JP2013519824A - ガスタービンの吸気システムのコイル構造及びその方法 - Google Patents

Abstract

ガスタービンの吸気システムであって、入口構造と気流連通する１つ以上のコイルを含む。各コイルは、その他のコイルの２０％以内の上流側面速度をそれぞれ有するように構成され、配列される。各コイルは、そのコイルを通過して搬送される所定の温度範囲の作動流体と、互いに離間した複数のフィンとを利用する。隣接するフィンの間を通過して空気がコイルを通過するように、フィンは互いに離間して配置される。コイルのうち少なくとも１つのコイルは、他のコイルの１インチ当たりのフィン数とは異なる１インチ当たりのフィン数を有する。あるいは、各コイルは、その少なくとも一部が、そのコイルの他の部分よりも１インチ当たりのフィン数が少ない又は多い。

Description

本願は、米国以外の全ての指定国に対する出願人を米国国内企業のDonaldson Company, Inc.としたＰＣＴ国際特許出願であり、米国を指定国とした出願人は、米国国民であるベザット、セオドア、フィリップである。本願は、２０１０年２月１５日出願の米国特許仮出願第６１／３０４，６０２号の優先権を主張する。

本発明は、ガスタービンの吸気システムに関する。特に、本発明は、ガスタービンの吸気システムにおいて使用するための改良された加熱コイル構造又は冷却コイル構造及びその方法に関する。

ガスタービンは、通常定容積の機械である。ガスタービンは、動作速度で圧縮機部分を介して一定の体積の空気を引き込む。空気の密度が高くなると、体積が同一であっても質量は大きくなるので、タービンの質量流量は増加する。空気を冷却することにより空気の密度は高くなるので、タービンは、より大きな質量流量で動作し、より大きな出力を発生する。しかし、環境条件によっては、空気の温度が低くなりすぎた場合、タービンで空気を使用するために空気を加熱する必要がある。更に別の用途では、高湿度の環境で、同時に空気の温度が凝固点に近くなりすぎた場合、ベルマウスの氷結の危険を低減するために空気を加熱しなければならない。

空気を冷却又は加熱するために、コイルを使用可能である。冷却する場合、各コイルは冷却コイルとも呼ばれる。加熱する場合、各コイルは加熱コイルと呼ばれる。

空気がガスタービンへ搬送される前に空気の温度に影響を与えるために、ガスタービン吸気システムが使用されている。通常、吸気システムは濾過システムの下流側でコイルを利用する。冷却コイルは、空気の露点より低い温度まで空気を冷却する場合もあり、ほぼ完全に飽和した空気を発生する。冷却コイルの下流側には、コイルから放出された凝縮液が小滴として空気に侵入するキャリーオーバーとして知られる現象を防止する装置が配置される。加熱コイルは、空気を加熱することにより相対湿度を低下させる。

ガスタービンの吸気システムは、吸気口から発電装置に至る気流ダクトまでの間に非対称形の移行出口を有する場合が多い。改良が望まれる。

ガスタービンの吸気システムは、入口構造と気流連通する複数のコイルを含む。各コイルは、その他のコイルの面速度の２０％以内に入る上流側面速度をそれぞれ有するように構成され、配置される。

各コイルは、そのコイルを通過して搬送される所定の温度範囲の作動流体と、互いに離間した複数のフィンとを利用する。隣接するフィンの間を空気が流れて空気がコイルを通過するように、フィンは互いに離間して配置される。コイルのうち少なくとも１つのコイルは、その他のコイルの１インチ当たりのフィン数とは異なる１インチ当たりのフィン数を有する。

一実現形態において、コイルは、吸気システムの頂部から吸気システムの底部まで垂直に配列される。吸気システムの頂部のコイルは、吸気システムの底部のコイルとは異なる１インチ当たりのフィン数を有する。

コイルは、入口構造の上流側又は下流側のいずれかに配置される。

別の態様において、ガスタービンの空気の熱含量を変化させる方法は、入口構造を通過させて空気を取り込むことを含む。空気の熱含量に影響を与えるために、空気は、入口構造と気流連通する複数のコイルの互いに離間して配置されたフィンを通過して搬送される。コイルのうち少なくとも１つのコイルは、その他のコイルの１インチ当たりのフィン数とは異なる１インチ当たりのフィン数を有する。更に、ガスタービンにより使用するために、空気を出口ダクトへ搬送する工程がある。コイルは、入口構造の上流側又は下流側のいずれかに配置される。

一例において、それぞれ異なるフィン搭載密度を有する領域を各々が含むコイルを使用する方法が適用される。コイルは、典型的なコイル組み立て方法を使用して構成されるが、コイルのフィン長さに渡ってフィン搭載密度は均一ではなく、この方法が適用されるシステムの空気流路により判定される段階ごとに変動するという点で異なる。気流速度が高くなると考えられる領域では高いフィン搭載密度が使用され、気流速度が遅くなると考えられる領域では低いフィン搭載密度が使用される。

別の態様において、ガスタービンの吸気システムを改造する方法が提供される。吸気システムは、濾過システムを保持する空気入口構造と、濾過システムの下流側の出口ダクトと、濾過システムと出口ダクトとの間の出口移行ダクトとを含む。出口ダクトの中心軸は、濾過システムの中心軸と整列していない。方法は、出口移行ダクトの上流側に空気入口構造と気流連通する１つ以上の（例えば、１つ又は複数の）コイルを挿入することを含む。各コイルは、そのコイルを通過して搬送される所定の温度範囲の作動流体と、互いに離間した複数のフィンとを利用する。空気が隣接するフィンの間を通過して空気がコイルを通過するように、フィンは互いに離間して配置される。コイルのうち少なくとも１つのコイルは、その他のコイルの１インチ当たりのフィン数とは異なる１インチ当たりのフィン数を有する。

１つの方法において、動作中、各コイルからの空気がその他のコイルの面速度の２０％以内の所期の上流側面速度をそれぞれ有するようにコイルを配列する工程が含まれる。

コイルは、入口構造の上流側又は下流側のいずれかに配置される。

尚、本明細書の開示に従ったいくつかの選択された利点を有する構成を実現するために、本明細書において説明される特定の特徴のすべてが１つの構成に組み込まれる必要はない。

図１は、本発明の原理に従って構成されたガスタービンの吸気システムの第１の実施形態を示す概略側面図である。 図２は、図１の吸気システムで利用されるコイルの一実施形態を示す概略斜視図である。 図３は、図１の吸気システムで利用されるコイルの別の実施形態を示す概略斜視図である。 図４は、本発明の原理に従って構成された吸気システムの別の実施形態を示す概略側面図である。 図５は、本発明の原理に従って構成された吸気システムの別の実施形態を示す概略平面図である。 図６は、本発明の原理に従って構成されたガスタービンの吸気システムの別の実施形態を示す概略平面図である。 図７は、本発明の原理に従って構成された吸気システムの別の実施形態を示す概略側面図である。 図８は、本発明の原理に従って構成されたガスタービンの吸気システムの別の実施形態を示す概略平面図である。 図９は、本発明の原理に従って構成されたガスタービンの吸気システムの別の実施形態を示す概略側面図である。 図１０は、本発明の原理に従って構成されたガスタービンの吸気システムの別の実施形態を示す概略平面図である。

Ａ．既存の構成の問題点
吸気システムから出口ダクトに至る出口移行構造は、加熱コイルシステム又は冷却コイルシステムに適さない場合が多い。加熱コイルシステム又は冷却コイルシステム、代表的には空気を冷却するための冷却システムでは、気流の分散が不足するために面における速度が変動する場合が多い。この変動によって出口温度に差が生じる。下流側では混合がほとんど起こらないので、その温度差は、出口温度の均一性に関するシステムの仕様を超えるほどになる。これに加え、コイルの面速度の局所的な変動は、場合によっては、コイルのフィンが気流の中へ水滴を滴下させる現象（「キャリーオーバー」又は「ドリフト」）を大幅に悪化させる。従来、この問題に対処するために採用されてきた方法として、対称形の出口移行部分を使用する構成があるが、そのような構成では、垂直配管長の増加が必要となり、非常に大きな追加費用が見込まれる。あるいは、出口移行領域を延長するという方法もあるが、これも同様に非常に大きなコスト増につながる。従来使用されている別の方法は、コイルの出口領域の付近に穴あき板を配置する。しかし、この方法は、システム全体の圧力降下を増加させるので、望ましくない。

必要とされているのは、速度プロファイルを均一にし、出口温度を均一にし、システム全体の圧力降下に与える影響が最小限に抑えられた吸気システムである。

Ｂ．問題を解決する方法及び図１〜図１０
各コイルは複数のフィンを利用する。従来、加熱コイルシステム又は冷却コイルシステムを構成するコイル列内のすべての個々のコイルは、通常１インチ当たり同一数のフィンを使用してきた。均一な速度プロファイルを実現できれば、均一な出口温度が得られる。これをシステムの圧力降下にほとんど影響を与えずに実現できることが望ましい成果である。個々のコイルの１インチ当たりのフィン数を調整することにより、圧力降下に影響を与えずに均一な面速度と、均一な出口温度とを実現するように、吸気システムに個々のコイルを配列できる。すなわち、速度が速くなる冷却コイルシステムの領域では、１インチ当たりのフィン数が増加され、面速度が遅い冷却コイルシステムの領域では、１インチ当たりのフィン数が減らされる。これにより、コイルは、冷却コイルシステム全体にわたり均一な速度プロファイルが得られるように配列される。

図１は、ガスタービンの吸気システム１０の第１の実施形態を示す。吸気システム１０は、ガスタービンにより使用される空気を取り込む向きに配置された入口構造１２を含む。図示される実施形態において、入口構造１２は、複数の入口フード１４と、濾過システム１６とを含む。一般に、吸気システム１０は、点検用モジュール１８と、ドリフトモジュール４８とを含む。ドリフトモジュール４８は、コイルと、ドリフト除去要素、排水受け皿などの他の構成要素とを支持し、保持する。

濾過システム１６は、空気がガスタービンに取り入れられる前に空気から異物又はごみ又は他の微粒子を除去するために利用される種々の種類のエアフィルタを含む。図示される実施形態において、濾過システム１６のフィルタエレメント２０は、想像線で示され、円錐形エレメント２４に軸方向に当接する円筒形エレメント２２の形態を有する。限定されないが、一例として、フィルタエレメント２０は襞付きセルロースから形成される。適切なエレメントは、本出願の譲受人であるミネソタ州ブルーミントンのDonaldson Company社から入手可能である。フィルタエレメント２０は、管状シート２６に当接するように配列される。通常、フィルタエレメント２０は管状シート２６に対して密封されるので、フィルタエレメント２０は汚染空気ボリューム２８の中に装着されるが、管状シート２６の他方の側の空気は清浄空気ボリューム３０である。フィルタエレメントは、汚染空気ボリューム２８を清浄空気ボリューム３０から分離する。

他の実施形態において、フィルタエレメント２０は、本明細書に参考として全内容が取り入れられている米国特許第７，２８２，０７５号公報に記載される要素のようなｚ媒体から形成された要素である。

濾過システム１６の下流側に点検用モジュール１８が配置される。点検用モジュール１８は、フレーム構造を含み、保守点検のためにコイルの上流側に担当者が立ち入り可能なスペースを形成すると共に、構造を支持する。通常、点検用モジュール１８は、個別のコイルの上流側で作業を実施する際のプラットフォームを形成するために使用される足場のような部材を挿入できるようにするための支え又は他の構造を含む。

コイル構造３４は濾過システム１６と気流連通する。本実施形態において、コイル構造３４は濾過システム１６の下流側に位置するものとして図示される。コイル構造３４は、入口構造１２から下流側のガスタービンまで空気が流通する間に空気中の熱の量に影響を与えるように（温度を下降させる又は上昇させることにより）構成され、配置される。コイル構造は複数のコイル３６を含む。本実施形態において、コイル３６は、入口構造１２の下流側にあり、入口構造１２から空気を受け取り、その空気の温度に影響を与えるように構成され、配置される。

一実施形態において、各コイル３６は、そのコイルを通過して搬送される所定の温度範囲の作動流体を利用する。図２と図３に注目する。コイルの例示的な一実施形態が図中符号３６により示される。本実施形態において、コイル３６はフレーム３８を含み、フレーム３８は、フレーム３８により保持され且つフレーム３８を貫通する配管４０を有する。本実施形態において、フレーム３８は矩形の箱形として示される。配管４０は、概略的に示され、配管４０を介して作動流体を搬送するために他の機器と流体連通する。例えば、作動流体は、貯蔵タンクに貯留され、ポンプにより制御される適切な凍結防止剤を含む水である。作動流体混合物は、水と、
−防食エチレングリコール溶液
−防食プロピレングリコール溶液
−防食蟻酸溶液
−防食アルコール溶液
との混合物を含むが、それらに限定されない。本明細書において、「防食」という用語は、コイル配管の内面の腐食を防止するための市販の腐食防止剤の包装済み溶液を表す。作動流体は、それらの腐食防止剤を含有する必要はないが、腐食防止剤は、当該技術では周知である。

図示される配管は１本であるが、通常、作動流体は複数の配管を介して個々のコイルを通るように搬送される。

作動流体は、配管４０を介して各コイル３６を通って搬送される。通常、作動流体は、流入する空気に対して所望の効果を得るために調整された所定の温度範囲を有する。コイル３６が搬送する熱の量を変化させるために、所定の温度範囲を有する作動流体は、配管４０を通過して搬送される。

詳細には、本実施形態において、各コイル３６は、複数の互いに離間して配置されたフィン４２を含む。フィン４２は、コイル３６のフレーム３８の中に保持される。空気が隣接するフィン４２の間を通過して空気がコイル３６を通過するように、フィン４２は、互いに対して離間して配置される。通常、配管４０はフィン４２と接触しており、配管４０を介して作動流体が搬送される間、作動流体は、フィン４２の温度に影響を与える。フィン４２の温度は、フィン４２の間を通過している空気の流れに含まれる熱の量に影響を与える。コイル３６から空気へ伝達される熱と、コイル３６を通過している空気が受ける圧力降下の双方は、１インチ当たりのフィン４２の数により非常に大きな影響を受ける。

本発明の原理によれば、吸気システム１０には１つ又は２つ以上の（複数の）コイル３６がある。コイル３６のうち少なくとも１つのコイルは、その他のコイル３６の１インチ当たりのフィン４２の数とは異なる１インチ当たりのフィン４２の数を有する。あるいは、コイル３６のうち１つ以上のコイルは、１つのコイル３６のセグメントの中でそれぞれ異なるフィン密度を有するように構成される。あるいは、それら２つの異なるコイル構造の組み合わせが使用される。コイル３６の１インチ当たりのフィン４２の数を変えることにより、特に、各コイル３６への流入時の上流側面速度を均一にすることができ、その結果、各コイル３６の面速度をそれぞれ他のコイル３６の２０％以内におさめられるという利点が得られる。これは、吸気システム１０全体の総圧力降下に影響を与えずに均一な出口温度を実現するのに効果的である。

図２と図３とを比較すると、図２のコイル３６の１インチ当たりのフィン４２の数は、図３のコイル３６より多いことがわかる。多くの例示的な実施形態において、各コイル３６の高さは約５〜７フィートであり、長さは３６０インチ以下である。これとは異なる大きさも可能である。標準的なコイル３６の場合、通常、１インチ当たりのフィン数は約８である。本発明の原理を適用する場合、通常、フィン４２の密度は、１インチ当たり４〜１１枚である。

再び図１を参照すると、本実施形態において、コイル３６は、吸気システム１０の底部４４から吸気システム１０の頂部４６に至るまで積み重ねられた垂直のコイル列として配列される。フィン４２は、吸気システム１０を垂直に貫通する。他の実施形態も可能であり、それらの実施形態については後に詳細に説明する。

図１の実施形態において、コイル構造３４の下流側にドリフトモジュール４８が配置される。「ドリフト」という用語は、空気により小滴の形で搬送される水分を表す。ドリフトモジュール４８は、水滴の形のキャリーオーバーがガスタービンに到達することを防止するのに有用である。そのようなドリフトモジュールは、当該技術分野では周知である。吸気システム１０を通過する空気の速度が速すぎると、水滴が吸気システムを通過してガスタービンに侵入するする確率は高くなる。コイル３６も、空気の速度を制御することにより、水滴の形のキャリーオーバーを減少する働きをする。

更に図１を参照すると、出口ダクト５０は、コイル構造３４の下流側にあり、コイル３６から出た空気をガスタービンへ誘導するような向きに配置される。図示される実施形態において、出口ダクト５０は、出口移行ダクト５２とドリフトモジュール４８との間に延出する。図示される実施形態において、出口ダクト５０の中心軸５４は、コイル構造３４の中心軸５６とは整列していない（中心軸５６に関してずれている）。すなわち、出口ダクト５０は吸気システム１０全体に関して非対称である。このように非対称であるため、コイル３６が可変フィン搭載密度を有するように調整されない場合、吸気システム１０を通過する空気の速度と出口温度は変化するだろう。詳細には、吸気システム１０を通過する空気の速度は、出口ダクト５０と整列している底部４４の付近ではより速くなり、出口ダクト５０と整列していない頂部４６の付近では最低になるだろう。

図１からわかるように、出口移行ダクト５２は傾斜しており、出口ダクト５０に至るまでフレーム構造１８から鋭角５８を成して延出する。本実施形態において、傾斜領域６０と出口ダクト５０との間に湾曲領域６２（通常は設けられるが、必須ではない）がある。特定の吸気システム１０に応じて種々の形状が可能であるが、傾斜領域６０の角度５８は９０度未満であり、通常４５度未満である。角度５８が小さくなるほど、コイル構造３４を通過する空気の速度の変化は大きくなる。

図１の実施形態において、出口移行ダクト５２は、吸気システム１０の底部４４に向かう方向に偏向される。そのような実施形態において、吸気システム１０の頂部４６のコイル６４は、吸気システム１０の底部４４のコイル６６より少ない１インチ当たりのフィン４２の数を有する。頂部のコイル６４は、吸気システム１０の他のどのコイル３６よりも少ない１インチ当たりのフィン４２の数を有するのが好ましい。多くの実現形態では、どのコイル３６もその下方の隣接するコイルより少ない１インチ当たりのフィン４２の数を有する。例えば、通常、頂部のコイル６４の下方でコイル６４に隣接するコイル６８は、頂部のコイル６４より多い１インチ当たりのフィン数を有する。コイル６８は、通常コイル６８のすぐ下方にある隣接コイル７０より少ない１インチ当たりのフィン数を有する。

限定されないが、一例として、吸気システム１０の頂部のコイル６４の１インチ当たりのフィン数は５以下であると有用であることが判明した。更に、底部のコイル６６の１インチ当たりのフィン数は少なくとも１０であることも判明した。この構成において、頂部のコイル６４と底部のコイル６６との間にあるコイル３６の１インチ当たりのフィン数は５〜１０であることが判明した。

図４〜図６は、それぞれ異なるフィン搭載密度を有するコイルを利用する吸気システムの他の実施形態を示す。図４には、吸気システム８０が側面図で示される。フード８２は吸気システム８０に空気が取り込まれる場所である。図４からわかるように、吸気システム８０の両側は共に中央清浄空気ダクト８１に通じる。清浄空気ダクト８１は出口ダクト８６に通じる。

フード８２の２つの構成の各々の下流側に、２つの濾過システム８４の構成が配置される。コイル８８は、濾過システム８４の下流側に示されているが、濾過システム８４の上流側に配置されることも可能だろう。コイル８８は先に説明した通りである。少なくとも１つのコイル８８は、その他のコイル８８の１インチ当たりのフィン数とは異なる１インチ当たりのフィン数を有する。図４からわかるように、コイル８８は、互いに対向する２つの垂直のコイル列として配置されており、２つのコイル列は清浄空気ダクト８１により互いに分離され、出口ダクト８６は清浄空気ダクト８１を貫通する。出口ダクト８６の中心軸９０はコイル８８の２つの列の中心軸９２と交差する。本実施形態において、中心軸９０は中心軸９２に対してほぼ垂直である。

目的の１つは、各コイル８８にその他のコイル８８の上流側面速度の２０％以内の上流側面速度を持たせることである。図４の構成において、一般に、各コイル８８のフィン４２の１インチ当たりのフィン数を同一に保つと、面速度は、出口ダクト８６に最も近い領域で最大になり、吸気システムの上部のコイルで最低になる。従って、図４の実施形態の場合、最大速度を有するコイル８８は、通常それより低い速度を有するコイル８８より多い１インチ当たりのフィン４２の数を有することになるので、各コイル８８で、より均一な面速度が実現される。

図５は、吸気システム１００の別の実施形態を示す平面図である。本実施形態には、両側に入口、すなわち第１の入口１０２と第２の入口１０４とが配置される。第１の入口１０２と第２の入口１０４とは、互いに対して角度１０６を成す。第１の入口１０２と第２の入口１０４とが頂点１０５で交差し、角度１０６を成して接合されている場所の反対側には、出口ダクト１０８がある。

本実施形態において、各入口１０２、１０４は、前述のように、フード１１０、１１２と、濾過システム１１４、１１６とを有する。

濾過システム１１４、１１６の下流側には、前述のように、コイル構造１１８、１２０が配置される。コイル８８は、濾過システム１１４、１１６の下流側にあるものとして示されるが、コイル８８は、濾過システム１１４、１１６の上流側にも配置可能である。熱モジュール構成１１８、１２０は、複数のコイル１２２を含む。コイル１２２のうち少なくとも１つのコイルは、その他のコイル１２２のフィン数とは異なるフィン数を有する。

出口ダクト１０８の中心軸１２４は、コイル１１８の中心軸１２６とコイル構造１２０の中心軸１２８の双方と交差する。コイル構造１１８の中心軸１２６は、コイル構造１２０の中心軸１２８と交差する。この種の構成では、出口ダクト１０８に最も近いコイル構造１１８、１２０の面速度が頂点１０５に最も近いコイル構造１１８、１２０の面速度より速くなるので、面速度は不均一になる。そこで、各コイル１２２のフィンの密度を調整することにより、各コイル１２２の上流側面速度は、その他のコイル１２２の上流側面速度の２０％以内におさめられる。

図６は、吸気システム１３０の３面入口の一実施形態を示す。図６は、吸気システム１３０の平面図を示す。

図６において、第１の入口構造１３１と、第２の入口構造１３２と、第３の入口構造１３３とが配置されている。各入口構造１３１、１３２、１３３は、入口フード１３５、１３６、１３７を含めて、先に説明したような構成要素と機器を有する。各入口フードの下流側には、濾過システム１４１、１４２、１４３がある。各濾過システムの下流側には、コイル構造１４５、１４６、１４７がある。コイル構造１４５、１４６、１４７は、濾過システム１４１、１４２、１４３の下流側にあるものとして示されるが、コイル構造１４５、１４６、１４７は、濾過システム１４１、１４２、１４３の上流側に配置されることも可能だろう。

各コイル構造は複数のコイル１５０を含む。

出口ダクト１５２は、清浄空気ボリューム１５４から延出する。清浄空気ボリューム１５４は、第１の入口構造１３１、第２の入口構造１３２及び第３の入口構造１３３の各々の下流側にある。図示される本実施形態において、出口ダクト１５２の中心軸１５６は、第２の入口構造１３２のコイル構造１４６の中心軸１５８とほぼ整列している。本実施形態において、第１の入口構造１３１のコイル構造１４５と、第３の入口構造１３３のコイル構造１４７とは、共通の中心軸１６０を有する。この中心軸１６０は、中心軸１５６、１５８と交差する。図示される実施形態において、中心軸１６０は、中心軸１５６、１５８に対してほぼ垂直である。

この構成において、コイル１５０のうち少なくとも１つのコイルは、その他のコイル１５０とは異なる１インチ当たりのフィン数を有する。各コイル１５０は、その他のコイル１５０の上流側面速度の２０％以内の所期の上流側面速度をそれぞれ有するのが好ましい。コイル１５０のフィン密度を調整しないと、出口ダクト１５２に最も近い領域に配置されたコイル１５０は、その他のコイル１５０より速い速度を有することになる。

図７は、吸気システム１７０の別の実施形態を示す。本実施形態においてコイル構造１７２が入口構造１７４の上流側に位置することを除いて、吸気システム１７０は図１の吸気システム１０に類似している。

入口構造１７４は濾過システム１７６を含み、濾過システム１７６はフィルタエレメント１７８を含む。本実施形態において、コイル構造１７２と濾過システム１７６との間に、フィルタエレメント点検用通路１８０が示される。フィルタエレメント１７８の改良や交換などの保守点検作業を可能にするために、点検用通路１８０を使用して濾過システム１７６を操作できる。

コイル構造１７２は、先に説明したような複数のコイル１８２を含む。各コイル１８２は、１インチ当たり多数のフィンを含む。コイル１８２のうち少なくとも１つのコイルは、その他のコイル１８２とは異なる１インチ当たりのフィン数を有する。図１の実施形態と同様に、各コイル１８２は、その他のコイル１８２の上流側面速度の２０％以内の所期の上流側面速度をそれぞれ有するのが好ましい。

図７の実施形態において、出口ダクト１８８の中心軸１８６と整列する場所１８４に配置されたコイル１８２は、最大の１インチ当たりのフィン数（最大フィン密度）を有する。頂部のコイル１８２である場所１９０に配置されたコイル１８２は、最小の１インチ当たりのフィン数（最小フィン密度）を有する。

図７において、濾過システム１７６の下流側に清浄空気プレナム１９２が配置される。出口移行ダクト１９４は、清浄空気プレナム１９２から出口ダクト１８８に通じる。出口移行ダクトは傾斜している。コイル１８２のフィン密度を調整しないと、出口ダクト１８８に最も近い場所に配置されたコイル１８２は、その他のコイル１８２より速い速度を有することになる。図７からわかるように、コイル構造１７２を通る中心軸１９６は、出口ダクト１８８の中心軸１８６に関してずれており、中心軸１８６と平行である。

コイル構造１７２の上流側に、フードを支持すると共に、コイルの点検を可能にするモジュール１９８が配置される。モジュール１９８の上流側に入口フード２００がある。

使用中、空気は入口フード２００を通り、モジュール１９８を通過してコイル構造１７２に流入する。空気中の熱含量は、コイル構造１７２のコイル１８２により左右される。各コイルの所期の上流側速度は、互いに関して２０％以内である。コイル構造１７２は、所望の効果に応じて空気を冷却か又は加熱する。コイル構造１７２を出た空気は、濾過システム１７６を有する入口構造１７４を通って流れる。そこで、空気からごみ又は他の異物が除去される。濾過された空気は、清浄空気プレナム１９２を介して出口移行ダクト９４へ搬送され、その後出口ダクト１８８を通過して搬送される。空気は、出口ダクト１８８からガスタービンの中へ搬送される。

図８は、吸気システム２２０の別の実施形態を示す平面図である。入口構造は濾過システム２２２を含み、濾過システム２２２はフィルタエレメント２２４を含む。濾過システムの上流側には、通常、フード又は他の入口処理構成（図示せず）を支持する通路がある。空気の流れは、矢印２２１により示され、軸２２３とほぼ平行な方向に流れて濾過システム２２２に入るように誘導される。図示されるように、濾過システム２２２の下流側のプレナム２２７とも呼ばれる空気出口領域２２７の直前に、コイル構造２２６が配置される。軸２２９は、プレナム２２７の中心を通り、軸２２３に対して垂直である。プレナム２２７は出口ダクト２２８を含み、空気は出口ダクト２２８を介して垂直に（図の平面に進入する方向に）引き込まれる。この出口ダクト２２８は、非対称に配置されるか、又はプレナム２２７の内部に対称に配置される。

コイル構造２２６は、先に説明したような複数のコイル２３０を含む。各コイル２３０は、１インチ当たり多数のフィンを含む。コイル２３０のうち少なくとも１つのコイルは、その他のコイル２３０とは異なる１インチ当たりのフィン数を有する。図１の実施形態と同様に、各コイル２３０は、その他のコイル２３０の上流側面速度の２０％以内の所期の上流側面速度をそれぞれ有するのが好ましい。本実施形態において、コイル２３０は垂直に配列される（コイル配管は垂直方向に延在し、フィンは水平である）。

図８の実施形態において、出口ダクト２２８の中心軸と整列して最も近接して配置されたコイル２３２は、最大の１インチ当たりのフィン数（最大フィン密度）を有する。出口ダクト２２８から最も遠い位置に配置されたコイル２３４は、最小の１インチ当たりのフィン数（最小フィン密度）を有する。コイル２３４とコイル２３２との間に位置するコイル２３６は、その中間のフィン密度を有するのが好ましい。

コイルのフィン密度を調整しないと、出口ダクト２２８に最も近い場所に配置されたコイル２３２は、その他のコイルより速い速度を有することになる。図８からわかるように、出口ダクト２２８の中心軸は、その直前に位置するコイル２３２のみと整列しており、出口ダクトの直前に位置していないコイル２３４、２３６は、出口ダクトに関して位置がずれている。

使用中、空気は、入口フード（又は他の処理構成）を介して流入し、濾過システム２２２を通過する。濾過システム２２２において、空気からごみ又は他の異物が除去され、その後、空気はコイル構造２２６へ流れる。空気中の熱含量はコイル構造２２６のコイルにより変化される。各コイルの所期の上流側速度は互いに関して約２０％以内である。所望の効果に応じて、コイル構造２２６は空気を冷却又は加熱する。コイル構造２２６を出た空気は、清浄空気プレナム２２７を介して出口ダクト２２８に流入する。空気は、出口ダクト２２８からガスタービンの中へ搬送される。

図９は、吸気システム２５０の別の実施形態を示す側面図である。入口構造２５２は濾過システム２５４を含み、濾過システム２５４はフィルタエレメント２５６を含む。濾過システム２５４の上流側には、通常フード２５８又は他の入口処理構成を支持する通路がある。図示されるように、コイル構造２６０は、濾過システム２５４の下流側の出口領域２６２（「出口移行領域」２６２とも呼ばれる）の直前に配置される。出口移行領域２６２は出口ダクト２６４に接続され、空気は出口ダクト２６４を介して水平方向に引き込まれる。この出口ダクト２６４は、非対称に配置されるか、又は出口移行領域２６２の背後に対称に配置される。

コイル構造２６０は、先に説明したような複数のコイル２６６を含む。各コイル２６６は、１インチ当たり多数のフィンを含む。本実施形態において、吸気システムの幅の中で、各コイル２６６は、それぞれ異なるフィン搭載密度を有する複数の部分を有する。図１の実施形態と同様に、各コイル２６６は、その他のコイルの上流側面速度の２０％以内の上流側面速度をそれぞれ有するのが好ましい。本実施形態において、コイル２６６は垂直に配列され、コイル配管は垂直方向に延在し、フィンは水平である。

図９の実施形態において、出口ダクト２６４の中心軸２７４と整列する場所から最も遠い場所である図面の頂部に配置されたコイル構造２６０の部分２６８は、最小の１インチ当たりのフィン数（最小フィン密度）を有する。コイル構造２６０の最下部である底部に配置されたコイル構造２６０の部分２７０は、最大の１インチ当たりのフィン数（最大フィン密度）を有する。部分２６８と部分２７０との間に位置するコイル構造２６０の部分２７２は、その中間の１インチ当たりのフィン数を有する。

コイルのフィン密度を調整しないと、出口ダクト２６４に最も近い場所に配置されたコイル構造２６０の部分２７０は、その他の部分２６８、２７２より速い速度を有することになるだろう。図９からわかるように、清浄空気プレナム出口２６４の中心軸２７４は、その直前に位置するコイル２６６の部分２７０のみと整列しており、出口ダクト２６４の直前に位置していないコイル２６６の部分２７２、２６８は、出口ダクト２６４に対して位置がずれている。

使用中、空気は、入口フード２５８（又は他の処理構成）を介して濾過システム２５４に流入する。濾過システム２５４において、空気からごみ又は他の異物が除去され、その後空気はコイル構造２６０へ流れる。空気中の熱含量はコイル構造２６０のコイル２６６により変化される。各コイルの所期の上流側速度は、互いに関して約２０％以内である。所望の効果に応じて、コイル構造２６０は空気を冷却又は加熱する。コイル構造２６０を出た空気は、出口移行領域２６２を介して出口ダクト２６４に流入する。その後、空気は出口ダクト２６４からガスタービンの中へ搬送される。

図１０は、吸気システム２８０の別の実施形態を示す平面図である。入口構造２８１は濾過システム２８２を含み、濾過システム２８２はフィルタエレメント２８４を含む。濾過システムの上流側には、通常フード又は他の入口処理構成（図示せず）を支持する通路がある。図示されるように、コイル構造２８６は、濾過システム２８２の下流側の空気出口領域２８８（「プレナム２８８」と呼ばれる場合もある）の直前に配置される。プレナム２８８は出口ダクト２９０を含み、空気は出口ダクト２９０を介して垂直方向に（図の平面に進入する方向に）引き込まれる。この出口ダクト２９０は、非対称に配置されるか、又はプレナム２８８の内部に対称に配置される。

コイル構造２８６は、先に説明したような複数のコイル２９２を含む。各コイル２９２は、１インチ当たり多数のフィンを含む。各コイル２９２は、それぞれ異なるフィン搭載密度を有する複数の部分を有する。図１の実施形態と同様に、各コイルは、その他のコイルの上流側面速度の２０％以内の上流側面速度をそれぞれ有するのが好ましい。本実施形態において、コイル２９２は水平に配列される（コイル配管は水平方向に延在し、フィンは垂直である）。

図１０の実施形態において、出口ダクト２９０の中心軸と整列して最も近い場所に配置されたコイル構造２８６の部分２９４は、最大の１インチ当たりのフィン数（最大フィン密度）を有する。プレナム出口２９０から最も遠い場所にあるコイル構造２８６の部分２９６は、最小の１インチ当たりのフィン数（最小フィン密度）を有する。部分２９４と部分２９６との間にある部分２９８は、その中間の１インチ当たりのフィン数を有する。

コイル２９２のフィン密度を調整しないと、出口ダクトに最も近い場所に配置されたコイル構造２８６の部分２９４は、その他の部分２９６、２９８より速い速度を有することになる。図１０からわかるように、清浄空気プレナム出口２９０の中心軸は、その直前に位置するコイルの部分２９４のみと整列しており、プレナム出口２９０の直前に位置していないコイルの部分２９６、２９８は、出口ダクト２９０に関して位置がずれている。

使用中、空気は、入口フード（又は他の処理構成）を介し、濾過システム２８２を通って流れる。濾過システム２８２において、空気からごみ又は他の異物が除去され、その後空気はコイル構造２８６へ流れる。空気中の熱含量はコイル構造のコイルにより変化される。各コイル２９２の所期の上流側速度は、互いに関して約２０％以内である。所望の効果に応じて、コイル構造２８６は空気を冷却又は加熱する。コイル構造２８６を出た空気は、清浄空気プレナム２８８を介して出口ダクト２９０に流入する。その後、空気は出口ダクト２９０からガスタービンの中へ搬送される。

Ｃ．方法
一般に、本明細書において説明される原理を利用して、ガスタービンの空気の熱含量を変化させる方法を実施可能である。空気は、入口構造１２（図１）などの、先に説明した入口構造の１つのような入口構造を介して取り込まれる。

空気の熱含量を変化させるために、空気は、入口構造と気流連通する複数のコイルの互いに離間して配置されたフィンを通過して搬送される。コイルのうち１つ以上のコイルは、その他のコイルのフィン数とは異なるフィン数を有する。別の構成において、各コイルは、同じコイルの他の部分とは異なる１インチ当たりのフィン数を有する部分を有する。コイルは、入口構造の下流側に配置されるか又は入口構造の上流側に配置される。その後、空気は、ガスタービンで使用するために出口ダクトへ搬送される。

入口構造を介して空気を取り込む工程は、通常空気中の異物の少なくとも一部を除去するために、まず濾過システムを通過させて空気を誘導する工程を含む。

互いに離間したフィンを通過させて空気を搬送する工程は、空気を冷却するコイルを通過させて空気を搬送することを含む。他の方法において、互いに離間したフィンを通過させて空気を搬送する工程は、空気を加熱するためにコイルを通過させて空気を搬送することを含む。

通常、各コイルの上流側、すなわち、入口面における速度の変化が２０％を超えることはありえない（しかし、厳密な許容速度範囲は、特定のタービンの基準に応じて変動する場合がある）。コイルから流出する空気の温度が＋５°Ｆ又は−５°Ｆを超えて変化することはありえない（同様に、厳密な許容温度範囲は、特定のタービンの基準に応じて変化する場合がある）。

好適な１つの方法において、空気を搬送する工程は、第１の吸気システムと同一の条件の下で動作するが、それぞれ同一の１インチ当たりのフィン数を有するコイルを有する、ガスタービンの第２の吸気システムと比較して少ない数の凝縮水の滴をフィンの下流側縁部から滴下させることを含む。

本発明の原理に従って、ガスタービンの吸気システムを改造する方法も実施可能である。通常、吸気システムは濾過システムを保持する空気入口構造を含む。濾過システムの下流側には出口ダクトがある。濾過システムと出口ダクトとの間に、出口移行ダクトが配置される。出口ダクトの中心は濾過システムの中心軸と整列していない。改造する方法は、空気入口構造の上流側、又は空気入口構造の下流側で、出口移行ダクトの上流側の場所に複数のコイルを挿入することを含む。各コイルは、そのコイルを通過して搬送される所定の温度範囲の作動流体と、複数の互いに離間したフィンとを利用する。空気が隣接するフィンの間を通過して空気がコイルを通過して流れるようにするために、フィンは互いに離間して配置される。コイルのうち少なくとも１つのコイルは、その他のコイルの１インチ当たりのフィン数とは異なる１インチ当たりのフィン数を有する。あるいは、各コイルは、そのコイルの他の領域とは異なる１インチ当たりのフィン数を有する１つ以上の部分を有する。

１つ以上のコイルを挿入する工程は、動作中、各コイルを出た空気がその他のコイルの２０％以内の又は１つのコイルの面領域内に入る上流側面速度をそれぞれ有するようにコイルを配列することを含むのが好ましい。

一実施形態において、１つ以上のコイルを挿入する工程は、吸気システムの頂部から吸気システムの底部まで垂直のコイル列としてコイルを配列する工程を含む。移行ダクトは、吸気システムの底部に向かう方向に偏向される。吸気システムの頂部のコイルは、吸気システムの底部のコイルより少ない数のフィンを有する。フィン数は、コイルに沿って１インチ当たりのフィン数の勾配ができるように調整される。あるいは、中間ダクトは吸気システムの頂部に向かって偏向される。その場合、吸気システムの底部のコイルは、吸気システムの頂部のコイルより少ない数のフィンを有する。

一実施形態において、１つ以上のコイルを挿入する工程は、各コイルがそのコイルの下方の隣接するコイルより少ない１インチ当たりのフィン数を有するようにコイルを配列する工程を含む。

ガスタービンの吸気システムを改造する場合に考慮すべき要点は、吸気口への流入時の空気の温度と、吸気口からの流出時の空気の温度と、コイルを通過して搬送される作動流体の種類とを含む。作動流体の流入温度と、作動流体の流量とを含めて、コイルの特性が考慮される。タービンを流れる空気の質量流量などの事項も考慮に入れられる。利用されるフィルタの種類、濾過システムが静止型であるか又はパルス洗浄型であるか、吸気口を介する圧力降下を含めて、濾過システムの特性も考慮に入れられる。出口ダクトの場所と、出口ダクトの寸法とを含めて、中間ダクトの幾何学的構造も考慮される。

以上の明細書と、例と、数値とにより、本発明の製造方法と用途を説明した。多くの実施形態を実現可能である。

Claims (21)

1. ガスタービンの吸気システムであって、
   （ａ）前記ガスタービンにより使用される空気を取り込む向きに配置された入口構造を備え、
   （ｂ）前記入口構造と気流連通し、前記空気の温度に影響するように構成されて配置された１つ以上のコイルを備え、
   （ｉ）各コイルは、前記コイルを通過して搬送される所定の温度範囲の作動流体と、互いに離間して配置された複数のフィンとを利用し、
   （Ａ）隣接するフィンの間を空気が流れて空気が前記コイルを通過するように、前記フィンは互いに離間し、
   （ｉｉ）前記コイルのうち少なくとも１つのコイルは、他のコイルの１インチ当たりのフィン数とは異なる１インチ当たりのフィン数を有するか、あるいは、前記コイルのうち１つ以上のコイルは、その少なくとも一部が、そのコイルの他の部分の１インチ当たりのフィン数とは異なる１インチ当たりのフィン数を有し、
   （ｃ）前記コイルと前記入口構造の双方の下流側に配置され、前記コイルから前記ガスタービンへ前記空気を向ける向きに配置された出口ダクトを備えることを特徴とする吸気システム。
2. （ａ）各コイルはその他のコイルの２０％以内の上流側面速度を有することを特徴とする請求項１記載の吸気システム。
3. （ａ）前記コイルは前記入口構造の上流側に配置されることを特徴とする請求項１及び２のいずれか１項に記載の吸気システム。
4. （ａ）前記コイルは前記入口構造の下流側に配置されることを特徴とする請求項１及び２のいずれか１項に記載の吸気システム。
5. （ａ）前記コイルと前記出口ダクトとの間に配置された出口移行ダクトを更に備え、
   （ｉ）前記出口ダクトは、前記コイルの中心軸と整列しない中心軸を有することを特徴とする請求項４記載の吸気システム。
6. （ａ）前記入口構造と前記出口ダクトとの間に配置された出口移行ダクトを更に備え、
   （ｉ）前記出口ダクトは、前記コイルの中心軸と整列しない中心軸を有することを特徴とする請求項３記載の吸気システム。
7. （ａ）前記コイルは、前記吸気システムの頂部から前記吸気システムの底部まで垂直に配列され、
   （ｂ）前記移行ダクトは、前記吸気システムの前記底部に向かう方向に偏向され、
   （ｃ）前記吸気システムの前記頂部にあるコイルは、前記吸気システムの前記底部にあるコイルより１インチ当たりのフィン数が少ないことを特徴とする請求項５及び６のいずれか１項に記載の吸気システム。
8. （ａ）前記吸気システムの前記頂部にあるコイルは、他のどのコイルよりも１インチ当たりのフィン数が少なく、
   （ｂ）各コイルは、そのすぐ下方に隣接するコイルよりも１インチ当たりのフィン数が少ないことを特徴とする請求項７記載の吸気システム。
9. （ａ）各コイルは、そのすぐ下方に隣接するコイルよりも１インチ当たりのフィン数が少ないことを特徴とする請求項７記載の吸気システム。
10. （ａ）各コイルは、冷却コイル又は加熱コイルのうちいずれか一方であることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の吸気システム。
11. （ａ）前記入口構造は、前記空気から少なくとも一部のごみを除去する向きに動作可能に配置された複数のフィルタを含むことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の吸気システム。
12. ガスタービンにおける空気の熱含量を変化させる方法であって、
    （ａ）入口構造を通過させて空気を取り込む工程を備え、
    （ｂ）前記空気の熱含量に影響させるために、前記入口構造と気流連通する１つ以上のコイルにおける、互いに離間したフィンを通過させて前記空気を搬送する工程を備え、
    （ｉ）前記コイルのうち１つ以上のコイルは、他のコイルの１インチ当たりのフィン数とは異なる１インチ当たりのフィン数を有するか、あるいは前記コイルのうち１つ以上のコイルは、その少なくとも一部が、そのコイルの他の部分の１インチ当たりのフィン数とは異なる１インチ当たりのフィン数を有し、
    （ｃ）前記ガスタービンで使用するために、熱含量に影響が与えられた前記空気を出口ダクトまで搬送する工程を備えることを特徴とする方法。
13. （ａ）前記入口構造を通過させて空気を取り込む工程は、前記１つ以上のコイルにおける、互いに離間したフィンを通過させて前記空気を搬送する工程の前に生じることを特徴とする請求項１２記載の方法。
14. （ａ）前記入口構造を通過させて空気を取り込む工程は、前記１つ以上のコイルにおける、互いに離間したフィンを通過させて前記空気を搬送する工程の後に生じることを特徴とする請求項１２記載の方法。
15. （ａ）前記互いに離間したフィンを通過させて空気を搬送する工程は、各コイルからの前記空気がその他の１又は複数のコイルの２０％以内の上流側面速度をそれぞれ有するように前記空気を搬送する工程を含むことを特徴とする請求項１２から１４のいずれか１項に記載の方法。
16. （ａ）前記空気を出口ダクトまで搬送する工程は、前記出口ダクトに至る出口移行ダクトを通過させて前記空気を搬送する工程を含み、
    （ｉ）前記出口ダクトは、前記コイルの中心軸と整列しない中心軸を有することを特徴とする請求項１２から１５のいずれか１項に記載の方法。
17. （ａ）前記互いに離間したフィンを通過させて空気を搬送する工程は、前記吸気システムの頂部から前記吸気システムの底部まで垂直に配列されたコイルを通過させて前記空気を搬送する工程を含み、
    （ｉ）前記吸気システムの前記頂部にあるコイルは、前記吸気システムの前記底部にあるコイルよりも１インチ当たりのフィン数が少ないことを特徴とする請求項１２から１６のいずれか１項に記載の方法。
18. （ａ）前記入口構造を介して空気を取り込む工程は、少なくとも一部のごみを除去するために前記空気を濾過システムに通過させる工程を含み、
    （ｂ）前記互いに離間したフィンを通過させて空気を搬送する工程は、前記空気を冷却する１つ以上のコイルを通過させて前記空気を搬送する工程を含むことを特徴とする請求項１２から１７のいずれか１項に記載の方法。
19. （ａ）前記方法は、ガスタービンの第１の吸気システムにおいて実行され、
    （ｂ）前記空気を搬送する工程は、ガスタービン用の第２の吸気システムと比較して少ない数の凝縮水滴を前記フィンの下流側縁部から滴下させる工程を含み、前記第２の吸気システムは、前記第１の吸気システムと同一の条件の下で動作し、１インチ当たりのフィン数が同じ１つ以上のコイルを有することを特徴とする請求項１２から１８のいずれか１項に記載の方法。
20. ガスタービンの吸気システムを改造する方法であって、
    前記吸気システムは、濾過システムを保持する空気入口構造と、前記濾過システムの下流側に配置された出口ダクトと、前記濾過システムと前記出口ダクトとの間に配置された出口移行ダクトとを含み、前記出口ダクトは、前記濾過システムの中心軸と整列しない中心軸を有し、前記方法は、
    （ａ）前記出口移行ダクトの上流側に、前記空気入口構造と気流連通するように１つ以上のコイルを挿入する工程を備え、
    （ｉ）各コイルは、前記コイルを通過して搬送される所定の温度範囲の作動流体と、互いに離間した複数のフィンとを利用し、
    （Ａ）隣接するフィンの間を空気が流れて空気が前記コイルを通過するように、前記フィンは互いに離間し、
    （ｉｉ）前記コイルのうち少なくとも１つのコイルは、他のコイルの１インチ当たりのフィン数とは異なる１インチ当たりのフィン数を有するか、あるいは、各コイルは、その少なくとも一部が、そのコイルの他の部分よりも１インチ当たりのフィン数が少ない又は多いことを特徴とする方法。
21. （ａ）前記１つ以上のコイルを挿入する工程は、動作中、各コイルからの空気がその他のコイルの２０％以内の上流側面速度をそれぞれ有するように前記コイルを配列する工程を含み、
    （ｂ）前記１つ以上のコイルを挿入する工程は、
    ・前記吸気システムの頂部から前記吸気システムの底部まで垂直に前記コイルを配列する工程であって、
    （ｉ）前記出口移行ダクトは、前記吸気システムの前記底部に向かって偏向され、
    （ｉｉ）前記吸気システムの前記頂部にあるコイルは、前記吸気システムの前記底部にあるコイルよりも１インチ当たりのフィン数が少ない、工程と、
    ・各コイルが次に隣接するコイルより１インチ当たりのフィン数が少なくなるように前記コイルを配列する工程と、
    ・前記１つ以上のコイルを前記空気入口構造の上流側に挿入する工程と、
    ・前記１つ以上のコイルを前記空気入口構造の下流側に挿入する工程と、
    のいずれか１つの工程を含むことを特徴とする請求項２０記載の方法。

Images