(57)【要約】【課題】タービン内のクリアランス管理のためのヒートパイプ冷却システムを提供する。【解決手段】ターボ機械は、吸気部で受け入れた空気を圧縮して、吹出し部内に流出する圧縮空気流を形成するように構成された圧縮機を含む。燃焼器は、圧縮機に動作可能に接続され、該燃焼器は、圧縮空気流を受ける。タービンは、燃焼器と動作可能に接続され、該タービンは、燃焼器からの燃焼ガス流を受ける。タービンは、タービンケーシングを備えている。冷却システムは、タービンケーシングに動作可能に接続されている。冷却システムは、タービンケーシングに取り付けられており、タービンケーシングと熱連通する複数のヒートパイプを含む。複数のヒートパイプは、１つ以上のマニホールドに動作可能に接続されている。複数のヒートパイプおよび１つ以上のマニホールドは、タービンケーシングから複数の熱交換器に熱を伝達するように構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気部（２０２）で受け入れた空気を圧縮して、吹出し部（２０４）内に流出する圧縮空気流を形成するように構成された圧縮機（１１０，１０１０）と、
前記圧縮機（１１０，１０１０）に動作可能に接続され、前記圧縮空気流を受ける燃焼器（１２０，１０２０）と、
前記燃焼器（１２０，１０２０）に動作可能に接続されたタービン（１３０，１０３０）であって、前記燃焼器（１２０，１０２０）から燃焼ガス流を受け、タービンケーシング（１３２）を有するタービン（１３０，１０３０）と、
前記タービンケーシング（１３２）に動作可能に接続された冷却システム（２５０，１１５０）であって、前記タービンケーシング（１３２）に取り付けられ、かつ前記タービンケーシング（１３２）と熱的に連通する複数のヒートパイプ（２５２，１１５２）を含み、前記複数のヒートパイプ（２５２，１１５２）は１つ以上のマニホールド（２５４，１０５４，１１５４）に動作可能に接続され、前記複数のヒートパイプ（２５２，１１５２）および前記１つ以上のマニホールド（２５４，１０５４，１１５４）は、前記タービンケーシング（１３２）から複数の熱交換器（２４４）に熱を伝達するように構成される、冷却システム（２５０，１１５０）と、
を備える、ターボ機械（１００，１０００）。
【請求項２】
前記複数のヒートパイプ（２５２，１１５２）は、アルミニウム、ベリリウム、ベリリウム・フッ素合金、ホウ素、カルシウム、コバルト、鉛・ビスマス合金、液体金属、リチウム・塩素合金、リチウム・フッ素合金、マンガン、マンガン・塩素合金、水銀、溶融塩、カリウム、カリウム・塩素合金、カリウム・フッ素合金、カリウム・窒素・酸素合金、ロジウム、ルビジウム・塩素合金、ルビジウム・フッ素合金、ナトリウム、ナトリウム・塩素合金、ナトリウム・フッ素合金、ナトリウム・ホウ素・フッ素合金、ナトリウム・窒素・酸素合金、ストロンチウム、スズ、ジルコニウム・フッ素合金のうち１つまたはそれらの組み合わせを含む熱伝達媒体（２５３，２５５，１１５３，１１５５）をさらに備える、請求項１に記載のターボ機械（１００，１０００）。
【請求項３】
前記複数のヒートパイプ（２５２，１１５２）は、カリウムまたはナトリウムのうち１つまたはそれらの組み合わせを含む溶融塩熱伝達媒体（２５３，２５５，１１５３，１１５５）をさらに備える、請求項１に記載のターボ機械（１００，１０００）。
【請求項４】
前記複数のヒートパイプ（２５２，１１５２）は、溶接部（１１０２）、ボルト、締結具（１１０４）、溶接ブラケット（１１０６）またはクランプ（１１０８）のうち１つ以上を介して、前記タービンケーシング（１３２）に取り付けられている、請求項１に記載のターボ機械（１００，１０００）。
【請求項５】
前記複数のヒートパイプ（２５２，１１５２）は、前記タービンケーシング（１３２）の周りに円周方向に配置されている、請求項１に記載のターボ機械（１００，１０００）。
【請求項６】
前記複数のヒートパイプ（２５２，１１５２）のそれぞれは、ヒートパイプ熱交換器（２４０，１０４０）内に配置され、前記ヒートパイプ熱交換器（２４０，１０４０）は、前記タービンケーシング（１３２）に取り付けられている、請求項１に記載のターボ機械（１００，１０００）。
【請求項７】
前記１つ以上のマニホールド（２５４，１０５４，１１５４）は、熱伝達ループの一部を形成し、前記熱伝達ループ内の前記熱伝達媒体（２５３，２５５，１１５３，１１５５）は、水（１０７０）、蒸気（１０９０）、グリコールまたはオイルのうち少なくとも１つである、請求項１に記載のターボ機械（１００，１０００）。
【請求項８】
前記複数のヒートパイプ（２５２，１１５２）は、断面形状を有し、前記断面形状は、一般的に、円形、楕円形、丸み付きコーナーを有する長方形、または多角形のうち少なくとも１つを備える、請求項１に記載のターボ機械（１００，１０００）。
【請求項９】
前記複数のヒートパイプ（９５２）は、複数のフィン（９５３）をさらに備え、前記複数のフィン（９５３）は、前記複数のヒートパイプ（９５２）の熱伝達能力を向上させるように構成されている、請求項１に記載のターボ機械（１００，１０００）。
【請求項１０】
前記複数の熱交換器（２４４）は、前記複数のヒートパイプ（２５２，１１５２）および前記１つ以上のマニホールド（２５４，１０５４，１１５４）に動作可能に接続されたヒートパイプ熱交換器（２４０，１０４０）を含み、前記ヒートパイプ熱交換器（２４０，１０４０）は、
燃料加熱用熱交換器（２４１，１０４２）、
熱回収蒸気発生器熱交換器（２４３，１０４４）、または、
燃料加熱用熱交換器（２４１，１０４２）と熱回収蒸気発生器熱交換器（２４３，１０４４）とにさらに動作可能に接続されている、請求項１に記載のターボ機械（１００，１０００）。
【請求項１１】
ターボ機械（１００，１０００）用の冷却システム（２５０，１１５０）であって、前記ターボ機械（１００，１０００）は、圧縮機（１１０，１０１０）と、前記圧縮機（１１０，１０１０）に動作可能に接続された燃焼器（１２０，１０２０）と、前記燃焼器（１２０，１０２０）に動作可能に接続されたタービン（１３０，１０３０）とを含み、前記タービン（１３０，１０３０）は、タービンケーシング（１３２）を有し、前記冷却システム（２５０，１１５０）は、
前記タービンケーシング（１３２）に動作可能に接続された冷却システム（２５０，１１５０）であって、前記タービンケーシング（１３２）に取り付けられ、かつ前記タービンケーシング（１３２）と熱的に連通する複数のヒートパイプ（２５２，１１５２）を含み、前記複数のヒートパイプ（２５２，１１５２）は１つ以上のマニホールド（２５４，１０５４，１１５４）に動作可能に接続され、前記複数のヒートパイプ（２５２，１１５２）および前記１つ以上のマニホールド（２５４，１０５４，１１５４）は、前記タービンケーシング（１３２）から複数の熱交換器（２４４）に熱を伝達するように構成される、冷却システム（２５０，１１５０）を備える、
ターボ機械（１００，１０００）用の冷却システム（２５０，１１５０）。
【請求項１２】
前記複数のヒートパイプ（２５２，１１５２）は、アルミニウム、ベリリウム、ベリリウム・フッ素合金、ホウ素、カルシウム、コバルト、鉛・ビスマス合金、液体金属、リチウム・塩素合金、リチウム・フッ素合金、マンガン、マンガン・塩素合金、水銀、溶融塩、カリウム、カリウム・塩素合金、カリウム・フッ素合金、カリウム・窒素・酸素合金、ロジウム、ルビジウム・塩素合金、ルビジウム・フッ素合金、ナトリウム、ナトリウム・塩素合金、ナトリウム・フッ素合金、ナトリウム・ホウ素・フッ素合金、ナトリウム・窒素・酸素合金、ストロンチウム、スズ、ジルコニウム・フッ素合金のうち１つまたはそれらの組み合わせを含む熱伝達媒体（２５３，２５５，１１５３，１１５５）をさらに含む、請求項１１に記載の冷却システム（２５０，１１５０）。
【請求項１３】
前記複数のヒートパイプ（２５２，１１５２）は、カリウムまたはナトリウムのうち１つまたはそれらの組み合わせを含む溶融塩熱伝達媒体（２５３，２５５，１１５３，１１５５）をさらに備える、請求項１１に記載の冷却システム（２５０，１１５０）。
【請求項１４】
前記複数のヒートパイプ（２５２，１１５２）は、溶接部（１１０２）、ボルト、締結具（１１０４）、溶接ブラケット（１１０６）またはクランプ（１１０８）のうち１つ以上を介して、前記タービンケーシング（１３２）に取り付けられている、請求項１１に記載の冷却システム（２５０，１１５０）。
【請求項１５】
前記複数のヒートパイプ（２５２，１１５２）は、前記タービンケーシング（１３２）の周りに円周方向に配置されている、請求項１１に記載の冷却システム（２５０，１１５０）。
【請求項１６】
前記複数のヒートパイプ（２５２，１１５２）のそれぞれは、ヒートパイプ熱交換器（２４０，１０４０）内に配置され、前記ヒートパイプ熱交換器（２４０，１０４０）は、前記タービンケーシング（１３２）に取り付けられている、請求項１１に記載の冷却システム（２５０，１１５０）。
【請求項１７】
前記複数の熱交換器（２４４）は、前記複数のヒートパイプ（２５２，１１５２）および前記１つ以上のマニホールド（２５４，１０５４，１１５４）に動作可能に接続されたヒートパイプ熱交換器（２４０，１０４０）を含み、前記ヒートパイプ熱交換器（２４０，１０４０）は、
燃料加熱用熱交換器（２４１，１０４２）、
熱回収蒸気発生器熱交換器（２４３，１０４４）、または、
燃料加熱用熱交換器（２４１，１０４２）と熱回収蒸気発生器熱交換器（２４３，１０４４）とにさらに動作可能に接続されている、請求項１３に記載の冷却システム（２５０，１１５０）。
【請求項１８】
前記複数のヒートパイプ（２５２，１１５２）は、断面形状を有し、前記断面形状は、一般的に、円形、楕円形、丸み付きコーナーを有する長方形、または多角形のうち少なくとも１つを備える、請求項１７に記載の冷却システム（２５０，１１５０）。
【請求項１９】
ターボ機械（１００，１０００）のタービンケーシング（１３２）から熱を抽出する方法であって、
燃焼ガスをタービン（１３０，１０３０）に通すことであって、前記タービンケーシング（１３２）は、前記タービン（１３０，１０３０）の外側シェルを形成する、通すことと、
複数のヒートパイプ（２５２，１１５２）に熱を熱的に伝達することによって、前記タービンケーシング（１３２）から熱を抽出することであって、前記複数のヒートパイプ（２５２，１１５２）は、カリウムまたはナトリウムのうち１つまたはそれらの組み合わせを含む溶融塩熱伝達媒体（２５３，２５５，１１５３，１１５５）を備える、抽出することと、
前記複数のヒートパイプ（２５２，１１５２）からヒートパイプ熱交換器（２４０，１０４０）に熱を伝達することであって、前記ヒートパイプ熱交換器（２４０，１０４０）は、燃料加熱用熱交換器（２４１，１０４２）に熱を伝達するように構成されている、伝達することと、
を含む、方法。
【請求項２０】
前記ヒートパイプ熱交換器（２４０，１０４０）は、熱回収蒸気発生器熱交換器（２４３，１０４４）を含む回路に動作可能に接続されている、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の例示的な実施形態は、ターボ機械の技術に関し、より詳細には、タービン内のクリアランス管理のためのヒートパイプ冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボ機械は、発電機などの他の機械を順に駆動するタービンに動作可能に接続された圧縮機を含む。本圧縮機は、燃焼器に供給されて燃料と混合され、点火されて、高温、高圧の燃焼生成物を形成する、流入空気流を圧縮する。高温、高圧の燃焼生成物は、タービンを駆動するために使用される。
【０００３】
単純および複合サイクルガスタービンシステムは、広い温度範囲で、気体から液体に及ぶ様々な燃料を用いるように設計されている。場合によっては、圧縮機が放出する空気の温度と比較すると、燃料が比較的低い温度であることがあり得る。低い温度の燃料を用いることは、ガスタービンシステムの排出、性能、および効率に影響を与える。これらの特性を改善するために、燃料を燃焼させる前に燃料温度を上昇させることが望ましい。
【０００４】
燃焼する前に燃料の温度を上昇させることによって、ガスタービンシステム全体の温度性能を高めることができる。燃料加熱は、一般的に、所望の燃焼温度に達するのに必要な燃料量を低減することによって、ガスタービンシステム効率を改良する。燃料を加熱する１つの方法は、燃料温度を上昇させるために電気ヒータまたは複合サイクルプロセスに由来する熱を用いることである。しかし、既存の複合サイクル燃料加熱システムは、複合サイクル出力を増大させるために蒸気タービンへ向けることもできる蒸気流を用いることが多い。
【０００５】
ガスタービンバケットが、シュラウドブロックへの運転クリアランスを有している。このクリアランスは、高温ガスへのリークパスであり非効率のもとであるが、成分膨張差だけでなく、物理位置における始動および停止過渡変動に起因する最小クリアランスには実際上の制限がある。このように、この運転クリアランスのアクティブな管理が必要とされている。タービンシェルの局所領域のファン駆動および圧縮機ブリード駆動空気冷却を含むアクティブなクリアランス制御のための多数の方法が当技術分野で知られている。さらに、従来技術は、水冷却ケーシングを教示しているが、水またはグリコール冷却の負の属性は、高いケース表面温度を考えると、沸騰によりホットケーシングを有するシステムを作動させることに適応するという実質的な課題を含む。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第８，８１６，５２１号明細書
【発明の概要】
【０００７】
本発明の一態様では、ターボ機械は、吸気部で受け入れた空気を圧縮して、吹出し部内に流出する圧縮空気流を形成するように構成された圧縮機を含む。燃焼器は、圧縮機に動作可能に接続され、該燃焼器は、圧縮空気流を受ける。タービンは、燃焼器と動作可能に接続され、該タービンは、燃焼器からの燃焼ガス流を受ける。タービンは、タービンケーシングを備えている。冷却システムは、タービンケーシングに動作可能に接続されている。冷却システムは、タービンケーシングに取り付けられており、タービンケーシングと熱連通する複数のヒートパイプを含む。複数のヒートパイプは、１つ以上のマニホールドに動作可能に接続されている。複数のヒートパイプおよび１つ以上のマニホールドは、タービンケーシングから複数の熱交換器に熱を伝達するように構成されている。
【０００８】
本発明の別の態様では、ターボ機械用の冷却システムを提供する。ターボ機械は、圧縮機と、圧縮機に動作可能に接続された燃焼器とを含む。タービンは、燃焼器に動作可能に接続され、該タービンは、タービンケーシングを備えている。冷却システムは、タービンケーシングに動作可能に接続されている。冷却システムは、タービンケーシングに取り付けられており、タービンケーシングと熱連通する複数のヒートパイプを含む。複数のヒートパイプは、１つ以上のマニホールドに動作可能に接続されている。複数のヒートパイプおよび１つ以上のマニホールドは、タービンケーシングから複数の熱交換器に熱を伝達するように構成されている。
【０００９】
本発明のさらに別の態様では、ターボ機械のタービンケーシングから熱を抽出する方法は、燃焼ガスをタービンに通すステップを含む。タービンケーシングは、タービンの外側シェルを形成する。抽出ステップは、複数のヒートパイプに伝熱することによって、タービンケーシングから熱を抽出する。複数のヒートパイプは、カリウムまたはナトリウムの１つまたはその組み合わせを含む溶融塩熱伝達媒体を有している。伝熱ステップは、複数のヒートパイプからの熱をヒートパイプ熱交換器に伝達し、ヒートパイプ熱交換器は、燃料加熱用熱交換器に熱を伝達するように構成される。ヒートパイプ熱交換器は、熱回収蒸気発生熱交換器を含む回路に動作可能に接続することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ターボ機械の単純化された概略図である。
【図２】本発明の一態様に係る、ターボ機械の一部を貫通する部分的な概略軸方向断面図である。
【図３】本発明の一態様に係る、冷却システムの断面概略図である。
【図４】本発明の一態様に係る、冷却システムの部分概略半径方向断面図である。
【図５】本発明の一態様に係る、円形または円筒形ヒートパイプの断面形状図である。
【図６】本発明の一態様に係る、楕円形ヒートパイプの断面形状図である。
【図７】本発明の一態様に係る、多角形ヒートパイプの断面形状図である。
【図８】本発明の一態様に係る、丸み付きコーナーを有する長方形ヒートパイプの断面形状図である。
【図９】本発明の一態様に係る、複数のフィンを有する円形または円筒形ヒートパイプの断面形状図である。
【図１０】本発明の一態様に係る、冷却システムを組み込んだターボ機械の概略図である。
【図１１】本発明の一態様に係る、冷却システムの断面概略図である。
【図１２】本発明の一態様に係る、ターボ機械によって発生する圧縮空気流から熱を抽出する方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下で、本発明の１つまたは複数の具体的な態様／実施形態を説明する。これらの態様／実施形態の簡潔な説明を提供しようと努力しても、実際の実施のすべての特徴を本明細書に記載することができるというわけではない。エンジニアリングまたは設計プロジェクトのような実際の実施の開発においては、開発者の特定の目的、たとえば機械関連、システム関連および事業関連の制約条件への対応等を達成するために実施特有の決定を数多くしなければならず、また、これらの制約条件は、実施毎に異なる可能性があることが理解されるべきである。さらに、このような開発作業は複雑で時間がかかり得るが、にもかかわらず、この開示の利益を得る当業者にとっては、設計、製作、および製造の日常的な仕事であることが理解されるべきである。
【００１２】
本発明の様々な実施形態の要素を導入する場合に、単数形は、当該要素が１つ以上あることを意味するものである。「備える」、「含む」、および「有する」という用語は、包括的なものであって、列挙された要素以外の付加的な要素があり得ることを意味するものである。動作パラメータおよび／または環境条件のいずれかの実施例は、開示する実施形態の他のパラメータ／条件を除外するものではない。さらに、本発明の「一実施形態」、「一態様」または「実施形態」または「態様」への言及は、記載した特徴を同様に組み込む追加の実施形態または態様の存在を排除するものとして解釈されることを意図しないことを理解されたい。
【００１３】
図１は、ターボ機械１００の単純化された概略図を示す。ターボ機械は、燃焼器１２０に動作可能に接続された圧縮機１１０を含み、燃焼器１２０は、タービン１３０に動作可能に接続される。タービンの排気は、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）１４０に動作可能に接続することができる。ＨＲＳＧシステム１４０は、蒸気タービン１５０の中に導かれる蒸気を生成する。この例では、すべてのターボ機械は、単軸構成で配置されており、シャフト１６０は、発電機１７０を駆動する。ターボ機械という用語は、圧縮機、タービンまたはそれらの組み合わせを含むことを理解されたい。
【００１４】
図２は、本発明の一態様に係る、ターボ機械の一部を貫通する部分的な概略軸方向断面図である。ターボ機械１００は、吸気部２０２と吹出し部２０４とを有する圧縮機１１０を含む。本圧縮機は、吸気部２０２で受けた空気を圧縮し、吹出し部２０４から／へ出る圧縮空気流を形成する。燃焼器１２０は、圧縮機１１０に動作可能に接続され、燃焼器１２０は、圧縮空気流を受ける。タービン１３０は、燃焼器１２０に動作可能に接続され、タービン１３０は、燃焼器１２０からの燃焼ガス流を受ける。タービン１３０は、タービンケーシング１３２を含む。タービンケーシングは、タービン１３０の外側シェルを形成する。
【００１５】
冷却システム２５０は、タービンケーシング１３２に動作可能に接続されている。たとえば、複数のヒートパイプ２５２がタービンケーシングに取り付けられ、ヒートパイプはまた、タービンケーシングと熱的に連通する。ヒートパイプ２５２は、タービンケーシングの周りに円周方向に配置され、溶接部、締結具、ボルト、溶接ブラケット、クランプまたは任意の他の適切な取り付け機構によってそこに取り付けられてもよい。ヒートパイプ２５２は、１つ以上のマニホールド２５４に動作可能に接続され、ヒートパイプ２５２およびマニホールド２５４は、タービンケーシング１３２から熱を複数の熱交換器２４０に伝達するように構成される。
【００１６】
ヒートパイプ２５２は、タービンケーシング１３２から熱を吸収する。タービン１３０が動作すると、高温燃焼ガスは、種々のタービンステージ（３つが示される）を通って流れる。熱の一部はタービンケーシングに伝達され、この熱はヒートパイプ２５２により回収することができる。一実施例では、ヒートパイプは、タービンケーシングに溶接されており、ヒートパイプは、（熱伝達を向上させるため）タービンケーシングの外表面との密接な接触を維持するように構成されている。他の実施形態では、ヒートパイプ２５２は、タービンケーシングの形状に沿うように形成されてもよく、またはヒートパイプは、タービンケーシングに埋め込まれてもよい。
【００１７】
図３は、本発明の一態様に係る、冷却システム２５０の断面概略図である。ヒートパイプ２５２は、タービンケーシング１３２に取り付けられている。ヒートパイプ２５２は、液体金属や溶融塩などの熱伝達媒体２５３を含む。マニホールド２５４は、水、蒸気、グリコールまたはオイルなどの冷却剤／熱伝達媒体２５５を含む。マニホールド２５４は、ヒートパイプ熱交換器２４０に熱的に接続される。導管３１０は、ヒートパイプ熱交換器２４０を複数の他の熱交換器に接続する。たとえば、他の熱交換器は、燃料加熱用熱交換器２４１、燃料予熱用熱交換器２４２、ＨＲＳＧ熱交換器２４３、および任意の他の所望の熱交換器２４４であってもよい。ヒートパイプ熱交換器２４０は、マニホールド２５４から導管３１０内の熱伝達媒体に熱を伝達する。例のみとして、導管の熱伝達媒体は、水、グリコール、オイルまたは他の任意の適切な流体であってもよい。ポンプ３２０は、導管３１０および熱交換器に流体を通すために使用することができる。熱交換器はまた、弁制御バイパスライン３６０（明瞭にするために１つしか示していない）を含むことができる。弁３６１は、バイパスライン／導管３６０を介して熱交換器（たとえば、２４２）の周りの流れを導くように動作させることができる。特定の熱交換器が、導管３１０に沿った流れから（場合により一時的に）「除去」される場合、この特徴が望ましい場合がある。弁３６１は、手動で制御するかまたは遠隔制御することができる。
【００１８】
マニホールド２５４は、複数のヒートパイプ２５２に接続されており、ヒートパイプ２５２は、タービンケーシング／シェル１３２の周りに円周方向に配置してもよい。ヒートパイプ２５２は、液体金属、溶融塩またはＱｕ材料であってもよい熱伝達媒体２５３を含む。例のみとして、熱伝達媒体は、アルミニウム、ベリリウム、ベリリウム・フッ素合金、ホウ素、カルシウム、コバルト、鉛・ビスマス合金、液体金属、リチウム・塩素合金、リチウム・フッ素合金、マンガン、マンガン・塩素合金、水銀、溶融塩、カリウム、カリウム・塩素合金、カリウム・フッ素合金、カリウム・窒素・酸素合金、ロジウム、ルビジウム・塩素合金、ルビジウム・フッ素合金、ナトリウム、ナトリウム・塩素合金、ナトリウム・フッ素合金、ナトリウム・ホウ素・フッ素合金、ナトリウム・窒素・酸素合金、ストロンチウム、スズ、ジルコニウム・フッ素合金の１つまたはその組み合わせであってもよい。一具体例として、熱伝達媒体２５３は、カリウムおよび／またはナトリウムを含む溶融塩であってもよい。ヒートパイプの外側部分は、高い熱伝導率、高強度、および熱伝達媒体による腐食に対する高耐性の複数の目的を果たすことができる任意の適切な材料で作ることができる。
【００１９】
ヒートパイプ２５２は、熱伝導率が極めて高い「Ｑｕ材料」により形成してもよい。Ｑｕ材料は、ヒートパイプの内側表面上に設けられる多層コーティングの形態であってもよい。たとえば、固体熱伝達媒体は３つの基本的な層の内壁に適用してもよい。最初の２層は、ヒートパイプの内壁に露出している溶液から作成される。まず、イオン型で、主にナトリウム、ベリリウム、マンガンまたはアルミニウムのような金属、カルシウム、ホウ素、および二クロム酸ラジカルの様々な組み合わせを備える第１の層は、０．００８ｍｍ〜０．０１２ｍｍの深さまで内壁に吸収される。続いて、イオン型で、主にコバルト、マンガン、ベリリウム、ストロンチウム、ロジウム、銅、Ｂチタン、カリウム、ホウ素、カルシウム、アルミニウムなどの金属、および二クロム酸ラジカルの種々の組み合わせを含む第２の層は、第１の層の上部に構築され、ヒートパイプの内壁上に０．００８ｍｍ〜０．０１２ｍｍの厚さを有する膜を形成する。最後に、第３の層は、酸化ロジウム、二クロム酸カリウム、酸化ラジウム、二クロム酸ナトリウム、二クロム酸銀、単結晶シリコン、酸化ベリリウム、クロム酸ストロンチウム、酸化ホウ素、Ｂチタン、および二クロム酸マンガンまたは二クロム酸アルミニウムなどの二クロム酸金属の種々の組み合わせを含む粉末であり、内壁に均等に分布している。３層はヒートパイプに適用され、ついで熱偏光されて、最小限の純熱損失で熱エネルギーを伝達する超伝導ヒートパイプを形成している。
【００２０】
図４は、本発明の一態様に係る、冷却システム２５０の部分概略半径方向断面図である。ヒートパイプ２５２は、タービンケーシング１３２の周りに円周方向に配置され、分散している。マニホールド２５４は、ライン４１０によって示される回路に接続されている。たとえば、マニホールド２５４は、タービン１３０の周りにほぼ連続した流れループを形成している。この流れループの一部が遮断されて、ヒートパイプ熱交換器２４０にルーティングされ、そこからの出口がマニホールド２５４に送り戻される。この方法では、タービンケーシング１３２で（ヒートパイプ２５２を介して）発生した熱は、熱交換器２４０に伝達することができる。
【００２１】
図５は、本発明の一態様に係る、円形または円筒形ヒートパイプ２５２の断面形状図を示す。円筒形ヒートパイプは、従来のツールでの製造および設置が容易である。図６は、本発明の一態様に係る、楕円形ヒートパイプ６５２の断面形状図を示す。楕円形ヒートパイプ６５２は、円筒形ヒートパイプよりも向上した熱伝達特性を有していてもよい。図７は、本発明の一態様に係る、多角形ヒートパイプ７５２の断面形状図を示す。多角形形状は、長方形、六角形、正方形または他の任意の適切な多角形の形状を含むことができる。図８は、丸み付きコーナーを有する長方形ヒートパイプ８５２の断面形状図を示す。丸み付きコーナーを有する長方形は、タービンケーシングとの増加した表面領域接触により、楕円形ヒートパイプ６５２に比べて向上した熱伝達特性を有していてもよい。図９は、本発明の一態様に係る、複数のフィン９５３を有する円形または円筒形ヒートパイプ９５２の断面形状図を示す。フィン９５３は、ヒートパイプの熱伝達能力を増大させるように構成され、図示されているように軸方向に、または半径方向に配置されてもよく、熱伝導率の高い材料、たとえば、銅またはアルミニウム等で構成することができる。
【００２２】
図１０は、本発明の一態様に係る、冷却システムを組み込んだターボ機械１０００の概略図である。ターボ機械１０００は、圧縮機１０１０、燃焼器１０２０およびタービン１０３０を含む。冷却システムは、マニホールド１０５４に接続された複数のヒートパイプ（明瞭にするために図示せず）を含む。マニホールド１０５４は、ヒートパイプ熱交換器１０４０に接続されている。ポンプ１０５５は、導管システムおよび複数の熱交換器を通って、冷却剤を循環させる。ヒートパイプ熱交換器１０４０は、燃料ガス予熱器熱交換器１０４２に接続されている。燃料ガス１０６０が投入され、燃焼器１０２０に移動する。燃料ガス予熱器熱交換器は、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）熱交換器１０４４に接続されている。水１０７０は、熱交換器１０４４に投入され、加熱されて高温または蒸気になり、ＨＲＳＧエコノマイザ（図示せず）に出される。各熱交換器は、それぞれの熱交換器を選択的にバイパスするためのバイパスライン１０８０および弁１０８１を含むことができる。１つのこのようなバイパスラインのみが、明瞭にするために図１０で識別される。一次燃料ヒータ熱交換器１０４６は、ＨＲＳＧ（図示せず）からの蒸気１０９０を供給されてもよく、結果的に加熱された燃料は、燃焼器１０２０に運搬される。
【００２３】
（すべての熱交換器に接続されている場合に）弁１０８１およびバイパスライン１０８０は、燃料加熱および機械効率に対する改良された制御を可能にする。たとえば、熱交換器１０４０および１０４４は、ＨＲＳＧへ投入された水を加熱するためだけにループに接続してもよい。熱交換器１０４０および１０４２は、供給燃料を予熱するためにループに接続してもよい。この構成により、ＨＲＳＧから引き込む蒸気を大きく低減または除去することができ、より多くの蒸気を蒸気タービン（図示せず）に向けることになる。別の例として、熱交換器１０４０、１０４２、および１０４４を、ループに接続することができる。この構成により、ＨＲＳＧに入る燃料１０６０を予熱し、水１０７０を加熱する。熱交換器１０４０、１０４２、および１０４６をループに接続することができ、こうすることで燃料加熱電位を最大にする。あるいは、すべての熱交換器が圧縮機吐出空気流から除去される熱から利益を得られるように、すべての熱交換器をループに接続することができる。
【００２４】
図１１は、本発明の一態様に係る、冷却システム１１５０の断面概略図を示す。ヒートパイプ１１５２は、マニホールド１１５４を介してタービンケーシング１３２に取り付けられている。ヒートパイプ１１５２は、液体金属や溶融塩などの熱伝達媒体１１５３を含む。マニホールド１１５４は、水、蒸気、グリコールまたはオイルなどの冷却剤／熱伝達媒体１１５５を含む。マニホールド１１５４および／またはヒートパイプ１１５２は、溶接部１１０２、ボルトまたは締結具１１０４、溶接ブラケット１１０６またはクランプ１１０８によってタービンケーシング１３２に取り付けることができる。マニホールド１１５４は、ヒートパイプ熱交換器１１４０に熱的に接続される。導管３１０は、ヒートパイプ熱交換器１１４０を複数の他の熱交換器に接続する。たとえば、他の熱交換器は、燃料加熱用熱交換器２４１、燃料予熱用熱交換器２４２、ＨＲＳＧ熱交換器２４３、および任意の他の所望の熱交換器２４４であってもよい。ヒートパイプ熱交換器１１４０は、マニホールド１１５４から導管３１０内の熱伝達媒体に熱を伝達する。例のみとして、導管の熱伝達媒体は、水、グリコール、オイルまたは他の任意の適切な流体であってもよい。ポンプ３２０は、導管３１０および熱交換器に流体を通すために使用することができる。熱交換器はまた、弁制御バイパスライン３６０（明瞭にするために１つしか示していない）を含むことができる。弁３６１は、バイパスライン／導管３６０を介して熱交換器（たとえば、２４２）の周りの流れを導くように動作させることができる。
【００２５】
図１２は、ターボ機械から熱を抽出するための方法１２００を示している。本方法は、燃焼ガスをタービン１３０に通すステップ１２１０を含む。抽出ステップ１２２０は、複数のヒートパイプ２５２を備えるタービンケーシング１３２から熱を抽出する。ヒートパイプ２５２は、カリウムもしくはナトリウム等の溶融塩熱伝達媒体、液体金属またはそれらの組み合わせを含むことができる。ヒートパイプ２５２は、タービンケーシングに熱的に連通しており、タービンケーシングに取り付けられてもよい。伝達ステップ１２３０は、ヒートパイプ２５２からヒートパイプ熱交換器２４０に熱を伝導する。ヒートパイプ熱交換器２４０は、燃料加熱用熱交換器１０４２に熱を伝達するように構成される。加熱ステップ１２４０は、燃料１０６０を、燃料加熱用熱交換器１０４２内のヒートパイプから得られる熱で加熱する。また、ヒートパイプ熱交換器１０４０は、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）熱交換器１０４４を含む回路に動作可能に接続することができる。
【００２６】
本発明の冷却・燃料加熱システムは、多数の利点を提供する。ターボ機械効率が向上し、燃料加熱のための蒸気需要が低減されることによって、複合サイクル発熱率が向上する。タービン部バケット、ホイールおよび燃焼ガス遷移片は、より冷たいタービン吐出空気流により寿命が改善する。
【００２７】
この明細書は、本発明を開示するために実施例を用いており、最良の形態を含んでいる。また、いかなる当業者も本発明を実施することができるように実施例を用いており、任意のデバイスまたはシステムを製作し使用し、任意の組み込まれた方法を実行することを含んでいる。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。このような他の実施例が特許請求の範囲の文字通りの言葉と異ならない構造要素を有する場合、または、それらが特許請求の範囲の文字通りの言葉と実質的な差異がなく等価な構造要素を含む場合には、このような他の実施例は特許請求の範囲内であることを意図している。
【符号の説明】
【００２８】
１００  ターボ機械
１１０  圧縮機
１２０  燃焼器
１３０  タービン
１３２  タービンケーシング
１４０  ＨＲＳＧ
１５０  蒸気タービン
１６０  シャフト
１７０  発電機
２０２  吸気部
２０４  吹出し部
２４０  ヒートパイプ熱交換器
２４１  燃料加熱用熱交換器
２４２  燃料予熱用熱交換器
２４３  ＨＲＳＧ熱交換器
２４４  熱交換器
２５０  冷却システム
２５２  ヒートパイプ
２５３  熱伝達媒体
２５４  マニホールド
２５５  冷却剤／熱伝達媒体
３１０  導管
３２０  ポンプ
３６０  バイパスライン
３６１  弁
４１０  ライン
６５２  楕円形断面を有するヒートパイプ
７５２  多角形断面を有するヒートパイプ
８５２  ヒートパイプ
９５２  フィン付きヒートパイプ
９５３  フィン
１０００  ターボ機械
１０１０  圧縮機
１０２０  燃焼器
１０３０  タービン
１０４０  ヒートパイプ熱交換器
１０４２  燃料ガス予熱器熱交換器
１０４４  ＨＲＳＧ熱交換器
１０４６  一次燃料ヒータ熱交換器
１０５４  マニホールド
１０５５  ポンプ
１０６０  燃料
１０７０  水
１０８０  バイパスライン
１０８１  弁
１０９０  蒸気
１１０２  溶接部
１１０４  締結具
１１０６  ブラケット
１１０８  クランプ
１１５０  冷却システム
１１５２  ヒートパイプ
１１５３  熱伝達媒体
１１５４  マニホールド
１１５５  熱伝達媒体
１２００  方法
１２１０  通すステップ
１２２０  抽出ステップ
１２３０  伝達ステップ
１２４０  加熱ステップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【外国語明細書】
2016196878000001.pdf