JP2016044676A - 繊維媒体を備えた消音及び冷却組立体 - Google Patents

Abstract

【課題】発電システム内の音響波を抑制しながら、同じ発電システムを通過する流体を冷却すること。
【解決手段】本開示の実施形態は、流体の流れを透過することのできる複数の実質的に波状のチャネルを有する繊維媒体と、繊維媒体と接触し、液体冷却材を送るためのアパーチャを含む分配器と、繊維媒体に結合され且つ分配器の両側に近接した少なくとも２つの音響シールドと、を備えた組立体を提供する。
【選択図】 図１

Description

本開示は、全体的に、騒音低減並びにターボ機械の吸入空気のような作動流体の冷却に関する。より具体的には、本開示は、冷却に加えてタービン騒音を低減する繊維媒体を備えた組立体に関する。

従来のタービンシステムは、多くの場合、例えば、発電機用の動力を発生させるのに使用される。高温ガス又は蒸気のような作動流体は、タービンシステムのロータに結合されたタービンブレードのセットにわたって送り込むことができる。ブレードに作用する作動流体の力により、これらのブレード（及び結合されたロータ本体）が回転を生じる。多くの場合、ロータ本体は、発電機などの電動機械の駆動シャフトに結合される。この意味で、タービンシステムのロータが回転を始めることにより、発電機の駆動シャフトが回転し、（出力に関連して）電流を発生させることも可能となる。

タービンの効率、出力、及び故障リスクなどの変動要素は、特定の構成要素及び入口、出口、その他などの通路の内部温度に少なくとも部分的に依存する。タービンシステムを通って流れる作動流体の温度は、発生する回転トルク及び／又は動力などの出力に影響を及ぼすことになる。タービンシステムが特定の作動温度を有するように設計することで、これらの出力を改善することができる。作動温度を制御してシステムの出力を増大させるプロセスは、「タービン出力増大」として周知とすることができる。タービンシステムの温度を管理するために、種々の冷却システムを装備することができる。

特にガスタービンにおけるタービンの性能及び安全性に影響を及ぼす可能性がある別の変動要素の集合は、作動中にタービンにより生じる動的出力（すなわち、騒音）である。発生する騒音量は、他のタイプのターボ機械に比べて陸上用ガスタービンの方がより大きくなる可能性があり、これは、作動特性が異なること、例えば、圧縮機ロータ先端速度がより高速であることに起因する。従って、タービンの一部の材料又は構成要素は、音響波を抑制する能力に基づいて設計又は選択される場合がある。

米国特許第４，７３８，３０５号明細書

繊維媒体を組み込んだ消音及び冷却組立体が本明細書で開示される。本開示の実施形態は、例証として、タービン用途に関して本明細書で検討されるが、本開示の実施形態は、他の状況、例えば、冷却及び音響抑制を受けるための空気通路を備えた機械にも適用することができることは理解される。

本発明の第１の態様は、流体の流れを透過することのできる複数の実質的に波状のチャネルを有する繊維媒体と、繊維媒体と接触し、液体冷却材を送るためのアパーチャを含む分配器と、繊維媒体に結合され且つ分配器の両側に近接した少なくとも２つの音響シールドと、を含むことができる組立体を提供する。

本発明の第２の態様は、圧縮機からの空気の流れを送るよう構成された通路と、通路内に位置付けられ、複数の実質的に波状のチャネルを内部に有し、該複数の実質的に波状のチャネルの各々が前記空気の流れを透過することができる繊維媒体と、繊維媒体と接触し、液体冷却材を送るためのアパーチャを含む分配器と、繊維媒体に結合され且つ分配器の両側に近接した少なくとも２つの音響シールドと、を備えるタービン構成要素を提供する。

本発明の第３の態様は、ガスタービン、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）及び蒸気タービンのうちの流体流れセクション内に位置付けられた組立体を備える複合サイクル発電システムを提供し、該組立体が、流体の流れを透過することのできる複数の実質的に波状のチャネルを有する繊維媒体と、繊維媒体と接触し、液体冷却材を送るためのアパーチャを含む分配器と、繊維媒体に結合され且つ分配器の両側に近接した少なくとも２つの音響シールドと、を含む。

本発明のこれら並びに他の特徴は、本発明の種々の実施形態を描いた添付図面を参照しながら、本発明の種々の態様に関する以下の詳細な説明を読むことにより、一層よく理解されるであろう。

本開示の１つの実施形態による発電システムの概略図。 本開示の１つの実施形態による消音及び冷却組立体の斜視図。 本開示の１つの実施形態による冷却材供給システムの斜視図。 本開示の１つの実施形態によるシートから構成された繊維媒体の部分斜視図。 本開示の１つの実施形態によるシート間にチャネルを備えた繊維媒体の断面図。 本開示の１つの実施形態による複数シャフト複合サイクル発電プラントの一部の概略図。 本開示の実施形態による単一シャフト複合サイクル発電プラントの一部の概略図。 本開示の１つの実施形態による繊維媒体における音響波の挙動の概略図。 本開示の１つの実施形態による繊維媒体における音響抑制のグラフ。

本発明の図面は必ずしも縮尺通りではない点に留意されたい。当該図面は、本発明の典型的な態様のみを描くことを意図しており、従って、本発明の範囲を限定するものとみなすべきではない。図面では、同じ参照符号は、複数の図面にわたり同じ要素を示している。

本明細書で検討するように、本発明の態様は、全体的に、機械的システム及び設備の冷却及び音響抑制を提供することに関する。より詳細には、本発明の態様は、繊維媒体を用いた消音及び冷却組立体に関する。

図１を参照すると、ターボ機械の形態の発電システム１０が示されている。燃焼ベースのターボ機械組立体である発電システム１０が例証として図示されているが、本開示の実施形態はまた、他のタイプのターボ機械（蒸気タービン、風力タービン、水力タービン、その他）と共に使用するよう適合させることができる。燃焼ベースのターボ機械において、燃料ノズル１４に接続された燃焼器１２は、通常、発電システム１０の圧縮機１６セクションとタービン１８セクションとの間に配置される。圧縮機１６及びタービン１８は、回転シャフト２０を介して互いに機械的に結合することができる。空気２２は、順次的に、圧縮機１６、燃焼器１２、及び最後にタービン１８を通って流れる。圧縮機１６から提供される圧縮はまた、空気２２の温度を上昇させることができる。燃焼器１２における燃焼反応は、動的出力として音響波を生成する。高温ガスストリームは、タービン１８に流入し、回転シャフト２０に機械的エネルギーを与え、これにより、圧縮機１６及び／又は回転シャフト２０に結合された何らかの負荷（図示せず）に動力を供給することができる。発電システムは、圧縮機１６と燃焼器１２との間に位置付けられた通路を含むことができ、この通路を通って圧縮機１６において圧縮された空気が通過した後燃焼される。発電システム１０は、同じオペレータを介して制御される複数の個々のターボ機械のうちの１つとすることができ、及び／又はより大型の発電システムの一部とすることができる。発電システム１０を含むことができる大型の機械システムは、本明細書で別途詳細に検討する。

図２を参照すると、本開示の実施形態による組立体１００が示される。組立体１００の実施形態は、発電システム１０（図１）の構成要素を通過する流体から熱を吸収する（例えば、圧縮機１６（図１）と燃焼器１２（図１）との間の通路（図１）を通過する流入空気を冷却する）ことに加えて、タービンシステムから生じる騒音を抑制することができる。発電システム１０（図１）に関して、圧縮機１６（図１）は、発電システム１０（図１）から有意な体積の音響波（すなわち、およそ３０〜５０デシベル（ｄＢ）の音圧比）を生成する可能性がある。組立体１００の実施形態は、これらの音響波を抑制して、これらの音響波が発電システム１０（図１）の外部に位置する他の構成要素、装置、その他に影響を及ぼすのを防ぎ、発電騒音要件に適合させることができる。加えて、組立体１００の実施形態は、圧縮後に温度が上昇する圧縮機１６（図１）用圧縮流体を冷却することができる。組立体１００は、通路２４内のストリームの冷却機能と、同様に通路を往来する音波の音響抑制機能とを兼ね備えている。

作動時には、組立体１００は、通路２４内の流体を冷却すると共に、そうでなければ通路２４を通って機械（例えば、発電システム１０）から放出されることになる音響波を抑制することができる。組立体１００の特定の実施形態が添付図面に示され、本明細書で例証として検討されるが、組立体１００は、同じ又は類似の概念を利用した様々な構造を含むことができることは理解される。組立体１００は、実質的に通路２４の断面全体にわたって位置付けられた繊維の媒体（例えば、複数のシート、メッシュ、スラブ、又は他の層）を含むことができる。媒体の繊維間のスペースには、組立体１００の媒体を通る複数のチャネルを生成することができ、このチャネルを通路２４内の流体が通過することができる。これらのチャネルは、通路２４内の音響波が直接的な通過ラインを有さずに、組立体１００の繊維媒体によって抑制又は遮断、或いは少なくとも減衰されるように、実質的に波状にすることができる。繊維媒体の繊維間のスペースはまた、冷却流体を組立体１００の繊維媒体全体にわたって分布させるのを可能にし、通路２４内の流体から熱エネルギーを吸収することができる。

組立体１００はまた、実質的に波状のチャネルを内部に含む、組立体１００の繊維媒体に液体冷却材を送給するための供給システムを含むことができる。作動時には、液体冷却材は、個々の繊維間のスペースを通過させることにより、組立体１００内の繊維材料全体に分布させることができる。特定の実施形態において、液体冷却材は、水又は別のタイプの蒸発冷却材とすることができる。流体は、媒体の実質的に波状のチャネルを通過して、冷却材にエネルギーを伝達することができ、これにより分布した冷却材の一部が蒸発するようになる。流体から組立体１００全体にわたって分布した液体冷却材へのこのエネルギーの伝達により、通路２４内の流体の温度を低下させることができる。任意選択的に、未蒸発の液体冷却材は、組立体１００の底部にあるトラフ内に集められ、（ポンプ、サイフォン、導管、その他によって）供給システム及び／又は他の構成要素に送給することができる。

繊維媒体１０２を内部に含む組立体１００は、タービンなどの発電システム１０（図１）の通路２４を通って流体１０４（例えば、空気の流れ）が流れる経路内に位置付けることができる。組立体１００は、現在公知の又は将来開発される何らかの結合機構により通路２４の構造体内に固定、又は結合、或いは他の方式で取り付けることができる。繊維媒体１０２は、現在公知の又は将来開発される何らかの繊維材料から構成することができ、非限定的な実施例として、繊維系膜体、高分子シート又は積層体、セルロース系材料、ガラス系繊維、鉱物繊維、本明細書で開示される物質及び／又は材料の何れかを含む複合材料、その他を含むことができる。例示の実施形態において、繊維媒体１０２は、約４０キログラム毎立方センチメートル（ｋｇ／ｍ^３）〜約４５０ｋｇ／ｍ^３の密度で、約５ミクロン（μｍ）〜約５０μｍの繊維直径を有することができる。繊維媒体１０２は、流体１０４の流れを繊維媒体１０２に送ることができる複数の実質的に波状のチャネル１０６を含むように、選択、修正、製造などを行うことができる。

組立体１００はまた、繊維媒体１０２に隣接した冷却材供給システム１０８を含むことができる。冷却材供給システム１０８は、リザーバ１０９からポンプ供給される液体冷却材を繊維材料１０２に送給し、流体１０４から熱エネルギーを吸収することができる。例示の実施形態において、組立体１００の冷却材供給システム１０８はまた、発電システム１０（図１）の通路２４内に配置することができる。

簡潔に図３を参照すると、冷却材供給システム１０８及びその構成要素が更に詳細に示されている。冷却材供給システム１０８は、繊維媒体１０２と接触した分配器１１０を含むことができる。分配器１１０は、１つの構成要素、チャンバ、その他から別の構成要素、チャンバ、その他に液体を含む流体を送る現在公知の又は将来開発される何らかの構成要素の形態とすることができる。分配器１１０は、図２及び３において例証としてパッドの形態で示されているが、他の実施形態も企図される。例えば、分配器１１０は、チャンバ、複数の小孔、有孔パイプ、半透過性材料又は材料のグループ、その他の形態とすることができる。分配器１１０は、液体冷却材を分配器１１０に通して繊維媒体１０２に送るアパーチャ１１２を含むことができる。より具体的には、アパーチャ１１２は、繊維媒体１０２と、分配器１１０に結合された冷却材パイプ１１４との間の流体連通を提供することができる。

リザーバ１０９は、繊維媒体１０２を介して他の構成要素に分配又は送給されることになる所定量の液体冷却材を貯蔵することができる。ポンプ１１１は、リザーバ１０９内の液体冷却材を冷却材パイプ１１４に送給することができる。図２は、特定の実施例として冷却材パイプ１１４を含み、本開示で検討するが、冷却材パイプ１１４は、これに加えて又は代替として、流体を貯蔵及び／又は送るための現在公知の又は将来開発される何らかの機械的装置の形態とすることができることは理解される。アパーチャ１１２は、図２及び３に示すように人間の観測者に可視とすることができるが、また、分配器１１０の実施形態は、人間の観測者には可視でない複数のアパーチャを備えた選択的に透過性の材料（例えば、濾過材料及び／又は炭素系物質）を含むことができることは理解される。非限定的な実施例として、冷却材パイプ１１４は、不凍液、水、蒸発冷却材、不凍水溶液、及び／又は同等の熱伝達特性を有する現在公知の又は将来開発される他の材料などの液体冷却材を送ることができる。冷却材供給システム１０８から提供される冷却材は、ギャップ及び／又は液体透過性の繊維媒体１０２の一部を通過することにより、繊維媒体１０２のシートを通って横方向に移動することができる。繊維媒体１０２に送給される一部の冷却材は、蒸発冷却のための冷却材を含むことができる。蒸発冷却は、気化熱が高い冷却材材料（例えば、気化熱が４０．６８キロジュール毎モルの水）を用いて空気などの流動する流体を冷却するプロセスを指す。蒸発冷却において、流体は、冷却材にエネルギーを伝達して冷却材を蒸発させ、これにより流体の温度を低下させることができる。

取り込み管路１１６は、ポンプ１１１によりリザーバ１０９からポンプ送給される冷却材を冷却材供給システム１０８の冷却材パイプ１１４に送ることができる。取り込み管路１１６は、例証として、単一の導管の形態として示されるが、あらゆる数の導管が実施可能であり、取り込み管路１１６はまた、冷却材を送るための他の構造体の形態も可能である。分配器１１０を通って繊維媒体１０２に流入しない冷却材は、冷却材パイプ１１４と流体連通した１又はそれ以上の排水管路１１８を通って冷却材供給システム１０８から選択的に排水することができる。排水管路１１８は、冷却材パイプ１１４に結合され、作動中に冷却材パイプ１１４から分配器１１０への液体冷却材の流れを制御することができる。図２には２つの排水管路１１８が示されているが、あらゆる数の排水管路１１８を用いることができる。更に、排水管路１１８は、冷却材を送るための別の構造体又は送給システムの形態とすることができる。冷却材パイプ１１４の液体冷却材が、分配器１１０を通過したときに組立体１００の他の領域に飛散及び／又は漏洩するのを防ぐために、飛散カバー１２０を分配器１１０に結合することができる。飛散カバー１２０は、冷却材パイプ１１４を収容するような形状にすることができる。飛散カバー１２０は、ガラス、金属、プラスチック、及び／又は流体の流れを遮断する他のタイプの材料のような材料から構成することができる。

図２に戻ると、組立体１００はまた、繊維媒体１０２に結合され且つ分配器１１０に近接した２又はそれ以上の音響シールド１２２を含むことができる。音響シールド１２２は、他の場合に組立体１００を迂回して、発電システム１０（図１）の騒音発生構成要素（例えば、圧縮機１６（図１））から、発電システム１０の外部にある他の構成要素及びシステムに移動する可能性がある音響波を抑制することができる。音響シールド１２２は、音響波を抑制し、大きさを例えば、約１０〜約２０デシベル（ｄＢ）低減する形状及び材料組成を含むことができる。固体表面を含む音響シールド１２２はまた、例えば、反射、抑制、その他によって、音響波が冷却材供給システム１０８又は組立体１００の位置よりも遠くにある構成要素に到達することなく、音響波を抑制することができる。音響シールド１２２を構成することができる一部の材料は、非限定的な実施例として、発泡材料、プラスチック、アクリル繊維、これらの材料の組み合わせ、及び／又は現在公知の又は将来開発される他の音響抑制材料を含む。音響シールド１２２は、冷却材パイプ及び分配器１１０を密封することができ、内部への通過が無いようにすることができる。音響シールド１２２の固体表面構造はまた、流体１０４の流れを反射又は遮断することができる。

組立体１００はまた、繊維材料１０２を複数の部分に分割する仕切り部１２４を含むことができる。仕切り部１２４は、流体１０４の流れを遮断するあらゆる材料から構成することができ、特定の実施形態においては、音響シールド１２２と同じ材料から構成され、或いは、別のタイプの音響シールド材料から構成することができる。図２及び３には、説明の目的で単一の冷却材供給システム１０８が図示されているが、必要に応じて、単一の組立体１００が複数の冷却材供給システム１０８を有することができることは理解される。これに加えて、又は代替として、組立体１００はまた、複数の分配器１１０及び／又は冷却材パイプ１１４を含むことができる。各分配器１１０及び／又は冷却材パイプ１１４は、液体冷却材を仕切り部１２４により分離される繊維媒体１０２の異なるセクションに分配することができる。場合によっては、複数の冷却材供給システム１０８は、同じ組立体１００に冷却材を提供することができる。この場合、繊維媒体１０２の一部（例えば、仕切り部１２４により分割された）は、必要に応じて、対応する冷却材供給システム１０８及び／又はより大型の冷却材供給システム１０８のうちの１つのセクションに結合することができる。複数の冷却材供給システムを用いて、例えば、繊維媒体１０２の異なるセクションに提供される液体冷却材の量を受け取った異なる冷却レベルに制御することができる。

収集トラフ１２６を繊維媒体１０２の下部に位置付けて、未蒸発の液体冷却材を含む液体冷却材を収集し、組立体１００及び／又は他の構成要素のために再利用することができる。収集トラフ１２６は、繊維媒体１０２と流体連通することができ、詳細な実施形態においては、所定量の液体冷却材を収集することができる。冷却材が分配器１１０により繊維材料１０２全体にわたって分配されると、冷却材は、重力に則して繊維媒体１０２を通って降下することができる。未蒸発の液体冷却材は、収集トラフ１２６内に沈降することができる。代替の実施形態において、例えば、選択的に作動状態にされる真空空間を含み、収集トラフ１２６は、繊維媒体１０２から液体冷却材を収集するための吸引力を提供することができる。収集トラフ１２６を冷却材供給システム１０８及び／又は他の構成要素に結合するために、収集トラフ１２６は、任意選択的に、冷却材を他の構成要素に中継するために結合される配管構成要素（ドレイン、パイプ、ポンプ、その他（図示せず）など）を含むことができる。例示の実施形態において、ポンプ及び導管は、冷却材を収集トラフ１２６から取り込み管路１１６に送ることができる。別の例示の実施形態において、排水管路１１８は収集トラフ１２６に通じており、使用されていない冷却材を未蒸発の液体冷却材と混合して、これを冷却材パイプ１１４に戻すことができ、又は他の場所に送ることができる。

図４を見ると、複数のシート２０２から構成された繊維媒体１０２の１つの実施形態が示される。各シート２０２は、実質的に波状の繊維媒体１０２を移動する音響波の減衰をもたらすよう、本明細書で検討される例示的な繊維物質のうちの１又はそれ以上から構成することができる。実質的に波状のチャネル１０６は、２又はそれ以上のシート２０２の間に位置付けることができ、流体１０４が実質的に波状のチャネル１０６を通って流れることができる。例示の実施形態において、複数のシート２０２は、実質的に波状のチャネル１０６が種々のシート間のギャップとして存在した状態で積層されて、繊維媒体１０２を形成することができる。複数のシート２０２を積層配列して繊維媒体１０２を形成することにより、組立体１００のユーザ及び／又は製造者らは、必要に応じて繊維媒体１０２のシートを追加又は除去し、組立体１００において提供される抑制及び／又は冷却レベルを変更することができる。

繊維媒体１０２のシート２０２間の実質的に波状のチャネル１０６は、図５においてより詳細に示されている。繊維媒体１０２の各シート２０２は、ある外形形状（例えば、湾曲形状、正弦曲線形状、不規則な形状、その他）を備えた表面を含むことができる。シート２０２の表面は、特定の点にて互いに接触し、２つの接触するシート２０２間に実質的に波状のチャネル１０６を生成することができる。流体１０４は、シート２０２間の実質的に波状のチャネル１０６内（例えば、図５の平面内）に流入し、繊維媒体１０２を通過することができる。実質的に波状のチャネル１０６の実質的に波状の形状は、音波の複数の反射を生成し、音響エネルギーの吸収を高め、又は繊維媒体１０２及び組立体１００を通る音響波（すなわち、音波）の伝送を遮断することができる。１つの実施形態において、実質的に波状のチャネル１０６は、音響波が通過する完全な「見通し線」が存在しないようにすることができる。シート２０２は、特定の湾曲部を備えた表面を有するように他の材料から（例えば、繊維の分別又は化学的プロセスによる）合成、製造、その他を行い、各実質的に波状のチャネル１０６が、各シート２０２に対して所定量の音響抑制（例えば、デシベル単位での特定の音響伝送損失）をもたらすようにする。本明細書で他の箇所で検討する数学的実施例では、繊維媒体１０２の音響抑制特性が検討される。

実質的に波状のチャネル１０６の湾曲はまた、従来の蒸発媒体と比べて、組立体１００を流れる流体１０４に作用する抗力の量を低減することができる。例えば、実質的に波状のチャネル１０６のサイズ及び構成は、通過する流体の速度及び／又は流量に最小限の影響を及ぼすと共に、複数の表面に反射を提供し、従って、音響波の大きさを縮小することができる。シート２０２の湾曲を増大させることにより、音響減衰量を増大させることができるが、これは、実質的に波状のチャネル１０６内の流体１０４に作用する抗力の増大を犠牲にして成り立つことができる。通過する流体１０４に作用する騒音減衰及び／又は摩擦抗力の適切なレベルは、特定の機械及び／又は用途に固有のものとすることができる。しかしながら、実質的に波状のチャネル１０６を備えた本開示の実施形態は、本明細書で組立体１００の数学モデルで示されるように、材料、形状、その他に関係なく少なくとも有意な音響抑制を提供することができる。

図６を見ると、複数シャフトの複合サイクル発電プラント３００の概略図が示される。複合サイクル発電プラント３００は、例えば、発電機５７０に動作可能に接続されたガスタービン５８０を含むガスタービンシステム５００を含むことができる。発電機５７０及びガスタービン５８０は、シャフト５１５により機械的に結合することができ、該シャフトは、ガスタービン５８０の駆動シャフト（図示せず）と発電機５７０との間でエネルギーを伝達することができる。同様に図６に示されているように、熱交換器５８６は、ガスタービン５８０及び蒸気タービンシステム５９０に動作可能に接続することができる。熱交換器５８６は、従来の導管（符号は省略）を介してガスタービン５８０及び蒸気タービンシステム５９０の蒸気タービン５９２の両方に流体接続することができる。熱交換器５８６は、従来の複合サイクル発電システムで使用されるような、従来の熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）とすることができる。発電分野において周知のように、ＨＲＳＧ５８６は、ガスタービン５８０からの高温の排気ガスを供給水と組み合わせて蒸気を生成することができ、該蒸気は、蒸気タービン５９２に送給される。蒸気タービン５９２は、任意選択的に、別の発電機システム５７０（別のシャフト５１５を介して）に結合することができる。発電機５７０及びシャフト５１５は、当該技術分野で公知の何れかのサイズ又はタイプのものとすることができ、これらが接続される用途又はシステムに応じて異なる場合があることは理解される。発電機及びシャフトは、分かり易くするために共通の符号が付与されているが、これらの発電機又はシャフトは必ずしも同一のものであるとは限らない。各発電機システム５７０及びシャフト５１５は、実質的に同様の原理に基づいて作動し、及び／又は実質的に同じ挙動を示す場合がある。複合サイクル発電プラント３００の１又はそれ以上のシステム及び／又は要素は、音響波を抑制し及び／又は何らかの流体を冷却するための組立体１００を含むよう適合させることができる。本発明の１つの実施形態（破線で示す）において、ガスタービンシステム５００及び／又は蒸気タービンシステム５９０は、例えば、通路２４内に組立体１００を組み込むことができる。図７に示す別の実施形態において、単一シャフトの複合サイクル発電プラント６００は、単一のシャフト５１５を介して１つ又は複数の８０及び蒸気タービン５９２の両方に結合された単一の発電機５７０を含むことができる。単一シャフトの複合サイクル発電プラント６００及び／又はその内部の要素は、例えば、通路２４内に組立体１００の１つの実施形態を含めるように組み込むことができる。

本明細書で検討されるように、組立体１００の実施形態は、発電システム１０（図１）、複合サイクル発電プラント３００（図６及び７）、及び／又は騒音抑制及び温度冷却が必要とされる他の機械又は構成要素に冷却及び音響抑制を提供することができる。組立体１００の音響抑制特徴は、数学的実施例を参照することでより詳細に検討する。

本開示の実施形態による繊維媒体１０２を備えた組立体１００の動作能力は、数学モデルを用いて検証することができる。特定の材料の音響波を抑制する能力は、「流れ抵抗率」を用いて表すことができ、該流れ抵抗率は、材料の密度に加えて繊維の繊維直径に依存することができる。以下の実施例において、繊維媒体１０２は、繊維直径約１５μｍ及びバルク密度約２００ｋｇ／ｍ^３を有すると仮定する。音響波に対する材料の流れ抵抗率は、以下の式の何れかによって定義することができる。

ここで「Ｄ」はマイクロメートル単位の繊維媒体１０２の繊維直径を表し、ρ_ｂｕｌｋはｋｇ／ｍ^３単位の繊維媒体１０２の密度を表し、「ＳｐＧｒ」は、特定の材料の単位無しの比重の省略形であり、Ｒ_１は、ＭＫＳレイル毎メートル（「ＭＫＳ Ｒａｙｌ／ｍ」）単位の流れ抵抗率を表す。本明細書で検討する実施例において、繊維媒体１０２の流れ抵抗率は、５０，８４０ＭＫＳ Ｒａｙｌ／ｍであると決定される。

材料の音響波に対する作用の他の数学的記述は、伝送される音波の周波数に部分的に依存する。本発明の実施例において、２つの音響抑制特性、繊維媒体１０２を通る音響波の「伝播定数」、及び繊維媒体１０２の「音響インピーダンス」は、繊維媒体１０２が特定の波に対して提供する波伝播及び音響抑制の量を例示している。これらの測定結果は、上述の算出した流れ抵抗率及び伝播音響波の周波数から導き出すことができる。伝播定数は、波が特定の材料を伝搬するときの音響波の振幅を測定する。音響インピーダンスは一般に、特定の周波数における音波に対する繊維媒体１０２の抑制反応を測定し、ＭＫＳレイル毎平方メートル（「ＭＫＳ Ｒａｙｌ／ｍ^２」）単位を用いて表すことができる。これらの定数は、振幅と周波数を含み、「ｎ」個の材料グループにおいて、複素領域の数式で表すことができる。

ここで、「Ｅ」（音響エネルギー密度としても知られる）は、（（ｆ）（ρ_０）／Ｒ１）として定義され、「ｆ」はヘルツ（Ｈｚ）（１／秒）単位の音の周波数を表し、「ｊ」は虚数（すなわち、平方根−１）を表し、「ｋ_０」は（ω／ｃ_０）として定義され、「ω」はラジアン毎秒（ラジアン／秒）単位の角度音響周波数を表し、「ρ_０」及び「ｃ_０」は、それぞれ空気の密度と音速を表す。残りの定数α’、α’’、β’及びβ’’は、予め定められた回帰係数であり、以下の表を参照することにより例示の既知の材料について求めることができる。

代替として、繊維媒体１０２において、伝播定数及び音響インピーダンスは、回帰定数に依存することなく、同じ変数の幾つかを用いて以下の式により算出することができる。

ここで「Ｒ_１」は、繊維媒体１０２の算出した流れ抵抗率を表し、「ｆ」は、ヘルツ単位の音響周波数を表し、「ｊ」は虚数を表す。音波の周波数及び材料の特性（例えば、繊維直径及び密度）をこれらの式に適用することにより、モデル化される音響波の伝播定数及び音響インピーダンスが得られる。上記で検討した繊維媒体１０２の特性及び特定の音波の周波数を参照することにより、繊維媒体１０２の伝播定数及び音響インピーダンスが数学的に定義される。本明細書で検討されるように、これらの物理量は、繊維媒体１０２を通る音響波の伝送損失を導き出すのに用いることができる。

繊維媒体１０２内の音響波の圧力場を繊維媒体１０２の伝播定数及び音響インピーダンスと共に用いて、繊維材料１０２を通過する音響波の全伝送損失を決定することができる。音圧「ｐ」は、パスカル（Ｐａ）又はニュートン毎平方メートル（Ｎ／ｍ^２）単位で測定した、繊維媒体１０２を通過する波の位置及び移動時間の関数であり、一般に、特定の位置及び時間における音響波の強さを記述する。

図８を見ると、これらの式は、２つの側面を有する組立体１００の繊維材料１０２に適用して、外部の物質に対する繊維材料１０２内部の音響抑制の大きさを求めることができる。音響波は、一方向から繊維材料１０２に流入し、実質的に当該方向に沿って繊維媒体１０２を伝播し続けることができる。一部の音響波は、繊維材料１０２を通って伝播し、反対側から出射することができ、他の音響波は、音響波が出射することになる繊維材料１０２の反対側の側部から反射することができる。音響波の速度が、音響波の移動する媒体の特性インピーダンスで除算した音圧場として定義される場合、繊維媒体１０２の全体の音響抵抗「Ｒ」は、次式で定義することができる。

ここで、「Ｚｃ」は、繊維媒体１０２の特性インピーダンス（本明細書で他の箇所で導出される）を表し、「Ｚ_０」は、繊維媒体１０２の外部の媒体（本開示の実施形態では空気とすることができる）の特性インピーダンスを表す。同様に検討されるように、繊維媒体１０２及び外部材料の特性インピーダンスは、伝播している音響波の周波数に依存する。上記で検討した関係により、繊維媒体１０２及び隣接する媒体（例えば、図８の通路）の特性インピーダンスを複素形式（すなわち、Ｚｃ＝Ｚ_０（ａ−ｊｂ））に変換することにより、以下の関係式が得られる。

「ａ」は実成分の大きさを表し、「ｂ」は、虚成分の大きさを表す。複素形式の「Ｒ」の一般化表現は、分子においてＺｃ及びＺ０の実部と虚部を合計し、分母においてＺｃからＺ０の実部と虚部を減算することにより得られる。本明細書で他の箇所で検討するように、結果として得られる音響抵抗Ｒは、音響波が通過する外部材料（例えば、空気）と比べた、複素形式の繊維媒体１０２の総音響抵抗を評価している。音響抵抗Ｒは、本明細書で検討するように、反射した波に対する繊維媒体１０２の抵抗と組み合わせて、繊維媒体１０２の伝送損失を求めることができる。

繊維媒体１０２と外部媒体（例えば、図８の通路）との間の出口界面から反射した音響波において、反射音響波の音響抵抗（Ｒ’）は、同様に、複素形式（「ａ」は実成分の大きさ、「ｂ」は虚成分の大きさである）で次式のように表すことができる。

上式は、非反射音響波の抵抗と同じであるが、位相差が１８０°である。２つの式の間のこの位相差は、音響抵抗Ｒ’に抗して繊維媒体１０２を通って移動する前に反射した音響波の結果である。

繊維媒体１０２の全体音響抵抗は、繊維材料１０２に入射し出射する音響波の音圧を数学的に示すことができる。繊維媒体１０２を通って伝播する音響波と、反射した音響波との間のこの関係を用いて、音圧の大きさの減少（例えば、繊維媒体１０２に入る波の音圧の大きさ（Ｐ_１）／繊維媒体１０２に入る前の空気中の波の音圧の大きさ（Ｐ_０））は、「吸収係数」αとして次式のように表すことができる。

図８に示すように、Ｐ_３は、繊維媒体１０２から出た後の波の音圧を表し、Ｐ_２は、繊維材料１０２の反対側に到達した波の音圧を表している。吸収係数αを用いて、繊維媒体１０２によって提供される全伝送損失は、本明細書で他の箇所で得られた伝播定数を用いることにより次式のように数学的に導出することができ、ここで下付文字の「ｒｅ」は、変数の実成分であることを示し、下付文字の「ｉｍ」は伝播定数の虚成分であることを示す（これは、本明細書で検討したような音響波の周波数に依存する）。変数「ｄ」は、繊維媒体１０２の繊維直径を示し、「α」は、本明細書で定められる吸収係数を表す。

ここで「ＴＬ」は、繊維媒体１０２を通る音響波の伝送損失（デシベル単位）を表す。本明細書で検討される伝送損失のモデルは、繊維媒体１０２内の音響波の多重反射を表す変数を含むことができ、繊維媒体１０２を通る結果として生じる伝送損失に対するこれらの変数の影響は無視することができる。本実施例において、繊維媒体１０２は、約４６センチメートル（ｃｍ）の深さを有することができ、解析の目的で、約３０センチメートルの「有効深さ」（すなわち、音響波が抑制される距離）を有すると仮定することができる。約ゼロｋＨｚ〜約８ｋＨｚの間の周波数では、伝送損失は、図９のグラフにおいて、約１０デシベル（ｄＢ）〜約１８ｄＢであると示されている。通路２４内の組立体１００の実施形態は、本明細書で検討される数学的実施例によって示される程度までの音響抑制を提供することができる。例えば、２つの側面を有する繊維媒体１０２は、通過する音響波の流れに抗することができ、一部の音響波は、繊維媒体１０２から出る前に反射することができる。しかしながら、通路２４内の流体は、実質的に波状のチャネル１０６の形状が音響波を抑制するように設計されているにもかかわらず、抗力を生じてこれを増大させることなく、実質的に波状のチャネル１０６を通過することができる。一般に、発電システム１０（図１）又は複合サイクル発電プラント３００（図６、７）などの機械的システム及び／又は構成要素内のあらゆる通路２４は、音響波を抑制し、特定の通路を通過する流体に冷却を提供するような繊維媒体１０２を備えた組立体１００の実施形態を含むことができる。加えて、音響シールド（例えば、音響シールド１２４（図２、３））を付加して、組立体１００を通る流体１０４の流れが必要でない場合に音響波の追加の遮断を提供することができる。これらの音響抑制特徴要素の全ては、本明細書で検討した組立体１００によって提供される冷却と同時に実施することができる。従って、組立体１００の技術的効果は、発電システム内の音響波を抑制すると共に、同じ発電システムを通過する流体を冷却する単一の構成要素を含むことができる。

本開示の装置及び方法は、何れか１つの特定のガスタービン、蒸気タービン、発電システム、又は他のシステムに限定されず、他の発電システム及び／又はシステム（例えば、複合サイクル、単純サイクル、原子炉、その他）と共に用いることができる。加えて、本発明の装置は、本明細書で記載されていない他のシステムと共に用いることができ、本明細書で記載された装置の作動範囲、効率、耐久性、及び信頼性を向上させることにより利点を得ることができる。

本明細書で使用される用語は、単に特定の実施形態を説明するためのものに過ぎず、本開示を限定するものではない。本明細書で使用される場合、単数形態は、前後関係から明らかに別の意味を示さない限り複数形態も含む。更に、本明細書内で使用する場合に、用語「備える」及び／又は「備えている」という用語は、そこに述べた特徴部、完全体、ステップ、動作、要素及び／又は構成部品の存在を明示しているが、１つ又はそれ以上の他の特徴部、完全体、ステップ、動作、要素、構成部品及び／又はそれらの群の存在又は付加を排除するものではないことは理解されるであろう。

本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、また、あらゆる当業者が、あらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる組み込み方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、又は請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。

１０ 発電システム
１２ 燃焼器
１４ 燃料ノズル
１６ 圧縮機
１８ タービン
２０ 回転シャフト
２２ 空気
２４ 通路
１００ 組立体
１０２ 繊維媒体
１０４ 流体
１０６ 波状チャネル
１０８ 冷却材供給システム
１０９ リザーバ
１１０ 分配器
１１１ ポンプ
１１２ アパーチャ
１１４ 冷却材パイプ
１１６ 取り込み管路
１１８ 排水管路
１２０ 飛散カバー
１２２ 音響シールド
１２６ 収集トラフ
２０２ シート
３００ 複合サイクル発電プラント
５００ ガスタービンシステム
５１５ シャフト
５７０ 発電機
５８０ ガスタービン
５８６ 熱交換器
５９２ 蒸気タービン

Claims (20)

1. 流体の流れを透過することのできる複数の実質的に波状のチャネル（１０６）を有する繊維媒体（１０２）と、
   前記繊維媒体と接触し、液体冷却材を送るためのアパーチャ（１１２）を含む分配器（１１０）と、
   前記繊維媒体に結合され且つ前記分配器の両側に近接した少なくとも２つの音響シールド（１２２）と、
   を備えた、組立体（１００）。
2. 前記繊維媒体と流体連通した冷却材収集トラフを更に備える、請求項１に記載の組立体（１００）。
3. 前記分配器に結合され且つ排水バルブ（１１８）を有する冷却材パイプ（１１４）を更に備え、前記排水バルブが、前記組立体からの液体冷却材の流れを選択的に制限及び許容する、請求項１に記載の組立体（１００）。
4. 前記分配器に結合された飛散カバー（１２０）を更に備える、請求項１に記載の組立体（１００）。
5. 前記繊維媒体が、約４０キログラム毎立方センチメートル（ｋｇ／ｍ^３）〜約４５０ｋｇ／ｍ^３の密度を有する、請求項１に記載の組立体（１００）。
6. 前記複数の実質的に波状のチャネルのうちの１つのチャネルの湾曲が、音波の通過を抑制する、請求項１に記載の組立体（１００）。
7. 前記繊維媒体が、積層状に配列された複数の繊維シートを含む、請求項１に記載の組立体（１００）。
8. タービン（１８）構成要素であって、
   圧縮機（１６）からの空気（２２）の流れを送るよう構成された通路（２４）と、
   前記通路内に位置付けられ、複数の実質的に波状のチャネル（１０６）を内部に有し、該複数の実質的に波状のチャネルの各々が前記空気の流れを透過することができる繊維媒体（１０２）と、
   前記繊維媒体と接触し、液体冷却材を送るためのアパーチャ（１１２）を含む分配器（１１０）と、
   前記繊維媒体に結合され且つ前記分配器の両側に近接した少なくとも２つの音響シールド（１２２）と、
   を備える、タービン（１８）構成要素。
9. 前記繊維媒体と接触した冷却材収集トラフを更に備える、請求項８に記載のタービン（１８）構成要素。
10. 前記複数の実質的に波状のチャネルのうちの１つのチャネルの湾曲が、音波の通過を抑制する、請求項８に記載のタービン（１８）構成要素。
11. 前記分配器に結合された飛散カバー（１２０）を更に備える、請求項８に記載のタービン（１８）構成要素。
12. 前記繊維媒体が、約４０キログラム毎立方センチメートル（ｋｇ／ｍ^３）〜約４５０ｋｇ／ｍ^３の密度を有する、請求項８に記載のタービン（１８）構成要素。
13. 前記繊維媒体を通る圧縮された前記空気の流れが、前記繊維媒体内で液体冷却材の一部と接触して蒸発させる、請求項８に記載のタービン（１８）構成要素。
14. 前記繊維媒体が、積層状に配列された複数の繊維シートを含む、請求項８に記載のタービン（１８）構成要素。
15. ガスタービン、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）及び蒸気タービンのうちの流体流れセクション内に位置付けられた組立体を備える複合サイクル発電システム（１０）であって、
    前記組立体が、
    流体の流れを透過することのできる複数の実質的に波状のチャネル（１０６）を有する繊維媒体（１０２）と、
    前記繊維媒体と接触し、液体冷却材を送るためのアパーチャ（１１２）を含む分配器（１１０）と、
    前記繊維媒体に結合され且つ前記分配器の両側に近接した少なくとも２つの音響シールド（１２２）と、
    を含む、システム（１０）。
16. 前記繊維媒体を通る前記流体の流れが、前記繊維媒体内で液体冷却材の一部と接触して蒸発させる、請求項１５に記載のシステム（１０）。
17. 前記複数の実質的に波状のチャネルのうちの１つのチャネルの湾曲が、音波の通過を抑制する、請求項１５に記載のシステム（１０）。
18. 前記分配器に結合された飛散カバー（１２０）を更に備える、請求項１５に記載のシステム（１０）。
19. 前記繊維媒体が、約４０キログラム毎立方センチメートル（ｋｇ／ｍ^３）〜約４５０ｋｇ／ｍ^３の密度を有する、請求項１５に記載のシステム（１０）。
20. 前記繊維媒体が、積層状に配列された複数の繊維シートを含む、請求項１５に記載のシステム（１０）。