JP4546100B2

JP4546100B2 - 熱交換するための方法及び装置

Info

Publication number: JP4546100B2
Application number: JP2004011283A
Authority: JP
Inventors: ロバート・ピー・ツァコル
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2003-01-21
Filing date: 2004-01-20
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2024-01-20
Also published as: DE602004029300D1; JP2004225696A; US7185483B2; CA2454921A1; CN100472044C; CA2454921C; EP1445569B1; CN1517533A; US20040139722A1; EP1445569A2; EP1445569A3

Description

本発明は、一般的に熱交換に関し、より具体的には、ガスタービンエンジン内で熱交換するための方法及び装置に関する。

ガスタービンエンジンは一般的に、空気を加圧するための圧縮機を備える。加圧された空気は、燃料と混合され、燃焼器に送られ、該燃焼器において燃料／空気混合気は燃焼室内で点火されて、高温の燃焼ガスが発生する。燃焼ガスはタービンに送られ、該タービンが燃焼ガスからエネルギーを取り出して圧縮機に動力を供給するとともに、飛行中の航空機を推進し或いは発電機などの負荷に動力を供給するような有用な仕事を行う。

少なくとも一部の公知のガスタービンエンジンは、熱交換器を使用して、例えば圧縮機から吐出された空気の温度を上昇させる又はタービンを冷却するために使用した空気の温度を低下させることにより、ガスタービンエンジンの効率を改善している。少なくとも一部の公知のガスタービンエンジンはまた、熱交換器を使用して、タービンから吐出されるガスの温度を低下させている。熱交換器は一般的に、その中に第１の流体を通しかつ第２の流体の直交流内に懸架された複数の小径管を備える。第１の流体が管を通って流れかつ第２の流体が管の表面領域上を流れるとき、第１及び第２の流体は熱交換される。
米国特許第第3831374号明細書米国特許第第6438936号明細書米国特許第第5193611号明細書米国特許第6035627号明細書米国特許第6307278号明細書米国特許第6634419号明細書米国特許第6684943号明細書米国特許第 6295803号明細書米国特許第 6253554号明細書米国特許第 6050080号明細書米国特許第 5782076号明細書米国特許第 5729969号明細書米国特許第 5317877号明細書米国特許第 5297386号明細書米国特許第 5267608号明細書米国特許第 4773212号明細書米国特許第 4187675号明細書米国特許第 3974642号明細書米国特許第 3038308号明細書米国特許第 2979293号明細書米国特許第 2970437号明細書イギリス特許第 2072268号明細書「How to Use Fuel as a Heat Sink」, G.L. Roth, O.L. Williamson, Space/Aeronautics（1960年３月）

しかしながら、このような熱交換器は、複雑であり、複数のろう付け接合部を備え、従って製造が困難になる場合がある。更に、管のろう付け接合部又は他の部分は、荷重で割れを生じ、その結果、第１及び第２の流体が混合することになる可能性もある。

１つの態様において、第１の流体と第２の流体との間で熱交換する方法が提供される。この方法は、各々が支持部材の格子から形成されている、支持構造体の少なくとも２つの層のスタックを有し、少なくとも１つの隔壁を使用して少なくとも２つの支持構造体層を実質的に流体的に分離して各層が流体通路を形成するようになっている熱交換器を設ける段階を含む。該方法は更に、第１の流体の流れを第１の流体通路を通して導き、また第２の流体の流れを該第１の流体通路に隣接する第２の流体通路を通して導いて、第１及び第２の流体間の熱交換を促進する段階を含む。

別の態様において、第１の流体と第２の流体との間で熱交換するための熱交換器が提供される。この熱交換器は、各々が支持部材の格子から形成されている、支持構造体の少なくとも２つの層のスタックと、支持構造体層の少なくとも１つに結合された少なくとも１つの隔壁とを含み、該少なくとも１つの隔壁が、各層が流体通路を形成するように少なくとも２つの支持構造体層を実質的に流体的に分離するようになっている。該少なくとも１つの隔壁は、第１の流体が第１の流体通路を通して導かれかつ第２の流体が該第１の流体通路に隣接する第２の流体通路を通して導かれるとき、該第１の流体と該第２の流体との間の熱交換を促進するように構成されている。

更に別の態様において、少なくとも１つの圧縮機と、圧縮機の下流に位置しかつ該圧縮機と流れ連通している少なくとも１つのタービン組立体とを含むガスタービンエンジンが提供される。タービン組立体は、少なくとも１つの排出口を備える。ガスタービンエンジンはまた、熱交換器を含み、該熱交換器は、各々が支持部材の格子から形成されている、支持構造体の少なくとも２つの層のスタックと、少なくとも１つの支持構造体層に結合された少なくとも１つの隔壁とを含み、該少なくとも１つの隔壁が、各層が流体通路を形成するように支持構造体層の少なくとも２つを実質的に流体的に分離するようになっている。該少なくとも１つの隔壁は、加圧空気が第１の流体通路を通して導かれかつ第２の流体が該第１の流体通路に隣接する第２の流体通路を通して導かれるとき、少なくとも１つの圧縮機から吐出された該加圧空気と該第２の流体との間の熱交換を促進するように構成されている。

本発明は、本明細書ではガスタービンエンジンに関連して説明されかつ図示されているが、本発明は、あらゆるシステム内での、またガスタービンエンジン内のあらゆる場所での一般的な熱交換に使用することができることを理解されたい。従って、本発明の実施は、ガスタービンエンジンに限定されるものではなく、また本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものでもない。

図１は、ガスタービンエンジン１０の概略図であり、該ガスタービンエンジン１０は、低圧圧縮機１２と、高圧圧縮機１４と、燃焼器１６とを備える。エンジン１０はまた、高圧タービン１８と、低圧タービン２０とを備える。圧縮機１２とタービン２０とは、第１のシャフト２４で結合され、圧縮機１４とタービン１８とは、第２のシャフト２６で結合される。エンジン１０は、吸入側すなわち上流側２８と、排出側すなわち下流側３０とを有する。１つの実施形態において、エンジン１０は、ニューヨーク州スケネクタディ所在のＧｅｎｅｒａｌＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓから購入可能なタービンエンジンである。

作動中、空気は低圧圧縮機１２及び高圧圧縮機１４を通って燃焼器１６へ流れ、該燃焼器１６において加圧された空気は燃料と混合され、点火されて高温の燃焼ガスを発生する。燃焼ガスは、燃焼器１６からタービンノズル組立体（図１には図示せず）内へ吐出され、該タービンノズル組立体は、複数のノズル（図１には図示せず）を備え、タービン１８及び２０を駆動するのに使用される。次ぎに、タービン２０が低圧圧縮機１２を駆動し、タービン１８が高圧圧縮機１４を駆動する。

図２は、エンジン１０（図１に示す）のようなガスタービンエンジンに使用される例示的な熱交換器組立体５０の斜視図である。熱交換器組立体５０は、熱交換器５２と、第１の流体５６の入口ダクト５４と、第２の流体６０の入口ダクト５８と、第１の流体５６の出口ダクト６２と、第２の流体６０の出口ダクト６４とを備える。熱交換器は、ダクト５４から第１の流体５６の流れを受け、入口ダクト５８から第２の流体６０の流れを受ける。ダクト５４、５８、６２、６４は、各々任意の好適な方法でエンジン１０のそれぞれの部分（図示せず）に結合されている。以下に説明するように、流体５６及び６０は、熱交換器５２を通って流れ、流体５６と流体６０とが、熱交換する。１つの実施形態では、それぞれの入口ダクト５４及び５８において、第１の流体５６は、第２の流体６０よりも温度が高い。別の実施形態では、それぞれの入口ダクト５８及び５４において、第２の流体６０は、第１の流体５６よりも温度が高い。更に、１つの実施形態では、それぞれの出口ダクト６２及び６４において、第１の流体５６は、第２の流体６０よりも温度が高い。別の実施形態では、それぞれの出口ダクト６４及び６２において、第２の流体６０は、第１の流体５６よりも温度が高い。更に別の実施形態では、それぞれの出口ダクト６２及び６４において、第１の流体５６及び第２の流体６０は、実質的に等しい温度を有する。

第１の流体入口ダクト５４は、該ダクト５４が第１の流体５６の流れを熱交換器５２の第１の側面７０に供給するように、該熱交換器５２に結合される。第１の流体出口ダクト６２は、該ダクト６２が熱交換器５２の第２の側面７２から第１の流体５６の流れを受けるように、該熱交換器５２に結合される。第２の流体入口ダクト５８は、該ダクト５８が第２の流体６０の流れを熱交換器５２の第３の側面７４に供給するように、該熱交換器５２に結合される。第２の流体出口ダクト６４は、該ダクト６４が熱交換器５２の第４の側面７６から第２の流体６０の流れを受けるように、該熱交換器５２に結合される。

１つの実施形態では、第１の流体入口ダクト５４は、空気の流れを圧縮機１４から該入口ダクト５４に供給する供給源（図示せず）に流体的に結合され、また第２の流体入口ダクト５８は、排出ガスの流れをタービン２０から該入口ダクト５８に供給する供給源（図示せず）に流体的に結合される。別の実施形態では、第１の流体入口ダクト５４は、空気の流れを圧縮機１４から該入口ダクト５４に供給する供給源（図示せず）に流体的に結合され、熱交換器５２は、第２の流体入口ダクト５８から受けた別の流体の流れを使って、圧縮機１４からの空気を冷却する。

図３は、熱交換器５２（図２に示す）の斜視図である。図４は、熱交換器５２の一部を形成する格子ブロック構造体１００の斜視図である。図５は、格子ブロック構造体１００の一部の斜視図である。熱交換器５２は、格子ブロック構造体１００の複数の層１０２及び１０４を備える。層１０２及び１０４は、互いに積層（スタック）されて構造体１００を形成する。より具体的には、各層１０２は、少なくとも１つの層１０４に隣接してスタックされ、各層１０４は、２つの層１０２に隣接してスタックされる。構造体１００の各層１０２は、それぞれの支持頂点１０８において接合された個々の支持部材１０６の格子から製作される。例示的な実施形態では、支持部材１０６は、実質的に均一に３次元配列にスタックされた複数の角錐体を形成して、層１０２及び１０４と全体としての構造体１００とを形成する。しかしながら、支持部材１０６、層１０２及び１０４、構造体１００、並びに全体としての熱交換器５２の特定の寸法、形状、及び構成は、熱交換器組立体５０の特定の用途に応じて変化することになることは理解されるであろう。

格子ブロック構造体１００、より具体的には支持部材１０６は、熱交換器５２の作動中、該熱交換器５２の構造を機械的に支える。１つの実施形態では、構造体１００、より具体的には支持部材１０６は、連続したワイヤフィラメントの一部である細かくしたワイヤの断片から形成される。別の実施形態では、構造体１００は、基体シートから形成される。また別の実施形態では、構造体１００は、射出成形法を使用して形成される。更に別の実施形態では、構造体１００は、鋳造法を使用して形成される。更に、１つの実施形態では、支持部材１０６は、所望の温度及び耐食性に応じて、これに限定するのではないが例えばスチール合金ＩＮ７１８、アルミニウム、又は銅などの金属材料で製作される。１つの実施形態では、構造体１００は、マサチューセッツ州ウィルミントン０１８８７所在のＪＡＭＣＯＲＰＵＳＡから購入可能な材料を使用して形成される。

複数の第１の隔壁１２０は、隣接する層１０２及び１０４間に結合されて、隣接する層１０２及び１０４を流体的に分離する。第１の隔壁１２０は、それぞれの通路１１０及び１１２が隣接する層１０２及び１０４間に形成され、かつ流体が隣接する層１０２及び１０４間、より具体的には隣接する通路１１０及び１１２間で漏洩しないように、該隣接する層１０２及び１０４を実質的に流体的に分離する。例示的な実施形態では、隔壁１２０は、単一のモノリシック組立体を形成する。１つの実施形態では、各層１０２の支持部材１０６は、それぞれの第１の隔壁１２０に結合され、該第１の隔壁１２０もまた、隣接する層１０４の支持部材１０６に結合されて、該第１の隔壁１２０が隣接する層１０２及び１０４を完全に分離し、かつ該隣接する層１０２及び１０４間に機械的な連結を形成するようになる。

熱交換器の第１の側面７０は、該第１の側面７０に結合された複数の第２の隔壁１３０を備える。第２の隔壁１３０の各々は、それぞれの層の通路１１０への開口部１３２を覆って結合される。第２の隔壁１３０は、該第２の隔壁１３０が層の通路１１０内への第１の流体５６の流れを実質的に封鎖するように、開口部１３２を覆って結合される。熱交換器の第２の側面７２もまた、該第２の側面７２に結合された複数の第２の隔壁１３０を備え、該第２の隔壁１３０の各々が、それぞれの通路１１０に開口する第２の側面７２内の開口部（図示せず）を覆って結合されて、該第２の隔壁１３０が、層の通路１１０内への第１の流体５６の流れを実質的に封鎖することを可能にするようになる。

１つの実施形態では、第２の隔壁１３０は、一般的に良好な熱伝導性を有する材料で製作される。更に、１つの実施形態では、第２の隔壁１３０は、支持部材１０６にろう付けされる。

熱交換器の第３の側面７４は、該第３の側面７４に結合された複数の第３の隔壁１４０を備える。第３の隔壁１４０の各々は、それぞれの層の通路１１２への開口部１４２を覆って結合される。第３の隔壁１４０は、該第３の隔壁１４０が層の通路１１２内への第２の流体６０の流れを実質的に封鎖するように、開口部１４２を覆って結合される。熱交換器の第４の側面７６もまた、該第４の側面７６に結合された複数の第３の隔壁１４０を備え、該第３の隔壁１４０の各々が、それぞれの通路１１２に開口する第４の側面７６内の開口部（図示せず）を覆って結合されて、該第３の隔壁１４０が、層の通路１１２内への第２の流体６０の流れを実質的に封鎖することを可能にするようになる。第２の隔壁１３０はまた、第２の流体６０の流れを通路１１０内に閉じ込めるのを可能にし、第３の隔壁１４０はまた、第１の流体５６の流れを通路１１２内に閉じ込めるのを可能にする。

ここで図１から図５を参照すると、作動中、第１の流体入口ダクト５４は、例示的な実施形態では圧縮機１４からの加圧空気５６である第１の流体５６の流れを受け、第２の流体入口ダクト５８は、例示的な実施形態では加圧空気５６よりも温度が高いタービン２０からの排出ガス６０である第２の流体６０の流れを受ける。第２の隔壁１３０及び入口ダクト５４は、加圧空気５６の流れを、開口部１３２を通して層１０４の通路１１２内に導く。加圧空気５６は、通路１１２に開口している第２の側面７２内の開口部を通って通路１１２から流出し、その後第１の流体出口ダクト６２を通って流出する。第３の隔壁１４０及び入口ダクト５８は、排出ガス６０の流れを、開口部１４２を通して層１０２の通路１１０内に導く。排出ガス６０は、通路１１０に開口している第４の側面７６内の開口部を通って通路１１０から流出し、その後第２の流体出口ダクト６４を通って流出する。排出ガス６０が通路１１０を通って流れるので、該排出ガス６０は、第１の隔壁１２０に、より具体的には通路１１２に隣接する第１の隔壁１２０の表面領域に伝熱する。加圧空気５６が通路１１２を通って流れるので、該空気５６は、通路１１２に隣接する隔壁１２０の表面領域から熱を吸収する。従って、排出ガス６０と加圧空気５６とは、空気５６が温度の上昇を受け、ガス６０が温度の低下を受けることを通して熱交換する。熱交換器５２の作動中、格子ブロック構造体１００、より具体的には支持部材１０６は、熱交換器５２の他の個々の構成部品と全体としての熱交換器５２の構造とを機械的に支えて、流体５６及び６０の圧力と熱交換器５２の通常の作動とによって生じる応力から熱交換器５２を保護することを可能にする。

上述した熱交換器組立体は、特にガスタービンエンジン内での２つの流体間の熱交換を促進することにおいて費用効果がありかつ高い信頼性がある。より具体的には、上に述べた熱交換器組立体は、該組立体を構成するのに使用される格子ブロック構造体の構造的剛性及び重量と該組立体内のろう付け接合部の数の減少とに一部起因して、該熱交換器組立体の重量を減少させながらその強度を増強させることを可能にする。更に、熱交換器組立体の製造又は作動のいずれによるにせよ、該熱交換器組立体内に、より具体的には該組立体内の格子ブロック構造体及びろう付け接合部内に欠陥及び／又は損傷が存在する場合に、層内の独立した流体は、格子ブロック構造体の層の間にある隔壁により、相互に混合されることはない。従って、熱交換器組立体の効率は長期にわたって殆ど低下せず、それによってガスタービンエンジンの効率を上昇させることも可能になる。その結果、上述した組立体は、費用効果がありかつ信頼性がある方法で２つの流体間の熱交換を可能にする。

熱交換器組立体の例示的な実施形態を、上に詳細に説明している。システムは本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものでなく、むしろ各組立体の構成部品は、本明細書に記載した他の構成部品から独立して個別に使用されることができる。熱交換器組立体の構成部品の各々はまた、他の熱交換器組立体の構成部品と組み合わせて使用することができる。

なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

例示的なガスタービンエンジンの概略図。図１に示したエンジンのようなガスタービンエンジンで使用される例示的な熱交換器組立体の斜視図。図２に示した熱交換器組立体で使用される例示的な熱交換器の斜視図。図３に示した熱交換器の一部の斜視図。図３に示した熱交換器の一部の別の斜視図。

符号の説明

５０熱交換器組立体
５２熱交換器
５４第１の流体の入口ダクト
５６第１の流体
５８第２の流体の入口ダクト
６０第２の流体
６２第１の流体の出口ダクト
６４第２の流体６０の出口ダクト
７０、７２、７４、７６熱交換器の側面
１０２、１０４支持構造体の層
１１０、１１２流体通路
１３２、１４２開口部

Claims

第１の流体（５６）と第２の流体（６０）との間で熱交換するための熱交換器（５２）であって、
各々が支持部材（１０６）の格子から形成されている、支持構造体の少なくとも２つの層（１０２、１０４）のスタック（１００）と、
少なくとも１つの前記支持構造体層に結合された少なくとも１つの隔壁（１２０）と、を含み、
前記少なくとも１つの隔壁が、前記層の各々が流体通路（１１０、１１２）を形成するように前記支持構造体層の少なくとも２つを実質的に流体的に分離するようになっており、
前記少なくとも１つの隔壁が、第１の流体が第１の前記流体通路（１１０）を通して導かれかつ第２の流体が前記第１の流体通路に隣接する第２の前記流体通路（１１２）を通して導かれるとき、該第１の流体と該第２の流体との間の伝熱交換を促進するように構成されており、
複数の前記支持部材（１０６）が互いに結合されて、３次元配列にスタックされた複数の角錐体を形成している
ことを特徴とする熱交換器（５２）。
前記スタック（１００）が前記支持構造体の２つより多い層（１０２、１０４）を含み、前記熱交換器が複数の隔壁（１２０、１３０）を含み、前記隔壁の各々が、前記スタック内の隣接する前記層の間に結合されて、複数の流体通路が該スタック内に形成されるようになっていることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器（５２）。
第１の側面（７０）と第２の側面（７２）とを更に含み、前記第１の側面が、前記複数の流体通路の少なくとも１つ（１１０）に延びる少なくとも１つの開口部（１３２）を含み、前記第２の側面が、前記複数の流体通路の少なくとも１つ（１１２）に延びる少なくとも１つの開口部（１４２）を含み、前記複数の隔壁（１２０、１３０）が、前記第１の流体が第１の複数の前記流体通路を通して導かれかつ前記第２の流体が第２の複数の前記流体通路を通して導かれ、前記第１の複数の流体通路が前記第２の複数の流体通路と異なるとき、該第１の流体と該第２の流体との間の伝熱を促進するように構成されていることを特徴とする、請求項２に記載の熱交換器（５２）。
前記熱交換器が、少なくとも１つの圧縮機（１４）と排出口（３０）を有する少なくとも１つのタービン（１８）と備えるガスタービンエンジン（１０）で使用されるように構成され、前記少なくとも１つの隔壁（１２０）が、前記圧縮機から受けかつ前記第１の流体通路（１１０）を通して導かれる加圧空気と、前記タービン排出口から受けかつ前記第２の流体通路（１１２）を通して導かれる燃焼ガスとの間の伝熱を促進するように構成されていることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱交換器（５２）。
前記少なくとも１つの隔壁（１２０）が、前記加圧空気の温度の上昇と前記燃焼ガスの温度の低下とを促進することを特徴とする、請求項４に記載の熱交換器（５２）。
前記熱交換器が、少なくとも１つの圧縮機（１４）と少なくとも１つのタービン（１８）とを備えるガスタービンエンジン（１０）で使用されるよう構成され、前記少なくとも１つの隔壁（１２０）が、圧縮機から受けた加圧空気と、前記第２の流体（６０）との間の伝熱を促進することを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の熱交換器（５２）。
前記少なくとも１つの隔壁（１２０）が、前記加圧空気の温度の低下と前記第２の流体（６０）の温度の上昇とを促進することを特徴とする、請求項６に記載の熱交換器（５２）。
少なくとも１つの圧縮機（１２）と、
前記圧縮機の下流に位置しかつ該圧縮機と流れ連通しており、少なくとも１つの排出口（３０）を備える少なくとも１つのタービン組立体（１８）と、
熱交換器（５２）と、
を含み、前記熱交換器（５２）が、
各々が支持部材（１０６）の格子から形成されている、支持構造体の少なくとも２つの層（１０２、１０４）のスタック（１００）と、
前記支持構造体層の少なくとも１つに結合された少なくとも１つの隔壁（１２０）と、を含み、
前記少なくとも１つの隔壁が、前記層の各々が流体通路（１１０、１１２）を形成するように少なくとも２つの隣接する前記支持構造体層を実質的に流体的に分離し、該少なくとも１つの隔壁が、加圧空気が第１の前記流体通路を通して導かれかつ第２の流体が前記第１の流体通路に隣接する第２の前記流体通路を通して導かれるとき、前記少なくとも１つの圧縮機から吐出された該加圧空気と該第２の流体（６０）との間の伝熱を促進するようになっており、
複数の前記支持部材（１０６）が互いに結合されて、３次元配列にスタックされた複数の角錐体を形成している
ことを特徴とするガスタービンエンジン（１０）。
燃焼ガスが、前記少なくとも１つのタービン排出口（３０）から吐出され、前記少なくとも１つの隔壁（１２０）が、前記加圧空気が前記第１の流体通路（１１０）を通して導かれるとき、該加圧空気の温度の上昇を促進し、該少なくとも１つの隔壁が更に、前記第２の流体通路（１１２）を通して導かれる前記燃焼ガスの温度の低下を促進するように構成されていることを特徴とする、請求項８に記載のエンジン（１０）。
前記少なくとも１つの隔壁（１２０）が、前記第１の流体通路（１１０）を通して導かれる前記加圧空気の温度の低下を促進し、前記第２の流体通路（１１２）を通して導かれる前記第２の流体（６０）の温度の上昇を促進することを特徴とする、請求項８に記載のエンジン（１０）。