JP2015152190A

JP2015152190A - ガスタービン用熱交換器

Info

Publication number: JP2015152190A
Application number: JP2014024307A
Authority: JP
Inventors: 識岩瀬; Satoru Iwase
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-02-12
Filing date: 2014-02-12
Publication date: 2015-08-24

Abstract

【課題】ガスタービン用の熱交換器に於いて、金属製ではなく、しかも、熱交換効率の高い構成を提供すること。
【解決手段】本発明のガスタービン用の円筒形状の熱交換器は、圧縮空気の流路と排気ガスの流路とを仕切る流路壁が円筒形状の放射方向及び軸方向に延在するセラミックス製の平面状の壁であり、圧縮空気の流路及び排気ガスの流路が、それぞれ、流路の進行方向から見た断面に於いて、円筒形状の放射方向に延在し且つ周方向に於いて交互に割り当てられ、流路の進行方向から見た断面に於いて、流路の各々は、円筒形状の中心から放射方向に配列され周方向に仕切られた複数のセルに分割され、複数のセルに於いて、全てのセルの水力直径が実質的に等しくなるように、円筒形状の放射方向外側のセルは、放射方向内側のセルよりも短い放射方向長さと、長い周方向長さとを有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービンエンジンに於いて低温の圧縮空気と高温の排気ガスとの熱交換を行う熱交換器に係り、より詳細には、製造工程の容易性と熱交換効率を向上すべく、圧縮空気と燃焼ガスの流路の構造が改良された熱交換器に係る。

ガスタービンエンジンに於いては、燃焼効率・エネルギー効率を向上するために、コンプレッサで圧縮された低温の圧縮空気を燃焼室へ送り込む前に、圧縮空気と高温の排気ガスと熱交換を行って圧縮空気を予熱する熱交換器が採用されている。そして、熱交換器に於いては、圧縮空気と排気ガスとの熱交換効率や低温側と高温側の温度差による構造上の影響を考慮して、種々の構造が提案されている。例えば、特許文献１では、圧縮空気の流れと排気ガスの流れの非対称によって生ずる構造上の熱的歪みを解消するべく、円環状の熱交換器を燃焼室の周囲にてガスタービンの回転軸に対して同軸に配置した構成が提案されている。また、非特許文献１では、空気又はガスの流れの偏りを解消すべく、図６に例示されている如く、インボリュート形状のフィンで仕切られた流路で構成された熱交換器が開示されている。更に、特許文献２では、高温にて使用可能であり、高い熱交換率と容積効率の良い熱交換器を得るべく、多孔質セラミックスによって熱交換器を形成することが提案されている。

特開平０９−１３３０２９特開２００４−２９４０２５

マクドナルド（C.F.McDonald）、アプライド・サーマル・エンジニアリング（Applied Thermal Engineering）23（２００３）、１４６３−１４８７頁

上記のガスタービンエンジン用の熱交換器に於いて、通常に製品化される熱交換器は、金属製であり、典型的には、圧縮空気流路と排気ガス流路の仕切りは、金属プレートに熱交換促進用のフィンをロウ付けし、かかるプレートを積層して構成される。具体的には、例えば、円筒型の熱交換器の場合、多数のプレートが一つずつ外環と内環に対して積層され溶接されることとなり、従って、ロウ付け・溶接のプロセスを多数回実施するので、非常に高いコストを要するものとなっている。また、熱交換器は、５００℃にも及ぶ温度差の大きい環境に配置されることとなるので、金属製の場合、熱による伸長の程度が大きく、従って、それに伴う熱応力を考慮した設計が必要となるために、既に触れた如く、流路がインボリュート形状のフィンで仕切られ、円筒型の熱交換器の軸方向から見た場合に、図６にて例示されている如く、各プレートが円弧を描き、熱歪みを円弧の曲率の変化で吸収するよう構成される。しかしながら、そのように、各フィンを曲率形状にするためにも高いコストが必要となる。一方、特許文献２の如く、熱交換器を多孔質セラミックスによって構成する場合には、熱交換効率を考慮して流路の構成を制御することが困難である。

かくして、本発明の一つの課題は、上記の如きガスタービン用の熱交換器に於いて、金属製ではなく、しかも、熱交換効率の高い構成を提供することである。

本発明によれば、上記の課題は、ガスタービン用の円筒形状の熱交換器であって、低温側の圧縮空気の流路と高温側の排気ガスの流路とを仕切る流路壁が円筒形状の放射方向及び軸方向に延在するセラミックス製の平面状の壁であり、圧縮空気の流路及び排気ガスの流路が、それぞれ、流路の進行方向から見た断面に於いて、円筒形状の放射方向に延在し且つ周方向に於いて交互に割り当てられ、流路の進行方向から見た断面に於いて、流路の各々は、円筒形状の中心から放射方向に配列され周方向に仕切られた複数のセルに分割され、複数のセルに於いて、全てのセルの水力直径が実質的に等しくなるように、円筒形状の放射方向外側のセルは、放射方向内側のセルよりも短い放射方向長さと、長い周方向長さとを有している熱交換器によって達成される。

上記の構成に於いては、まず、低温側の圧縮空気の流路と高温側の排気ガスの流路とを仕切る流路壁について、その壁の形状は、円筒形状の放射方向及び軸方向に延在する。そして、低温側の圧縮空気の流路と高温側の排気ガスの流路とは、円筒形状に於いて、放射方向に延在し且つ周方向に於いて交互に割り当てられることとなる。更に、各流路は、円筒形状の中心から放射方向に配列され周方向に仕切られた複数のセルに分割される。かかる構成によれば、流路及びセルを仕切る壁は、円筒形状の軸方向に延在することとなるので、熱交換器の主要部である流路壁の構造は、セラミックスの押し出し成型技術によって達成可能である。即ち、従前の如き、湾曲した金属プレートの溶接等の処理は、不要となる。また、セラミックの線膨張係数は、従前の金属製の熱交換器で一般的に使用されているステンレスの半分以下であり、溶接部位が存在しないので、熱応力の集中に起因する破損の可能性は、大幅に低減され、耐久性を向上することが期待される。

また、上記のように、流路を仕切る壁は、円筒形状の放射方向と軸方向とに延在し、各流路は、その断面に於いて扇型形状を有することとなり、円筒形状の放射方向の外面及び内面に空気の流入出のための開口部が形成されてよい。流路がその断面に於いて扇型形状であることにより、円筒形状の放射方向の外面及び内面から他方の面まで容易に壁を穿孔できるので、かかる開口部の形成が容易であることは理解されるべきである。更に、各流路のセルの断面積は、熱交換効率を向上すべく、全てのセルの水力直径が実質的に等しくなるよう構成される。かかるセルの断面積の調整に於いても、セルを仕切る壁が円筒形状の軸方向に延在することにより、セラミックスの押し出し成型技術によって達成可能である。

かくして、上記の本発明によれば、ガスタービン用の熱交換器に於いて、金属製ではなく、セラミックスの押し出し成型により製造可能な構成が可能となる。従って、金属製の熱交換器の製造に於いて必要だったロウ付け・溶接のプロセスは、不要となり、製造の労力、コスト等の低減が図られる。また、流路の各々が、水力直径の実質的に等しい複数のセルに分割されることにより、ムラのない高い熱交換効率の構成が達成される。更に、流路壁は、セラミックス製であることから、金属製の場合に比して、熱応力の集中に起因する破損の可能性が大幅に低減され、熱交換器の耐久性の向上が期待される。

本発明のその他の目的及び利点は、以下の本発明の好ましい実施形態の説明により明らかになるであろう。

図１（Ａ）は、本発明による熱交換器が適用されるガスタービン発電機の模式図である。図１（Ｂ）は、本発明による熱交換器の模式的な斜視図である。図２（Ａ）は、本発明による熱交換器の４分円の領域の軸方向から見た断面図であり、図２（Ｂ）は、その一部の拡大図である。図３（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、本発明による熱交換器の４分円の領域の斜視図であり、（Ａ）は、圧縮空気流入口の形成前の状態であり、（Ｂ）は、圧縮空気流入口の形成後の状態であり、（Ｃ）は、圧縮空気流出口が見える方向からの状態である。図４（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ、圧縮空気の流れ及び排気ガスの流れの方向を示した本発明による熱交換器の４分円の領域の斜視図である。図５（Ａ）は、本発明による熱交換器の流路の拡大図であり、図５（Ｂ）は、流路に於けるセルの寸法について説明する流路の模式的な断面図である。従前のガスタービン用の熱交換器の写真である。

Ｈｅｘ…熱交換器
Ｂ…タービン燃焼室
Ｃ…コンプレッサ
Ｅ…発電機
Ｓ…回転軸
２０…圧縮空気流入口
３０…圧縮空気流出口
４０…排気ガス流入側

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を幾つかの好ましい実施形態について詳細に説明する。図中、同一の符号は、同一の部位を示す。

図１（Ａ）を参照して、本発明による熱交換器Ｈｅｘが適用されるガスタービンエンジンに於いては、周知の如く、燃焼室Ｂに於ける燃料と空気の燃焼によるガス流によって、タービンＴが回転され、その回転が回転軸Ｓにより、コンプレッサＣと任意の被駆動装置、例えば、発電機Ｅへ伝達される。かかるガスタービンエンジンに於いて、特に、燃焼室Ｂへ送られることとなる空気流Ｇｉは、まず、コンプレッサＣへ流入し、圧縮され、しかる後に、熱交換器Ｈｅｘを流通する。熱交換器Ｈｅｘには、燃焼室Ｂからの燃焼後の排気ガス流Ｇｏも、外部へ排出される前に流通させられており、従って、熱交換器Ｈｅｘに於いて、高温の排気ガス流Ｇｏから低温の圧縮空気流Ｇｉとの間で熱交換が為され、圧縮空気流Ｇｉが予熱され、それから燃焼室Ｂへ流入させられる。この熱交換器Ｈｅｘに於ける圧縮空気流Ｇｉの予熱によって、燃焼室Ｂでの燃料量が少なくてすみ、これにより、エネルギー効率が高められることとなる。

上記の如きガスタービンエンジンに使用される熱交換器Ｈｅｘとしては、種々の形式があるところ、本発明の対象となる熱交換器Ｈｅｘは、図１（Ｂ）の如く、円環又は円筒形状であり、図１（Ａ）の如く、典型的には、燃焼室Ｂの周囲にて、回転軸Ｓと同軸に配置される。そして、円環形状の外面と内面との間の空間は、円環形状の略軸方向に沿って延在する流路壁によって、圧縮空気流Ｇｉの流通する流路と排気ガス流Ｇｏの流通する流路とに細かく分割され、流路壁を介して、圧縮空気流Ｇｉと排気ガス流Ｇｏとの間の熱交換が為される。かかる熱交換器Ｈｅｘについて、従前の形式のものの多く、特に、製品化され市場に流通されている形式の熱交換器では、流路を仕切る流路壁は、金属製であり、その製造工程に於いては、金属プレートに金属製のフィンを一枚ずつロウ付けし、更にその金属プレートを積層して溶接するといった非常に手間のかかる工程が含まれていた。また、熱交換器の内側に隣接する燃焼室と熱交換器の外側の外気温との間、或いは、内部を流通する圧縮空気と排気ガスとの温度差が非常に大きく（温度差は、５００℃以上に達し得る。）、従って、金属製の部品に於いては、熱歪みが大きくなるので、圧縮空気と排気ガスとの熱交換効率とともに熱応力を考慮した設計が必要となり、その結果として、図６に例示されている如く、円弧状、より詳細に、インボリュート形状等の流路壁が採用されている。しかしながら、そのような形状の流路壁となるフィンは、その製造に非常に手間、コストを要することとなる。

本発明に於いては、上記の従前の熱交換器の構成の問題点を解消する新規な熱交換器の構成が提供される。具体的には、本発明の熱交換器Ｈｅｘは、図１（Ｂ）〜図２（Ａ）に模式的に描かれている如く、本発明の熱交換器Ｈｅｘは、概観に於いては、従前の金属製の熱交換器と同様の、外面と内面とを有する二重円筒体であるが、二重円筒状の外面と内面との間の空間は、円筒の軸方向と放射方向とに略直線的に延在する放射方向壁により放射方向に分割され、更に、放射方向に分割された各空間が、円筒の軸方向と周方向とに延在する周方向壁によりセルに分割される。ここに於いて、放射方向に並ぶセルの群が、一つの流路と成り、周方向に並ぶ流路は、交互に、圧縮空気の流路と排気ガスの流路とに割り当てられる。そして、円筒体の軸方向の両端面に於いて、圧縮空気の流路に割り当てられる流路は、図２（Ｂ）に示されている如く蓋が施され、蓋列と開口列とが形成される（図３（Ａ））。更に、圧縮空気の流路に割り当てられる流路（蓋列）に対応する円筒体の軸方向端の一方の近傍の外面には、図３（Ｂ）に描かれている如く、コンプレッサから送られてくる圧縮空気流が流れ込む空気流入口が開口され、内面まで貫通され（内面は開口されない）、円筒体の軸方向端の他方の近傍の内面には、図３（Ｃ）に描かれている如く、熱交換器内を通過した圧縮空気流が流れ出る空気流出口が開口され、外面まで貫通される（外面は開口されない）。かくして、圧縮空気流は、図４（Ａ）に示されている如く、円筒体の一方の軸方向端の空気流入口から流入し、内部の流路を通過して円筒体の他方の軸方向端の空気流出口から流出することとなる。一方、排気ガスは、図４（Ｂ）に描かれている如く、円筒体の他方の軸方向端の空気流出口の存在する側の軸方向端面から内部の流路を通過して反対側の軸方向端面から流出されることとなる。

上記の本発明の熱交換器に於いて、その基本的な構造は、二重円筒状の外面と内面との間の空間が、その円筒の軸方向に沿って実質的に直線状に放射方向壁と周方向壁とで仕切られた構造であるので、セラミックの押し出しで成型される。実際の本発明の熱交換器の製造に於いては、円筒体全体が一体に成型されてもよく、或いは、周方向の部分、例えば、４分円毎に別々に成型した後、接着等により、或いは接着せずに、円筒体を形成してもよい。また、蓋列に於ける蓋は、セラミックス或いはその他の任意の材料を用いて形成されてよい。空気の流出入口は、それぞれ、円筒体の成型後に切削等によって形成されてよい。かくして、本発明の熱交換器は、複数の円弧状の金属フィンを用いた場合のようなろう付けや溶接プロセスを実施することなく、製造が可能であり、より少ない手間にて、より安価に製造が可能である。なお、セラミックスの押し出し成型は、自動車用ＤＰＦの製造プロセスと同様であってよい。また、セラミックの線膨張係数は、一般的な材料であるステンレスの半分であり、従って、熱応力も半分以下となり、更に、溶接部などが無いので、熱応力が集中して破損する可能性が低減され、耐久性の向上が期待される。

ところで、本発明による熱交換器では、二重円筒状の外面と内面との間の空間を放射方向壁と周方向壁とで仕切った構造であるので、図５（Ａ）に示されている如く、各流路は、扇形の断面を有することとなる。この場合、図５（Ｂ）の左図に示されている如く、周方向壁の間隔が等しいとき、即ち、各セルの放射方向の高さｈが等しいときには、流通する空気の体積当りの壁に接する面積が、外側のセルほど小さくなり、熱交換効率が放射方向に沿って低減する方向にむらが生ずることとなる。そこで、すべてのセルの熱交換率を等しくし、より熱交換効率を向上させるべく、放射方向の外側のセルほど、高さが小さくなるように、即ち、周方向壁の間隔が小さくなるように周方向壁の位置が設定されてよい。周方向壁の間隔は、セルの水力直径に基づいて設定されてよい。具体的には、一般に、一つのセルの熱交換効率は、下記の式で与えられるセルの水力直径Ｄｈにより決定される。
Ｄｈ＝４Ａ／Ｌ
ここで、Ａは、セルの断面積であり、Ｌは、セル断面の周長である。従って、図５（Ｂ）右図の如く、一つの流路に於ける放射方向に配列するセルの水力直径Ｄｈが等しくなるように、周方向壁の間隔が設定されてよい。かかる構成によれば、一つの流路（放射方向のセル列）に於けるセルの数も増大するので、より高い熱交換効率が得られることが期待される。なお、上記の本発明の熱交換器の構成、特に、セルの水力直径Ｄｈが等しくなるようにする構成は、金属製のフィンのロウ付け等による方法で製造することは極めて困難である。

以上の説明は、本発明の実施の形態に関連してなされているが、当業者にとつて多くの修正及び変更が容易に可能であり、本発明は、上記に例示された実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の概念から逸脱することなく種々の装置に適用されることは明らかであろう。

例えば、上記の構成では、各セルの断面形状は、四辺形であるが、セルの軸方向の形状が略直線状であれば、押し出し成型による製造が可能であるので、各セルの断面形状は、その他の形状、例えば、円、楕円、多角形であってもよい。

Claims

ガスタービン用の円筒形状の熱交換器であって、低温側の圧縮空気の流路と高温側の排気ガスの流路とを仕切る流路壁が円筒形状の放射方向及び軸方向に延在するセラミックス製の平面状の壁であり、前記圧縮空気の流路及び排気ガスの流路が、それぞれ、前記流路の進行方向から見た断面に於いて、前記円筒形状の放射方向に延在し且つ周方向に於いて交互に割り当てられ、前記流路の進行方向から見た断面に於いて、前記流路の各々は、前記円筒形状の中心から放射方向に配列され周方向に仕切られた複数のセルに分割され、前記複数のセルに於いて、全てのセルの水力直径が実質的に等しくなるように、前記円筒形状の放射方向外側のセルは、前記放射方向内側のセルよりも短い放射方向長さと、長い周方向長さとを有している熱交換器。