(57)【要約】  ガスタービン入口における一体型コイル及びフィンシステム。一体型システムは、少なくとも１つの加熱／冷却コイルと一体化された少なくとも１つの波状の非平面フィンを含み、少なくとも１つのコイルが、ガスタービン入口を通って移動する空気を加熱又は冷却するよう構成され、少なくとも１つの非平面フィンが、ガスタービン入口を通って移動する空気中の湿分を除去するよう構成されている。１つの実施形態において、少なくとも１つの非平面フィンの端部にて又はその長さに沿って少なくとも１つのフックを含めることができる。【選択図】      図３
2016505763.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン入口で使用するための一体型コイル及びフィンシステム（１００）であって、少なくとも１つのコイル（１０４）に取り付けられた少なくとも１つの非平面フィン（１０２）を備え、前記少なくとも１つのコイルが、前記ガスタービン入口を通って移動する空気を加熱又は冷却するよう構成され、前記少なくとも１つの非平面フィンが、前記ガスタービン入口を通って移動する空気中の湿分を除去するよう構成されている、一体型コイル及びフィンシステム。
【請求項２】
前記少なくとも１つの非平面フィンが、少なくとも１つのフック（１０６）を含む、請求項１に記載の一体型コイル及びフィンシステム。
【請求項３】
前記少なくとも１つのフックが、略半楕円形状を含む、請求項２に記載の一体型コイル及びフィンシステム。
【請求項４】
前記少なくとも１つのフックが、前記少なくとも１つの非平面フィンの長さに沿って複数のフックを含む、請求項２に記載の一体型コイル及びフィンシステム。
【請求項５】
前記少なくとも１つのフックが、前記各非平面フィンの端部にフックを含む、請求項２に記載の一体型コイル及びフィンシステム。
【請求項６】
前記少なくとも１つのコイルが、流体を貫流するよう誘導する中空コイルを含む、請求項１に記載の一体型コイル及びフィンシステム。
【請求項７】
前記流体が、加熱流体又は冷却媒体を含む、請求項６に記載の一体型コイル及びフィンシステム。
【請求項８】
前記少なくとも１つの非平面フィンが、第１の部分と、該第１の部分に対して約９０度〜約１８０度の角度が付けられた第２の部分とを有する、請求項１に記載の一体型コイル及びフィンシステム。
【請求項９】
前記少なくとも１つの非平面フィンが、複数の非平面フィンを含み、該複数の非平面フィンの各非平面フィンは、前記少なくとも１つのコイルに取り付けられる、請求項１に記載の一体型コイル及びフィンシステム。
【請求項１０】
前記少なくとも１つのコイルが、前記少なくとも１つの非平面フィンに接触するコイルの複数の実質的に平行セクションを有するコイルを含む、請求項１に記載の一体型コイル及びフィンシステム。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの非平面フィンは、超音波はんだ付け又は液圧膨張によって前記少なくとも１つのコイルに取り付けられる、請求項１に記載の一体型コイル及びフィンシステム。
【請求項１２】
一体型コイル及びフィンシステム（１００）を含むフィルタハウジングを備えたガスタービン入口であって、前記システムが、少なくとも１つのコイル（１０４）に取り付けられた少なくとも１つの非平面フィン（１０２）を備え、前記少なくとも１つのコイルが、前記ガスタービン入口を通って移動する空気を加熱又は冷却するよう構成され、前記少なくとも１つの非平面フィンが、前記ガスタービン入口を通って移動する空気中の湿分を除去するよう構成されており、前記システムが更に、前記ハウジング及びガスタービンに流体接続された入口ダクト（１６）を備える、ガスタービン入口。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの非平面フィンが、少なくとも１つのフック（１０６）を含む、請求項１２に記載のガスタービン入口。
【請求項１４】
前記少なくとも１つのフックが、略半楕円形状を含む、請求項１３に記載のガスタービン入口。
【請求項１５】
前記少なくとも１つのフックが、前記少なくとも１つの非平面フィンの長さに沿って複数のフックを含む、請求項１３に記載のガスタービン入口。
【請求項１６】
前記少なくとも１つのフックが、前記各非平面フィンの端部にフックを含む、請求項１３に記載のガスタービン入口。
【請求項１７】
前記少なくとも１つのコイルが、流体を貫流するよう誘導する中空コイルを含み、前記流体が、加熱流体又は冷却媒体を含む、請求項１２に記載のガスタービン入口。
【請求項１８】
前記少なくとも１つの非平面フィンが、第１の部分と、該第１の部分に対して約９０度〜約１８０度の角度が付けられた第２の部分とを有する、請求項１２に記載のガスタービン入口。
【請求項１９】
前記少なくとも１つのコイルが、前記少なくとも１つの非平面フィンに接触するコイルの複数の実質的に平行セクションを有するコイルを含む、請求項１２に記載のガスタービン入口。
【請求項２０】
前記少なくとも１つの非平面フィンは、超音波はんだ付け又は液圧膨張によって前記少なくとも１つのコイルに取り付けられる、請求項１２に記載のガスタービン入口。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体的に、ガスタービンに関し、より詳細には、一体化されたコイル及びミスト低減フィン／ベーンを有するガスタービン入口に関する。
【背景技術】
【０００２】
空気が入口を通ってガスタービン内に移動するときには、多くの場合、当該空気をフィルタリング（濾過）し及び／又は当該空気から湿分を取り除くことが望ましい。加えて、空気が入口を通ってタービン内に移動するときには、多くの場合、空気を加熱又は冷却することが望ましい。従来では、入口フィルタハウジングを使用して、要求に応じて空気を加熱／冷却する加熱及び／又は冷却コイル、並びに必要に応じて空気をフィルタリングするフィルタを収容する。加えて、フィルタハウジング内では波状ベーンが使用され、これにより空気を強制的に蛇行経路に通過させ、水滴がベーンに衝突したときに慣性によって空気よりも重い液滴を下方に落とすことが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許公開第２００６００５９５６Ａ１号明細書
【発明の概要】
【０００４】
ガスタービン入口における一体型コイル及びフィンシステムが開示される。一体型システムは、少なくとも１つの加熱／冷却コイルと一体化された少なくとも１つの波状すなわち非平面のフィンを含み、少なくとも１つのコイルは、ガスタービン入口を通って移動する空気を加熱又は冷却するよう構成され、少なくとも１つの波状フィンは、ガスタービン入口を通って移動する空気中の湿分を取り込むよう構成されている。１つの実施形態において、少なくとも１つの波状フィンの端部にて又はその長さに沿って少なくとも１つのフックを含めることができる。
【０００５】
本開示の第１の態様は、ガスタービン入口で使用するための一体型コイル及びフィンシステムを提供し、一体型コイル及びフィンシステムは、少なくとも１つのコイルに取り付けられた少なくとも１つの非平面フィンを備え、少なくとも１つのコイルは、ガスタービン入口を通って移動する空気を加熱又は冷却するよう構成され、少なくとも１つの非平面フィンは、ガスタービン入口を通って移動する空気中の湿分を除去するよう構成されている。
【０００６】
本開示の第２の態様は、一体型コイル及びフィンシステムを含むフィルタハウジングを備えたガスタービン入口を提供し、本システムは、少なくとも１つのコイルに取り付けられた少なくとも１つの非平面フィンを備え、少なくとも１つのコイルがガスタービン入口を通って移動する空気を加熱又は冷却するよう構成され、少なくとも１つの非平面フィンがガスタービン入口を通って移動する空気中の湿分を除去するよう構成されており、本システムは更に、ハウジング及びガスタービンに流体接続された入口ダクトを備える。
【０００７】
本発明のこれらの及びその他の態様、利点並びに顕著な特徴は、図面全体を通して同じ参照符号が同様な部品を指している添付図面と関連させて本発明の実施形態を開示した以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【０００８】
本発明の開示の上記及び他の態様、特徴、並びに利点は、添付図面を併用して本発明の以下の詳細な説明を参照するとより理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】従来のフィンチューブ式熱交換器の等角図。
【図２】本発明の１つの実施形態によるシステムを含む、ガスタービン用の入口フィルタハウジングの概略断面図。
【図３】本発明の１つの実施形態によるガスタービン入口における一体化されたコイル及びミスト低減ベーンを有するシステムの上面図。
【図４】本発明の１つの実施形態によるシステムにおける一体コイルの端部にあるフックの拡大断面図。
【図５】本発明の１つの実施形態によるガスタービン入口における一体コイル及びミスト除去ベーンを有するシステムの構成の上面斜視図。
【図６】本発明の１つの実施形態によるガスタービン入口における一体コイル及びミスト除去ベーンを有するシステムの構成の上面斜視図。
【図７】本発明の１つの実施形態によるガスタービン入口における一体コイル及びミスト除去ベーンを有するシステムの構成の上面斜視図。
【図８】本発明の１つの実施形態による、コイルとベーン／フィン間の界接部の断面図。
【図９】本発明の１つの実施形態による、フィン／ベーンの部分等角図。
【図１０】本発明の別の実施形態による、ガスタービン入口における一体コイル及びミスト除去ベーンを有するシステムの上面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図面は必ずしも縮尺通りとは限らない。図面は、単に概略図に過ぎず、本発明の特定のパラメータを表すことを意図していない。図面は、単に本発明の典型的な実施形態を示す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。図面において、同じ番号は同じ要素を表している。
【００１１】
本発明の実施形態は、ガスタービン入口における一体型の加熱／冷却コイル及びベーン／フィン型ミスト低減器を含む。当該技術分野で公知のフィンチューブ一体型熱交換器１が図１に示されている。フィンチューブ一体型熱交換器１は、互いに平行に配列された複数の平坦な平面フィン３と、フィン３を貫通する複数の熱伝達コイル２とを含む。空気Ａはフィン３を通って流れ、加熱／冷却液体又はガスＢがコイル２を通って流れる。
【００１２】
図２を参照すると、本発明の１つの実施形態によるシステム１００を有する空気入口ハウジング１０が図示されている。当該技術分野で公知のように、空気入口ハウジング１０は、入口ダクト１６を介して圧縮機１２及びタービン１４に接続される。ハウジング１０は通常、図２の矢印で示されるように空気が入口ハウジング１０を通って流れるときに空気をフィルタリングする少なくとも１つのフィルタ要素１８を含むことは理解される。本発明の１つの実施形態によれば、ハウジング１０は更に、本明細書で検討されるように、加熱又は冷却コイルと一体化されたベーン／フィンを備えた少なくとも１つのシステム１００を含む。システム１００は、図２においてフィルタ１８から下流側（入口１０を通る空気流に対して）に位置付けられて示されているが、システム１００はまた、フィルタ１８から上流側に位置付けられるか、又は２つの別個のフィルタ１８の間に位置付けることもできる。
【００１３】
図３に移ると、ガスタービン１４（図２）の入口ハウジング１０（図２）におけるシステム１００の１つの実施形態の上面図が示される。図３に示すように、複数の波状フィン１０２（ベーンとも呼ばれる）が、少なくとも１つの加熱又は冷却コイル１０４と一体化されている。コイル１０４は、ガスタービン入口ハウジング１０を通って移動する空気を加熱又は冷却するよう構成され、波状フィン１０２は、空気中の水分（すなわち、ミスト）が波状フィン１０２に衝突するようにガスタービン入口ハウジングを通って移動する空気の蛇行経路を提供するよう構成された非平面ベーンである。当該技術分野で公知のように、コイル１０４は、例えば、高温流体又は低温流体のような流体が通過するように構成された中空コイルを含む。
【００１４】
あらゆる数の波状フィン１０２を含めることができ、各波状フィン１０２は、要求に応じて隣接する波状フィン１０２から離間して配置することができる。フィン間のこの距離は「インチ当たりフィン」（ＦＰＩ）と呼ばれ、図３に示される。隣接するフィン１０２間の距離が小さくなるほど、通過する空気が接触する表面積がより大きくなるので、システム１００を通過する空気の熱効率がより高くなる。
【００１５】
波状フィン１０２は、要求に応じて波状に、すなわち、要求に応じてシステム１００を通過する空気流に対して角度を付けることができる。図３に示すように、フィン１０２は、空気流に対して実質的に平行な第１の部分１０２ａと、該第１の部分１０２ａに対してある角度αの角度が付けられた第２の部分１０２ｂとを有する。第１及び第２の部分１０２ａ、１０２ｂは、フィン１０２が要求に応じて多くの頂部又は転回部を含むことができるように、必要に応じて反復させることができることは理解される。一般に、フィン１０２がより波状になるほど（すなわち、転回部がより多くなる、又は部分間の角度がより小さくなる）、湿分除去がより強くなる。換言すると、除去される水分がかなりある場合には、角度αがより小さいことが望ましいが、これはまた、システム１００の前後での圧力低下がより高い結果となる。１つの実施形態において、角度αは、約９０度〜約１８０度とすることができる。角度αがより小さいことはまた、図３において距離Ｗとして表記されたコイル１０４間距離がより短くなることにつながる。この距離Ｗが短いほど、コイル１０４間の必要なスペースが小さくなるので、従来のハウジングよりも小型のフィルタハウジングが得られることになる。
【００１６】
より波状のフィン１０２、すなわち、転回部がより多く含まれる、又は部分間の角度がより小さくなるほど、ハウジングを通して移動する空気がより蛇行した経路を取ることが必要となり、従って、より多くの空気がフィン１０２に衝突することになる。このため、水滴のフィン１０２に衝突する機会がより多くなり、より多くの水滴が空気ストリームから抽出されるようになる。加えて、波状フィン１０２は、入口を通って移動する空気速度を増大させる機能を果たす。
【００１７】
図３に示すように、波状フィン１０２は更に、少なくとも１つのフック１０６を含むことができる。フック１０６は、図３に矢印で示されるように、空気が入口を通って移動するときに湿分を捕捉する役割を果たす。水滴は、フック１０６によって生じ、水膜を形成することになる。水が蓄積すると、重力により落下するようになる。下方に流れる水は、コイル１０４の底部にてリザーバ（図示せず、例えば、ドレインパン）によって取り込むことができる。
【００１８】
フック１０６は、例えば、要求に応じてあらゆる形状とすることができ、図４において分解図で示されるように、部分的に楕円形状であってもよい。図４に示されるように、フック１０６は、短軸ａ及び長軸ｂを有する部分楕円を含むことができ、楕円部は角度βで中断される。１つの実施形態において、長軸と短軸の比、すなわちａ／ｂは、約１〜１０とすることができ、角度βは、約９０度〜２７０度とすることができる。本発明に従って他の何れかの形状を用いることができ、フック１０６は、必ずしも丸みがある必要はなく、矩形の隅部又は鋭利な隅部を有することができることは理解される。フック１０６は、何らかの既知のプロセスにより形成することができ、波状フィン１０２上に型形成することができ、或いは、波状フィン１０２の端部を曲げてフック１０６を形成することができる。
【００１９】
フック１０６は、波状フィン１０２に沿ったあらゆる位置に設けることができ、例えば、フック１０６は、波状フィン１０２の各転回部に含めることができ、或いは、波状フィン１０２の中間に含めることができる。波状フィン１０２はまた、長さに沿ってフック１０６を含めた１つの連続する要素とすることができ（図５及び６のように）、或いは、波状フィン１０２は、一連の別個の要素を備え、各要素が端部にフックを有し、端部間に各要素が位置付けられる（図３のように）ようにすることができる。波状フィン１０２に沿ってあらゆる数のフック１０６を含めることができることは理解され、また、全ての波状フィン１０２がフック１０６を含む必要というわけではないことも理解される。フック１０６がより多いほど、湿分低減がより強くなる。フックは、図示のように波状フィン１０２の交互する側部上に、又は全てが波状フィン１０２一方の側部に沿って位置付けることができる。フック１０６が空気流に面するフックの開放側面を有している限り、空気が入口を通って移動するときに空気中の水滴がフック１０６に衝突し、従って、フック１０６によって水滴が捕捉され、次いで、重力に起因して落下することになる。
【００２０】
加熱／冷却コイル１０４は、システム１００を通過するときに空気を加熱又は冷却するよう構成されたあらゆる既知のタイプの加熱又は冷却コイルを含むことができることは理解される。例えば、加熱コイル１０４は、コイルを通過する高温水又は高温蒸気又は高温空気を有することができ、その結果コイル１０４が高温となり、その後、低温の湿潤空気が入口を通って移動して、コイル１０４にわたって通過すると、加熱されて昇温した乾燥空気が出力される。加熱コイル１０４の使用はまた、氷点を上回る高い温度レベルに波状フィン１０２を維持し、これにより凍結周囲条件下で氷形成を防ぐ役割を果たす。また、図３〜７に示す見下ろし図では例示されていないが、コイル１０４は、図１に示すように、複数の高度すなわち水平面を通して接続することができることは理解される。
【００２１】
波状フィン１０２及びフック１０６の追加の構成が図５〜７に示される。例えば、図５及び６に示すように、コイル１０４は、マルチパスコイルと呼ばれる複数の転回部１０３を有し、コイル１０４の複数の平行セクション（図に示すように、平行な「列」１０５と呼ばれる）をもたらすことができる。図５において、波状フィン１０２の複数のセグメントは、コイル１０４の３つの列１０５に取り付けられる。図６において、波状フィン１０２の複数のセグメントは、コイル１０４の２つの列１０５に取り付けられる。
【００２２】
本明細書で開示されるシステムは、コイル１０４が波状フィン１０２と一体化されるので、「一体型」システムと呼ばれる。換言すると、波状フィン１０２は、図２及び８に示すようにコイル１０４の間及びその周辺に位置付けられる。例えば、図８は、コイル１０４とフィン１０２との間の界接部の断面図を示す。図８に示すように、波状フィン１０２は、各々がカラー１０７を有して複数の孔を含むことができ、コイル１０４は、カラー１０７を貫通することができる。次いで、コイル１０４は、液圧で膨張されてカラー１０７に対する接合部を形成することができる。別の実施例において、超音波はんだ付けを用いて、フィン１０２をコイル１０４に取り付けることができ、或いは、他のタイプの溶接／ろう付け法を用いることもできる。図９は、複数の孔又はカラー１０７を含む波状フィン１０２の等角図を示す。
【００２３】
本発明の実施形態は、従来の平坦な平面フィンだけでなく波状フィン１０２も用いることも含むことができることは理解される。例えば、図１０に示すように、従来の平坦な平面フィンは、コイル１０４に近接して用いることができ（すなわち、コイル１０４は、平坦フィンを貫通して接合することができる）、他方、波状フィン１０２は、コイル１０４間で用いることができる。１つの実施例において、波状フィン１０２の一部１０８は、コイル１０４に取り付けられる平坦フィンを嵌合可能に係合するような形状にすることができる。
【００２４】
本発明は、ガスタービン入口用途においてミスト低減器／排除器として機能する波状フィン１０２と加熱／冷却コイル１０４を一体化することを含む。波状フィン１０２は、より強力な水分除去が望ましい場合には、より波状（すなわち、角度αをより小さくし、転回部をより多くする）にし、追加のフック１０６を有するようにし、空気流の圧力低下が少ないことが望ましい場合には、より少ない波状（すなわち、角度αをより大きくし、転回部をより少なくする）にすることができる。また、システム１００は、異なる目的を達成する異なる部分を含むことができることは理解される。例えば、図６に示すように、システム１００は、２つの部分Ａ、Ｂとみなすことができる。部分Ａすなわち上流側部分は、不作動コイル１０４、すなわち、これらを通る流体を過熱／冷却しないコイルを含むことができる。加熱／冷却は部分Ａでは実施されないが、波状フィン１０２及びフック１０６は、空気から湿分を除去するために設けることができる。要求される湿分除去のレベルに応じて、本明細書で検討されるような波状フィン１０２及びフック１０６のあらゆる構成を部分Ａに含めることができることは理解される。また、不作動コイル１０４は、波状フィン１０２の支持構造体として機能するために設けられるが、コイル１０４は、単に湿分除去セクションにおいて部分Ａを必ずしも必要ではないので、他のあらゆるタイプの支持構造体を用いることができることは理解される。部分Ｂは、本明細書で検討されたように、加熱と湿分除去の両方として機能するように構成することができる。例えば、コイル１０４は、作動させて、すなわち、これらを通って流れる流体を加熱させることができ、波状フィン１０２及びフック１０６は、何らかの追加の湿分を空気から除去するのに含めることができる。空気流が部分Ａを通って流れるときに空気中のかなりの量の湿分が除去されるので、部分Ｂを通って移動する空気は、より乾燥した空気であり、従って加熱が容易であり、より効率的なシステム及びエネルギー節減がもたらされる。
【００２５】
湿分低減ベーン／フィン１０２は、熱伝達及び湿分低減ベーンの両方として機能する波状フィン設計を有する。結果として、熱伝達の強化は、加熱コイル１０４及び／又はフィン／ベーン１０２の数を低減し、従来のベーン型の湿分分離器プラス加熱／冷却コイルにおいて見られるはずの圧力低下に対して空気流圧力低下を軽減することができる。加えて、加熱コイル１０４の断面は、従来のフィルタハウジングで使用される場合がある下流側の凝集フィルタ処理段を排除できるほど十分に小さくすることができる。従って、本明細書で記載されるシステム１００は、ベーン、加熱コイル及び凝集フィルタを備えたシステムと比べて全体の圧力低下を減少させることができ、システム１００は、タービン効率及び出力を向上させることができる。
【００２６】
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、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る装置の作動範囲、効率、耐久性、及び信頼性の向上から恩恵を受けることができる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る。
【００２７】
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、「含む」及び／又は「備える」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。
【００２８】
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、或いは、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。
【００２９】
本発明の種々の実施形態について説明してきたが、要素の種々の組み合わせ、変型形態、又は改善形態を実施することができ、更にこれらが本発明の範囲内にあることは、本明細書から理解されるであろう。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は物的事項を本発明の教示に適合するように多くの修正を行うことができる。本発明は、本発明を実施するために企図される最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、また本発明は、提出した請求項の技術的範囲内に属する全ての実施形態を包含することになるものとする。
【符号の説明】
【００３０】
１０２  波状フィン
１０３  転回部
１０４  コイル
１０５  コイルの列
１０６  フック
【図１】
2016505763.tif 000003
【図２】
2016505763.tif 000004
【図３】
2016505763.tif 000005
【図４】
2016505763.tif 000006
【図５】
2016505763.tif 000007
【図６】
2016505763.tif 000008
【図７】
2016505763.tif 000009
【図８】
2016505763.tif 000010
【図９】
2016505763.tif 000011
【図１０】
2016505763.tif 000012
【国際調査報告】
2016505763.tif 000013
2016505763.tif 000014
2016505763.tif 000015