであろう。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
第１の態様によると、タービンの復熱装置はハウジングを含む。該ハウジング内に支持部材が配置され、該支持部材とハウジングとの間に通路が形成される。該支持部材に複数の熱伝導セルが固定される。各熱伝導セルは、対向する２つの端部及び対向する２つの側部を有する波形材料のシートで形成される。このシートは、側部同士が互いに近接するようにそれ自身が折り重ねられ、側部が支持部材に固定される。端部はシールされ、熱伝導セル内にチャンバを形成する。該セルは、更に入口ヘッダ及び出口ヘッダを有する。該支持部材に複数の入口が形成され、各入口は、入口ヘッダ及びチャンバと流体連通する。該支持部材に複数の出口が形成され、各出口は、出口ヘッダ及びチャンバと流体連通する。
【００１０】
上記の開示から、当業者には、本発明は重要な進歩を提供するものであることが容易に分かるであろう。本発明のタービンの復熱装置の好ましい実施形態では、用いられる材料及び復熱装置の組立てに必要な工程を削減しながら、熱伝導を改善しまた生産性を改善することができる。ここに開示されるこれらの、及びこれらに加えて付加的な本発明の特徴及び利点は、以下の好ましい実施形態の詳細な開示から、更に理解されるであろう。
【００１１】
【発明の実施の形態】
添付図面の図は、必ずしも寸法に則っているわけではなく、本発明の原理の具体例を含んだ代表例を示すものと理解されたい。図面に描かれたタービンの復熱装置の形状の幾つかは、説明及び理解を容易にするために、他との関係で拡大され、変形されたものである。様々な代替可能な実施形態において示された類似又は同一の部品及び特徴については、図面において同じ参照番号を用いる。
【００１２】
本発明の復熱装置５０の好ましい実施の形態が、図５〜図８に示される。側縁部５４、５６及び端縁部５８、６０を有する波形材料のシート５２は、側縁部５４、５６が互いに近接するように、それ自身が折り重ねられる。シート５２は好ましくは金属であり、例えば鉄又はニッケル基合金で形成することができる。次いで、端縁部５８、６０は、好ましくは、溶接によってクリンプ加工されシールされ、側縁部５４、５６は、好ましくは、同様に溶接によって支持部材６２に固定され、熱伝導セル６３を形成する。折り重ねられたシート５２の露出縁部を有する３つの側部の全てが、該シートの残りの部分か又は支持部材６２のいずれかにシールされているので、シート５２内にチャンバ６４が形成される。複数の熱伝導セル６３は、好ましくは、支持部材６２の周囲周りに固定される。図６、図８において明らかなように、熱膨張及び熱収縮に適応させるために、熱伝導セル６３は、支持部材６２に対してその半径方向寸法に沿って湾曲させられるのが好ましい。
【００１３】
支持部材６２はハウジング６６内に配置されており、支持部材６２とハウジング６６との間に通路６７を形成する。好ましい実施の形態においては、支持部材６２及びハウジング６６は、通路６７が環形状を有するように、断面が円形であり、互いに同軸でもある。入口ヘッダ６８は支持部材６２の一方の端部に形成され、出口ヘッダ７４は支持部材６２の他方の端部に設けられる。入口ヘッダ６８は、復熱装置５０によって予熱される低温空気７０の供給部と流体連通する。支持部材６２に複数の入口７２が形成され、各入口７２は、入口ヘッダ６８とそれぞれのチャンバ６４との間に、流体連通経路を形成する。支持部材６２に複数の出口７６が形成され、各出口７６は、それぞれのチャンバ６４と出口ヘッダ７４との間に、流体連通経路を形成する。
【００１４】
使用時には、予熱される低温空気７０は、入口ヘッダ６８に流入し、入口７２を通ってチャンバ６４に流れ込む。高温のタービン排出空気７８は通路６７に入り、熱伝導セル６３の外表面を横切って流れ、冷却された排出空気７９となって通路６７を出ていく。予熱される低温空気７０がチャンバ６４を通過するときに、高温の排出空気７８から伝達された熱は、チャンバ６４内にある空気を暖めて暖かい空気８０を形成し、この空気は、出口７６を通ってチャンバ６４を出て、出口ヘッダ７４を通って復熱装置５０を出ていく。これに代えて、排出空気７８が熱伝導セル６３を通過するようにし、予熱される低温空気７０が熱伝導セル６３の外表面上を通過するようにしてもよいことが分かる。図示された実施の形態においては、高温の排出空気７８は低温空気７０の流れに対して逆方向に流れる。本発明の復熱装置は、平行配列の流れにおいても、又その他所望されるいかなる配列の流れにおいても、同様に機能するように構成できることを理解されたい。
【００１５】
その端部に沿ってシールされた波形金属の単一部品である熱伝導セル６３を形成することによって、該セルを形成するのに用いられる材料の量が削減され、相当な経費削減になるだけでなく、復熱装置を組立てる際の、熱伝導セルを製作するのに必要な製造工程数の削減にもなる利点がある。熱伝導セル６３の波形表面は、ある種の先行技術の復熱装置の設計に見られる平坦な表面に比べ、より大きな表面積を提供することになるため、高温のタービン排出空気から予熱される低温空気への熱伝導が、最適化される。本発明の構造はまた、先行技術の復熱装置の幾つかと比較すると、該復熱装置における全体的な圧力低下を抑えることができる利点がある。僅かな部品によるこうした単純構造を提供することによって、本発明の復熱装置は、部品の大量製造及び標準化に、十分に適うものとなり、製造及び在庫費用を削減する。
【００１６】
上記で開示した実施形態の復熱装置は、熱伝導セルが中心の支持部材から半径方向外向きに延びるものである。本発明による復熱装置のその他の構成も、本発明の特許請求の範囲内に含まれると考えられたい。支持部材及びハウジングは、その他の形状、例えば長方形を有することが可能である。ある好ましい実施形態においては、マイクロタービンを復熱装置で取り囲み、熱損失及び圧力低下を最小限に抑える。他の好ましい実施形態においては、復熱装置を本体の外に配置して、即ちマイクロタービンとは切り離して、必要な導管又は配管によってのみ、それに接続することが可能である。
【００１７】
好ましい実施の形態に関連させて本発明を記載してきたが、本発明の技術的範囲から逸脱することなく、様々な変形を加えることができ、またその要素を均等物に置き換えることができることは、当業者には明らかであろう。更には、本発明の教示に従い、本発明の本質的な技術的範囲から逸脱することなく、特定の状況又は材料に適応させるように、多くの変更をすることができる。したがって、本発明は、この発明を実施するように考慮された最良態様として開示した具体的な実施の態様に限定されるのではなく、添付した特許請求の範囲の技術的範囲に含まれる全ての実施態様を含むことを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】先行技術の復熱装置設計の端面図。
【図２】図１の先行技術の復熱装置の低温セルの斜視図。
【図３】図１の先行技術の復熱装置の高温セルの斜視図。
【図４】部分的に組立てられた状態で示す、別の先行技術の復熱装置設計の斜視図。
【図５】本発明の復熱装置の熱伝導セルを形成するようにそれ自体が折り重ねられた波形金属シートの斜視図。
【図６】本発明の復熱装置の端面図。
【図７】図６のＡ−Ａ線に沿う、図６の復熱装置の断面図。
【図８】図６の復熱装置を一部を破断して示した断面斜視図。
【符号の説明】
５０復熱装置
５２シート
５４、５６側縁部
５８、６０端縁部
６２支持部材
６３熱伝導セル
６４チャンバ
６６ハウジング
６７通路
６８入口ヘッダ
７０低温空気
７２入口
７４出口ヘッダ
７６出口
７８排出空気
７９冷却された排出空気
８０暖かい空気

Claims

ハウジング（６６）と、
該ハウジング（６６）内に配置され、該ハウジング（６６）との間に通路（６７）を形成する支持部材（６２）と、
対向する２つの端部（５８、６０）及び対向する２つの側部（５４、５６）を有し、該側部（５４、５６）が互いに近接するようにそれ自体が折り重ねられ、該側部（５４、５６）が前記支持部材（６２）に固定され、前記端部（５８、６０）がシールされて、チャンバ（６４）を形成するようになった波形材料のシート（５２）を各々が含み、前記支持部材（６２）に固定された複数の熱伝導セル（６３）と、
入口ヘッダ（６８）と、
各々が前記入口ヘッダ（６８）及び前記チャンバ（６４）と流体連通する、前記支持部材（６２）に形成された複数の入口（７２）と、
出口ヘッダ（７４）と、
各々が前記出口ヘッダ（７４）及び前記チャンバ（６４）と流体連通する、前記支持部材（６２）に形成された複数の出口（７６）と、
を組み合わせて含むことを特徴とするタービンの復熱装置。
前記チャンバ（６４）が、予熱される空気が通過する低温セル（６３）を形成することを特徴とする、請求項１に記載のタービンの復熱装置。
前記ハウジング（６６）が円筒形断面を有することを特徴とする、請求項１に記載のタービンの復熱装置。
前記支持部材（６２）が円筒形断面を有し、前記ハウジング（６６）に対し同軸に延びることを特徴とする、請求項３に記載のタービンの復熱装置。
前記熱伝導セル（６３）が、その半径方向寸法に沿って、前記支持部材（６２）に対して湾曲していることを特徴とする、請求項４に記載のタービンの復熱装置。
前記入口ヘッダ（６８）から前記入口（７２）、前記チャンバ（６４）及び前記出口ヘッダ（７４）を経て、前記出口ヘッダ（７４）に通る低温空気（７０）の流れと逆方向に、高温の排気空気（７８）の流れを与えるように、前記通路（６７）が構成されることを特徴とする、請求項１に記載のタービンの復熱装置。
前記波形材料（５２）が金属であることを特徴とする、請求項１に記載のタービンの復熱装置。
前記側部（５４、５６）が前記支持部材（６２）に溶接されていることを特徴とする、請求項７に記載のタービンの復熱装置。
前記端部（５８、６０）を互いに溶接して、シールを形成することを特徴とする、請求項７に記載のタービンの復熱装置。
前記波形材料（５２）が鉄であることを特徴とする、請求項１に記載のタービンの復熱装置。
前記波形材料（５２）がニッケル基合金であることを特徴とする、請求項１に記載のタービンの復熱装置。
円筒形ハウジング（６６）と、
該ハウジング（６６）内に同軸に配置され、高温の排気空気（７８）が通過する環状通路（６７）を前記ハウジング（６６）との間に形成する円筒形支持部材（６２）と、
対向する２つの端部（５８、６０）及び対向する２つの側部（５４、５６）を有し、該側部（５４、５６）が互いに近接するようにそれ自体が折り重ねられ、該側部（５４、５６）が前記支持部材（６２）に固定され、前記端部（５８、６０）がシールされて、チャンバ（６４）を形成するようになった波形材料のシート（５２）を各々が含み、前記支持部材（６２）に固定された複数の熱伝導セル（６３）と、
入口ヘッダ（６８）と、
各々が前記入口ヘッダ（６８）及び前記チャンバ（６４）と流体連通して予熱される低温空気（７０）を前記チャンバ（６４）に導入する、前記支持部材（６２）に形成された複数の入口（７２）と、
出口ヘッダ（７４）と、
各々が前記出口ヘッダ（７４）及び前記チャンバ（６４）と流体連通する、前記支持部材（６２）に形成された複数の出口（７６）と、
を組み合わせて含むことを特徴とするタービンの復熱装置。
前記熱伝導セル（６３）が、その半径方向寸法に沿って、前記支持部材（６２）に対して湾曲していることを特徴とする、請求項１２に記載のタービンの復熱装置。
前記波形材料（５２）が金属であることを特徴とする、請求項１１に記載のタービンの復熱装置。
前記波形材料（５２）が鉄であることを特徴とする、請求項１１に記載のタービンの復熱装置。
前記波形材料（５２）がニッケル基合金であることを特徴とする、請求項１１に記載のタービンの復熱装置。