JPH09503288A - 高圧比ガスタービンエンジンで使用する一次表面熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 高圧力ガスタービンエンジンで使用するように適応される時、従来技術の伝熱式熱交換器又は熱交換器は、速度及び動力適用の部分だけでの使用に制限されてきた。本発明の伝熱式熱交換器すなわち熱交換器（１２）は、高圧力比ガスタービンエンジン（１０）で使用するように適応されてきた。伝熱式熱交換器（１２）は、複数の一次表面シート（４６）によって形成されている複数の空気室（４４）を備える。一次表面シート（４６）が第一表面（４８）及び第二表面（５０）を形成し、中に形成される複数の波形（５８）を有する。複数の波形（５８）のそれぞれが、第一表面（４８）及び第二表面（５０）からそれぞれに所定の距離で軸方向に延びる頂部（６０）及び根元部（６２）を有する。頂部（６０）から第一表面（４８）までの軸方向の所定距離は、根元部（６２）から第二表面（５０）までの軸方向の所定距離と等しくない。

Description

【発明の詳細な説明】 高圧比ガスタービンエンジンで使用する一次表面熱交換器 技術分野 本発明は、一般に、熱交換媒体、供給流体及び受容流体が効率的に通り得るよ うに十分に開かれた流路の利用を適切に制御できるように構成された複数のシー トを有する熱交換器に関する。 背景技術 ステンレス鋼のような薄い合金シートを、ひだ付けの性質を備えるように波形 に形成するか、折り曲げるかして構成された一次表面熱交換器が、開発されてき た。供給流体からの熱が、該シートを通して直接的に受容流体に伝えられる。シ ートは、その周辺において適当に溶接され、供給流体と受容流体との混合を阻止 する。シートの波形が積み重ねられた列内で隣のシートを支持し、熱交換器組み 立て体の空気室を形成するように作用する。 空気室を形成するようにシートが積み重ねられる前に、それぞれのシートの端 部はダイス間で潰されたり、平らにされたりして、平らな遷移部分又はヘッダー セクションを構成する。これらの遷移セクションは個々のシートのそれぞれの端 部に配置され、空気室を形成するようにシートが積み重ねられるとき、媒体を受 容し、それぞれのシートの両側に形成された適切な通路に流体を送る。 上述した型のこの種の積み重ねプレート熱交換器の一つの例が、1982年10月5 日にゴンザロ・Ｄ・ビダルメザに付与された米国特許第4,352,393号に示される 。遷移セクションは、一般に波形に対して横に延び、該波形は中央平面に沿って 平らにされる。中央平面に沿って平らにする別の例が、1982年8月31日にジョー ン・Ｍ・バイレイに付与された米国特許第4,346,582号と、1984年3月6日にジョ ーン・Ｍ・バイレイに付与された米国特許第4,434,637号に示される。 ２枚の一次シートが空気室を形成するように合わされる時、潰された領域がマ ニホールド域を形成する。対向するマニホールド領域が空気室内に作られ、高温 排気ガス、供給流体、冷却空気及び受容流体の入口と出口を形成する。熱交換器 すなわち伝熱式熱交換器が約10対１以上の高圧力比ガスタービンエンジンで使用 されるとき、受容流体である冷却側で空気の密度が増大し、流体密度の不均衡が 増大する。ガスタービンエンジンとともに使用されるとき、伝熱式熱交換器はエ ネルギー制御装置として働くことを意図されているのであるが、伝熱式熱交換器 を通る供給流体及び受容流体が圧力ヘッドを低下させる。この圧力ヘッドの正味 効率は、高圧力ガスタービンエンジンの発生動力の低下を意味する。したがって 、圧力ヘッド低下を最小限にすることが望ましくなる。 本発明は、前述の問題の一つ又は二つ以上を解決するものである。 発明の開示 本発明の一態様において、伝熱式熱交換器はエンジンで使用するように適応さ れ、複数の空気室を備える。空気室は、第一表面及び第二表面を備える複数の一 次表面シートからなる。さらに、シートは伝熱部分、一対の端部、及び一対の遷 移部分を有する。供給スペーサバーが、一対の遷移部分の一方の第一表面に設置 され、受容スペーサバーが、一対の遷移部分の他方の第二表面に設置される。複 数の一次表面シートが、中に形成された複数の波形を有する。複数の波形のそれ ぞれが、第一表面の上方軸方向に所定の距離で延びている頂部と、第二表面の下 方軸方向に所定の距離で延びている根元部とを有する。第一表面より上方の軸方 向の所定距離と第二表面より下方の軸方向の所定距離とは、等しくない。 図面の簡単な説明 図１は、本発明を実施した熱交換器が取り付けられたガスタービンエンジンを 図示の便宜上一部断面で示す部分側面図である。 図２は、熱交換器シートの一部が組み込まれた空気室の一部の拡大断面図であ る。 図３は、図２の線３に沿って取られた、不均一間隔で配置された複数のひだを 有する空気室の拡大断面図である。 図４は、均一間隔で配置された複数のひだを有する別の空気室の拡大断面図で ある。 発明を実施するための最良の形態 図１を参照すると、ガスタービンエンジン１０が示されている。ガスタービン エンジン１０は、高圧型又は高温型であり、約１０対１より高い圧力比を有する 。熱交換器又は伝熱式熱交換器１２が、通常の手段でガスタービンエンジン１０ に交換可能に設置され、作動中に、そこを通過する矢印１４で示される供給流体 、及び矢印１６で示される受容流体を有する。別の配置として、伝熱式熱交換器 又は熱交換器１２は、今日の通常の熱交換器又は伝熱式熱交換器が所望されるど んなところにも使用することができる。ガスタービンエンジン１０は外部ハウジ ング１８を備え、圧縮機セクション２０、タービンセクション２２、及び燃焼器 セクション２４が外部ハウジング１８内に配置される。圧縮機セクション２０は 作動的に伝熱式熱交換器１２に連結され、作動中は、伝熱式熱交換器１２に受容 流体１６を通す。伝熱式熱交換器１２を貫流した後に受容流体１６が燃焼器セク ション２４の入口部分２６に通じるように、燃焼器セクション２４は従来の方法 で伝熱式熱交換器１２に通じるような入口部分２６を有する。作動の際に供給流 体１４が伝熱式熱交換器１２に通じるように、タービンセクション２２は従来の 方法で伝熱式熱交換器１２に通じるような出口部分２８を有する。 熱交換器又は伝熱式熱交換器１２は、その中に熱交換器組み立て体４２を有す る外部ケーシング４０を備える。図２、３に示すように、熱交換器組み立て体４ ２は、通常の方法で互いにジョイントされた複数の空気室４４を備える。空気室 ４４のそれぞれが伝熱材料からなり、約２ないし８ミルの範囲内の材料の厚さを 有する一次表面シート４６を備える。第一表面４８と第二表面５０が、一次表面 シート４６のそれぞれに形成される。シート４６は、ほぼ矩形の一次伝熱部分５ ２と、図示しないが、その上に形成される一対の端部と、該一対の端部の中間で 一次伝熱部分５２に取付られた一対の遷移部分５６とを備える。この実施例にお いて、完全な一次表面シート４６は、頂部６０と根元部６２をそれぞれに有する 複数の波形５８を形成して折り曲げられる。頂部６０の先端は、該頂部６０の湾 曲した外側部分６４により形成され、根元部６２の先端は該根元部６２の湾曲し た外側部分６６により形成される。この実施例において、頂部６０の湾曲した外 側部分６４は、半径約0.8mm（0.03インチ）に等しく、根元部６２の湾曲した外 側部分６６は、半径約0.3mm（0.01インチ）に等しい。このように、頂部６０の 半径は、根元部６２の半径の約３倍である。他の場合として、図４に示されるよ うに、頂部６０と根元部６２の各々の湾曲した外側部分６４、６６を等しくする こともできる。頂部６０は、第一表面４８の上方で軸方向に所定の距離だけ延び 、根元部６２は、第二表面５０の下方で軸方向に所定の距離だけ延びる。対をな す遷移部分５６が折り曲げ部を重るようにして潰され、遷移部分５６にもっと薄 い断面を生じる。この実施例において、潰すための位置は頂部６０と根元部６２ との間で軸方向に偏位した位置である。例えば、この実施例において、対応する 頂部６０と根元部６２との間の全体の軸方向の距離は、約2.5mm（0.10インチ） である。シート４６上に遷移部分５６を形成する場合において、一対の遷移部分 ５６が、頂部６０と根元部６２との間で軸方向に偏位させられる。例えば、この 実施例において、頂部６０と、対をなす遷移部分５６のそれぞれに形成される第 一表面７０との間の軸方向の距離が、約1.0mm（0.04インチ）であり、根元部６ ２と、対をなす遷移部分５６の第一表面７０に向かい合った側に形成される第二 表面７２との間の軸方向の距離が、約0.8mm（0.03インチ）であり、対をなす遷 移部分５６の第一表面７０と第二表面７２との間の軸方向の距離が、約1.5mm（0 .06インチ）である。一対の遷移部分５６の一方の第一表面７０の一部に、通常 の設計のガススペーサバーすなわち供給スペーサバーが取付られるが、ここでは 図示しない。この実施例において、供給スペーサバー及び受容スペーサバーのそ れぞれが、一次表面シート４６に溶接され、シート組み立て体７８を形成する。 複数の空気室４４のそれぞれを形成する場合において、シート組み立て体７８は 、互いに上下に配置される。シート組み立て体７８の一つの頂部６０は、他方の シート組み立て体７８の頂部６０に接触関係に配置される。別のシート組み立て 体７８が第一組のシート組み立て体７８に対する位置に配置される時、それぞれ のシート組み立て体７８の根元部６２が互いに接触関係に配置される。このよう に、所定の断面積を有する供給流体入口ギャラリー９０が遷移部分５６の対応す る対の一方における対応するシート組み立て体７８の第二表面７２間に形成され 、所定の断面 積を有する受容流体入口ギャラリー８８が遷移部分５６の対応する対の他方で第 一表面７０間に形成される。所定の断面積を有する供給流体出口ギャラリー９４ が、供給流体入口ギャラリー９０に対向する端部で遷移部分５６の対応する対の 第二表面７２間に形成される。所定の断面積を有する受容流体出口ギャラリー９ ２が、受容流体入口ギャラリー８８に対向する端部で遷移部分５６の対応する対 の第一表面７０間に形成される。この実施例において、供給流体入口ギャラリー ９０の断面積が受容流体入口ギャラリー８８の断面積の約1.5倍の大きさである 。複数の供給流体通路９８が、供給流体入口ギャラリー９０と供給流体出口ギャ ラリー９４との間に延びる。図３に示されるように、供給流体通路９８が、頂部 ６０間の複数の波形５８の一部内で全体的に形成される。複数の受容通路９６は 、受容流体入口ギャラリー８８と受容流体出口ギャラリー９２との間に延びる。 図３に示されるように、受容通路９６は、根元部６２間の複数の波形５８の一部 内で全体的に形成される。この実施例において、受容流体通路９６は、所定の断 面積を有し、供給流体通路９８は、前記受容流体通路９６の断面積以上の所定の 断面積を有する。供給流体入口ギャラリー９０と供給流体出口ギャラリー９４の 断面積は、ほぼ等しい。受容流体入口ギャラリー８８と受容流体出口ギャラリー ９２の断面積も、ほぼ等しい。 タービンセクション２２の出口部分２８が供給流体入口ギャラリー９０に通じ 、供給流体入口ギャラリー９０が複数の供給流体通路９８に通じ、複数の供給流 体通路９８が供給流体出口ギャラリー９４に通じ、供給流体出口ギャラリー９４ が排気出口１００に通じる。圧縮機セクション２０は受容流体入口ギャラリー８ ８に通じ、受容流体入口ギャラリー８８は複数の受容通路９６に通じ、複数の受 容通路９６は受容流体出口ギャラリー９２に通じ、受容流体出口ギャラリー９２ は圧縮機セクション２４の入口部分２６に通じる。 使用中は、高圧比ガスタービンエンジン１０が始動し、暖められ、どんな適切 な動力適用においても使用できる。荷重又は動力に対する需要が増大すると、エ ンジン１０の出力が燃料増加により増大され、エンジン１０内での後続の空気温 度が上昇する。この実施例において、空気を加える必要性が増すと、受容流体１ ６は流量及び密度が増大する。ガスタービンエンジン１０の圧縮比が約１０対１ 以上に増大すると、空気室４４の遷移部分５６がオフセット位置で潰されたり、 平らにされたりして圧力ヘッドの増大を補償する。オフセット位置は、低圧力供 給流体１４が連通するもっと広い領域を形成し、オフセット位置はまた高圧力受 容流体１６が連通するもっと狭い領域を形成する。このように、供給流体及び受 容流体の２つの圧力ヘッド又は圧力低下が平衡を保つ。約１０対１以下の圧力比 を有する圧縮機を使用する時、複数の供給流体通路９６と複数の受容流体通路９ ８との間の大きさや領域の関係が、ほぼ等しく保たれる。 供給流体１４は、タービンセクション２２の出口部分２８を出て、供給流体入 口ギャラリー９０に通じる。供給流体１４は、自由に供給流体入口ギャラリー９ ０を通り、そこを貫通し複数の波形５８を加熱する複数の受容流体通路９８に入 り、その中で供給流体１４が接触する。供給流体の熱の一部を放った後、供給流 体は複数の受容流体通路９８を貫通し、供給流体１４は供給流体出口ギャラリー ９４を通り、排気出口１００に出る。 オフセットが潰れた状態では、高圧縮比ガスタービンエンジン１０の効率が、 エンジン１０の全速度及び動力範囲を通じて改良される。例えば、圧縮機セクシ ョン２０を出る高圧縮受容流体１６は受容流体入口ギャラリー８８に入り、オフ セットの潰れにより、通常の受容流体入口ギャラリーの面積よりも狭い面積を有 し、そこを自由に貫通する。さらに、低圧縮比エンジンの受容流体より濃厚な受 容流体１６により、複数の受容流体通路８８の大きさの縮小で、受容流体は複数 の受容流体通路８８をもっと自由に通ることができるようになる。複数の受容流 体通路９８の貫通の際に、受容流体１６は、供給流体１４によって加熱されてき た複数の波形５８から、熱を吸収する。受容流体１６は、複数の受容流体通路９ ８を出て、受容流体出口ギャラリー９２に入り、オフセット潰れの効果を利用し 、供給流体１４及び受容流体１６の２つの圧力ヘッドの平衡を保つ。 高温の受容流体１４は前もって加熱され、ガスタービンの燃焼システム内でよ り効率的に使用される。 オフセット潰れが低圧力供給流体１４に対してもっと広い面積を与え、より効 率的に通じるようになる。エンジン１０の全速度及び動力範囲のもとで、高圧力 ガスタービンエンジン１０をより効率的に作動できる。有用で効率的な高圧力ガ スタービンエンジン１０の全速度及び動力範囲において、オフセット潰れと、複 数の受容流体通路９６の面積と比較された複数の供給流体通路９８の不均一な面 積との組み合わせで、熱交換器又は伝熱式熱交換器が使用できるようになる。 本発明の他の目的と利点は、図面と説明及び添付の特許請求の範囲から明らか になるであろう。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ホルマン レナード アメリカ合衆国 カリフォルニア州 91910 チュラ ヴィスタ ペネロープ ドライヴ 614 (72)発明者 ルーケット トーマス エム アメリカ合衆国 カリフォルニア州 92117 サンディエゴ ムラート プレイ ス 4739 (72)発明者 ウォード マイケル イー アメリカ合衆国 カリフォルニア州 92064 ポーウェイ ティエラ ボニータ ロード 14210

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．第一表面（４８）及び第二表面（５０）を形成し、伝熱部分（５２）、一 対の端部、及び一対の遷移部分（５６）を有する複数の一次表面シート（４６） と、 一対の前記遷移部分（５６）の一方の前記第一表面（４８）に取付られている 受容スペーサバーと、 一対の前記遷移部分（５６）の他方の前記第二表面（５０）に取付られている 供給スペーサバーと、 からなる複数の空気室（４４）を備え、 複数の前記一次表面シート（４６）が、その中に形成された複数の波形（５８ ）を有し、複数の前記波形（５８）のそれぞれが、前記第一表面（４８）の上方 で軸方向に所定の距離だけ延びる頂部（６０）、及び前記第二表面（５０）の下 方で軸方向に所定の距離だけ延びる根元部（６２）を有し、前記第一表面（４８ ）の上方における軸方向の所定距離と前記第二表面（５０）の下方における軸方 向の所定距離とが等しくないことを特徴とする伝熱式熱交換器（１２）。 ２．複数の前記波形（５８）の前記頂部（６０）が所定の湾曲した外側部分（ ６４）を有し、複数の前記波形（５８）の前記根元部（６２）が前記頂部（６０ ）の所定の前記湾曲した外側部分よりも大きい所定の湾曲した外側部分（６６） を有することを特徴とする請求項１に記載の伝熱式熱交換器。 ３．前記根元部（６２）の所定の前記湾曲した外側部分（６６）が、前記頂部 （６０）の所定の前記湾曲した外側部分（６４）の約３倍に等しいことを特徴と する請求項２に記載の伝熱式熱交換器。 ４．複数の前記波形（５８）の前記頂部（６０）が所定の湾曲した外側部分（ ６４）を有し、複数の前記波形（５８）の前記根元部（６２）が前記頂部（６０ ）の所定の前記湾曲した外側部分に等しい所定の湾曲した外側部分（６６）を有 することを特徴とする請求項１に記載の伝熱式熱交換器。 ５．複数の前記空気室（４４）のそれぞれが、所定の断面積を有する受容流体 入口ギャラリー（８８）と、所定の断面積を有する供給流体入口ギャラリー（９ ０）とを備え、前記供給流体入口ギャラリー（９０）の前記断面積が前記受容流 体入口ギャラリー（８８）の前記断面積の約1.5倍であることを特徴とする請求 項１に記載の伝熱式熱交換器。 ６．複数の前記波形（５８）が、複数の前記一次表面シート（４６）のそれぞ れの前記第一表面（４８）及び前記第二表面（５０）上に形成されることを特徴 とする請求項１に記載の伝熱式熱交換器。 ７．一対の前記遷移部分（５６）が、上で潰される複数の前記波形（５８）を 有することを特徴とする請求項６に記載の伝熱式熱交換器。 ８．複数の前記空気室（４４）が、中に形成される供給流体通路（９８）及び 受容流体通路（９６）を備えることを特徴とする請求項１に記載の伝熱式熱交換 器。 ９．前記供給流体通路（９８）が所定の断面積を有し、前記受容流体通路（９ ６）が該受容流体通路（９６）の所定の前記断面積より狭い所定の断面積を有す ることを特徴とする請求項８に記載の伝熱式熱交換器。 １０．前記供給流体通路（９８）が、供給流体入口ギャラリー（９０）及び供 給流体出口ギャラリー（９４）と連通し、前記受容流体通路（９６）が、受容流 体入口ギャラリー（８８）及び受容流体出口ギャラリー（９２）と連通すること を特徴とする請求項９に記載の伝熱式熱交換器。 １１．前記受容流体入口ギャラリー（８８）及び前記受容流体出口ギャラリー （９２）の前記断面積が、それぞれに、前記供給流体入口ギャラリー（９０）及 び前記供給流体出口ギャラリー（９４）の前記断面積より狭いことを特徴とする 請求項１０に記載の伝熱式熱交換器。