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技術 タービンエンジンから発生した廃熱を利用する熱電素子の乱流配置

出願人 ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ
発明者 ハリハラン・スンダラムマユール・アブヘイ・ケニイキャスリーン・ブランシェ・モレー
出願日 2011年8月1日 (8年2ヶ月経過) 出願番号 2011-167906
公開日 2012年2月23日 (7年7ヶ月経過) 公開番号 2012-039858
状態 特許登録済
技術分野 特殊な電動機、発電機 ガスタービン、高圧・高速燃焼室 熱ガス機関 熱電素子
主要キーワード 付加的部品 端部ケーシング 乱流流れ 廃棄エネルギー 伝熱素子 平均熱伝達率 ユニット領域 不良導体
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2012年2月23日)のものです。
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図面 (3)

課題

開示するのは、タービンエンジン(100)から発生した廃熱を利用する熱電素子(200)の乱流配置である。

解決手段

本熱電素子(200)の乱流配置は、タービンエンジン(100)の熱排出端部(145)においてケーシング(155)内に設置される。本熱電素子(200)の乱流配置は、タービンエンジン(100)から発生した排熱電気エネルギーに変換する。一実施形態では、本熱電素子(200)の乱流配置により発生された電気エネルギーは、タービンエンジン(100)の周りに設置された電気部品(165)に電力を供給するために使用することができる。

概要

背景

燃料コストの上昇の課題並びにより効率的かつ環境に優しい発電ステム及び工業プラントに対する要望の高まりに対処するために、タービンエンジンにより発生した排気ストリームからの廃熱を有用な電気に変換する廃熱回収技術が開発されてきている。熱電素子で形成した熱電モジュールは、タービンエンジンから発生した廃熱により電気を生成するために使用されてきた1つの解決法である。しかしながら、殆どの熱電モジュール法が、比較的低い変換効率を有する。従って、これらのタイプの熱電モジュールは、発電における用途に限られてきた。

概要

開示するのは、タービンエンジン(100)から発生した廃熱を利用する熱電素子(200)の乱流配置である。本熱電素子(200)の乱流配置は、タービンエンジン(100)の熱排出端部(145)においてケーシング(155)内に設置される。本熱電素子(200)の乱流配置は、タービンエンジン(100)から発生した排熱電気エネルギーに変換する。一実施形態では、本熱電素子(200)の乱流配置により発生された電気エネルギーは、タービンエンジン(100)の周りに設置された電気部品(165)に電力を供給するために使用することができる。

目的

本発明の一実施形態では、タービンエンジンと熱電モジュールとを含むシステムを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
2件

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請求項1

ステム(100)であって、当該システムが、燃料燃焼させかつ排熱を発生するタービンエンジン(100)と、前記タービンエンジン(100)内に設置されかつ該タービンエンジン(100)から発生した前記排熱を電気エネルギーに変換する熱電モジュール(150)とを備えており、前記熱電モジュール(150)が、電気的に直列に連結されかつ熱的に並列に連結された複数の熱電素子(200)の乱流配置を含み、前記複数の熱電素子(200)の各々が、熱接点(215)及び冷接点(220)において互いに結合された第1の熱電材料(205)及び第2の熱電材料(210)を含み、前記冷接点(220)が、該冷接点(220)における伝熱抵抗を増大させる断熱層(225)で被覆され、それによって該冷接点(220)における温度を低下させ、前記熱接点(215)及び冷接点(220)が、熱的に並列に連結されて、該熱接点(215)及び冷接点(220)間に温度勾配が生じ、前記発生電気エネルギーが、前記熱接点(215)及び冷接点(220)間に生じた前記温度勾配の関数である、システム(100)。

請求項2

前記熱電モジュール(150)が、前記タービンエンジン(100)のケーシング(155)内の壁上に設置される、請求項1記載のシステム(100)。

請求項3

前記熱電モジュール(150)が、前記タービンエンジン(100)の熱排出端部(145)における壁上に設置される、請求項2記載のシステム(100)。

請求項4

前記タービンエンジン(100)の周りに設置された複数の電気部品(165)をさらに含む、請求項1記載のシステム(100)。

請求項5

前記熱電モジュール(150)により発生された前記電気エネルギーが、前記複数の電気部品(165)に電力を供給するために使用される、請求項4記載のシステム(100)。

請求項6

圧縮機(105)と、前記圧縮機(105)からの空気及び燃料の混合気を受けかつ該混合気を燃焼させる燃焼器(120)と、前記空気及び燃料の燃焼により発生された前記燃焼器(120)からの高温ガス膨張させて機械回転エネルギーに変換するタービン(115)と、前記タービン(115)から発生した排熱を熱電気エネルギーに変換する熱電モジュール(150)とを備えるタービンエンジン(100)であって、前記熱電モジュール(150)が、その熱排出端部(145)において該タービンエンジン(100)のケーシング(155)内に設置された複数の熱電素子(200)の乱流配置を含み、前記複数の熱電素子(200)の各々が、熱接点(215)及び冷接点(220)において互いに結合された第1の熱電材料(205)及び第2の熱電材料(210)を含み、前記冷接点(220)が、該冷接点(220)における伝熱抵抗を増大させる断熱層(225)で被覆され、それによって該冷接点(220)における温度を低下させ、温度勾配が、前記熱接点(215)及び冷接点(220)間に生じ、前記発生熱電気エネルギーが、前記熱接点(215)及び冷接点(220)間に生じた前記温度勾配の関数である、タービンエンジン(100)。

請求項7

前記熱電気エネルギーが、該タービンエンジン(100)の周りに設置された複数の電気部品(165)に電力を供給するために使用される、請求項6記載のタービンエンジン(100)。

請求項8

前記複数の熱電素子(200)の各々の乱流配置が、前記排熱の乱流流れを生成して、前記断熱層(225)で被覆された前記冷接点(220)により該冷接点の温度を低下させた状態で、高い平均熱伝達率を生じさせて該排熱の高温ガスからの最大熱捕捉を可能にするのを保証する、請求項6記載のタービンエンジン(100)。

請求項9

複数の電気部品(165)と、圧縮機(105)と、前記圧縮機(105)からの空気及び燃料の混合気を受けかつ該混合気を燃焼させる燃焼器(120)と、前記空気及び燃料の燃焼により発生された前記燃焼器(120)からの高温ガスを膨張させて機械的回転エネルギーに変換するタービン(115)と、前記タービン(115)から発生した排熱を熱電気エネルギーに変換する熱電モジュール(150)とを備えるガスタービンエンジン(100)であって、前記熱電モジュール(150)が、熱排出端部(145)において該タービンエンジン(100)のケーシング(155)内に設置された複数の熱電素子(200)の乱流配置を含み、前記複数の熱電素子(200)の各々が、熱接点(215)及び冷接点(220)において互いに結合された第1の熱電材料(205)及び第2の熱電材料(210)を含み、前記冷接点(220)が、該冷接点(220)における伝熱抵抗を増大させる断熱層(225)で被覆され、それによって該冷接点(220)における温度を低下させ、温度勾配が、前記熱接点(215)及び冷接点(220)間に生じ、前記発生熱電気エネルギーが、前記熱接点(215)及び冷接点(220)間に生じた前記温度勾配の関数であり、前記熱電モジュール(150)が、前記熱電気エネルギーを使用して前記複数の電気部品(165)に電力を供給する、ガスタービンエンジン(100)。

請求項10

各熱接点(215)の入熱と前記断熱層(225)で被覆された前記冷接点(220)に関連する入熱との間の差が、該熱接点(215)及び冷接点(220)間に生じた前記温度勾配を生じさせる温度差に相当し、前記熱電モジュール(150)が、前記温度差を使用して、熱電気電圧を発生させる、請求項9記載のガスタービンエンジン(100)。

技術分野

0001

本発明は、総括的にはタービンエンジンに関し、より具体的には、タービンエンジンから発生した廃熱を利用する熱電素子乱流配置を使用することに関する。

背景技術

0002

燃料コストの上昇の課題並びにより効率的かつ環境に優しい発電ステム及び工業プラントに対する要望の高まりに対処するために、タービンエンジンにより発生した排気ストリームからの廃熱を有用な電気に変換する廃熱回収技術が開発されてきている。熱電素子で形成した熱電モジュールは、タービンエンジンから発生した廃熱により電気を生成するために使用されてきた1つの解決法である。しかしながら、殆どの熱電モジュール法が、比較的低い変換効率を有する。従って、これらのタイプの熱電モジュールは、発電における用途に限られてきた。

先行技術

0003

米国特許第7100369号明細書

課題を解決するための手段

0004

本発明の一実施形態では、タービンエンジンと熱電モジュールとを含むシステムを提供する。この実施形態では、タービンエンジンは、燃料燃焼させかつ排熱を発生する。熱電モジュールは、タービンエンジン内に設置されかつ該タービンエンジンから発生した排熱を電気エネルギーに変換する。熱電モジュールは、直列に連結されかつ熱的に並列に連結された複数の熱電素子の乱流配置を含む。複数の熱電素子の各々は、熱接点及び冷接点において互いに結合された第1の熱電材料及び第2の熱電材料を含む。冷接点は、該冷接点における伝熱抵抗を増大させる断熱層被覆され、それによって該冷接点における温度を低下させる。熱接点及び冷接点は、熱的に並列に連結されて、該熱接点及び冷接点間に温度勾配が生じる。発生電気エネルギーは、熱接点及び冷接点間に生じた温度勾配の関数となる。

0005

本発明の別の実施形態では、タービンエンジンを提供する。本発明のこの実施形態では、本タービンエンジンは、圧縮機と、圧縮機からの空気及び燃料の混合気を受けかつ該混合気を燃焼させる燃焼器と、空気及び燃料の燃焼により発生された燃焼器からの高温ガス膨張させて機械回転エネルギーに変換するタービンとを含む。本タービンエンジンはさらに、タービンから発生した排熱を熱電気エネルギーに変換する熱電モジュールを含む。熱電モジュールは、その熱排出端部においてタービンエンジンのケーシング内に設置された複数の熱電素子の乱流配置を含む。複数の熱電素子の各々は、熱接点及び冷接点において互いに結合された第1の熱電材料及び第2の熱電材料を含む。冷接点は、該冷接点における伝熱抵抗を増大させる断熱層で被覆され、それによって該冷接点における温度を低下させる。温度勾配が熱接点及び冷接点間に生じて、発生熱電気エネルギーは、熱接点及び冷接点間に生じた該温度勾配の関数である。

0006

本発明の第3の実施形態では、ガスタービンエンジンを提供する。本発明のこの実施形態では、本ガスタービンエンジンは、複数の電気部品と、圧縮機と、圧縮機からの空気及び燃料の混合気を受けかつ該混合気を燃焼させる燃焼器と、空気及び燃料の燃焼により発生された燃焼器からの高温ガスを膨張させて機械的回転エネルギーに変換するタービンとを含む。本ガスタービンエンジンはさらに、タービンから発生した排熱を熱電気エネルギーに変換する熱電モジュールを含む。熱電モジュールは、タービンエンジンの熱排出端部において該タービンエンジンのケーシング内に設置された複数の熱電素子の乱流配置を含む。複数の熱電素子の各々は、熱接点及び冷接点において互いに結合された第1の熱電材料及び第2の熱電材料を含む。冷接点は、該冷接点における伝熱抵抗を増大させる断熱層で被覆され、それによって該冷接点における温度を低下させる。温度勾配が熱接点及び冷接点間に生じて、発生熱電気エネルギーは、熱接点及び冷接点間に生じた該温度勾配の関数である。熱電モジュールは、熱電気エネルギーを使用して複数の電気部品に電力を供給する。

図面の簡単な説明

0007

本発明の一実施形態による、熱電素子の乱流配置を有する熱電モジュールを使用したガスタービンエンジンを示す図。
本発明の一実施形態による、熱排出端部におけるタービンエンジンのケーシングに対する図1に示す熱電モジュールの熱電素子の乱流配置のより詳細図。

実施例

0008

図面を参照すると、図1は、その中で本発明の一実施形態による熱電モジュール150を使用することができるガスタービンエンジン100の概略図である。本発明の実施形態がガスタービンエンジンでの使用に限定されるものではないことは、当業者には解るであろう。本発明の実施形態は、発電及び航空機において使用されるエンジンのようなガスタービンエンジン、蒸気タービンエンジン、並びにタービンエンジンから発生した廃熱により電気を生成するのが望ましいようなその他のタイプの回転機械及び電動機械で使用することができる。

0009

図1に示すように、ガスタービンエンジン100は、共通のシャフト又はロータ110によって下流タービンセクション又はタービン115に機械的に結合された圧縮機105と、圧縮機105及びタービン115間に配置された燃焼器120とを含む。燃焼器120は、圧縮機105からの空気及び該燃焼器に付加された燃料の混合気を受けて、該混合気を燃焼させる。タービン115は、空気及び燃料の燃焼により発生された燃焼器120からの高温ガスを膨張させて、機械的回転エネルギーに変換する。

0010

圧縮機105は、複数の段を含むことができる。各段は、圧縮機ステータブレード130の列が後続した圧縮機ロータブレード125の列を含むことができる。従って、各段は、シャフト110の周りで回転する圧縮機ロータブレード125の列を含みかつそれに続いて運転中も静止状態を維持する圧縮機ステータブレード130の列を含むことができる。圧縮機ステータブレード130は一般的に、互いに円周方向に間隔を置いて配置されかつ回転軸線の周りに固定される。圧縮機ロータブレード125は、円周方向に間隔を置いて配置されかつシャフト110に取付けられる。運転中にシャフト110が回転すると、圧縮機ロータブレード125は、該シャフト110の周りで回転する。当業者には分かるように、圧縮機ロータブレード125は、シャフト110の周りで回転すると、該圧縮機ロータブレード125が圧縮機105を通って流れる空気又は流体に対して運動エネルギーを与えるように構成される。

0011

図1に示すように、タービン115もまた、複数の段を含むことができる。各段は、運転中にシャフト110が回転する複数のタービンバケット又はタービンロータブレード135と、運転中も静止状態を維持する複数のノズル又はタービンステータブレード140とを含む。タービンステータブレード140は一般的に、互いに円周方向に間隔を置いて配置されかつ回転軸線の周りに固定される。タービンロータブレード135は、タービンホイール(図示せず)上に取付けて、シャフト110の周りで回転するようにすることができる。タービンステータブレード140及びタービンロータブレード135は、タービン115の高温ガス通路内に位置することが分かるであろう。

0012

使用中に、圧縮機105内での圧縮機ロータブレード125の回転により、空気源(例えば、周囲空気)から取得した空気の流れを加圧することができる。燃焼器120内において、加圧空気燃料源から取得した燃料と混合されかつ点火燃焼されると、エネルギーを放出することができる。作動流体と呼ぶことができる燃焼器120からの発生高温ガスの流れは次に、タービンロータブレード135上に導かれる。作動流体の流れにより、シャフト110の周りでのタービンロータブレード135の回転が生じる。作動流体の流れのエネルギーは、回転ブレード機械的エネルギーに変換される。従って、シャフト110は、ロータブレード及び該シャフト間の連結により回転する。シャフト110の機械的エネルギーは次に、圧縮機ロータブレード125の回転を駆動するために使用して、必要な加圧空気の供給を行なうようにすることができる。また、一実施形態では、シャフト110の機械的エネルギーを発電機(図示せず)で使用して、電気を生成することができる。

0013

図1に示すように、ガスタービンエンジン100は、タービン115から発生した熱排出(排熱)を受ける熱排出(排熱)端部145を含む。タービン115内に、熱電モジュール150が設置される。一実施形態では、熱電モジュール150は、熱排出端部ケーシング160上の熱排出端部145においてタービンケーシング155内に設置することができる。熱電モジュール150は、タービンエンジンから発生した排熱を熱電気エネルギーに変換する。熱電モジュール150及びその作動の詳細については、以下に示しかつ図2に関して説明する。本発明の一実施形態では、熱電モジュール150により発生された熱電気エネルギーは、ガスタービンエンジン100の周りに設置された複数の電気部品165に電力を供給するために使用することができる。一実施形態では、複数の電気部品には、タービンに対するセンサ(例えば、有線及び無線センサ)又は周辺機器を含むことができる。熱電モジュール150を使用してタービンに対するセンサ(例えば、有線及び無線センサ)又は周辺機器に電力を供給することにより、それらのシステムは、最早寄生的なものではなくなるので、スタンドアロン型システム、並びにアドオン又はアップグレードとして一層魅力的のもとなる。図1には3つの電気部品(それぞれ圧縮機105、タービン115及び燃焼器120における1つ)のみを図示しているが、付加的部品を設けることができること並びに本発明の実施形態はいかなる特定の個数にも限定されるべきではないことは、当業者には分かるであろう。さらに、熱電モジュール150により発生された熱電気エネルギーはガスタービンエンジン100から離れて設置された他の部品に対して適用することができることが、当業者には分かるであろう。別の実施形態では、熱電モジュール150により発生された熱電気エネルギーは、ガスタービンエンジン100により発電された電力を増大させるために使用することができる。

0014

図2は、熱排出端部ケーシング160に関連する熱電モジュール150のより詳細図を示している。図2に示すように、熱電モジュール150は、熱排出端部ケーシング160においてタービンエンジンのケーシング内に設置された熱電素子200の乱流配置を含む。熱電素子200は、電気的に直列に連結されかつ熱的に並列に連結される。複数の熱電素子200の各々は、熱接点215及び冷接点220において互いに結合された第1の熱電材料205及び第2の熱電材料210を含む。冷接点220は、該冷接点における伝熱抵抗を増大させる断熱層225で被覆され、それによって該冷接点における温度を低下させる。一実施形態では、第1の熱電材料205は、N型半導体材料とすることができ、一方、第2の熱電材料210は、P型半導体材料とすることができる。熱電モジュール150内で使用することができるN型及びP型半導体材料の例示的であるが非限定的な実施例には、電気の良導体であるが熱の不良導体であるテルル化ビスマスが含まれる。他の実施例には、シリコンゲルマニウム及びテルル化カドミウムを含むことができる。断熱層225は、冷接点220における伝熱抵抗を増大させることができるあらゆるタイプの断熱材料とすることができる。熱電モジュール150で使用するのに好適である断熱材料の例示的であるが非限定的な実施例には、断熱皮膜ポリカーボネートテープ又はセラミックテープが含まれる。本発明の実施形態で使用することができる断熱皮膜の非限定的な実施例には、イットリア安定化ジルコニア(9.5%のY2O3、5.2%のGd2O3、5.6%のYb2O3、残部ZrO2)がある。市場購入可能なポリカーボネートテープ又はアルミナ製のセラミックテープは、本発明の実施形態で使用することができるポリカーボネートテープ又はセラミックテープの1つの実施例である。

0015

運転中に、排熱のガス流れが熱排出端部145を通って移動すると、熱接点215及び冷接点220間に温度勾配が生じる。熱電モジュール150は、温度勾配を使用して熱電気電圧を発生させる。熱電モジュール150による熱電気電圧の発生は、ゼーベック効果に基づくものであり、ゼーベック効果というのは、異なる材料の2つのワイヤ(銅及び鉄のような)をそれらの端部で接合して2つの接点を形成しかつ1方の接点を他方の接点よりも高い温度に保った場合に、それら2つの接点間に電圧差が生じると説明される。

0016

熱電素子200の乱流配置により、熱電モジュール150が、ガスタービンエンジンの外部に配置したのとは対照的に熱排出端部ケーシング160上のタービンケーシング内において機能する(つまり、意図する目的のための(例えば、電気装置に電力を供給して電源補強するための)熱電気エネルギーを生成する熱電気電圧を発生させるのに十分な温度勾配を取得する)ことができる。加えて、熱電素子200の乱流配置は、熱電モジュール150がその所望の機能を実行する(例えば、電気装置に電力を供給して電源を補強する)のを可能にする適当な量の熱電気電圧を発生させるのに十分な必要な温度勾配を取得するために冷却モジュールを使用しない状態で、熱電モジュール150を機能させることができる。従って、冷却ポンプを使用することに関連する付加的エネルギーが回避される。さらに、熱電素子200の乱流配置は、排出ガスからの熱エネルギーの利用を最大限にするのに良く適している。このことは、タービュレータに関連する高い熱伝達率に起因する。

0017

運転中に熱電素子200の各々の乱流配置により、排熱の乱流流れが生じる。高温排熱ガスの乱流流れは、熱接点215における高い局所的熱伝達率を生じる。局所的熱伝達率は冷接点220においてより低くなるが、平均熱伝達率は依然として十分に高く、従って冷接点220における温度を上昇させる。このことを排除するために、冷接点220に対して伝熱抵抗(つまり断熱層225)を与えて、該冷接点220における入熱を回避する。このことにより、熱接点215及び冷接点220間に温度勾配(つまり熱接点における入熱及び冷接点における入熱間の温度差)が生じさせることができる。伝熱素子200の乱流配置は次に、上述したような外部冷却の必要性なしに、自動作動ユニットとして機能することができる。

0018

伝熱素子200に関連する長さ、厚さ及び他の素子からの間隔のようなその他のパラメータは、温度勾配に影響を与える。当業者には、最大の熱電気電圧を取得するためにこれらのパラメータを精緻化する方法(温度勾配が高ければ高いほど、生成される熱電気電圧が高くなる)が容易に分かるであろう。熱電モジュール150は、温度差を使用して熱電気電圧235を発生させる。当業者には、図2に示すパターンと対照的に熱電素子200に対して他の乱流配置パターンを使用することができることが分かるであろう。乱流配置の非限定的な実施例には、「スタック」、「トラック」及び「ジグザグ」構成を含むことができる。

0019

熱電モジュール150を使用して電気エネルギーを発生させることは、タービンエンジンが配電網に対してより多くの電力を付加することを助けると思われる。例えば、ガスタービンエンジンからの平均高温ガス温度は、およそ約1000°F(約538℃)である。約200〜約300°F(約93〜約149℃)の温度差が熱電モジュール150において達成された場合には、熱電モジュール150の効率は、約20%〜約30%の範囲となり、また電力出力は、数百ボルトの範囲内となることができる。これは、熱電モジュールにより取得した電力出力が数ボルトである場合には、ユニット領域照明するのを助けるのに十分である。これにより、それに関連する最小資本コスト低コスト発電オプションが得られる。さらに、単純サイクルモードで運転されるタービンエンジンの場合に、熱廃棄エネルギーの利用により全体効率の増大に関して利点を得ることができると思われる。

0020

特にその好ましい実施形態に関連して本開示を図示しかつ説明しているが、当業者には様々な変形形態及び修正形態が想起されるであろうことが分かるであろう。従って、特許請求の範囲は全てのそのような修正及び変更を本開示の技術思想の範囲内に属するものとして保護しようとするものであることを理解されたい。

0021

100ガスタービンエンジン
105圧縮機
110シャフト
115タービンセクション
120燃焼器
125圧縮機ロータブレード
130圧縮機ステータブレード
135タービンロータブレード
140タービンステータブレード
145熱排出端部
150熱電モジュール
155タービンケーシング
160 熱排出端部ケーシング
165電気部品
200熱電素子
205 第1の熱電材料
210 第2の熱電材料
215熱接点
220冷接点
225断熱層
235 熱電気電圧

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