JP2010048546A

JP2010048546A - ディンプル及びセレーション成形フィン付きチューブ構造

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Publication number: JP2010048546A
Application number: JP2009188180A
Authority: JP
Inventors: Hua Zhang; ファ・ザン; Sal Albert Leone; サル・アルバート・レオン; Thomas Francis Taylor; トーマス・フランシス・テイラー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-08-19
Filing date: 2009-08-17
Publication date: 2010-03-04
Also published as: DE102009026401A1; US20100043442A1; CN101655035A

Abstract

【課題】ターボ機械の排気（２２）の熱エネルギー伝達のためのフィン付きチューブ（３２）の提供。
【解決手段】フィン付きチューブ（３２）は、ターボ機械の排気（２２）流の中に配置し得るチューブと、該チューブの外表面（４６）から延びる複数のフィン（４４）とを含む。各フィン（４４）は、セレーション（４８）で分離された複数の隣接フィンセグメント（５０）を含む。複数のフィンセグメント（５０）の１以上のフィンセグメント（５０）は、その上に１以上のディンプル（５６）を含む。１以上のディンプル（５６）は、１以上のフィンセグメント（５０）上を流れる排気（２２）流の乱流を増加させかつ該１以上のフィンセグメント（５０）の表面積（５２）を増大させ、それによってフィン付きチューブ（３２）の熱エネルギー伝達能力を高める。
【選択図】図１

Description

本主題発明は、ターボ機械に関する。より具体的には、本主題発明は、複合サイクル発電プラントにおける排気ガスの熱伝達に関する。

複合サイクル発電プラント（ＣＣＰＰ）又は複合サイクルガスタービン（ＣＣＧＴ）プラントでは、発電機からのつまり一般的にはガスタービンからの出力を利用して、発電している。ガスタービンは、発電機では利用されない過剰な熱を発生するので、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）を使用して、ガスタービンからの過剰な熱を蒸気タービンに伝達し、蒸気タービンにおいて付加的な電気を発電し、従ってＣＣＰＰによる発電の全体効率を高めている。

過剰な熱をタービンが使用可能なエネルギーに転換するために、例えば水のような流体を含む導管が、ガスタービンの排気経路内に配置される。導管つまりフィン付きチューブは一般的に、チューブ部分から延びて該チューブ部分の熱伝達能力を高める複数のフィンを有する。さらに、フィンは、該フィンの表面積を増大させかつフィン付きチューブの熱伝達能力を高めるためにセレーション（鋸歯状切欠き）成形されることが多い。流体は、蒸発して蒸気になり、この蒸気により、蒸気タービンが駆動される。

米国特許出願公開第２００４／００４５２９４号明細書米国特許出願公開第２００７／０２３４７０４号明細書

ＨＲＳＧの性能を高めかつ該ＨＲＳＧのコストを低減するように熱伝達率を向上させたフィン付きチューブは、本技術分野では良好に受入れられることになるであろう。

本発明の１つの態様によると、ターボ機械の排気の熱エネルギー伝達のためのフィン付きチューブは、ターボ機械の排気流の中に配置し得るチューブと、該チューブの外表面から延びる複数のフィンとを含む。各フィンは、セレーションによって分離された複数の隣接フィンセグメントを含む。複数のフィンセグメントの１以上のフィンセグメントは、その上に１以上のディンプルを含む。１以上のディンプルは、１以上のフィンセグメント上を流れる排気流の乱流を増加させかつ該１以上のフィンセグメントの表面積を増大させ、それによってフィン付きチューブの熱エネルギー伝達能力を高める。

本発明の別の態様によると、複合サイクル発電プラントは、ガスタービンと、蒸気タービンと、ガスタービンの排気流の中に配置された複数のフィン付きチューブとを含む。複数のフィン付きチューブは、蒸気タービンと流体連通しており、かつ排気流からの熱エネルギーを該複数のフィン付きチューブ内に配置された流体に伝達し、それによって該蒸気タービンを駆動する蒸気を発生させることができる。複数のフィン付きチューブの各フィン付きチューブは、チューブと、該チューブの外表面から延びる複数のフィンとを含む。複数のフィンの各フィンは、セレーションによって分離された複数の隣接フィンセグメントを含む。複数のフィンセグメントの１以上のフィンセグメントは、その上に１以上のディンプルを含む。１以上のディンプルは、１以上のフィンセグメント上を流れる排気流の乱流を増加させかつ該１以上のフィンセグメントの表面積を増大させ、それによって複数のフィン付きチューブの熱エネルギー伝達能力を高める。

本発明のさらに別の態様によると、複合サイクル発電プラントを運転する方法は、ガスタービンの作動により一次発電機に動力供給するステップと、ガスタービンの排気経路内に配置された複数のフィン付きチューブ横切ってガスタービンの排気を流すステップとを含む。複数のフィン付きチューブの各フィン付きチューブは、チューブと、該チューブの外表面から延びる複数のフィンとを含む。複数のフィンの各フィンは、セレーションによって分離された複数の隣接フィンセグメントを含む。複数のフィンセグメントの１以上のフィンセグメントは、その上に１以上のディンプルを含む。１以上のディンプルは、１以上のフィンセグメント上を流れる排気流の乱流を増加させかつ該１以上のフィンセグメントの表面積を増大させ、それによって複数のフィン付きチューブの熱エネルギー伝達能力を高める。本方法はさらに、複数のフィン付きチューブ内に含まれる多量の流体を蒸気に蒸発させるステップと、その蒸気で蒸気タービンを駆動するステップと、蒸気タービンの作動により二次発電機に動力供給するステップとを含む。

これらの及びその他の利点並びに特徴は、図面に関連してなした以下の説明から一層明らかになるであろう。

本発明と見なされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲において具体的に指摘しかつ明確に特許請求している。本発明の上記の及びその他の目的、特徴並びに利点は、添付図面に関連してなした以下の詳細な説明から明らかである。

複合サイクル発電プラントの概略図。フィン付きチューブの実施形態の断面図。フィン付きチューブの別の実施形態の平面図。図２又は図３のフィン付きチューブの断面図。図２又は図３のフィン付きチューブの別の断面図。

以下の詳細な説明は、図面を参照しながら実例によって、本発明の実施形態をその利点及び特徴と共に説明する。

図１に示すのは、複合サイクル発電プラント（ＣＣＰＰ）１０の概略図である。ＣＣＰＰ１０は、ガスタービン１２を含む。ガスタービン１２は、空気を加圧しかつその加圧空気を１以上の燃焼器１６に送給する圧縮機１４を含み、燃焼器１６において、加圧空気は、燃料と混合されかつ点火燃焼される。燃焼過程の高温ガス生成物は、タービン１８に流れ、タービン１８は、高温ガスから仕事を抽出して、電力を出力する一次発電機２０を駆動する。タービン１８を通って流れた後に、高温ガスつまり排気２２は、排気ダクト２４を通って排気筒２６に向かって流れて大気中に放出される。

ＣＣＰＰ１０は、１以上の蒸気タービン３０によって駆動される二次発電機２８を含む。１以上の蒸気タービン３０は、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）を介して排気２２から伝達されたエネルギーによって動力供給される。ＨＲＳＧは、少なくともその一部分が排気経路内に配置された複数のフィン付きチューブ３２を含む。図１の実施形態に示すように、複数のフィン付きチューブ３２は、排気ダクト２４内に配置される。しかしながら、他の実施形態では、複数のフィン付きチューブ３２は、その他の位置、例えば排気筒２６内に或いは排気ダクト２４及び排気筒２６の両方内に配置することができる。図１に示すような幾つかの実施形態では、複数のフィン付きチューブ３２は、複数の相互連結長さが排気ダクト２４内に配置された状態になったコイル状構成として配置される。多量の流体、幾つかの実施形態では水が、複数のフィン付きチューブ３２内に配置される。排気２２が複数のフィン付きチューブ３２を横切って流れると、排気２２からの熱は、複数のフィン付きチューブ３２内に含まれた流体に伝達されかつ該流体を蒸気に蒸発させる。複数のフィン付きチューブ３２は、１以上のタービン導管３６を介して１以上の蒸気タービン３０に作動可能に連結される。蒸気は、１以上のタービン導管３６を介して１以上の蒸気タービン３０に流れ、該１以上の蒸気タービン３０により二次発電機２８を駆動する。幾つかの実施形態では、蒸気は、１以上の蒸気タービン３０から復水器３８に流れ、復水器３８は、蒸気を液体に凝縮させる。この液体は、１以上のポンプ４２によって１以上の流入導管４０を介して複数のフィン付きチューブ３２に強制的に送られる。

図２に示すように、複数のフィン付きチューブ３２の各フィン付きチューブ３２は、該複数のフィン付きチューブ３２の各フィン付きチューブ３２の外表面４６から外向きに延びる複数のフィン４４を含む。複数のフィン４４の各フィン４４は、該各フィン４４を幾つかのフィンセグメント５０に分割する複数のセレーション４８つまりギャップを含む。複数のセレーション４８は、複数のフィン付きチューブ３２を通過する流量の増加を可能にし、また熱伝達率を増大させることによって排気２２から複数のフィン付きチューブ３２への熱伝達の効率を高める。複数のフィン４４は、排気２２に曝されるフィン付きチューブ３２の表面積を増大させるように構成されかつ配置される。図２の実施形態では、複数のフィン４４は、各フィン付きチューブ３２の周りに螺旋状構成として配置される。しかしながら、各フィン付きチューブ３２における複数のフィン４４は、別の構成として配置することができる。図３に示すような別の実施形態では、複数のフィン４４は、フィン表面５２がフィン付きチューブ軸線５４に略平行にフィン付きチューブ３２に沿って長手方向に延びるように、各フィン付きチューブ３２に配置される。

図４に示すように、複数のフィン４４はさらに、該フィン４４の少なくとも１つ上に配置された複数のディンプル５６を含む。図４に示すような複数のディンプル５６は、その形状が略凹状である。図５に示すような別の実施形態では、複数のディンプル５６は、１つの側面上では凹状でありかつ反対側面上では凸状である。幾つかの実施形態では、複数のディンプル５６は、略円形であり、かつ約０．０１インチ〜約０．２２４インチの範囲、別の実施形態では約０．０５インチ〜約０．１２４インチの範囲の直径５８を有する。さらに、複数のディンプル５６は、約０．０１インチ〜約０．２インチの範囲、別の実施形態では約０．０２インチ〜約０．１インチの範囲の深さ６０を有する。本明細書に列記した直径５８及び深さ６０は単なる例示であること、また直径５８及び深さ６０のその他の範囲も本開示の技術的範囲内であることを意図していることを理解されたい。複数のディンプル５６は、複数のセレーション４８と組合せて構成されかつ配置されて、複数のフィン付きチューブ３２を通過する排気２２流内の乱流を増加させる。乱流の増加により、複数のフィン４４の熱伝達率が増大し、それによって複数のフィン付きチューブ３２の熱伝達能力が高まる。

さらに、複数のディンプル５６を備えた複数のフィン付きチューブ３２は、ディンプルなしのフィン付きチューブよりも大きな表面積を有する。複数のディンプル５６を付加することによって得られた表面積の増大は、複数のフィン付きチューブ３２の総熱伝達面積を増加させ、それによって複数のフィン付きチューブ３２の熱伝達能力をさらに高める。

限られた数の実施形態のみに関して本発明を詳細に説明してきたが、本発明がそのような開示した実施形態に限定されるものではないことは、容易に理解される筈である。むしろ、本発明は、これまで説明していないが本発明の技術思想及び技術的範囲に相応するあらゆる多数の変形形態、変更形態、代替形態又は均等な構成を組込むように修正することができる。加えて、本発明の様々な実施形態を説明してきたが、本発明の態様は、記載した実施形態の幾つかだけを含むことができることを理解されたい。従って、本発明は、前述の説明によって限定されると見なすべきではなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。

１０複合サイクル発電プラント（ＣＣＰＰ）
１２ガスタービン
１４圧縮機
１６燃焼器
１８タービン
２０発電機
２２排気
２４排気ダクト
２６排気筒
２８二次発電機
３０蒸気タービン
３２フィン付きチューブ
３４相互連結長さ
３６タービン導管
３８復水器
４０流入導管
４２ポンプ
４４フィン
４６外表面
４８セレーション
５０フィンセグメント
５２フィン表面
５４フィン付きチューブ軸線
５６ディンプル
５８直径
６０深さ

Claims

ターボ機械の排気（２２）の熱エネルギー伝達のためのフィン付きチューブ（３２）であって、当該フィン付きチューブ（３２）が、
前記ターボ機械の排気（２２）流の中に配置し得るチューブと、
前記チューブの外表面（４６）から延びる複数のフィン（４４）と
を含んでおり、
前記複数のフィン（４４）の各フィン（４４）が複数のフィンセグメント（５０）を含み、
前記複数のフィンセグメント（５０）の隣接フィンセグメント（５０）がセレーション（４８）によって分離され、
前記複数のフィンセグメント（５０）の１以上のフィンセグメント（５０）がその上に１以上のディンプル（５６）を含み、
前記１以上のディンプル（５６）が、前記１以上のフィンセグメント（５０）上を流れる排気（２２）流の乱流を増加させかつ該１以上のフィンセグメント（５０）の表面積（５２）を増大させ、それによって該フィン付きチューブ（３２）の熱エネルギー伝達能力を高める、フィン付きチューブ（３２）。
前記複数のフィン（４４）が、該フィン付きチューブ（３２）の周辺部の周りに略螺旋状パターンとして配置される、請求項１記載のフィン付きチューブ（３２）。
前記複数のフィン（４４）が、該フィン付きチューブ（３２）に沿って略長手方向に延びる、請求項１記載のフィン付きチューブ（３２）。
前記複数のディンプル（５６）の１以上のディンプル（５６）が、略円形である、請求項１記載のフィン付きチューブ（３２）。
ガスタービン（１２）と、
蒸気タービン（３０）と、
前記ガスタービン（１２）の排気（２２）流の中に配置され、前記蒸気タービン（３０）と流体連通しており、かつ該排気（２２）流からの熱エネルギーをその中に配置された流体に伝達し、それによって該蒸気タービン（３０）を駆動する蒸気を発生することができる複数のフィン付きチューブ（３２）と
を含む複合サイクル発電プラント（１０）であって、
前記複数のフィン付きチューブ（３２）の各フィン付きチューブが、チューブと、前記チューブの外表面（４６）から延びる複数のフィン（４４）とを含んでおり、
前記複数のフィン（４４）の各フィン（４４）が複数のフィンセグメント（５０）を含み、
前記複数のフィンセグメント（５０）の隣接フィンセグメント（５０）がセレーション（４８）によって分離され、
前記複数のフィンセグメント（５０）の１以上のフィンセグメント（５０）が、その上に１以上のディンプル（５６）を含み、
前記１以上のディンプル（５６）が、前記１以上のフィンセグメント（５０）上を流れる排気（２２）流の乱流を増加させかつ該１以上のフィンセグメント（５０）の表面積（５２）を増大させ、それによって前記複数のフィン付きチューブ（３２）の熱エネルギー伝達能力を高める、複合サイクル発電プラント（１０）。
前記複数のフィン付きチューブ（３２）がコイル状構成として配置される、請求項５記載の複合サイクル発電プラント（１０）。
前記複数のフィン（４４）が、前記複数のフィン付きチューブ（３２）の１以上のフィン付きチューブ（３２）の周辺部の周りに略螺旋状パターンとして配置される、請求項５記載の複合サイクル発電プラント（１０）。
前記複数のフィン（４４）が、前記複数のフィン付きチューブ（３２）の１以上のフィン付きチューブ（３２）に沿って略長手方向に延びる、請求項５記載の複合サイクル発電プラント（１０）。
前記複数のディンプル（５６）の１以上のディンプルが略円形である、請求項５記載の複合サイクル発電プラント（１０）。
前記ガスタービン（１２）からの出力が一次発電機（２０）を駆動する、請求項５記載の複合サイクル発電プラント（１０）。