(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジン（１０）の圧縮機（１２）の入口空気流（２２）を冷却するための入口熱交換器（１０５）であって、
不織合成繊維から形成された三次元の凹凸形状（１４０）の複数の媒体シート（１１０）を有する媒体パッド（１００）であって、前記複数の媒体シート（１１０）は、第１の端面と、前記第１の端面に垂直な第２の端面と、前記第１の端面に平行な第３の端面と、前記第１の端面と前記第３の端面との間に延びる上面とを含む媒体パッド（１００）と、
前記媒体パッド（１００）の上部（２２０）から下部（２３０）に流れて前記入口空気流（２２）との間で熱交換を行う熱交換媒体（３２）と、を備え、
前記三次元の凹凸形状（１４０）は、前記第１の端面、前記第２の端面、前記第３の端面、及び前記上面に沿った正弦波形状（１５０）を含み、前記正弦波形状（１５０）は、前記第１の端面と前記第３の端面との間に延びる山（１６０）と谷（１７０）によって前記上面に形成され、前記山（１６０）と前記谷（１７０）は、前記第１の端面、前記第２の端面、及び前記第３の端面を横断する、
入口熱交換器（１０５）。
【請求項２】
前記三次元の凹凸形状（１４０）は、第１の方向（１８０）及び第２の方向（１９０）に広がる前記正弦波形状（１５０）を成す、請求項１に記載の入口熱交換器（１０５）。
【請求項３】
前記正弦波形状（１５０）は、前記第１の方向（１８０）及び第２の方向（１９０）に広がる複数の前記山（１６０）及び前記谷（１７０）を備える、請求項２に記載の入口熱交換器（１０５）。
【請求項４】
前記第１の方向（１８０）及び第２の方向（１９０）は、直交した配置、又は０度から９０度の所定の角度を成す、請求項２に記載の入口熱交換器（１０５）。
【請求項５】
前記不織合成繊維は、そこを通る水の均一な分散配置を得るために湿潤可能である、請求項１に記載の入口熱交換器（１０５）。
【請求項６】
前記不織合成繊維は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）又はポリトリメチレンテレフタレート（ＰＴＴ）を含む、請求項１に記載の入口熱交換器（１０５）。
【請求項７】
前記不織合成繊維は、親水性表面強化剤を含む、請求項１に記載の入口熱交換器（１０５）。
【請求項８】
前記親水性表面強化剤は、アルカリ処理剤又はアルカリ媒体中のポリビニールアルコールを含む、請求項７に記載の入口熱交換器（１０５）。
【請求項９】
前記熱交換媒体は、純水又は汚染水を含む、請求項１に記載の入口熱交換器（１０５）。
【請求項１０】
前記複数の媒体シート（１１０）は、第１の媒体シート（１２０）及び第２の媒体シート（１３０）を備える、請求項１に記載の入口熱交換器（１０５）。
【請求項１１】
前記第１の媒体シート（１２０）及び前記第２の媒体シート（１３０）は、同じ形状を成す、請求項１０に記載の入口熱交換器（１０５）。
【請求項１２】
前記第１の媒体シート（１２０）及び前記第２の媒体シート（１３０）は、向かい合った配置（２００）を成す、請求項１０に記載の入口熱交換器（１０５）。
【請求項１３】
前記向かい合った配置（２００）は、そこを通る複数の空気流通路（２１０）を構成する、請求項１２に記載の入口熱交換器（１０５）。
【請求項１４】
前記複数の空気流通路（２１０）は、前記入口空気流を曲がりくねり旋回するようにして、熱及び物質伝達を高めるようになっている、請求項１３に記載の入口熱交換器（１０５）。
【請求項１５】
ガスタービンエンジン（１０）への入口空気流（２２）を冷却するための方法であって、
不織合成繊維から形成された三次元の凹凸形状（１４０）の媒体パッド（１００）を前記ガスタービンエンジン（１０）の入口（２０）の周りに配置する段階であって、前記三次元の凹凸形状（１４０）は、第１の端面、第２の端面、第３の端面、及び上面に沿った正弦波形状（１５０）を含み、前記正弦波形状（１５０）は、前記第１の端面と前記第３の端面との間に延びる山（１６０）と谷（１７０）によって前記上面に形成される、段階と、
前記媒体パッド（１００）の上部（２２０）から下部（２３０）へ純水（３２）を流す段階と、
前記入口空気流（２２）と前記純水（３２）の流れとの間で熱交換を行う段階と、を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願及び結果として得られる特許は、全体的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的には、出力増大のために水の流れの分散配置及び蒸発を改善するための表面凹凸形状の表面を備えた不織合成繊維媒体パッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは、発電等の分野で広く使用される。従来のガスタービンエンジンは、外気を圧縮するための圧縮機、圧縮空気と燃料流を混合して混合気を燃焼させる燃焼器、及び燃焼混合気によって駆動されて出力及び排気ガスを生成するタービンを含む。ガスタービンエンジンが発生できる出力を増大させるための種々の方式が公知である。出力増大の１つの方法は、圧縮機の上流で外気を冷却する方法である。このような冷却によって、空気密度が高くなり、圧縮機に流入するより大きな質量流量がもたらされる。圧縮機に流入する大きな質量流量によって、より多くの空気が圧縮されるので、ガスタービンはより大きな出力を発生することができる。加えて、外気を冷却すると、一般に、高温環境におけるガスタービンエンジンの全体的効率を高くすることができる。
【０００３】
ガスタービンエンジンに流入する外気を冷却するために種々のシステム及び方法を利用することができる。例えば、熱交換器は、潜熱冷却又は顕熱冷却によって外気を冷却することができる。このような熱交換器は、外気の冷却を促進するために媒体パッドを利用する場合が多い。この媒体パッドは、外気と冷却剤流との間の熱及び／又は物質伝達を可能にする。外気は、媒体パッドにおいて冷却剤流と熱交換のために相互作用する。
【０００４】
熱交換器で用いる公知の媒体パッドは、例えば、セルロース繊維などから形成することができる。一般に、セルロース繊維ベースの媒体パッドは、水等の冷却剤が媒体パッドを通過する際の媒体パッドの構造的完全性を維持するように意図された硬化剤を含む。しかしながら、セルロース繊維ベース媒体パッドの典型的な幾何学的形状は、水がキャリーオーバーされる潜在的リスクに起因して高容量の冷却剤を必要とする状况では適切ではない。さらに、セルロース繊維ベース媒体パッドは、流入する冷却剤の品質に非常に敏感な場合がある。特に、媒体パッドは、適切に機能するために清浄又は純粋な冷却剤ではなく「汚染された」冷却剤の使用を必要とする場合がある。例えば、淡水プロセスからの純水は、セルロース繊維ベース媒体パッドに用いられる硬化剤を溶解する可能性があり、媒体パッドの崩壊につながる可能性がある。
【０００５】
他の公知の媒体パッドは、無孔、固形プラスチック材料で形成することができる。一般に、この媒体パッドは、パッドの表面領域のあらゆる場所に均等かつ完全に冷却剤流を分散配置することができない。このような不完全な分散配置は、外気の効率的な冷却を妨げる場合がある。さらに、多数のドライスポットが生じて空気のホットストリークにつながる場合がある。このようなホットストリークは、ガスタービン圧縮機の動作には有害な場合がある。さらに、この媒体パッドは、比較的高い空気流速では冷却剤を保持することができない。
【０００６】
従って、より効率的な冷却を可能にするが冷却剤の品質に著しく敏感でない媒体パッドに対するニーズが存在する。さらに、このような媒体パッドは、大量の冷却剤が通過した場合に構造的完全性を維持することができる。さらに、このような媒体パッドは、ドライスポト及び結果としてのホットストリークを低減するか又は阻止することができる。最後に、このような媒体パッドは、比較的高い空気流速で冷却剤を保持することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第８，３６５，５３０号明細書
【発明の概要】
【０００８】
従って、本出願及び結果として得られる特許は、ガスタービンエンジンの圧縮機の入口空気流を冷却するための入口熱交換器を提供する。入口熱交換器は、不織合成繊維から形成された実質的に三次元の凹凸形状の複数の媒体シートを有する媒体パッドと、媒体パッドの上部から下部へ流れて入口空気流との間で熱交換を行う熱交換媒体と、を含むことができる。
【０００９】
本出願及び結果として得られる特許は、ガスタービンエンジンへの入口空気流を冷却するための方法をさらに提供する。本方法は、不織合成繊維から形成された実質的に三次元の凹凸形状の媒体パッドをガスタービンエンジンの入口の周りに配置する段階と、媒体パッドの上部から下部へ純水を流す段階と、入口空気流と純水の流れとの間で熱交換を行う段階と、を含むことができる。
【００１０】
本出願及び結果として得られる特許は、ガスタービンエンジンの圧縮機の入口空気流を冷却するための入口熱交換器をさらに提供する。入口熱交換器は、第１の媒体シート及び第２の媒体シートを備えた媒体パッドと、そこを通る入口空気流との間で熱交換を行う媒体パッドの上部から下部への水の流れとを含むことができる。第１の媒体シート及び第２の媒体シートは、不織合成繊維から形成された実質的に三次元の凹凸形状を含むことができる。第１の媒体シート及び第２の媒体シートは、実質的に同じ形状とすることができる。
【００１１】
本出願及び結果として得られる特許のこれら及び他の特徴並びに改善点は、図面及び請求項を参照しながら以下の好ましい実施形態の詳細な説明を精査することによって当業者には明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】入口が冷却されるガスタービンエンジンシステムの概略図。
【図２】互いに重なり合う媒体シートを備えた本明細書に記載の媒体パッドの斜視図。
【図３】媒体シートが分離された図２の媒体パッドの斜視図。
【図４】図２の媒体パッドの上面図。
【図５】空気及び水流が通過する図２の媒体パッドの側面図。
【図６】図２の媒体パッドの斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１はガスタービンエンジン１０の実施例の概略図である。エンジン１０は、圧縮機１２、燃焼器１４、及びタービン１６を含むことができる。さらに、ガスタービンエンジン１０は、複数の圧縮機１２、燃焼器１４、及びタービン１６を含むことができる。圧縮機１２及びタービン１６は、軸１８で連結することができる。軸１８は、単一の軸とすること、又は複数の軸セグメントが結合して軸１８を形成することができる。
【００１４】
エンジン１０は、ガスタービン入口２０をさらに含むことができる。入口２０は、入口流２２を受け入れるように構成することができる。例えば、入口２０は、ガスタービン入口ハウスなどの形態とすることができる。もしくは、入口２０は、入口流２２を受け入れることができる、圧縮機１２の任意の部分又は圧縮機１２の上流の任意の開口等のエンジン１０の任意の部分とすることができる。入口流２２は、外気とすること、及び調整されたもの又は未調整のものとすることができる。
【００１５】
エンジン１０は、排気口２４をさらに含むことができる。排気口２４は、ガスタービン排気流２６を吐出するように構成することができる。排気流２６は、熱回収蒸気発生器（図示せず）に案内することができる。もしくは、排気流２６は、例えば、吸収式冷却器（図示せず）に案内すること、任意の種類の有効仕事を提供するように案内すること、もしくは全て又は一部を大気に拡散することができる。
【００１６】
エンジン１０は、熱交換器３０をさらに含むことができる。熱交換器３０は、入口流２２を圧縮機１２に流入する前に冷却するように構成されている。例えば、熱交換器３０は、ガスタービン入口２０に設けること、又はガスタービン入口２０の上流又は下流に設けることができる。入口流２２及び熱交換媒体３２は、熱交換器３０の中を流れることができる。従って、熱交換器３０は、入口流２２を圧縮機１２に流入する前に冷却するように、入口流２２と熱交換媒体３２との相互作用を促進することができる。熱交換媒体３２は、水又は任意の適切な種類の流体流とすることができる。
【００１７】
熱交換器３０は、直接接触型熱交換器３０とすることができる。熱交換器３０は、熱交換媒体入口３４、熱交換媒体出口３６、及びその間の媒体パッド３８を含むことができる。熱交換媒体３２は、入口３４を通って媒体パッド３８に流入することができる。入口３４は、１つ又は複数のノズル、１つ又は複数のオリフィスを備えたマニホルドなどとすることができる。出口３６は、媒体パッド３８から排出される熱交換媒体３２を受け入れることができる。出口３６は、熱交換媒体３２の流れ方向で媒体パッド３８の下流に配置されたサンプとすることができる。熱交換媒体３２は、入口３４から媒体パッド３８を通って、概して下流方向に案内することができるが、入口流２２は、熱交換器３０を通って概して熱交換媒体３２の流れ方向に直交する方向に案内することができる。
【００１８】
フィルタ４２は、入口流２２の方向で媒体パッド３８の上流に設けることができる。フィルタ４２は、粒子状物質がシステム１０に入るのを防止するために、入口流２２から粒子状物質を除去するように構成することができる。もしくは、フィルタ４２は、入口流２２の方向で媒体パッド３８の下流に設けることができる。ドリフトエリミネータ４４は、入口流２２の方向で媒体パッド３８の下流に設けることができる。ドリフトエリミネータ４４は、入口流２２がシステム１０に流入する前に入口流２２から熱交換媒体３２の液滴を除去するように機能することができる。
【００１９】
熱交換器３０は、潜熱又は蒸発冷却によって入口流２２を冷却するように構成することができる。潜熱冷却は、ガスの含水率を変えることで空気等のガスから熱を除去する冷却方法に言及する。潜熱冷却は、ガスを冷却するために、ほぼ大気湿球温度での液体の蒸発を伴うことができる。特に、潜熱冷却は、ガスをその湿球温度の近くに冷却するために利用することができる。
【００２０】
代替的に、熱交換器３０は、顕熱冷却によって入口流２２を冷やすように構成することができる。顕熱冷却は、空気の乾球及び湿球温度を変えることで空気等のガスから熱を除去する冷却方法に言及する。顕熱冷却は、液体を冷却した後に冷却液体を利用してガスを冷却する方法を含むことができる。特に、顕熱冷却は、ガスをその湿球温度以下に冷却するために利用することができる。
【００２１】
潜熱冷却及び顕熱冷却は、相互排他的な冷却方法ではないことを理解されたい。むしろ、これらの方法は、排他的に又は組み合わせて適用することができる。さらに、本明細書に記載の熱交換器３０は、潜熱冷却及び顕熱冷却方法に限定されるものではなく、必要に応じて任意の適切な冷却又は加熱方法で入口流２２を冷却又は加熱することができることを理解されたい。
【００２２】
図２−６は、本明細書に記載の入口熱交換器１０５などに使用することができる媒体パッド１００の実施例を示す。媒体パッド１００は、少なくとも一対の媒体シート１１０を含むことができる。本実施例において、第１の媒体シート１２０及び第２の媒体シート１３０が示されているが、本明細書では追加のシートを使用することができる。媒体シート１１０は、実質的に三次元の凹凸形状１４０とすることができる。凹凸形状１４０は、長さ方向又は第１の方向１８０、及び幅方向又は第２の方向１９０の両方に広がり、山１６０及び谷１７０の複数の繰り返しである実質的に正弦波形状１５０とすることができる。
【００２３】
特に、三次元凹凸形状１４０は、長さ方向又は第１の方向１８０に沿って正弦波輪郭を描いて動くことで形成することができる。従って、長さ方向又は第１の方向１８０の沿った端縁輪郭は、直線ではなく湾曲形状で定めることができる。正弦波輪郭の波のピッチは可変とすることができる。長さ方向又は第１の方向１８０に沿った、振幅（Ａ）に対するピッチ（Ｐ）の比率は、約１から約５まで変化することができる。幅方向又は第２の方向１９０は、正弦波掃引経路（ｓｗｅｅｐｉｎｇ  ｐａｔｈ）として定めることができる。幅方向又は第２の方向１９０に沿った振幅に対するピッチの比率は、約２から約６とすることができる。本明細書では、他の比率を用いることができる。
【００２４】
凹凸形状１４０並びに正弦波形状１５０は、様々とすることができる。媒体パッド１００は、任意の適切なサイズ、形状、又は構成とすることができる。長さ方向又は第１の方向１８０、及び幅方向又は第２の方向１９０の両方は、約２インチ（約５ｃｍ）の長さとすることができるが、本明細書では任意の寸法とすることができる。長さ方向又は第１の方向１８０は、空気流２２に対して実質的に平行に向きを定めることができる。幅方向又は第２の方向１９０は、熱交換媒体３２の全体的な流れ方向と実質的に一致する。また、長さ方向又は第１の方向１８０は、幅方向１９０に対して直交して又は所定の角度で配置される。この角度は、０度から９０度の間とすることができるが、本明細書では他の配置を使用することができる。本明細書では他の構成要素及び他の構成を使用することができる。
【００２５】
媒体シート１１０は、親水性表面強化剤を伴う不織合成繊維から熱的に形成することができる。例えば、不織合成繊維は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリトリメチレンテレフタレート（ＰＴＴ）などを含むことができる。親水性表面剤は、高い処理温度下の強アルカリ性処理剤、アルカリ媒体中のポリビニールアルコールなどの塗布剤を含むことができる。本明細書では、他の材料を使用することができる。媒体シート１１０は、表面領域を介して熱交換媒体３２を受け入れる、吸収する、流す、及び分散配置するように、湿潤性とすることができる。媒体シート１１０は、他の種類の熱交換媒体３２を使用することができる。例えば、熱交換媒体３２は、何らかの汚染物を必要としない純水とすることができる。特に、媒体シート１１０は、高容量の熱交換媒体３８が供給された場合に自身の構造的完全性を維持することができる。明細書では、他の種類の流体を使用することができる。
【００２６】
図２に示すように、第１の媒体シート１２０及び第２の媒体シート１３０は、実質的に同じ形状とすることができる。しかしながら、使用時に、媒体シート１１０は、図３のように分離して、図４及び５に示すように向かい合って配置することができる（２００）。一方のシートの山１６０は、他方のシートの谷１７０と整列することができる。従って、この向かい合った配置（２００）は、複数の空気流通路２１０を形成する。入口流２２は空気流通路２１０を通って流れることができる。同時に、熱交換媒体３２は、媒体シート１１０の上部２２０から下部２３０に流れることができる。図５に示すように、入口流２２は、熱交換を行うために熱交換媒体３２と接触することができる。媒体シート１１０は、熱交換媒体３２の流れで完全に濡れることになる。媒体シート１１０の間に生じた曲がりくねり旋回する空気流によって、熱交換媒体３２は入口流２２の中に蒸発することができ、その結果、熱交換媒体３２の温度がほぼ入口空気湿球温度に低下する。特に、曲がりくねり旋回する空気流は、そこを通る熱及ぶ物質伝達を高める。熱交換媒体３２は、最大１５ガロン／平方フィート（約６１１リットル／平方メートル）程度で媒体シート１１０を通って流れることができる。本明細書では、他の流量を使用することができる。
【００２７】
従って、本明細書に記載の媒体パッド１００は、全体的な構造的強度、水の分散配置、及び全体的な蒸発冷却速度を最大にする効率的な熱−物質伝達の必要性のバランスを取る。従って、媒体パッド１００は、真夏日の出力増大を得るための効率的な入口冷却を可能にする。さらに、汚染された冷却剤の使用に対する水処理装置の廃止などによって全体的にコストを下げることができる。
【００２８】
上記のことは、本出願及びその結果として得られる特許の特定の実施形態にのみに関連している点を理解されたい。添付の請求項及びその均等物によって定義される本発明の全体的な技術的思想及び範囲から逸脱することなく、当業者であれば多くの変更及び修正を本明細書において行うことができる。
（付記）
付記１の入口熱交換器（１０５）は、ガスタービンエンジン（１０）の圧縮機（１２）の入口空気流（２２）を冷却するための入口熱交換器（１０５）であって、不織合成繊維から形成された実質的に三次元の凹凸形状（１４０）の複数の媒体シート（１１０）を有する媒体パッド（１００）と、前記媒体パッド（１００）の上部（２２０）から下部（２３０）に流れて前記入口空気流（２２）との間で熱交換を行う熱交換媒体（３２）と、を備えた。
付記２の入口熱交換器（１０５）は、付記１に記載の入口熱交換器（１０５）において、前記実質的に三次元の凹凸形状（１４０）は、第１の方向（１８０）及び第２の方向（１９０）に広がる実質的に正弦波形状（１５０）を成す。
付記３の入口熱交換器（１０５）は、付記２に記載の入口熱交換器（１０５）において、前記実質的に正弦波形状（１５０）は、前記第１の方向（１８０）及び第２の方向（１９０）に広がる複数の山（１６０）及び谷（１７０）を備える。
付記４の入口熱交換器（１０５）は、付記２に記載の入口熱交換器（１０５）において、前記第１の方向（１８０）及び第２の方向（１９０）は、直交した配置、又は０度から９０度の所定の角度を成す。
付記５の入口熱交換器（１０５）は、付記１に記載の入口熱交換器（１０５）において、前記不織合成繊維は、そこを通る水の均一な分散配置を得るために湿潤可能である。
付記６の入口熱交換器（１０５）は、付記１に記載の入口熱交換器（１０５）において、前記不織合成繊維は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）又はポリトリメチレンテレフタレート（ＰＴＴ）を含む。
付記７の入口熱交換器（１０５）は、付記１に記載の入口熱交換器（１０５）において、前記不織合成繊維は、親水性表面強化剤を含む、請求項１に記載の入口熱交換器（１０５）。
付記８の入口熱交換器（１０５）は、付記７に記載の入口熱交換器（１０５）において、前記親水性表面強化剤は、アルカリ処理剤又はアルカリ媒体中のポリビニールアルコールを含む。
付記９の入口熱交換器（１０５）は、付記１に記載の入口熱交換器（１０５）において、前記熱交換媒体は、純水又は汚染水を含む。
付記１０の入口熱交換器（１０５）は、付記１に記載の入口熱交換器（１０５）において、前記複数の媒体シート（１１０）は、第１の媒体シート（１２０）及び第２の媒体シート（１３０）を備える。
付記１１の入口熱交換器（１０５）は、付記１０に記載の入口熱交換器（１０５）において、前記第１の媒体シート（１２０）及び前記第２の媒体シート（１３０）は、実質的に同じ形状を成す。
付記１２の入口熱交換器（１０５）は、付記１０に記載の入口熱交換器（１０５）において、前記第１の媒体シート（１２０）及び前記第２の媒体シート（１３０）は、向かい合った配置（２００）を成す。
付記１３の入口熱交換器（１０５）は、付記１２に記載の入口熱交換器（１０５）において、前記向かい合った配置（２００）は、そこを通る複数の空気流通路（２１０）を構成する。
付記１４の入口熱交換器（１０５）は、付記１３に記載の入口熱交換器（１０５）において、前記複数の空気流通路（２１０）は、前記入口空気流を曲がりくねり旋回するようにして、熱及び物質伝達を高めるようになっている。
付記１５の方法は、ガスタービンエンジン（１０）への入口空気流（２２）を冷却するための方法であって、不織合成繊維から形成された実質的に三次元の凹凸形状（１４０）の媒体パッド（１００）を前記ガスタービンエンジン（１０）の入口（２０）の周りに配置する段階と、前記媒体パッド（１００）の上部（２２０）から下部（２３０）へ純水（３２）を流す段階と、前記入口空気流（２２）と前記純水（３２）の流れとの間で熱交換を行う段階と、を含む。
【符号の説明】
【００２９】
１０  ガスタービンエンジン
１２  圧縮機
１４  燃焼器
１６  タービン
１８  軸
２０  ガスタービン入口
２２  入口流
２４  排気口
２６  排気流
３０  熱交換器
３２  熱交換媒体
３４  熱交換媒体入口
３６  熱交換媒体出口
３８  媒体パッド
４２  フィルタ
４４  ドリフトエリミネータ
【図１】
0006599140.tif 000002
【図２】
0006599140.tif 000003
【図３】
0006599140.tif 000004
【図４】
0006599140.tif 000005
【図５】
0006599140.tif 000006
【図６】
0006599140.tif 000007