(57)【要約】【課題】本開示は、燃焼生成物の流れの中の微粒子によるタービン翼の機械的侵食又はガスによる化学的侵食を制御し、減少させ、又はなくすことで、増加した効率及びより低コストの構成部品をもたらすことを可能にする、発電のための方法、組立体、及びシステムを提供する。【解決手段】方法、組立体、及びシステムは、典型的な発電システムで用いられる従来のタービンに対して顕著に減少されたブレード速度で作動するタービン翼の使用を含むことができる。方法及びシステムはまた、タービン及び／又は他の構成部品のトランスピレーション保護のために再循環される循環流体を利用できるようにする。さらに、再循環される循環流体は、タービンにクリーニング物質を提供するために使用されてもよい。【選択図】図１
2018159381.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の構成部品を備えるタービン組立体であって、前記複数の構成部品が、
燃焼生成物ストリームを受け入れるように構成された入口と、出口と、を画定するケーシングと、
前記ケーシングの中に配置されるロータと、
前記ロータの根元から先端に延びる複数のブレードと、
を含み、
前記タービン組立体の長さと前記ブレードの平均直径との比が３．５よりも大きい、タービン組立体。
【請求項２】
前記ブレードが０．２７５ｍ未満のブレード高さを有するか、又は、
前記タービン組立体が２，０００枚未満のブレードを備える、請求項１に記載のタービン組立体。
【請求項３】
発電方法であって、
燃料、Ｏ２、及びＣＯ２循環流体を燃焼器の中に導入すること、
前記燃料を燃焼させてＣＯ２を含む燃焼生成物ストリームを提供すること、
前記燃焼生成物ストリームが、複数のタービン翼を備え且つ３．５よりも大きいタービンの長さとタービン翼の平均直径との比を画定するタービンを横切って膨張して電力を発生させ、且つタービン排気ストリームを出力すること、
前記タービン排気ストリームを処理して前記ＣＯ２循環流体の少なくとも一部を前記燃焼器の中に再循環させること、
前記再循環されるＣＯ２循環流体の一部を取り出すこと、及び、
前記再循環されるＣＯ２循環流体をトランスピレーション流体として用いること、
を含む、方法。
【請求項４】
前記再循環されるＣＯ２循環流体を前記トランスピレーション流体として用いることが前記再循環されるＣＯ２循環流体を前記タービン又は前記燃焼器の中に発散させることを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記燃焼生成物ストリームを前記燃焼器から導管を通して前記タービンに誘導することをさらに含み、
前記再循環されるＣＯ２循環流体を前記トランスピレーション流体として用いることが前記再循環されるＣＯ２循環流体を前記導管の中に発散させることを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記再循環されるＣＯ２循環流体をその温度を変化させるように調整することをさらに含む、請求項３に記載の方法。
【請求項７】
発電システムであって、
燃料、Ｏ２、及びＣＯ２循環流体ストリームを受け入れる、及び前記ＣＯ２循環流体ストリームが存在する状態で前記燃料を燃焼させ且つＣＯ２を含む燃焼生成物ストリームを提供する少なくとも１つの燃焼段を有するように構成された燃焼器と、
前記燃焼器と流体連通するタービンであって、前記燃焼生成物ストリームを受け入れるための入口、ＣＯ２を含むタービン排気ストリームを放出するための出口、及び複数のタービン翼を有し、前記タービンの長さと前記タービン翼の平均直径との比が３．５よりも大きい、タービンと、
前記タービン排気ストリームを処理して再循環されるＣＯ２循環流体ストリームを生成するように構成された１つ以上の構成部品と、を備え、
前記システムの１つ以上の構成部品が、前記再循環されるＣＯ２循環流体ストリームの一部をトランスピレーション流体として用いるように構成される、発電システム。
【請求項８】
前記タービン排気ストリームを処理して前記再循環されるＣＯ２循環流体ストリームを生成するように構成された前記１つ以上の構成部品が、フィルタ、熱交換器、セパレータ、及び圧縮機を含む、請求項７に記載の発電システム。
【請求項９】
前記再循環されるＣＯ２循環流体ストリームの一部を前記トランスピレーション流体として用いるように構成された前記１つ以上の構成部品が、それを通して前記トランスピレーション流体を受け入れるように構成された多孔質焼結材料を含む、請求項７に記載の発電システム。
【請求項１０】
前記タービン翼が０．２７５ｍ未満のブレード高さを有するか、又は、
前記タービンが２，０００枚未満のタービン翼を備える、請求項７に記載の発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、発電方法及びシステムで用いられてもよいタービン構成部品及び燃焼器構成部品を提供する。本開示はまた、こうしたタービン及び燃焼器構成部品を発電に用いる方法を提供する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、タービンに存在するブレードにわたって誘導されてタービンシャフトを回す燃焼ガスの流れからエネルギーを抽出するために発電システム及び方法において日常的に用いられる。エネルギーは、電気の形態の動力を提供するために発電機によって回転しているシャフトから抽出されてもよい。典型的な発電所（例えば、石炭焚き発電所）においてその下でガスタービンが作動される極端な条件（例えば、高温及び侵食性材料及び／又は腐食性材料の存在）に起因して、ガスタービン構成部品は、典型的に高性能材料で形成される。したがって、ガスタービンは、しばしば発電設備の高コストの構成部品である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
既存のタービンは、約９００℃から約１０００℃までのブレード温度のとき約１２００℃から約１４００℃までの入口温度で作動する可能性がある。したがって、発電設備で作動するガスタービンは、典型的に、高温に耐えるために超合金材料の使用を必要とする。さらに、最も進歩した用途に関して、一方向凝固材料及びさらには単結晶ブレード技術のような進歩した製作技術の使用と併せてブレード冷却も必要とされる。ブレード冷却は、タービン温度許容範囲、したがって効率を改善する一助として用いられるが、このプロセスは、空気、又は幾つかの場合には蒸気だけが冷却に利用可能であるという事実によって制限されている。冷却に利用可能な空気の品質は、タービン翼を通して空気及び時には蒸気を圧縮し及びポンプで送るのに利用可能なエネルギーの量によって制限される。さらに、空気は典型的に、制限された圧力、例えば、大気圧に近い圧力で提供され、したがって、高流量であっても制限された熱伝達能力を有する。さらに、空気は高温で反応性の高い大量の酸素を含有し、これが、タービン翼冶金が超合金のような耐酸化性の高い材料に制約されることを必要とする傾向がある別の要因である。したがって、進歩した材料及び冷却の使用にもかかわらず、ガスタービン翼は、酸化劣化及び幾つかの場合には蒸気劣化によって依然として悩まされる。
【０００４】
化石燃料源は枯渇しつつあり、発電に使用できる可能性がある莫大な埋蔵量の石炭が依然として残ってはいるが、こうした固体燃料の燃焼は、結果的に汚染だけでなく発電システムの構成部品、特にタービン翼への損傷を引き起こすことがある微粒子も生じる。こうした損傷は、特に、高い速度、例えば、６００ｍｐｈ（２６８ｍ／秒）に至る及びこれを超過する速度でタービン翼に衝突する燃焼生成物の流れの中の粒子から生じる。こうした損傷を緩和するための以前の試みは、上記のようにタービンを通過する前に燃焼生成物の流れから微粒子を除去するためのろ過システム、並びにブレード建造の際の高性能材料の使用に関する要件を含んでいた。こうした要件は、しかしながら、発電システムのコストを増加させる。さらに、こうした要件は、発電システムの複雑さを増加させ、発電方法の効率を低下させることがある。したがって、少なくとも当該技術分野での上記の制限を克服する、改善されたガスタービン翼技術に対する必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示は、空気及び蒸気によるタービン翼の化学的劣化及び燃焼生成物の流れの中の微粒子による機械的侵食を制御し、減少させ、又はなくすことで、増加した効率及びより低コストの構成部品をもたらすことを可能にする、発電のための方法、組立体、及びシステムを提供する。方法、組立体、及びシステムは、ブレード速度及びブレード温度が実質的に低減された状態で必要とされる発電を可能にする、より高圧の流体の流れ及び／又は増加した全ブレード面積をもつタービン翼の使用を含むことができる。本開示は、特に、従来の発電システムで用いられるタービンと比較して少なくとも１つの寸法において顕著により小さく且つより低温のブレードをもつタービンを提供する。こうしたタービンは、特に、発電方法又はシステムに組み込むことができる。例えば、方法又はシステムは、ＣＯ２循環流体のような高圧、高再循環比の循環又は作動流体の使用を組み込んだものとすることができる。さらに、ブレード冷却技術は、タービン翼の粒子衝突から生じる侵食又は化学的劣化を制御し、減少させ、又はなくす温度、圧力、及び速度の範囲内のタービン作動のカスタマイゼーションを可能にするために、ブレード設計、作動圧、及び作動速度と組み合わせることができる。特に、タービン翼は、タービン翼にトランスピレーション流体（例えば、再循環された作動流体）を通すことによるトランスピレーション保護を組み込むことができる。こうしたトランスピレーション保護は、用いられるトランスピレーション流体の温度に応じてブレード冷却を含むことができる。タービン翼は、従来の発電システムにおけるタービン翼に対して顕著に低減された速度で作動することができるので、本開示は、侵食の減少、増加したブレード寿命、及びブレード強度要件の低減を提供する可能性がある。さらに、発明的なタービンは、より高効率及びより低温で作動する可能性があり、これは、より低い作動コスト、より長い稼働時間、及びより低い燃料使用を可能にする。
【０００６】
１つの特定の実施形態では、発電方法が提供される。方法は、燃料、Ｏ２、及び循環流体を燃焼器の中に導入すること、燃焼器の中で燃料を燃焼させて、循環流体と微粒子成分とを含む燃焼生成物ストリームであり、定められた速度で流れる燃焼生成物ストリームを提供すること、燃焼生成物ストリームが複数のタービン翼を備えるタービンを横切って膨張して電力を発生させ、且つタービン排気ストリームを出力することを含んでもよく、タービンは、タービン翼が約５００ｍｐｈ未満のブレード速度で回転するように回転させられる。
【０００７】
方法は、タービン排気ストリーム中に含まれる実質的にすべての微粒子を除去するように構成されたフィルタにタービン排気ストリームを通し、フィルタされたタービン排気ストリームを生成することをさらに含んでもよい。方法はまた、フィルタされたタービン排気ストリームを熱交換器に通して冷却されたタービン排気ストリームを提供すること、冷却されたタービン排気ストリームを処理してタービン排気ストリームの１つ又は複数の構成成分を取り出すこと、及び処理されたタービン排気ストリームを熱交換器に戻して通過させて、加熱され再循環される循環流体ストリームを提供することを含んでもよい。方法は、加熱され再循環される循環流体ストリームの少なくとも一部を燃焼器に誘導することをさらに含んでもよい。さらに、方法は、加熱され再循環される循環流体ストリームの少なくとも一部をタービンに誘導することを含んでもよい。また、方法は、加熱され再循環される循環流体ストリームの少なくとも一部をクリーニング物質ユニットに誘導することを含んでもよく、加熱され再循環される循環流体ストリームは、クリーニング物質と組み合わされてクリーニング物質ストリームを生成し、クリーニング物質ストリーム中のクリーニング物質は、燃焼生成物ストリーム中に存在する微粒子成分から生じるタービン翼上の堆積物を除去するように構成される。
【０００８】
クリーニング物質ストリームは、タービンの中に直接投入されてもよい。さらに、クリーニング物質ストリームは、燃焼生成物ストリームと組み合わされて、タービンの中に誘導されてもよい組み合わされた燃焼生成物及びクリーニング物質ストリームを生成してもよい。循環流体はＣＯ２を含んでもよく、これは超臨界状態で提供されてもよい。さらに、方法は、フィルタされたタービン排気ストリームを微粒子固体燃料と組み合わせてスラリーの形態の付加的な燃料を生成すること、及び付加的な燃料を燃焼器に導入することを含んでもよい。また、方法は、再循環される循環流体の少なくとも一部をトランスピレーション流体として用いることを含んでもよい。再循環される循環流体をトランスピレーション流体として用いることは、トランスピレーション流体をタービン翼の外面に発散させることを含んでもよい。トランスピレーション流体をタービン翼の外面に発散させることは、トランスピレーション流体を多孔質焼結材料を通して発散させることを含んでもよい。
【０００９】
別の実施形態では、発電システムが提供される。発電システムは、燃料、Ｏ２、及び循環流体を受け入れる、及び燃料を燃焼させ且つ循環流体と微粒子成分とを含む燃焼生成物ストリームを提供する少なくとも１つの燃焼段を有するように構成された燃焼器と、燃焼器と流体連通するタービンであり、燃焼生成物ストリームを受け入れるための入口、タービン排気ストリームを放出するための出口、及びタービンが約５００ｍｐｈ未満のブレード速度で作動するのに十分な寸法の複数のタービン翼を有するタービンと、タービンの出口と流体連通し、フィルタされたタービン排気ストリームをもたらすように構成されたフィルタとを備えてもよい。
【００１０】
発電システムは、フィルタと流体連通し、且つフィルタされたタービン排気ストリームを受け入れるように構成された熱交換器をさらに備えてもよい。発電システムはまた、熱交換器と流体連通するクリーニング物質ユニットを備えてもよく、クリーニング物質ユニットは、クリーニング物質を熱交換器から受け入れた流体ストリームと組み合わせてクリーニング物質ストリームを生成するように構成される。発電システムは、クリーニング物質ストリームを燃焼生成物ストリームと組み合わせて組み合わされた燃焼生成物及びクリーニング物質ストリームを生成し、且つ組み合わされた燃焼生成物及びクリーニング物質ストリームをタービンに誘導するように構成されたフロー・コンバイナ・スイッチをさらに含んでもよい。
【００１１】
ブレードは多孔質焼結材料を含んでいてもよく、多孔質焼結材料は、トランスピレーション流体をブレードの外面に誘導するように構成されてもよい。多孔質焼結材料は、ブレードの外面の全体を画定してもよい。さらに、タービンはロータを備えてもよく、ロータは多孔質焼結材料を含んでいてもよく、多孔質焼結材料は、トランスピレーション流体をロータの外面に誘導するように構成されてもよい。
【００１２】
別の実施形態では、発電方法が提供される。方法は、燃料、Ｏ２、及びＣＯ２循環流体を燃焼器の中に導入すること、燃料を燃焼させてＣＯ２を含む燃焼生成物ストリームを提供すること、燃焼生成物ストリームがタービンを横切って膨張して電力を発生させ、且つタービン排気ストリームを出力すること、タービン排気ストリームを処理してＣＯ２循環流体の少なくとも一部を燃焼器の中に再循環させること、再循環されるＣＯ２循環流体の一部を取り出すこと、及び再循環されるＣＯ２循環流体をトランスピレーション流体として用いることを含んでもよい。
【００１３】
再循環されるＣＯ２循環流体をトランスピレーション流体として用いることは、再循環されるＣＯ２循環流体をタービンの中に発散させることを含んでもよい。再循環されるＣＯ２循環流体をトランスピレーション流体として用いることは、再循環されるＣＯ２循環流体を燃焼器の中に発散させることを含んでもよい。方法は、燃焼生成物ストリームを燃焼器から導管を通してタービンに誘導することをさらに含んでもよく、再循環されるＣＯ２循環流体をトランスピレーション流体として用いることは、再循環されるＣＯ２循環流体を導管の中に発散させることを含んでもよい。方法はまた、再循環されるＣＯ２循環流体を燃焼生成物ストリームの温度よりも低い温度に調整することを含んでもよい。方法は、再循環されるＣＯ２循環流体を燃焼生成物ストリームの温度に実質的に等しい温度に調整することをさらに含んでもよい。また、方法は、再循環されるＣＯ２循環流体を燃焼生成物ストリームの温度よりも高い温度に調整することを含んでもよい。
【００１４】
別の実施形態では、発電システムが提供される。システムは、燃料、Ｏ２、及びＣＯ２循環流体ストリームを受け入れ、且つＣＯ２循環流体ストリームが存在する状態でＣＯ２を含む燃焼生成物ストリームを提供するように燃料を燃焼させる少なくとも１つの燃焼段を有するように構成された燃焼器と、燃焼器と流体連通するタービンであり、燃焼生成物ストリームを受け入れるための入口、ＣＯ２を含むタービン排気ストリームを放出するための出口、及び複数のタービン翼を有し、燃焼生成物ストリームがタービンを回転させるようにタービン翼に対して作用し及び電力を発生させるタービンと、タービン排気ストリームを処理して再循環されるＣＯ２循環流体ストリームを生成するように構成された１つ又は複数の構成部品とを備えてもよく、システムの１つ又は複数の構成部品は、再循環されるＣＯ２循環流体ストリームの一部をトランスピレーション流体として用いるように構成される。
【００１５】
タービン排気ストリームを処理して再循環されるＣＯ２循環流体ストリームを生成するように構成された１つ又は複数の構成部品は、フィルタ、熱交換器、セパレータ、及び／又は圧縮機を含んでもよい。再循環されるＣＯ２循環流体ストリームの一部をトランスピレーション流体として用いるように構成された１つ又は複数の構成部品は、それを通してトランスピレーション流体を受け入れるように構成された多孔質焼結材料を含んでいてもよく、タービン翼は、約０．２７５ｍ未満のブレード高さを有してもよい。タービンは２０００未満のタービン翼を備えてもよい。タービンの長さとブレードの平均直径との比は４よりも大きくてもよい。
【００１６】
別の実施形態では、タービン組立体が提供される。組立体は、燃焼生成物ストリームを受け入れるように構成された入口と出口とを画定するケーシングを含む複数の構成部品を備えてもよい。構成部品は、ケーシングの中に配置されるロータと、ロータから延びる複数のブレードとをさらに含んでもよく、構成部品のうちの１つ又は複数は多孔質焼結材料を含み、多孔質焼結材料は、それを通してトランスピレーション流体を誘導するように構成される。
【００１７】
多孔質焼結材料は、ブレードの外面の全体を画定してもよい。ケーシングは多孔質焼結材料を含んでいてもよく、多孔質焼結材料は、トランスピレーション流体をケーシングの内面に誘導するように構成されてもよい。ロータは多孔質焼結材料を含んでいてもよく、多孔質焼結材料は、トランスピレーション流体をロータの外面に誘導するように構成されてもよい。ロータは、ロータの周りに燃焼生成物ストリームを分流させるように構成された環状分流器を備えてもよい。組立体は、ケーシングの入口に結合され、燃焼器組立体の出口につながり且つそこから燃焼生成物ストリームを受け入れるように構成された入口導管をさらに備えてもよく、入口導管は多孔質焼結材料を含んでいてもよく、多孔質焼結材料は、トランスピレーション流体を入口導管の内面に誘導するように構成されてもよい。ケーシングの入口は、燃焼器組立体の出口に直接つながるように構成されてもよい。ケーシングの入口は、ロータによって画定される主軸に関して半径方向に配置される複数の燃焼器から燃焼生成物ストリームを受け入れるように構成されてもよい。
【００１８】
ブレードは多孔質焼結材料を含んでいてもよく、多孔質焼結材料は、トランスピレーション流体をブレードの外面に誘導するように構成されてもよい。ブレードは、それぞれ、少なくとも１つの補強部材をさらに備えてもよい。補強部材は、ブレードのそれぞれにおける多孔質焼結材料を通して延びるロッドを備えてもよい。補強部材はコアを備えてもよく、多孔質焼結材料はコアの周りに延びてもよい。コアは、トランスピレーション流体を受け入れ、且つトランスピレーション流体を多孔質焼結材料の中に誘導するように構成された１つ又は複数のチャネルを画定してもよい。ブレードの中に１つ又は複数のチャネルが画定されてもよく、チャネルは、トランスピレーション流体を受け入れ、且つトランスピレーション流体を多孔質焼結材料の中に誘導するように構成されてもよい。ブレードのそれぞれは前縁から後縁に延びてもよく、ブレードは、後縁におけるトランスピレーション流体の流れよりも大きい前縁におけるトランスピレーション流体の流れを画定するように構成されてもよい。ブレードのそれぞれは、後縁におけるトランスピレーション流体入口面積よりも大きい前縁におけるトランスピレーション流体入口面積を画定してもよい。ブレードのそれぞれは、前縁よりも後縁においてより大きい壁厚を画定してもよい。ブレードのそれぞれは、ロータの根元から先端に延びてもよく、多孔質焼結材料は、根元と先端との間で変化する多孔率を画定してもよい。多孔質焼結材料の多孔率は、根元におけるトランスピレーション流体の流れよりも大きい先端におけるトランスピレーション流体の流れを画定するように構成されてもよい。多孔質焼結材料の多孔率は、根元におけるトランスピレーション流体の流れに実質的に等しい先端におけるトランスピレーション流体の流れを画定するように構成されてもよい。多孔質焼結材料は、複数の層を画定してもよく、層の多孔率は根元から先端にかけて増加する。各ブレードは、複数の内部リブを備える一体構造をそれぞれ画定してもよい。
【００１９】
タービン組立体の構成部品は複数のステータをさらに含んでもよく、ステータは多孔質焼結材料を含み、多孔質焼結材料は、トランスピレーション流体をステータの外面に誘導するように構成されてもよい。タービン組立体は、１つ又は複数のシールをさらに備えてもよく、構成部品のうちの１つ又は複数はトランスピレーション流体をシールに誘導するように構成される。シールは多孔質焼結材料を含んでいてもよい。
【００２０】
別の実施形態では、タービン組立体が提供される。タービン組立体は、燃焼生成物ストリームを受け入れるように構成された入口と出口とを画定するケーシングを備えてもよい。組立体は、ケーシングの中に配置されるロータと、ロータから延びる複数のブレードとをさらに含んでもよく、タービン組立体の長さと複数のブレードの平均直径との比は４よりも大きい。
【００２１】
タービン翼は、約０．２７５ｍ未満のブレード高さを有してもよい。タービン組立体は２０００未満のブレードを備えてもよい。ブレードはトランスピレーション保護されてもよい。さらに、ブレードは、トランスピレーション流体をブレードの外面に誘導するように構成された多孔質焼結材料を含む。
【００２２】
本発明の他の態様及び利点は、以下から明らかとなるであろう。
【００２３】
以上、本開示を一般的な用語で説明したが、ここで添付の図面への参照を行う。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】一例となる実施形態に係る燃焼サイクル及びシステムの流れ図である。
【図２】さらなる例となる実施形態に係る燃焼サイクル及びシステムの流れ図である。
【図３】一例となる実施形態に係る燃焼器の断面図である。
【図４】一例となる実施形態に係る入口導管を含むタービンの断面図である。
【図５】一例となる実施形態に係るタービン及び複数の半径方向に配置された燃焼器の長手方向の断面図である。
【図６】図５のタービン及び燃焼器システムの断面図である。
【図７】一例となる実施形態に係るコアを含むタービンの断面図である。
【図８】一例となる実施形態に係る第１の層及び第２の層を備える入口導管の部分断面図である。
【図９】一例となる実施形態に係る４つの層を備える入口導管の部分断面図である。
【図１０】一例となる実施形態に係る補強ロッドとトランスピレーション流体を受け入れるように構成されたチャネルとを備えるタービン翼の前縁と後縁との間の断面図である。
【図１１】一例となる実施形態に係るトランスピレーション流体を受け入れるように構成されたチャネルを画定する一体の内部リブを含むタービン翼の前縁と後縁との間の断面図である。
【図１２】図１１のタービン翼の先端部材とベース部材との間の断面図である。
【図１３】図１１のタービン翼の斜視図である。
【図１４】一例となる実施形態に係る前縁と後縁との間の異なる材料厚さを画定するタービン翼の前縁と後縁との間の断面図である。
【図１５Ａ】一例となる実施形態に係る根元と先端との間で異なる多孔率を画定する材料の層を含むタービン翼の根元と先端との間の部分断面図である。
【図１５Ｂ】一例となる実施形態に係る根元と先端との間の多孔率勾配を画定するタービン翼の根元と先端との間の部分断面図である。
【図１６】一例となる実施形態に係るタービンの中の粒子に関する計算された粒子軌道を例証する図である。
【図１７】一例となる実施形態に係る軸方向の移動距離の関数としての燃焼器中の燃焼生成物の流れの中の微粒子の半径方向の移動距離のグラフ図である。
【図１８】従来の天然ガス発電所で用いられる従来のタービンの長手方向の断面を例証する図である。
【図１９】従来のタービンよりも概して小さいサイズの例となる実施形態に係るタービンの長手方向の断面を例証する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本開示は、ここで種々の実施形態への参照を通じて以下でより十分に説明される。これらの実施形態は、この開示が十分且つ完全なものとなり、且つ本開示の範囲を当業者に十分に伝えるように提供される。実際は、本開示は、多くの異なる形態で具体化されてもよく、本明細書に記載された実施形態に限定されるものとして解釈されるべきではなく、むしろ、これらの実施形態は、この開示が適用可能な法的要件を満足させることになるように提供される。本明細書及び付属の請求項で用いられる場合の単数形の冠詞（「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」）は、文脈上他の意味に明白に規定される場合を除き複数の指示対象を含む。
【００２６】
本開示は、一実施形態では、空気又は蒸気による又は粒子衝突による化学的劣化から生じるタービン翼侵食を減少させ又はさらにはなくすことができるタービン翼設計及び使用方法に関する。本開示はまた、タービンを通過する前のろ過の必要なしに燃焼生成物の流れの中の微粒子から生じるタービン翼侵食を減少させ又はさらにはなくしながら高効率作動を提供することができる発電方法及びシステムを提供する。ブレード侵食の減少及び／又は排除は、そのことがタービンがより高い全微粒子濃度をもつ燃焼生成物の流れを処理することを可能にするため、発電システムを簡略化させ、且つ可能な供給原料を増加させることができ、したがって燃焼生成物中に比較的高濃度の微粒子を含む石炭のような供給原料を用いる燃焼プロセスにおいて特に有益である。
【００２７】
燃焼生成物ストリームの構成成分に対して用いられる場合の「微粒子」及び「粒子」（単数形のこうした用語を含む）という用語は、具体的には燃焼生成物ストリームの全体積に関係した粒子の特徴であるように典型的に理解される、具体的には比較的小さい単位サイズで燃焼生成物ストリーム中に存在する固体物質及び液体物質を包含する。幾つかの実施形態では、粒子又は微粒子は、燃焼生成物ストリーム中の気体状態でないあらゆる物質を含む可能性がある。液体微粒子は、具体的には、燃焼生成物ストリームの温度では液体であるが、燃焼生成物ストリームの温度よりも低い温度、例えば燃焼生成物ストリームの温度よりも少なくとも１０℃、少なくとも１５℃、少なくとも２０℃、少なくとも３０℃、少なくとも５０℃、又は少なくとも１００℃低い温度では固体である物質を包含してもよい。こうした液体微粒子は、少なくとも周囲温度、少なくとも約４０℃、少なくとも約５０℃、少なくとも約６０℃、少なくとも約８０℃、少なくとも約１００℃、又は少なくとも約２００℃の凍結点を有してもよい。具体的な実施形態では、液体粒子は、上記に挙げた温度のあらゆる組合せの範囲内（例えば、燃焼生成物ストリームの温度よりも少なくとも１０℃低く且つ少なくとも周囲温度の範囲内）にある凍結点を有してもよい。
【００２８】
特定の実施形態では、本開示は、タービン翼上の粒子衝突損傷がブレード速度に関係することを示す。特に、粒子衝突から生じる損傷率は、粒子速度に対するブレード速度のおよそ３乗として変化することがある。これに関して、米国で採用される標準交流周波数は６０Ｈｚである。さらに、米国における発電システムは、典型的に１，８００ｒｐｍ（３０×６０Ｈｚ）又は３，６００ｒｐｍ（６０×６０Ｈｚ）のいずれかで作動する同期交流発生器を駆動させるが、タービンは他のｒｐｍ範囲内で回転してもよいことを理解されたい。これに関して、他の国々は、異なる標準交流周波数を採用する可能性がある。例えば、英国は、５０Ｈｚの周波数で作動させる。さらに、発生器システムは、直流が所望の周波数を有する交流に変換されるようにあらゆる速度で駆動される永久磁石直流発生器を使用する可能性がある。したがって、本明細書で述べられる周波数は、単なる例として提供されることを理解されたい。
【００２９】
しかしながら、同期交流発生器を含む発電システム及び方法で用いられる公知のガスタービンは、典型的に６００ｍｐｈ（２６８ｍ／秒）以上のブレード速度で作動する。既存の蒸気タービン及びガスタービンにおける典型的なブレード速度では、燃焼生成物の流れの中の非常に小さい微粒子の存在でさえもブレード侵食を引き起こすことがある。本開示は、しかしながら、減少されたブレード速度を可能にするブレード構造及び作動の変更を通じてブレード侵食を克服できることを認識した。具体的な実施形態では、本開示に係るブレード速度は、ブレード先端で約２０ｍ／秒から約３４０ｍ／秒までであってもよい。より具体的には、ブレード速度は、２００ｍ／秒を下回る、１００ｍ／秒を下回る、又は約５０ｍ／秒から約７５ｍ／秒までであってもよい。一実施形態では、本開示は、典型的な速度の約１／３である低いブレード速度（すなわち、２００ｍｐｈ（８９ｍ／秒））でのタービン作動を提供することができ、これは結果的にブレード侵食率をその１／２７以下に減少させる可能性がある。一実施形態では、１５０ｍｐｈ（６７ｍ／秒）のブレード速度、すなわち、典型的なブレード速度の１／４の速度への減少は、ブレード損傷率をおよそ１／６４に減少させることができる。
【００３０】
発電システムにおけるタービンがより低速で作動できることは、単独で又は複数の組合せで具体化される可能性がある種々の因子から生じることがある。例えば、タービン翼は、粒子衝突がもはやタービン翼の侵食を引き起こさない速度にブレード速度を減速できるようにする寸法をもつように設計することができる。より詳細には、ブレード作動速度は、侵食が起こる臨界速度よりも低く減少させることができる。これに関して、ブレード上のあらゆる所与の点でのブレード速度は次式によって提供される。
ｖ＝（ｒｐｍ／６０）＊２＊π＊ｒ（式１）
式中、
ｖ＝ブレード速度（ｍ／秒）、
ｒｐｍ＝１分間当たりのブレードの回転数、
π＝ｐｉ、及び
ｒ＝ロータの中心とブレード速度が求められるブレード上の点との間の距離（ｍ）（例えば、半径）。
【００３１】
さらに、ブレードの先端でのブレード速度は、次式によって提供されることに留意されたい。
ｖｔ＝（ｒｐｍ／６０）＊２＊π＊（ａ＋ｂ）（式２）
式中、
ｖｔ＝ブレードの先端でのブレード速度（ｍ／秒）
ｒｐｍ＝１分間当たりのブレードの回転数、
π＝ｐｉ、
ａ＝ブレードにおけるロータの半径（ｍ）、及び
ｂ＝ブレード高さ（ｍ）。
【００３２】
したがって、各ブレードに関する最高ブレード速度は、ブレードがロータの中心から延びる距離を減少させることによって低減される可能性がある。以下で述べるように、比較的より小さい半径に延びるブレードを有するタービンの使用は、本開示のタービンに適度な流速で比較的高い流体密度及び高い圧力を有する超臨界流体を使用することによっておそらく可能となるであろう。さらに、タービンに高密度作動流体を使用することは、ブレードを冷却するトランスピレーションの能力を改善することによって顕著に低減されたタービン翼温度を提供する可能性がある。
【００３３】
ブレード高さ（すなわち、タービンシャフト（例えばロータ）の外面における根元からブレード先端までの距離）は、好ましくは約０．２７５ｍ未満である。具体的な実施形態では、平均ブレード高さは、約０．０５ｍ〜約０．２５ｍ、約０．０７５ｍ〜約０．２２５ｍ、約０．１ｍ〜約０．２ｍ、又は約０．１２５ｍ〜約０．１７５ｍとすることができる。具体的な実施形態では、実際のブレード高さは、タービン入口からタービン出口にかけて変化する可能性がある。例えば、入口でのブレード高さは、平均よりも低く、且つ出口でのブレード高さが平均よりも高いように出口の方に増加する可能性がある。平均ブレード幅は、約０．０２５ｍ〜約０．１２５ｍ、約０．０４ｍ〜約０．１１ｍ、約０．０５ｍ〜約０．１ｍ、又は約０．０６ｍ〜約０．０９ｍとすることができる。他の実施形態では、ブレード高さ及び幅は、本明細書で説明される場合の速度での動作を可能にするさらなる寸法とすることができる。
【００３４】
発明的なタービン及び作動方法はまた、全タービン寸法によって特徴付けることができる。例えば、本開示に係るタービンは、約１１ｍ未満、約１０ｍ未満、又は約９ｍ未満の全長を有することができる。さらなる実施形態では、全タービン長さは、約６ｍ〜約１０ｍ、約６．５ｍ〜約９．５ｍ、約７ｍ〜約９ｍ、又は約７．５ｍ〜約８．５ｍとすることができる。本開示に係るタービンは、約３．５ｍ未満、約３ｍ未満、又は約２．５ｍ未満の平均直径を有することができる。さらなる実施形態では、平均タービン直径は、約０．２５ｍ〜約３ｍ、約０．５ｍ〜約２ｍ、又は約０．５ｍ〜約１．５ｍとすることができる。タービン長さとタービン平均直径（すなわち、タービン翼の直径）との比は、約３．５よりも大きい、約４よりも大きい、約４．５よりも大きい、又は約５よりも大きい値とすることができる。具体的な実施形態では、タービン長さとタービン平均直径との比は、約３．５〜約７．５、約４〜約７、約４．５〜約６．５、又は約５〜約６とすることができる。上記の比は、具体的にはタービンの全長と関係付けることができる。幾つかの実施形態では、全長は、入口から出口までのケーシングの長さを指す場合がある。或る実施形態では、全長は、入口のすぐ傍に隣接するタービン翼から出口のすぐ傍に隣接するタービン翼までのケーシング内の距離を指す場合がある。
【００３５】
発明的なタービン及び作動方法は、平均ブレード半径（ロータの中心からタービン翼の先端まで）によって同様に特徴付けることができる。好ましくは、タービンは、約１．２ｍ未満、約１．１ｍ未満、約１ｍ未満、約０．９ｍ未満、約０．８ｍ未満、約０．７ｍ未満、又は約０．６ｍ未満の平均ブレード半径で作動する。タービン翼半径は、具体的には、約０．２５ｍ〜約１ｍ、約０．２７５ｍ〜約０．８ｍ、約０．３ｍ〜約０．７ｍ、約０．３２５ｍ〜約０．６ｍ、約０．３５ｍ〜約０．５ｍ、又は約０．３７５ｍ〜約０．４７５ｍとすることができる。
【００３６】
或る実施形態では、本開示に係る有用なタービンは、典型的なガスタービンシステムに存在するよりも顕著に少ないタービン翼の総数を有することができる。具体的には、発明的なタービンは、約３，０００未満のブレード、約２，５００未満のブレード、又は約２，０００未満のブレードを有してもよい。さらなる実施形態では、タービンにおけるブレードの数は、約５００〜約２，５００、約７５０〜約２，２５０、約１，０００〜約２，０００、又は約１，２５０〜約１，７５０とすることができる。
【００３７】
幾つかの実施形態では、本開示に係るタービンは、特に、典型的なガスタービン発電システムに対して顕著に増加した入口圧、及び／又は顕著に増加した出口圧、及び／又は入口から出口にかけて顕著に増加した圧力低下での作動を通じて低減されたブレード速度による高効率発電を提供することができる。具体的な実施形態では、タービンは、少なくとも約２５バール（２．５ＭＰａ）、少なくとも約５０バール（５ＭＰａ）、少なくとも約１００バール（１０ＭＰａ）、少なくとも約１５０バール（１５ＭＰａ）、少なくとも約２００バール（２０ＭＰａ）、又は少なくとも約２５０バール（２５ＭＰａ）の入口圧で作動することができる。さらなる実施形態では、入口圧は、約５０バール（５ＭＰａ）〜約５００バール（５０ＭＰａ）、約１００バール（１０ＭＰａ）〜約４５０バール（４５ＭＰａ）、約１５０バール（１５ＭＰａ）〜約４００バール（４０ＭＰａ）、約２００バール（２０ＭＰａ）〜約４００バール（４０ＭＰａ）、又は約２５０バール（２５ＭＰａ）〜約３５０バール（３５ＭＰａ）とすることができる。
【００３８】
さらなる実施形態では、タービンは、少なくとも約５バール（０．５ＭＰａ）、少なくとも約１０バール（１ＭＰａ）、少なくとも約１５バール（１．５ＭＰａ）、少なくとも約２０バール（２ＭＰａ）、又は少なくとも約２５バール（２．５ＭＰａ）の出口圧で作動することができる。出口圧は、特に、約１０バール（１ＭＰａ）〜約５０バール（５ＭＰａ）、約１５バール（１．５ＭＰａ）〜約４５バール（４．５ＭＰａ）、約２０バール（２ＭＰａ）〜約４０バール（４ＭＰａ）、又は約２５バール（２．５ＭＰａ）〜約３５バール（３．５ＭＰａ）であってもよい。
【００３９】
他の実施形態では、タービン入口圧とタービン出口圧との比は、少なくとも約６、少なくとも約７、少なくとも約８、少なくとも約９、又は少なくとも約１０とすることができる。具体的な実施形態では、タービン入口圧とタービン出口圧との比は、約６〜約１５、約７〜約１４、約８〜約１２、又は約９〜約１１とすることができる。
【００４０】
さらに他の実施形態では、本開示に係るタービンは、典型的な発電システムでのタービンの作動に対して顕著に増加した流れ密度で発電システムにおいて作動することができる。例えば、発明的なタービンは、少なくとも約２０ｋｇ／ｍ３、少なくとも約５０ｋｇ／ｍ３、少なくとも約１００ｋｇ／ｍ３、少なくとも約１５０ｋｇ／ｍ３、少なくとも約２００ｋｇ／ｍ３、又は少なくとも約３００ｋｇ／ｍ３、少なくとも約４００ｋｇ／ｍ３、少なくとも約５００ｋｇ／ｍ３、又は少なくとも約６００ｋｇ／ｍ３の流れ密度で作動することができる。
【００４１】
本開示に係るタービンとは対照的に、既存のガスタービン圧縮機は、圧縮機区域でのガス密度が１ｋｇ／ｍ３から約１５ｋｇ／ｍ３までの範囲にわたる（断熱圧縮加熱と仮定する）とき約１バール（０．１ＭＰａ）から約１５バール（１．５ＭＰａ）までの出口圧で作動する可能性がある。侵食及び他の問題は、その中の比較的低い温度に起因して圧縮機においては深刻ではない場合がある。しかしながら、高温区域では、ガス温度は、およそ１７２７℃のピークから約５２７℃まで変化する可能性がある。高温区域でのガスの密度は、高くは約５ｋｇ／ｍ３から低くは約０．５ｋｇ／ｍ３まで変化する可能性がある。したがって、既存のタービンの内部の条件は、本開示に係るタービン内の条件からかなり変化する可能性がある。
【００４２】
より低い流量及びより高い温度でのより高い圧力の使用は、タービン翼上のトルクを増加させる可能性がある。したがって、タービンは、ブレードにかかるトルクを減少させるように構成された機能部を含んでもよい。特に、タービンは、従来のタービンよりも多い数のブレード、ディスク、及び／又は段を含んでもよく、これはそれらの間にトルクを分散させて個々のブレードにかかるトルクを減少させる。さらに、ブレードは、ブレード上に及ぼされる力及びトルクがより小さくなるように構成された迎え角を画定してもよい。特に、ブレードは、タービンを通した流れに対して減少した角度を画定してもよく、これはより小さいドラッグを誘起し、且つリフト対ドラッグ比を増加させる。したがって、これらの機能部は、それらが比較的あまり強くない及び比較的あまり高価でない材料から形成されてもよいようにブレードのそれぞれに及ぼされるトルクを減少させる可能性がある。
【００４３】
幾つかの実施形態では、ブレード侵食はまた、上記で説明された特徴のうちのいずれかを１つ又は複数のブレード冷却方法と組み合わせることによって制御され、減少され、又はなくされてもよい。あらゆるタービン翼冷却方法を、以下でより十分に説明されるようにトランスピレーションブレード冷却を含む本開示と組み合わせることができる可能性がある。これに関して、トランスピレーション冷却は、本明細書で開示されるタービン、燃焼器、及び関係する装置の種々の構成部品のいずれかを冷却するために使用されてもよい。特にタービンに関して、例えば、本明細書で開示された多孔質材料の使用を通じてケース、ステータ（例えば、ステータブレード）、シール、ブレード（例えば、タービン翼）、ロータ、及び種々の他の内部構成部品がトランスピレーション冷却されてもよい。これに関して、ステータは多孔質焼結材料を含んでいてもよく、多孔質焼結材料は、トランスピレーション流体をステータの外面に誘導するように構成されてもよい。さらに、タービン組立体の構成部品のうちの１つ又は複数は、トランスピレーション流体をシールに誘導するように構成されてもよい。シールは、幾つかの実施形態では多孔質焼結材料を含んでいてもよい。本開示の幾つかの実施形態に従ってトランスピレーション冷却されてもよいシール及びステータの例となる実施形態は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる米国特許出願公開第２００９／０１４２１８７号で説明される。しかしながら、タービン、燃焼器、及び関係する装置の構成部品の種々の他の実施形態もまた、本開示に従ってトランスピレーション冷却されてもよい。
【００４４】
さらに、本明細書で開示されるトランスピレーション冷却技術は、既存のトランスピレーション冷却技術に対して改善された冷却を提供してもよい。現在のブレード冷却は、典型的に、タービンの圧縮機からの抽気で行われる。この空気は、上記で説明されたように既存のタービンにおけるタービン高温区域の比較的低い作動圧によって設定されるその比較的低い密度（例えば、０．５〜５ｋｇ／ｍ３）に起因して限られた熱容量を有する。これは熱伝達率を制限する。対照的に、以下で述べるように、本開示は、ＣＯ２の使用を通じてトランスピレーション冷却を提供し、これは改善された熱伝達を提供する可能性がある。
【００４５】
タービンの既存の実施形態に関する熱伝達率はまた、その回転中に結果的に高い遠心力をもたらすブレードの長い長さに起因してタービン翼上に生じる比較的大きい応力によって制限される。既存のタービンの冷却通路は、したがって比較的小さく保たれなければならず、冷却通路によって引き起こされるブレードの長手方向の強度の低下を制限するために、それらはブレード全断面積のうちの比較的小さい部分である以上に大きく画定されるべきではない。
【００４６】
発明的なタービンは、該タービンが減少したブレード侵食だけでなく顕著に減少した総タービン・コストも提供することができるという点で、発電のためのシステム及び方法に特に有用である。具体的な実施形態では、総タービン・コストを、典型的な発電システムで用いられるタービンに対して、電力出力の如何なる顕著な損失もなしに（すなわち、５％未満、４％未満、３％未満、２％未満、１％未満、又は０．８％未満の損失で）少なくとも２０％、少なくとも３０％、少なくとも４０％、少なくとも５０％、少なくとも６０％、少なくとも７０％、又は少なくとも７５％だけ減少させることができる。コストの減少は、例えば、それにかかる遠心力の減少に起因して、ブレードにおける超合金及び／又は他の高価な材料に対する必要性が回避されることで生じる可能性がある。さらに、タービンの既存の実施形態に対してタービンにおける高い入口温度並びに高い作動圧を使用することによって、回転速度が減少されるにもかかわらず電力出力の減少が最小限となる可能性がある。
【００４７】
具体的な実施形態では、本開示は、本発明のタービン翼設計及び作動モードを組み込むことができる発電のためのシステム及び方法を含むことができる。例えば、発明的なシステム及び方法は、随意的に関連する循環流体（ＣＯ２循環流体のような）を伴う高効率燃料燃焼器（トランスピレーション冷却される燃焼器のような）の使用を通じた発電を可能にする。具体的には、高いＣＯ２再循環比を有する高圧循環流体（又は作動流体）の使用は、トランスピレーション冷却のためにＣＯ２循環流体の一部をタービン翼に誘導する能力を提供する。
【００４８】
本開示のトランスピレーション冷却とブレード設計及び作動モードとの組合せは、侵食をタービン翼温度及びブレード材料組成の関数とすることができるので、特に有用である可能性がある。タービン翼設計及び作動とブレード作動温度との組合せは、ブレード侵食を制御し、減少させ、又はなくすことができる、広範囲の可能なブレード作動速度及びブレード作動温度を提供することができる。より低いブレード温度では、侵食はより低く、侵食が始まるブレード速度はより高い可能性がある。作動条件を選べることは、より高いブレード速度での侵食に耐えることができるがその他の点ではより高い作動温度での使用に利用可能とはならないであろう金属合金を使用できるようにするという点で有益である。これに関して、より低い温度では、高強度鋼は比較的衝突損傷を受けない。例として、軍事車両上で用いられる均質圧延鋼装甲は、４００ｍｐｈ（１７９ｍ／秒）までの速度で移動する固体鋼弾丸によって損傷されない。
【００４９】
他の実施形態では、しかしながら、以下でより十分に説明されるように、トランスピレーションは、燃焼生成物ストリーム構成成分（例えば、液状灰）の固化を防ぐことによってブレード保護をもたらす可能性がある。こうした実施形態では、トランスピレーション冷却は、燃焼生成物ストリームの温度を下回る温度へのブレード（及び／又は他の構成部品）の冷却として定義されてもよい。より詳細には、こうした冷却は、燃焼生成物ストリームの構成成分（例えば、液状灰）が凍結（又は固化）することになり、したがってタービン翼上に堆積されることになる温度よりも高い下限を有するように構成されてもよい。例えば、５９０℃で灰軟化が始まる可能性があり、８７０℃で溶解が起こる可能性がある。トランスピレーション冷却がないと、タービンはブレード上の灰の蓄積を回避するために５９０℃よりも下で良好に作動する必要があり、これは効率的な作動にとって低過ぎる可能性がある。トランスピレーション保護があれば、タービンは、タービンの内部にあり、したがってタービン（例えば、タービンハウジングの内部表面、タービン内のタービン翼の外部表面など）を通して流れるストリームの構成成分との接触の対象となる実質的にすべての表面を覆うトランスピレーション蒸気層により、灰が液体であるが液滴は表面に触れない又は付着しない８７０℃よりも上で作動することができる。したがって、トランスピレーション保護は、粒子衝突による機械的侵食に起因する劣化だけでなく、ブレードをより低温に保つことによって、及び冷却材としての空気又は空気／蒸気をトランスピレーション流体の形態の冷却材としてのＣＯ２と交換することによって、化学的劣化も減少させ又はなくす可能性がある。
【００５０】
幾つかの実施形態では、タービンが燃焼生成物の流れの速度に対するブレード速度で作動することが有用である可能性がある。こうした実施形態では、流れの速度が典型的な燃焼プロセスにおける流れの速度よりも顕著に低いことが特に有益となる可能性がある。例えば、本開示に係る流れの速度は、約４００ｍｐｈ（１７９ｍ／秒）未満、約３５０ｍｐｈ（１５６ｍ／秒）未満、約３００ｍｐｈ（１３４ｍ／秒）未満、約２５０ｍｐｈ（１１２ｍ／秒）未満、約２００ｍｐｈ（８９ｍ／秒）未満、約１５０ｍｐｈ（６７ｍ／秒）未満、又は約１００ｍｐｈ（４５ｍ／秒）未満とすることができる。ブレード先端速度と流れの速度との比は、好ましくは１よりも大きい、１．５よりも大きい、２よりも大きい、２．５よりも大きい、又は３よりも大きい。具体的には、ブレード先端速度と流れの速度との比は、約１〜約５、約１．５〜約４．７５、約１．７５〜約４．５、約２〜約４．２５、又は約２．５〜約４とすることができる。
【００５１】
侵食の結果として、タービンは、経時的な性能の劣化を経験する可能性がある（例えば、低下した効率及び／又は電力出力を通じて）。例えば、従来のタービンは、２〜３年の期間にわたって１０％電力損失の作動上の劣化を経験する可能性がある。タービンを修復するためのオーバーホールは、タービンの購入価格のおよそ５０％の費用がかかる可能性がある。したがって、２０年の寿命にわたり、既存のタービンは、合計８回オーバーホールされる場合があり、これはタービンの最初の購入価格の合計４倍の費用がかかる可能性がある。
【００５２】
この劣化は、燃焼器とタービンとの間に配置される空気ろ過システムを通り抜ける残留粉塵粒子によって引き起こされる侵食に起因する可能性がある。フィルタの微粒子除去効果を増加させることは、空気の流れを制約し且つタービンの効率を低下させる可能性があるため、実行可能な選択肢ではない可能性がある。したがって、本開示のタービンは、侵食からの損傷を最小にする又はなくすことでオーバーホールの必要性を最小にする又はなくすことによって顕著なコスト節減を提供する可能性がある。これに関して、粒子とブレードとの間の衝突に関連する衝突エネルギーの散逸率は、それらの間の相対速度の３乗にほぼ比例する。これに関して、タービン翼の侵食は、以下で例証されるように衝突エネルギー散逸率（「衝突パワー」）にほぼ比例する傾向がある。
ＩＰ＝ｋＶ３／Ｘ（式３）
式中、
ＩＰ＝衝突パワー、
ｋ＝粒子材料、ブレード材料、周囲温度、及び衝突角に基づく変動因子、
ｖ＝タービン翼と粒子との間の相対速度、及び
Ｘ＝衝突相互作用の特性長。
【００５３】
ブレードの速度を低下させ、且つトランスピレーション保護を提供することで、衝突が最小になり又は侵食が起こる閾値よりも低く減少する可能性があり、化学的損傷もまた減少する又はなくされる可能性がある。したがって、侵食に起因するオーバーホールに関連する支出が減少する又はなくされる可能性があり、したがって本明細書で提供されるタービンの幾つかの実施形態は、顕著なコスト節減を提供する可能性がある。さらに、上述のように、高価な超合金の使用に対する必要性をなくすことで、本開示に係るタービンは既存のタービンよりも比較的あまり高価でない可能性がある。
【００５４】
発電所の種々の公知の実施形態では、効率は、タービン入口温度に決定的に依存する。例えば、約１，３５０℃ほどもの高い入口温度を可能にするタービン技術を達成するために大きなコストをかけて大がかりな研究がなされている。タービン入口温度がより高ければ、プラント効率がより高くなるが、タービンがより高価にもなり、潜在的にはその寿命がより短くなる。燃焼生成物ストリームの比較的高い温度のために、タービンがこうした温度に耐えることができる材料で形成されることが有益となる可能性がある。タービンが燃焼生成物ストリーム中に存在する可能性があるタイプの二次材料への良好な化学抵抗性を提供する材料を含んでいることも有用な場合がある。
【００５５】
或る実施形態では、本開示は、特に、タービン構成部品と共に冷却材の使用を提供することができる。以下でより十分に説明されるように、例えば、発明的なシステム及び方法は、高効率燃料燃焼器（例えば、トランスピレーション冷却される燃焼器）及び関連する循環流体（ＣＯ２循環流体のような）の使用を通じて発電を可能にする。具体的には、トランスピレーション冷却などを通じたタービン冷却に用いられるべき循環流体の一部を、タービン構成部品、特にタービン翼に誘導することができる。
【００５６】
例えば、幾つかの実施形態では、ＣＯ２循環流体の一部をサイクルから（例えば、循環流体がトランスピレーション冷却材に有用な条件下にあるサイクルの一部から）取り出し、構成部品、特にタービン翼の冷却のためにタービンに誘導することができる。ブレード冷却材は、タービン翼の穴（又は穿孔）から排気し、タービンの流れに直接投入することができる。したがって、トランスピレーション冷却材（その冷却能力が上記で説明されたように制限され、安全上の懸念によって阻まれる）として空気を用いるのではなく、本開示の方法及びシステムは、タービン翼冷媒としての非常に大量の高圧ＣＯ２、超臨界ＣＯ２、さらには液体ＣＯ２の使用を提供する。これは公知のブレード冷却方法に対して大きな比率でタービン翼のために利用可能な冷却能力を増加させるので非常に有用である。本開示はまた、ＣＯ２循環流体はシステムに非常に大量に存在することができ、これは非常に大量の冷却材がタービン翼を通して動かされることを可能にするため、特に有用である。タービン翼を通したＣＯ２冷却材のこの高い体積及び／又は高い質量流量は、高効率発電方法に有用な極度の熱からタービン翼を保護するだけでなく、ブレードの表面全体を通り抜けるＣＯ２冷却材のトランスピレーションによってタービンを通して流れる高温ガス及びフィルタされなかった微粒子物質の腐食効果及び侵食効果からタービン翼を保護することも支援する。一実施形態では、トランスピレーション冷却は、上記で説明された顕著により高いタービン入口温度（例えば、１３５０℃）にもかかわらず約２００℃から約７００℃までの作動ブレード温度を提供する可能性があり、これはしたがって現在使用されるよりも比較的あまり高価でない材料を含むタービン翼を使用できるようにする可能性があり、及び／又はより高いタービン入口温度が使用されてもよく、これはより高い効率につながる可能性がある。上記のトランスピレーション冷却されるタービン構成部品は、高圧ＣＯ２（若しくは空気又はＮ２のような蒸気よりも腐食性の低い他の流体）が高再循環比の循環流体として利用可能となる可能性があるあらゆる発電方法及びシステムで用いることができる。
【００５７】
具体的な実施形態では、ＣＯ２冷媒の使用が、本開示でのブレードが周囲の燃焼生成物の流れの極端な温度に加熱されることを防ぎ、且つ燃焼生成物の流れの腐食効果及び侵食効果を低減させるので、タービン翼冷媒としてのＣＯ２循環流体の使用は、タービン翼が高効率発電方法で用いられる公知のタービン翼よりもかなり低コストの材料から製作されることを可能にする。例えば、本開示によれば、タービン翼は、多様な高強度鋼又はさらには比較的低コストの鋼から製作することができる可能性がある。同様に、ブレードは、炭素複合材又はさらにはアルミニウムのような低温材料から製作することができる可能性がある。低温条件及び／又は低侵食性又は低腐食性条件で用いられるガスタービン構成部品のために、さらにはタービンのために、当該技術分野で有用と認識されるあらゆる材料を本開示に係るタービン構成部品を製作するのに用いることができる可能性がある。
【００５８】
本開示に係るＣＯ２循環流体の一部でのタービン翼のトランスピレーション冷却はさらに、介在するろ過ステップ及び構成部品の必要なしにタービンを通した灰（又は他の粒子状物質及び／又は不燃物）を含有する燃焼ガスの安全な通過を容易にすることができるので有用である。これは、発電設備の設計を大いに簡略化させ、燃焼のための燃料源として用いられてもよい材料のタイプを増加させることができる。
【００５９】
本開示に係るタービン構成部品のトランスピレーション冷却におけるＣＯ２循環流体の使用はまた、発電サイクルの熱力学に対して有利である。タービン翼に関する公知のトランスピレーション媒体に対して大いに改善されたＣＯ２循環流体の冷却能力により、タービンの熱許容範囲の制限なしに燃焼器を高められた温度で作動させることができる。したがって、燃焼生成物の流れはタービン構成部品への損傷なしにＣＯ２冷却されるタービンを通過することができるので、極度に高い温度で作動することができる燃焼器（例えば、トランスピレーション冷却される燃焼器）は、本開示によれば最高付近の作動温度で作動することができる。これは、発電サイクルの潜在的な熱力学的効率を１００％近くに増加させる。
【００６０】
タービン翼の設計と、タービン全体の設計と、タービン翼のトランスピレーション冷却とのあらゆる組合せを、燃焼が結果的に粒子の生成をもたらす方法及びシステムのようなタービン翼寿命が望ましくは延長されるあらゆる発電方法で用いることができる。幾つかの実施形態では、方法及びシステムは、特に、循環流体を用いることができるものとすることができる。例えば、高圧ＣＯ２は、高再循環比の循環流体として利用可能となる可能性がある。
【００６１】
例えば、本明細書で説明される場合のタービンは、効率的な燃焼に有用な場合がある適切な燃料、あらゆる必要な酸化剤、及びあらゆる関連する材料と共に燃焼器の中にＣＯ２循環流体が提供される方法及びシステムで用いられてもよい。こうしたシステム及び方法は、非常に高い温度（例えば、約１，６００℃から約３，３００℃又はより一層高い温度の範囲内）で作動する燃焼器を備えることができ、循環流体の存在は、流体ストリームを発電のためのエネルギー伝達に使用できるように、燃焼器を出ていく流体ストリームの温度を加減するように機能することができる。具体的には、燃焼生成物ストリームは、少なくとも１つのタービンを横切って膨張して電力を発生させることができる。膨張したガスストリームは、ストリームから水のような種々の構成成分を除去するために冷却することができ、膨張したガスストリームから取り出された熱は、ＣＯ２循環流体を加熱するのに用いることができる。精製された循環流体ストリームは、次いで、燃焼器を通して再循環するために加圧し及び加熱することができる。本開示のタービン翼設計（関連するブレードトランスピレーション冷却を伴う又は伴わない）を組み込んでもよい例示的な発電システム及び方法は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる米国特許出願公開第２０１１／０１７９７９９号で説明される。
【００６２】
燃焼電力サイクルにおける本開示に係るタービンの組み込みは、結果的に微粒子成分を生じる燃料の燃焼に対して特に有用である。種々のタイプの石炭は、例えば、灰分及び／又は他の微粒子成分を有する燃焼ストリームをもたらすために発電サイクルで燃焼させることができる。有益なことに、本開示に係るタービンが燃焼サイクルに組み込まれるときに、予備的なフィルタリングステップの必要なしに全燃焼生成物ストリーム（すなわち、微粒子の全成分を含む）をタービンの中に導入することができる。これは、より高いタービン入口温度の使用を可能にし、これは次に、タービンを通過する前に燃焼生成物のろ過を必要とするプロセスに対して燃焼効率を増加させる。これは、発明的なタービンが顕著な侵食なしに粒子衝突を受ける可能性があるため、本開示によれば可能である。微粒子物質は、次いで、タービンを出ていくストリームからフィルタすることができる。
【００６３】
本開示に従って提供される燃焼サイクルの一実施形態が図１の流れ図で例証される。例証された実施形態では、周囲空気１０を取り込み、且つ富化酸素ストリーム１２０を出力するために、空気分離ユニット１００が提供される。酸素ストリーム１２０は、少なくとも約５０％、少なくとも約６０％、少なくとも約７０％、少なくとも約８０％、少なくとも約８５％、少なくとも約９０％、又は少なくとも約９５％のモル純度を有する酸素を含んでいてもよい。酸素ストリーム１２０は、例えば、実装できる可能性がある低温空気分離プロセス又は高温イオン輸送膜酸素分離プロセス（空気から）といった、例えば、当該技術分野では公知のあらゆる空気分離システム／技術によって供給されてもよい。具体的な実施形態では、富化酸素ストリームは、低温空気分離プロセスの作動によってもたらされてもよく、冷凍を保つ周囲温度に効率よく加熱される液体酸素をポンプで送ることによって該プロセスにおいて酸素が加圧される。こうした低温のポンプで送られる酸素プラントは、２つの空気圧縮機を有することができ、その両方は中間段冷却なしに断熱的に作動することができる。具体的な実施形態では、空気分離ユニットによって生じた熱を回収し、且つ熱の投入が望ましい場合がある目下説明したシステムの構成部品に熱を伝達するのに有用な構成部品を含むことが有用な場合がある。
【００６４】
図１で例証されるサイクルは、燃焼生成物の構成成分として粒子状物質（例えば、灰）を含むあらゆる燃料源の燃焼に有用である可能性がある。本開示に係る有用な燃料の限定ではない例は、種々のグレード及びタイプの石炭、木材、オイル、タールサンドからのタール、ビチューメン、バイオマス、藻類、等級別の（ｇｒａｄｅｄ）可燃性固体廃棄物ごみ、アスファルト、及び使用済みタイヤを含む。特に、あらゆる固体燃料材料が本開示で用いられてもよく、こうした燃料は、特に、適宜粒径を減少させるために粉にされ、細断され、又は他の方法で処理されてもよい。適切な形態を達成するため及び高圧ポンピングに関する流れ要件を満たすために、必要に応じて流動化又はスラリー化媒体を加えることができる。例えば、図１を参照すると、固体燃料１５は、粉末化された燃料を提供するためにミル装置２００を通過することができる。他の実施形態では、固体燃料１５は、オンサイト・ミリングの必要性に先立ち粒子化された状態で提供することができる可能性がある。具体的な実施形態では、固体燃料１５は、約１０μｍ〜約５００μｍ、約２５μｍ〜約４００μｍ、又は約５０μｍ〜約２００μｍの平均粒径を有してもよい。他の実施形態では、固体燃料１５は、固体燃料粒子の５０％、６０％、７０％、８０％、９０％、９５％、又は９９％以上が約５００μｍ、４００μｍ、３００μｍ、２００μｍ、又は１００μｍ未満の平均粒径を有することで説明されてもよい。
【００６５】
固体燃料１５は、十分な速度で及び燃焼チャンバ内の圧力を上回る圧力での燃焼装置への噴射を可能にするために適切に処理することができる。こうした特徴を提供するために、固体燃料１５は、周囲温度又は高められた温度で適切な流動性及び粘度をもつ液体、スラリー、ゲル、又はペーストの形態であってもよい。例えば、固体燃料１５は、約３０℃〜約５００℃、約４０℃〜約４５０℃、約５０℃〜約４２５℃、又は約７５℃〜約４００℃の温度で提供されてもよい。粒径が適切に減少するように固体燃料１５が粉にされ、細断され、又は他の方法で処理された状態にあるときに、適切な形態を達成し及び高圧ポンピングに関する流れ要件を満たすために必要に応じて流動化又はスラリー化媒体を加えることができる。図１の実施形態で例証されるように、ミル装置２００によって固体燃料１５から生じた微粒子固体燃料２２０は、スラリーの形態の石炭を提供するために流動化物質と混合することができる。特に、微粒子固体燃料２２０は、再循環されるＣＯ２循環流体ストリーム５６１からのＣＯ２サイドドロー５６２とミキサ２５０の中で組み合わされる。ＣＯ２サイドドロー５６２は、超臨界、高密度状態で提供されてもよい。具体的な実施形態では、スラリーを生成するのに用いられるＣＯ２は、約４５０ｋｇ／ｍ３〜約１，１００ｋｇ／ｍ３の密度を有することができる。より詳細には、ＣＯ２サイドドロー５６２は、例えば、約１０重量％から約７５重量％まで又は約２５重量％から約５５重量％までの微粒子石炭を有するスラリー２５５を生成するために微粒子固体燃料２２０と協働してもよい。さらに、スラリー２５５を生成するのに用いられるサイドドロー５６２からのＣＯ２は、約０℃未満、約−１０℃未満、約−２０℃未満、又は約−３０℃未満の温度であってもよい。さらなる実施形態では、スラリーを生成するのに用いられるサイドドロー５６２からのＣＯ２は、約０℃〜約−６０℃、約−１０℃〜約−５０℃、又は約−１８℃〜約−４０℃の温度であってもよい。スラリー化ステップはスラリー媒体としてＣＯ２を用いることに関して説明されるが、他のスラリー化媒体を用いることができる可能性があることが理解される。
【００６６】
スラリー２５５は、ミキサ２５０からポンプ２７０を介して燃焼装置３００に移送することができる。具体的な実施形態では、燃焼装置３００は、比較的高い燃焼温度で燃料の実質的に完全燃焼を提供することができる高効率燃焼器とすることができる。高温燃焼は、燃料のすべての可燃性成分の実質的に完全燃焼を提供し、したがって効率を最大にするのに特に有用である可能性がある。種々の実施形態では、高温燃焼は、少なくとも約１，０００℃、少なくとも約１，２００℃、少なくとも約１，５００℃、少なくとも約２，０００℃、又は少なくとも約３，０００℃の温度での燃焼を意味することができる。さらなる実施形態では、高温燃焼は、約１，０００℃〜約５，０００℃又は約１，２００℃〜約３，０００℃の温度での燃焼を意味することができる。
【００６７】
或る実施形態では、燃焼装置３００は、トランスピレーション冷却される燃焼器であってもよい。本開示で用いられてもよいトランスピレーション冷却される燃焼器の一例は、その開示内容の全体が参照により本明細書に組み込まれる米国特許出願公開第２０１０／０３０００６３号及び米国特許出願公開第２０１１／００８３４３５号で説明される。幾つかの実施形態では、本開示に係る有用なトランスピレーション冷却される燃焼器は、１つ又は複数の熱交換ゾーン、１つ又は複数の冷却材、及び１つ又は複数のトランスピレーション流体を含んでもよい。
【００６８】
本開示に係るトランスピレーション冷却される燃焼器の使用は、発電のための燃料燃焼に関する公知の技術よりも特に有利である。例えば、トランスピレーション冷却の使用は、燃焼器における腐食、ファウリング、及び侵食を防ぐのに有用である可能性がある。これはさらに、用いられる燃料の完全な又は少なくとも実質的に完全な燃焼をもたらすのに十分に高い温度範囲内で燃焼器が機能することを可能にする。これらの及びさらなる利点が本明細書でさらに説明される。
【００６９】
１つの特定の態様では、本開示に係る有用なトランスピレーション冷却される燃焼器は、トランスピレーション部材によって少なくとも部分的に画定される燃焼チャンバを含むことができ、トランスピレーション部材は、圧力閉じ込め部材によって少なくとも部分的に取り囲まれる。燃焼チャンバは、入口部分と反対の出口部分とを有することができる。燃焼チャンバの入口部分は、燃焼生成物を生成する燃焼温度で燃焼チャンバ内で燃焼させられるべき炭素を含有する燃料を受け入れるように構成することができる。燃焼チャンバはさらに、出口部分の方に燃焼生成物を誘導するように構成することができる。トランスピレーション部材は、燃焼生成物とトランスピレーション部材との間の相互作用を緩和するためにそれを通してトランスピレーション物質を燃焼チャンバの方に誘導するように構成することができる。さらに、トランスピレーション物質は、燃焼生成物の所望の出口温度を達成するために燃焼チャンバの中に導入されてもよい。特定の実施形態では、トランスピレーション物質は、少なくとも部分的に循環流体を含むことができる。燃焼チャンバの壁は、それを通してＣＯ２及び／又はＨ２Ｏのようなトランスピレーション物質が誘導され及び流れる多孔質材料の層で裏打ちされてもよい。
【００７０】
この多孔質トランスピレーション層を通した、随意的に付加的な設備を通したトランスピレーション物質の流れは、燃焼装置３００からの所望の全出口流体ストリーム出口温度を達成するように構成することができる。幾つかの実施形態では、本明細書でさらに説明されるように、こうした温度は、約５００℃〜約２，０００℃の範囲内とすることができる。この流れはまた、トランスピレーション部材を形成する材料の最高許容可能作動温度よりも低い温度にトランスピレーション部材を冷却するのに役立つ可能性がある。トランスピレーション物質はまた、壁を腐食する、ファウリングする、又は他の方法で損傷する可能性がある燃料中のあらゆる液状又は固体状灰材料又は他の汚染物質の衝突を防ぐのに役立つ可能性がある。こうした状況では、入射放射熱が多孔質トランスピレーション部材を通して半径方向外向きに伝導され、次いでトランスピレーション層を通した多孔質層構造体の表面から半径方向内向きに通過する流体への対流熱伝達によって遮られるように妥当な熱伝導率をもつトランスピレーション部材のための材料を用いることが望ましい場合がある。こうした構成は、多孔質トランスピレーション部材の温度をそのために用いられる材料の設計範囲内に同時に維持しながら、トランスピレーション部材を通して誘導されるストリームの後続する部分が約５００℃〜約１，０００℃又は約２００℃〜約７００℃といった望ましい範囲内の温度に加熱されることを可能にしてもよい。多孔質トランスピレーション部材に適した材料は、例えば、多孔質セラミックス、耐火性金属ファイバマット、ドリルで穴があけられた円筒形の区域、及び／又は焼結金属層又は焼結金属粉を含んでもよい。トランスピレーション部材の第２の機能は、燃焼チャンバの長さに沿った均等な軸方向の流れを促進させながらトランスピレーション流体ストリームと燃焼生成物との間の良好な混合を達成するために、実質的に均等な半径方向内向きの、並びに燃焼器に長手方向に沿ったトランスピレーション流体の流れを保証することであってもよい。トランスピレーション部材の第３の機能は、燃焼生成物内の灰又は他の汚染物質の固体及び／又は液体粒子がトランスピレーション層の表面に衝突すること及び閉塞、侵食、腐食、又は他の損傷を引き起こすことの緩和を提供し又は他の方法で阻止するように半径方向内向きの希釈剤流体の速度を達成することとすることができる。こうした因子は、例えば、残留不活性不燃性残留物を有する石炭のような燃料を燃焼させるときにだけ重要である可能性がある。トランスピレーション部材を取り囲む燃焼器圧力容器の内壁はまた、燃焼器内の高温トランスピレーション流体ストリームを隔離するために断熱されてもよい。
【００７１】
或る実施形態では、こうした導入の前に燃焼装置３００の中に導入されるべき材料を組み合わせるために混合設備（例証されない）が提供されてもよい。具体的には、燃料、Ｏ２、及び循環流体（例えば、ＣＯ２循環流体）のうちの２つのあらゆる組合せ又は３つすべてが、燃焼装置３００の中への導入の前に随意的な混合設備の中で組み合わされてもよい。
【００７２】
Ｏ２１２０及び再循環される循環流体５０３と共に（スラリーストリーム２５５として）燃焼装置３００に導入される燃料１５は、燃焼して燃焼生成物ストリーム３２０を提供する。具体的な実施形態では、燃焼装置３００は、上記で説明されたようなトランスピレーション冷却される燃焼器である。燃焼温度は、具体的なプロセス・パラメータ、例えば、用いられる燃料のタイプ、燃焼器の中に導入される際の循環流体と燃料中の炭素とのモル比、及び／又は燃焼器の中に導入されるＣＯ２とＯ２のモル比に応じて変化する可能性がある。具体的な実施形態では、燃焼温度は、トランスピレーション冷却される燃焼器の説明に関係して上記で説明されたような温度である。特に好ましい実施形態では、本明細書で説明される場合の約１，０００℃を超える燃焼温度が有利な場合がある。
【００７３】
燃焼器を出る燃焼生成物ストリームが所望の温度を有するように燃焼温度を制御することが有用である可能性もある。例えば、燃焼器を出ていく燃焼生成物ストリームが少なくとも約７００℃、少なくとも約９００℃、少なくとも約１，２００℃、又は少なくとも約１，６００℃の温度を有することが有用である可能性がある。幾つかの実施形態では、燃焼生成物ストリームは、約７００℃〜約１，６００℃又は約１，０００℃〜約１，５００℃の温度を有してもよい。
【００７４】
具体的には、燃焼生成物ストリーム３２０の圧力は、燃焼装置３００の中に導入される循環流体の圧力と関係付けることができる。具体的な実施形態では、燃焼生成物ストリーム３２０の圧力は、燃焼装置３００の中に導入される循環流体の圧力の少なくとも約９０％とすることができる。
【００７５】
燃焼装置３００を出ていく燃焼生成物ストリーム３２０の化学組成は、用いられる燃料のタイプに応じて変化することができる。重要なことに、燃焼生成物ストリームは、燃焼装置３００又はさらなるサイクルに再循環され又は再導入されることになる循環流体の主成分（例えば、ＣＯ２）を含むであろう。さらなる実施形態では、燃焼生成物ストリーム３２０は、水蒸気、ＳＯ２、ＳＯ３、ＨＣｌ、ＮＯ、ＮＯ２、Ｈｇ、過剰Ｏ２、Ｎ２、Ａｒ、不燃物、及び／又は他の粒子状物質、及び燃焼される燃料中に潜在的に存在する場合がある他の汚染物質のうちの１つ又は複数を含む可能性がある。燃焼生成物ストリーム中に存在するこれらの物質は、本明細書で説明されるプロセスなどによって除去されない限り、ＣＯ２循環流体ストリーム中に存在し続ける可能性がある。
【００７６】
有利なことに、本開示によれば、燃焼生成物ストリーム３２０は、燃焼生成物ストリーム３２０中の如何なる微粒子物質も最初にフィルタで除去する必要なしにタービン４００に誘導することができる。タービン４００の中で、燃焼生成物ストリーム３２０は、膨張して電力を発生させる（例えば、発生器４００ａを介して電気を生じる）。タービン４００は、燃焼生成物ストリーム３２０を受け入れるための入口とタービン排気ストリーム４１０を放出するための出口とを有することができる。図１では単一のタービン４００が示されるが、１つよりも多いタービンが用いられてもよいことが理解され、複数のタービンが直列に結合され、又は随意的にさらなる燃焼構成部品、圧縮構成部品、セパレータ構成部品などのような１つ又は複数のさらなる構成部品によって分離される。
【００７７】
タービン４００は、具体的には、本明細書で別途説明される場合のブレード設計及び／又は全体設計を有するタービンとすることができる。さらに、タービンは、本明細書で説明される場合のトランスピレーション冷却又は他の冷却技術を組み込んでもよい。特に、タービン設計は、タービンが顕著な侵食なしに衝突に耐えることを可能にするような低いブレード速度及び灰粒子衝突速度をもつものとすることができる。タービンのトランスピレーション冷却はさらに、ブレード表面とタービンを通過する微粒子物質との間にトランスピレーション流体の連続する流れ障壁層をもたらすことによって粒子侵食に対して保護することができる。
【００７８】
図１に戻ると、例示的なシステム及びサイクルは、タービン４００から下流のフィルタ５をさらに備える。タービン排気ストリーム４１０は、そこから微粒子物質を除去するためにフィルタ５を通過することができる。タービンの上流ではなくタービン４００の下流のフィルタ５の位置は、燃焼生成物ストリーム３２０が燃焼器装置３００を出てすぐにより高い温度及び圧力でタービンを横切って膨張することができるので本開示の有利な特徴であり、したがって発電が最大化される可能性がある。より低圧及びより低温のタービン排気ストリーム４１０は、次いで、そこから微粒子ストリーム７として微粒子物質を除去するためにフィルタ５でフィルタすることができる。したがって、燃焼サイクルにおけるさらなる処理のために微粒子物質を実質的に含まないフィルタされたタービン排気ストリーム４２０が提供される。
【００７９】
具体的な実施形態では、フィルタ５は、好ましくは、燃焼生成物ストリーム３２０中に存在する微粒子物質の実質的にすべてを除去するのに効果的な構成を含むことができる。フィルタ５は、幾つかの実施形態ではサイクロンフィルタ及び／又はキャンドルフィルタを含んでもよく、ろ過は幾つかの実施形態では約３００℃から約７７５℃までで起こる可能性がある。特定の実施形態では、実質的にすべての微粒子の除去は、燃焼生成物ストリーム中に存在する微粒子の体積の少なくとも９５％、少なくとも９６％、少なくとも９７％、少なくとも９８％、少なくとも９９％、少なくとも９９．５％、又は少なくとも９９．８％の除去を包含することができる。こうしたフィルタの微粒子除去効率は、粒径と関係付けることができる。例えば、除去された粒子の言及したパーセンテージは、少なくとも約０．１μｍ、少なくとも約０．５μｍ、少なくとも約１μｍ、少なくとも約５μｍ、少なくとも約１０μｍ、少なくとも約２５μｍ、少なくとも約５０μｍ、少なくとも約１００μｍ、又は少なくとも約５００μｍの直径を有する粒子を保持するフィルタの能力と関係付けることができる。一実施形態では、燃焼によって生じた粒子は、約０．１μｍから約１００μｍまでの範囲内である可能性があり、フィルタは、約１μｍを上回る、約５μｍを上回る、約１０μｍを上回る、約１５μｍを上回る、又は約２０μｍを上回る実質的にすべての粒子を除去し、且つ全微粒子レベルを約１０ｍｇ／ｍ３未満、約５ｍｇ／ｍ３未満、約１ｍｇ／ｍ３未満、又は約０．５ｍｇ／ｍ３未満に減少させるように構成されてもよい。
【００８０】
特定の実施形態（すなわち、ＣＯ２が循環流体として用いられる）では、フィルタされたタービン排気ストリーム４２０は、熱交換器ユニット５００（一連の熱交換器であってもよい）を通過して未処理の再循環ストリーム５０１を生成することができる。この未処理の再循環ストリーム５０１は、冷水熱交換器５２０を通過してストリーム５２１を生成することができ、これは二次成分（例えば、Ｈ２Ｏ、ＳＯ２、ＳＯ４、ＮＯ２、ＮＯ３、及びＨｇ）の除去のためにストリーム５４２としてセパレータ５４０を通過する。具体的な実施形態では、セパレータ５４０は、不純物が水と反応して容易に除去される物質（例えば、酸）を生成することができるように十分な滞留時間をもつ接触器を提供する反応器を含むことができる。セパレータ５４０からの精製された循環流体ストリーム５４１は、圧縮機５５０を通過してストリーム５５１を生成することができ、これは冷水熱交換器５６０でさらに冷却されて超臨界高密度ＣＯ２循環流体５６１を提供することができる。或る実施形態では、精製されたＣＯ２循環流体５４１は、少なくとも約７．５ＭＰａ又は少なくとも約８ＭＰａの圧力に圧縮することができる。ストリーム５６１の一部は、スラリーストリーム２５５を生成するためにミキサ２５０の中で流動化媒体として用いられるストリーム５６２として取り出すことができる。超臨界高密度ＣＯ２循環流体ストリーム５６１の他の部分は圧縮機５７０の中でさらに加圧されて加圧された超臨界高密度ＣＯ２循環流体ストリーム５７１を生成する。ストリーム５７１中のＣＯ２の一部は、ＣＯ２パイプライン又は他の隔離手段へのストリーム５７２として取り出されてもよい。ＣＯ２の残りの部分は、加圧された超臨界高密度ＣＯ２循環流体ストリーム５７３として進むことができ、これはストリームを加熱するために熱交換器５００（又は一連の熱交換器）に戻して通過させることができる。具体的な実施形態では、ＣＯ２循環流体は、冷水熱交換器５６０からの排気後に（及び加熱のために熱交換器ユニット５００を通過する前に）少なくとも約２００ｋｇ／ｍ３、少なくとも約３００ｋｇ／ｍ３、少なくとも約５００ｋｇ／ｍ３、少なくとも約７５０ｋｇ／ｍ３、又は少なくとも約１，０００ｋｇ／ｍ３の密度で提供することができる。さらなる実施形態では、密度は約１５０ｋｇ／ｍ３〜約１，１００ｋｇ／ｍ３であってもよい。冷水熱交換器５６０を通したストリーム５５１の通過は、ＣＯ２循環流体を約６０℃未満、約５０℃未満、又は約３０℃未満の温度に冷却することができる。第２の圧縮機５７０に入るストリーム５６１中のＣＯ２循環流体は、少なくとも約１２ＭＰａの圧力で提供することができる。幾つかの実施形態では、ストリームは、約１５ＭＰａ〜約５０ＭＰａの圧力に加圧することができる。言及した温度の下で作動することができ、且つ説明した圧力を達成することができる、高圧多段ポンプのようなあらゆるタイプの圧縮機を用いることができる。
【００８１】
加熱され加圧された超臨界高密度ＣＯ２循環流体は、再循環される循環流体として提供されるべき第１のストリーム５０３として熱交換器５００を出ることができる。幾つかの実施形態では、加熱され加圧された超臨界高密度ＣＯ２循環流体は、タービン翼に関するトランスピレーション流体として提供されるべき第２の再循環される循環流体ストリーム５０４として熱交換器５００を出ることができる。好ましくは、第２の再循環される循環流体ストリーム５０４は、トランスピレーション流体によって提供される保護の増加又は減少を必要とする要望通りにストリーム中の循環流体の総重量又は体積を増加させ又は減少させることができるように制御可能とすることができる。具体的には、本開示に係るシステムは、所望されるときに第２の再循環される循環流体ストリーム５０４を完全に止めることができるように流量制御手段を含むことができる。幾つかの実施形態では、タービン４００に提供される再循環される循環流体（例えば、ＣＯ２）は、タービンに提供される前に熱交換器５００をバイパスしてもよいことに留意されたい。これに関して、再循環されるＣＯ２は、圧縮機５７０によって圧縮されてもよく、次いで、循環流体ストリーム５７１の一部は、熱交換器５００をバイパスし、タービン４００に入ってもよい。これにより、ＣＯ２（又は他の再循環される循環流体）は、熱交換器５００によって温められることなくタービン４００の中に導入されてもよい。したがって、ＣＯ２（又は他の再循環される循環流体）は、熱交換器によって温められた流体の温度よりも低い温度でタービンの中に導入されてもよい。これに関して、ＣＯ２（又は他の再循環される循環流体）は、約３００℃未満、約２００℃未満、約１００℃未満、約５５℃未満、又は約２５℃未満の温度でタービンの中に導入されてもよく、したがって、ＣＯ２（又は他の再循環される循環流体）は、タービン４００を冷却するために使用されてもよい。比較的より低温の循環流体をタービン４００に加えることを補償するために、Ｏ２は、Ｏ２を温めるために熱交換器５００を通して移動してもよく、次いで、Ｏ２は、他の方法では起こる可能性がある効率の損失を補償するために燃焼器３００に誘導される再循環される循環流体５０３と組み合わされてもよい。或る実施形態では、熱交換器（又は２つ以上の熱交換器が用いられるときの列の最後の熱交換器）の低温端を出る循環流体は、約２００℃未満、約１００℃未満、約７５℃未満、又は約４０℃未満の温度を有することができる。
【００８２】
或る実施形態では、したがって、タービン排気ストリームを受け入れる熱交換器が極端な条件に耐えるように設計される高性能材料から形成されることが有用な場合がある。例えば、熱交換器は、ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）合金又は類似の材料を含んでいてもよい。好ましくは、熱交換器は、少なくとも約７００℃、少なくとも約９００℃、又は少なくとも約１，２００℃の一貫した作動温度に耐えることができる材料を含む。熱交換器のうちの１つ又は複数が燃焼生成物ストリーム中に存在する場合がある類の二次材料への良好な化学抵抗性を提供する材料を含むこともまた有用な場合がある。ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）合金は、Ｓｐｅｃｉａｌ  Ｍｅｔａｌｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能であり、幾つかの実施形態は、オーステナイトニッケル−クロムベースの合金を含むことができる。適切な熱交換器は、商標名ＨＥＡＴＲＩＣ（登録商標）（テキサス州ヒューストンのＭｅｇｇｉｔｔ  ＵＳＡから入手可能）の下で入手可能な熱交換器を含むことができる。
【００８３】
上述のように、水に加えて、ＣＯ２循環流体は、燃料由来の、燃焼由来の、及び酸素由来の不純物のような他の二次成分を含有する可能性がある。ＣＯ２循環流体のこれらの二次成分（しばしば不純物又は汚染物質として認識される）は、適切な方法（例えば、それらの全体が参照により本明細書に組み込まれる米国特許出願公開第２００８／０２２６５１５号及び欧州特許出願番号ＥＰ１９５２８７４及びＥＰ１９５３４８６で定義された方法）を用いて、冷却されるＣＯ２循環流体からすべて除去することができる。例えば、ＳＯ２及びＳＯ３は、１００％を硫酸に変換することができ、一方、＞９５％のＮＯ及びＮＯ２は硝酸に変換することができる。ＣＯ２循環流体中に存在するあらゆる過剰Ｏ２は、燃焼器への随意的な再循環のために富化ストリームとして分離することができる。存在するあらゆる不活性ガス（例えば、Ｎ２及びＡｒ）は、低圧で大気に排出することができる。
【００８４】
上記で説明されたように、本開示に従って構成されるタービンを組み込んでいる発電サイクルは、燃焼生成物ストリーム中に存在する微粒子物質を最初にフィルタで除去する必要なしに燃焼生成物ストリーム（例えば、石炭のような固体燃料の燃焼から生じる）をタービンの中に直接投入することができるので、或る程度高効率で作動することができる。特に、発明的なタービン構成は、燃焼しなかった材料の衝突から生じるブレード侵食をなくす又は大いに低減させる。本開示は、タービン材料のこうした価値ある保護を提供するにもかかわらず、タービン構成部品と燃焼生成物ストリームの微粒子成分との相互作用からタービン障害が生じる機会が依然として存在する可能性がある。
【００８５】
例えば、タービン翼上への液状灰固着及び凍結（又は固化）は、スラッギング、効率の損失、及び／又はロータバランスの損失を引き起こすことがある。したがって、或る実施形態では、本開示は、タービン構成部品、特にタービン翼からの蓄積又は化学堆積を軽減し及び／又は少なくとも部分的に除去するための燃焼サイクルへの特異的な構成部品の組み込みを提供する。灰の蓄積が本明細書で例示されるが、本開示の幾つかの実施形態によって提供されるクリーニングは、燃焼生成物ストリーム中に存在する物質、特に微粒子物質から生じるタービン構成部品上のあらゆるタイプの堆積を少なくとも部分的に除去する又は完全に除去するのに効果的となることが期待されることが理解される。したがって、種々のタイプの灰、灰由来の物質、及び炭素が、本明細書で提供されるクリーニングによって除去される可能性がある。
【００８６】
タービン翼のようなタービン構成部品上の化学堆積物の蓄積は、トランスピレーション保護技術を使用することによって防がれてもよい。例えば、図１で見られるように、高温の再循環された作動流体（例えば、ＣＯ２）は、熱交換器５００の高温端からストリーム５０４として取り出し、タービン４００に送達することができる。例えば、高温の再循環された作動流体をタービンロータに送達し、次いで、タービン翼を通してタービン翼のトランスピレーション保護を提供することができる。こうした実施形態では、タービン翼は、高温の再循環された作動流体が実質的にブレードの表面全体又はタービンに入る燃焼生成物ストリームの直接的経路内にある少なくともブレードの前面に沿ってブレードを出るように必要に応じて穿孔することができる。具体的な実施形態では、ブレードの外への最も大きいトランスピレーション流体の流れはブレードの前縁でのものであろう。
【００８７】
トランスピレーション流体は、種々の温度で提供されてもよい。幾つかの実施形態では、タービンに関するトランスピレーション流体は、タービンに入る燃焼生成物ストリームの温度の約１０％以内、約８％以内、約５％以内、又は約２％以内の温度であってもよい。こうした実施形態では、タービンに関するトランスピレーション流体の温度は、タービンに入る燃焼生成物ストリームの温度と実質的に類似しているものとして特徴付けられてもよい。他の実施形態では、トランスピレーション保護のためにタービンに誘導されるトランスピレーション流体は、タービンに入る燃焼生成物ストリームの温度の１５％〜約９０％未満、約１５％〜約６０％未満、約１５％〜約５０％未満、又は約２０％〜約４０％未満であってもよい。こうした実施形態では、タービンに関するトランスピレーション流体の温度は、タービンに入る燃焼生成物ストリームの温度よりも実質的に低いものとして特徴付けられてもよい。
【００８８】
幾つかの実施形態では、タービン翼と併せたトランスピレーション流体の使用は、複数の機能を果たすことができる。例えば、トランスピレーション流体は、燃焼生成物ストリーム中の微粒子物質がブレード表面に実際に接触するのを本質的に防ぐことができるのでタービン翼を保護するのに効果的となる可能性がある。むしろ、トランスピレーション流体によって形成される保護障壁は、微粒子物質をタービン翼の周りに偏向させ又は他の方法で再誘導することができる。高温の再循環された作動流体はまた、ブレード、特に、タービンの出口側のブレード表面を加熱するように機能することができる。この付加的な加熱は、液状灰（又は燃焼生成物ストリームの温度では液体であり、燃焼生成物ストリームの温度よりも低いが周囲温度よりも高い凍結（又は固化）点を有する他の物質）が固化することになる温度（すなわち、物質の凍結温度）に出口側及び／又は入口側のブレード表面が冷却されるのを防ぐことができる。これは、タービン翼の表面に実際に接触する液体粒子が凍結（又は固化）し、したがってブレード表面上に堆積するのを防ぐ。
【００８９】
トランスピレーション保護は、幾つかの実施形態では粒子の凍結（又は固化）をなくすことができる。これに関して、すべての灰は、幾つかの実施形態ではおよそ８７０℃〜９８０℃よりも上では溶解したままである可能性がある。他の実施形態では、粒子の凍結は、トランスピレーション保護を組み込んでいない同一のサイクル及びシステムに対して低減させることができる。粒子の凍結が減少されるが無くされはしない程度に、タービン構成部品の定期的クリーニングが必要な場合がある。具体的な実施形態では、タービン翼のようなタービン構成部品のクリーニングは、燃焼サイクル又はシステムへのクリーニング構成部品の組み込みを通じてもたらされてもよい。
【００９０】
図２に示されたサイクルは、タービン翼のクリーニングをもたらすためにタービンを通してタービン翼クリーニング物質を誘導することができるシステムを例証する。有益なことに、クリーニング物質は、タービンを通して燃焼生成物ストリームと並行して誘導されてもよい。したがって、クリーニングは、発電燃焼サイクルを中断させずにもたらすことができる。幾つかの実施形態では、クリーニングプロセスを容易にするために（例えば、燃焼生成物ストリームの温度を変えるために、再循環流体と燃料との比を増加させるなどのために）本明細書で述べられるサイクルパラメータのうちの１つ又は複数を変更することが望ましい場合がある。タービン翼がトランスピレーション保護される幾つかの実施形態では、クリーニング物質とタービン翼との接触を容易にするためにトランスピレーション流体の流れを止めることが望ましい場合がある。しかしながら、燃焼及び発電は、クリーニングプロセス中に続行してもよい。図１に対して。本実施形態では、しかしながら、第３の再循環される循環流体ストリーム５０６は、熱交換器５００を出て、クリーニング物質合流部６００を通過することができ、クリーニング物質は、第３の再循環される循環流体ストリーム５０６と組み合わされてクリーニング物質ストリーム６１０を生成する。クリーニング物質合流部６００は、第３の再循環される循環流体ストリーム５０６をクリーニング物質と組み合わせるのに適したあらゆる構造体、ユニット、又はデバイスを含むことができ、クリーニング物質は、連続流れで提供され、又はバッチ式に提供される。好ましくは、クリーニング物質合流部は、クリーニング物質が第３の再循環される循環流体ストリーム５０６と組み合わされ及び共に流れるように構成される。第２の再循環される循環流体ストリーム５０４に関係して同じく上記で説明されたように、第３の再循環される循環流体ストリーム５０６は、流量をゼロとすることができ、又はクリーニング物質をタービンに効果的に移送するのに必要なあらゆる流量とすることができるように制御することができる。
【００９１】
クリーニング物質は、タービン翼の表面に接触し、且つそこから固体堆積物を物理的に又は化学的に除去するのに効果的なあらゆる物質とすることができる。好ましくは、クリーニング物質は、ブレード表面自体の最小限の侵食から侵食なしで堆積物を除去するのに効果的な物質を含む。固体クリーニング物質は、流れの温度では溶解しないように構成される炭素粒子、アルミナ粒子、又は他の硬い粒子を含んでもよい。灰はブレードよりも低い破壊応力を画定する可能性があるため、低い衝突速度ではブレードではなく灰の侵食が起こる可能性がある。液体クリーニング物質は、酸化カリウム、炭酸カリウム、又は水酸化カリウムのようなカリウム化合物を含んでもよい。カリウム化合物は、灰がブレードを溶融させる可能性があるので灰の融点を下げるためにフラックスとして作用する可能性がある。気体クリーニング物質は、炭素のような堆積物を酸化させる可能性がある酸素を含んでもよい。クリーニング物質合流部６００で第３の再循環される循環流体ストリーム５０６と組み合わされた固体又は液体クリーニング物質は、クリーニング物質ストリーム６１０の総質量流量の約０．５％未満、約０．１％未満、又は約０．０１％未満、及びクリーニング物質ストリームの総質量流量の約０．００１％から約０．１％まで、約０．１％から約１％まで、又は約０．０００１％から約０．０１％までを画定してもよい。クリーニング物質合流部６００で第３の再循環される循環流体ストリーム５０６と組み合わされた気体クリーニング物質は、クリーニング物質ストリーム６１０の総質量流量の約５％未満、約２％未満、又は約１％未満、及びクリーニング物質ストリームの総質量流量の約０．１％から約２％まで、約０．０１％から約１％まで、又は約０．０１％から約５％までを画定してもよい。一実施形態では、クリーニングサイクルは、発生器４００ａによる電力出力が約２％〜約５％に、約５％〜約１０％に、又は約１％〜約２％に下がるときにはいつでも開始されてもよい。例えば、クリーニング動作は、週に約１回から約３年おきに行われてもよい。クリーニングサイクルは、幾つかの実施形態では約５分から約１時間まで持続してもよい。
【００９２】
クリーニング物質ストリーム６１０は、タービン４００の中に直接流れてもよい。こうした実施形態では、クリーニング物質ストリームは、タービン４００への共通の入口において燃焼生成物ストリーム３２０と混合してもよく、又はクリーニング物質ストリーム６１０及び燃焼生成物ストリーム３２０は、ストリームがタービン４００の内部の点で混合されるようにタービンへの個々の入口を有してもよい。例証された実施形態では、クリーニング物質ストリーム６１０は、フロー・コンバイナ・スイッチ６５０において燃焼生成物ストリーム３２０と最初に混合される。したがって、クリーニングサイクルでは、組み合わされた燃焼生成物及びクリーニング物質ストリーム３２６は、フロー・コンバイナ・スイッチ６５０を出てタービン４００に入る。
【００９３】
幾つかの実施形態では、連続的なクリーニングが用いられてもよく、この場合、或る量のクリーニング物質がタービンの中に連続的に導入されるように第３の再循環される循環流体ストリーム５０６の幾らかの最小限の流れを維持することができる。第３の再循環される循環流体ストリーム５０６の流れは、サイクルのクリーニング能力を増加又は減少させるために周期的に加減調節できる可能性がある。他の実施形態では、第３の再循環される循環流体ストリーム５０６は、クリーニング物質合流部６００からフロー・コンバイナ・スイッチ６５０へのクリーニング物質の通過がないように閉じることができる。この作動モードでは、燃焼生成物ストリーム３２０は、図１に例証されるようにフロー・コンバイナ・スイッチ６５０をバイパスし、タービンに直接流れてもよい。或いは、燃焼生成物ストリーム３２０は、コンバイナ・スイッチ６５０を通して流れ続けてもよいが、入ってくるクリーニング物質ストリーム６１０のない状態では、コンバイナ・スイッチ６５０を出ていくストリームは、組み合わされた燃焼生成物及びクリーニング物質ストリーム３２６ではなく本質的に燃焼生成物ストリーム３２０となるであろう。
【００９４】
クリーニングサイクルがアクティブである幾つかの実施形態では、タービン翼からの堆積物又は残留物は、図１に関係して説明した方法でフィルタ５を介してサイクルから除去することができる。同様に、固体クリーニング物質が用いられるときに、固体クリーニング物質は、フィルタ５を介してサイクルから除去することができる。幾つかの実施形態では、フィルタ５はマルチユニットフィルタであってもよく、第１のフィルタ媒体又はユニットは燃焼サイクルの通常の過程で用いられ、第２のフィルタ媒体又はユニットは、通常の燃焼サイクルで用いられるフィルタを不必要にファウリングすることなくクリーニング物質及び除去されたブレード堆積物を収集するためにクリーニングサイクル中に用いることができる。発明的なシステムは、フィルタ間のこうした切り替えを容易にするために適切なデバイスを組み込むことができる可能性がある。
【００９５】
例となる実施形態
ここで、本開示を限定するものとなることを意図されず、むしろ例示的な実施形態を示すために提供される、以下の実施例を具体的に参照して本開示が説明されることになる。
【００９６】
図３は、本明細書で開示されるシステム及び方法に従って使用されてもよい燃焼器１０００の例となる実施形態を例証する。燃焼器１０００は、燃料入口１００４及びＯ２入口１００６を通してその中に燃料及びＯ２が誘導される燃焼チャンバ１００２を画定してもよい。したがって、燃料は、燃焼して燃焼生成物ストリーム１００８を生成してもよい。燃焼器１０００は、外側ケーシング１０１０と内側ケーシング１０１２とを備えるケーシングを備えてもよい。内側ケーシング１０１２は、ケーシング上に入射する熱を減らすように構成されるトランスピレーション層１０１６を画定するために、トランスピレーション流体１０１４を受け入れ、且つそれを通して流体を発散させるように構成される多孔質焼結材料（例えば、多孔質焼結金属材料）のようなトランスピレーション材料を含んでいてもよい。トランスピレーション流体１０１４は、幾つかの実施形態では入口１０２６を通して受け入れられる場合があるが、トランスピレーション流体は、以下で説明されるように幾つかの実施形態では燃焼器に取り付けられたタービンから受け入れられる場合がある。したがって、燃焼器１０００は、超合金のような高価な耐熱材料を使用することなく燃焼チャンバ１００２の中で生じた熱に耐えるように構成されてもよく、及び／又は、燃焼器は、増加した燃焼温度で作動してもよい。
【００９７】
上記で説明されたように、燃焼器によって生じる燃焼生成物ストリームは、タービンを駆動するのに使用されてもよい。これに関して、図４は、タービン２０００の例となる実施形態を例証する。一実施形態では、タービン２０００は、燃焼器（例えば、燃焼器１０００）の出口につながり且つ燃焼生成物ストリーム（例えば、燃焼生成物ストリーム１００８）をタービンのケーシング２００４の入口に誘導するように構成された入口導管２００２を含んでもよい。タービン２０００は、複数のブレード２００８が取り付けられるロータ２００６を備えてもよい。ロータ２００６は、ロータの周りに燃焼生成物ストリームを分流させるように構成された環状分流器２０１０を備えてもよい。したがって、燃焼生成物ストリーム１００８は、タービン２０００を通して移動する間に膨張して、タービン排気ストリーム２０１２が１つ又は複数の出口２０１４を通して排気される前にブレード２００８にロータ２００６及びパワーシャフト２０１１（これはロータと一体であってもよく、又はロータに結合されてもよい）を回転させてもよい。したがって、タービン２０００は、発生器又は他のデバイスを駆動してもよい。
【００９８】
図４でさらに例証されるように、入口導管２００２は、内側ケーシング２０１６及び外側ケーシング２０１８を備えてもよい。さらに、タービン２０００のケーシング２００４は、内側ケーシング２０２０及び外側ケーシング２０２２を備えてもよい。トランスピレーション流体２０２４は、入口２０２６から入口導管２００２及びタービン２０００の内側ケーシング２０１６、２０２０と外側ケーシング２０１８、２０２２との間に誘導されてもよい。内側ケーシング２０１６、２０２０は、トランスピレーション流体２０２４を受け入れ、且つそれを通して流体を発散させるように構成される多孔質焼結材料（例えば、多孔質焼結金属材料）のようなトランスピレーション材料を含んでいてもよい。これにより、燃焼生成物ストリーム１００８と入口導管２００２の内面との間にトランスピレーション層２０２８が画定されてもよく、ブレード２００８と内側ケーシング２０２０の内面との間にトランスピレーション層２０３０が画定されてもよく、内側ケーシングは、トランスピレーション流体２０２４によって冷却され又は他の方法で保護されてもよい。幾つかの実施形態では、タービンに提供されるトランスピレーション流体はまた、トランスピレーション冷却のために燃焼器に提供されてもよい。これに関して、例えば、入口導管は、幾つかの実施形態ではそれにトランスピレーション流体が提供されるように燃焼器に嵌合してもよい。しかしながら、燃焼器に提供されるトランスピレーション流体は、幾つかの実施形態では付加的に又は代替的に別個の入口１０２６から提供されてもよい。
【００９９】
さらに、トランスピレーション流体２０２４はまた、幾つかの実施形態ではパワーシャフト２０１１の中に画定されてもよい第２の入口２０３２を通してタービン２０００の中に導入されてもよい。したがって、トランスピレーション流体２０２４は、パワーシャフト２０１１を通してロータ２００６の中に移動してもよい。ロータ２００６及び／又はブレード２００８は、トランスピレーション流体２０２４を受け入れ、且つそれを通してその外面に流体を発散させるように構成される多孔質焼結材料（例えば、多孔質焼結金属材料）のようなトランスピレーション材料を含んでいてもよい。したがって、ロータ２００６及び／又はブレード２００８は、トランスピレーション流体２０２４によって冷却され又は他の方法で燃焼生成物ストリーム１００８及びその中の微粒子から保護されてもよい。
【０１００】
図５及び図６は、タービン２０００’の代替的実施形態を例証する。例証されるように、複数の燃焼器１０００’は、タービン２０００’を駆動するように構成されてもよい。特に、燃焼器２０００’は、図６で例証されるようにロータ２００６’によって画定される主軸に関して半径方向に配置されてもよい。図５に示すように、タービン２０００’は、燃焼器１０００’がロータ２００６’の周縁の周りに燃焼生成物ストリーム１００８’を供給する可能性があること以外は図４で例証されるタービン２０００の実施形態と実質的に類似している場合がある。したがって、ロータ２００６’の周りに燃焼生成物ストリーム１００８’を分流させるのに環状分流器は必要とされなくてもよい。燃焼器１０００’のそれぞれは、ロータ２００６’の周りの燃焼器の位置以外は上記で説明された燃焼器１０００と実質的に類似していてもよい。
【０１０１】
図７は、本明細書で開示されるタービンに使用されてもよいタービン翼２００８Ａの一実施形態の横方向の断面図を例証する。タービン翼２００８Ａは外側層３００２及びコア３００４を備えてもよい。コア３００４は、補強部材として構成される比較的強い金属又は他の材料を画定してもよい。本明細書で用いられる場合の強い金属とは、適切な高い温度で約１０，０００ＰＳＩを超える、約２０，０００ＰＳＩを超える、又は約３０，０００ＰＳＩを超える強度をもち、且つ適切な温度で化学的耐久性のある金属を指す。例は、Ｉｎｃｏｎｅｌなどのようなステンレス鋼合金及び高ニッケル合金を含む。したがって、本開示は、比較的非常に高いニッケル及びコバルトの含有量を有し、したがって非常に高価である典型的な超合金の代わりに、より低いニッケル及びコバルトの含有量をもつステンレス鋼（例えば、３１６ステンレス鋼）又は他の合金のようなより低コストの合金が用いられることを可能にする。これに関して、多結晶３１６ステンレス鋼は、多結晶超合金よりも１ポンドあたり２０倍ほども安価であり、単結晶超合金ブレードよりも１ポンドあたり２０００倍安い可能性がある。
【０１０２】
さらに、コア３００４は、１つ又は複数のチャネル３００６を画定してもよい。チャネル３００６は、トランスピレーション流体を受け入れ、且つトランスピレーション流体を外側層３００２の中に誘導するように構成されてもよい。外側層３００２は、幾つかの実施形態ではブレード２００８Ａの外面３００８の一部又は全体を画定してもよい。さらに、外側層３００２は、多孔質焼結金属材料のような多孔質材料を含んでいてもよい。したがって、コア３００４の中のチャネル３００６は、トランスピレーション流体を受け入れ、且つトランスピレーション流体を外側層３００２の中に誘導するように構成されてもよい。したがって、トランスピレーション流体は、タービン翼２００８Ａの外側層３００２を通して流れ、熱及び／又は微粒子との衝突からタービン翼を保護してもよいトランスピレーション層をタービン翼の外面３００８の周りに提供してもよい。これに関して、本明細書で開示されるシステムのタービン翼及び／又は他の構成部品は、トランスピレーション保護されてもよく、これはトランスピレーションが構成部品を冷却するかどうかに関係なくトランスピレーション流体がその表面の少なくとも一部に誘導されることを意味することを理解されたい。例えば、構成部品は、トランスピレーション流体の温度に関係なく微粒子又は他の物質との衝突から構成部品の表面を保護するトランスピレーション流体によってトランスピレーション保護されてもよい。逆に、構成部品は、構成部品を冷却する又は構成部品の加熱を低減させる障壁として作用するトランスピレーション流体によって付加的に又は代替的にトランスピレーション保護されてもよい。
【０１０３】
上記で説明されたように、トランスピレーション流体は、本明細書で説明されるシステム及び組立体に関連する他の構成部品に付加的に又は代替的に使用されてもよい。これに関して、図８は、燃焼器からタービンに燃焼生成物ストリームを送達するように構成される入口導管２００２Ａの一部の断面図を例証する。入口導管２００２Ａは、内側層４００２及び外側層４００４を備えてもよい。外側層４００４はシェルを含んでもよく、シェルは、入口導管２００２Ａに強度を提供するように構成される上記で説明されたように強い金属を含んでいてもよい。さらに、外側層４００４は、１つ又は複数のチャネル４００６を画定してもよい。チャネル４００６は、トランスピレーション流体を受け入れ、且つトランスピレーション流体を内側層４００２の中に誘導するように構成されてもよい。内側層４００２は、幾つかの実施形態では入口導管２００２Ａの内面４００８の一部又は全体を画定してもよい。さらに、内側層４００２は、多孔質焼結金属材料のような多孔質材料を含んでいてもよい。したがって、外側層４００４の中のチャネル４００６は、トランスピレーション流体を受け入れ、且つトランスピレーション流体を内側層４００２の中に誘導するように構成されてもよい。したがって、トランスピレーション流体は、入口導管２００２Ａの内側層４００２を通して流れてもよく、熱及び／又は微粒子との衝突から入口導管を保護してもよいトランスピレーション層を入口導管の内面４００８に提供する。
【０１０４】
図９で例証されるように、入口導管２００２Ｂの一実施形態では、断熱層４０１０及び第２の外側層４０１２が付加的に提供されてもよい。断熱層４０１０及び第２の外側層４０１２は、幾つかの実施形態では内側層４００２及び外側層４００４を取り囲んでもよい。断熱層４０１０は、その中により多くの熱を保持するように入口導管２００２Ｂを断熱してもよく、これは、使用されるシステムの効率を増加させる可能性がある。さらに、第２の外側層４０１２は、入口導管２００２Ｂに付加的な強度を提供してもよい。しかしながら、上記で説明された種々の材料層及び機能部は、燃焼器のような本明細書で説明されるシステム及び組立体の他の構成部品に付加的に又は代替的に使用されてもよい。
【０１０５】
図１０は、代替的実施形態に係るタービン翼２００８Ｂの長手方向の断面図を例証する。タービン翼２００８Ｂは、１つ又は複数のロッド５０１４のような１つ又は複数の補強部材を備えてもよい。ロッド５０１４は、タービン翼２００８Ｂに強度を提供するように構成される金属材料又は他の材料を含んでいてもよい。
【０１０６】
タービン翼２００８Ｂは、１つ又は複数のチャネル５００６をさらに画定してもよい。チャネル５００６は、トランスピレーション流体を受け入れ、且つトランスピレーション流体をタービン翼２００８Ｂを画定する材料の中に誘導するように構成されてもよい。これに関して、タービン翼２００８Ｂは、多孔質焼結金属材料のような多孔質材料を含んでいてもよい。したがって、タービン翼２００８Ｂの中のチャネル５００６は、熱及び／又は微粒子との衝突からタービン翼を保護してもよいトランスピレーション層をタービン翼の外面５００８に提供するために、トランスピレーション流体を受け入れ、且つタービン翼を通してトランスピレーション流体を誘導するように構成されてもよい。
【０１０７】
幾つかの実施形態では、タービン翼２００８Ｂは、タービン翼の後縁５０１８におけるトランスピレーション流体の流れよりも大きいタービン翼の前縁５０１６におけるトランスピレーション流体の流れを画定するように構成されてもよい。これは、前縁により大きい保護を提供する可能性があり、これは前縁がそうでなければタービン翼の残りの部分よりも粒子とより衝突しやすい傾向があるので望ましい場合がある。これに関して、タービン翼２００８Ｂの中の１つ又は複数のチャネル５００６は、後縁５０１８（例えば、チャネル５００６Ｂ参照）における１つ又は複数のチャネルのトランスピレーション流体入口面積よりも大きい前縁５０１６（例えば、チャネル５００６Ａ参照）におけるトランスピレーション流体入口面積を画定してもよい。代替的に、後縁よりも前縁においてより多くの数のチャネルが画定されてもよい。
【０１０８】
図１１〜図１３は、タービン翼２００８Ｃの代替的実施形態を例証する。例証されるように、タービン翼２００８Ｃは、１つ又は複数の内部リブ６０２０を備える一体構造を画定してもよい。内部リブ６０２０は、タービン翼２００８Ｃに強度を提供するように構成される補強部材として機能してもよい。内部リブ６０２０は、タービン翼２００８Ｃの外側層６００２及び／又はベース部材６０２２と一体に形成されてもよい。
【０１０９】
タービン翼２００８Ｃは、内部リブ６０２０によって分離されてもよい１つ又は複数のチャネル６００６を含んでもよい。チャネル６００６は、トランスピレーション流体を受け入れ（例えば、それにベース部材６０２２を取り付けるロータから）、且つ外側層６００２を通してトランスピレーション流体を誘導するように構成されてもよい。これに関して、タービン翼２００８Ｃは、多孔質焼結金属材料のような多孔質材料を含んでいてもよい。したがって、タービン翼２００８Ｃの中のチャネル６００６は、熱及び／又は微粒子との衝突からタービン翼を保護してもよいトランスピレーション層をタービン翼の外面６００８に提供するために、トランスピレーション流体を受け入れ、且つタービン翼の外側層６００２を通してトランスピレーション流体を誘導するように構成されてもよい。さらに例証されるように、タービン翼２００８Ｃの中のチャネル６００６は、後縁６０１８（例えば、チャネル６００６Ｂ参照）における１つ又は複数のチャネルのトランスピレーション流体入口面積よりも大きい前縁６０１６（例えば、チャネル６００６Ａ参照）におけるトランスピレーション流体入口面積を画定してもよい。したがって、幾つかの実施形態では、タービン翼２００８Ｃは、タービン翼の後縁６０１８におけるトランスピレーション流体の流れよりも大きいタービン翼の前縁６０１６におけるトランスピレーション流体の流れを画定するように構成されてもよい。
【０１１０】
図１４は、タービン翼２００８Ｄの付加的な実施形態の横方向の断面図を例証する。例証されるように、タービン翼２００８Ｄは、前縁７０１６における壁厚よりも大きい後縁７０１８における壁厚を画定する外側層７００２を備えてもよい。これに関して、タービン翼２００８Ｄは、多孔質焼結金属材料のような多孔質材料を含んでいてもよい。したがって、トランスピレーション流体は、熱及び／又は微粒子との衝突からタービン翼を保護してもよいトランスピレーション層をタービン翼の外面７００８に提供するために、外側層７００２を通して移動するようにタービン翼２００８Ｄを通して誘導されてもよい。外側層７００２の壁厚は前縁７０１６よりも後縁７０１８においてより大きいので、タービン翼２００８Ｄは、後縁におけるトランスピレーション流体の流れよりも大きい前縁におけるトランスピレーション流体の流れを画定してもよい。
【０１１１】
さらに、本明細書で開示される種々の実施形態に係るタービン翼は、タービン翼の根元と先端（例えば、図１３で例証されるタービン翼２００８Ｃの根元６０２６と先端６０２８参照）との間で変化する多孔率を画定してもよい。これに関して、幾つかの実施形態では、本明細書で開示されるタービン翼は、タービン翼の根元におけるトランスピレーション流体の流れよりも大きいタービン翼の先端におけるトランスピレーション流体の流れを画定するように構成されてもよい。これは、タービン翼に付加的な保護を提供してもよく、これは、タービン翼の先端がタービン翼上のあらゆる他の点よりも高い速度で動くので望ましい場合がある。
【０１１２】
例えば、図１５Ａは、タービン翼２００８Ｅの長手方向の断面図を概略的に例証する。例証されるように、タービン翼２００８Ｅは、根元８０２６と先端８０２８との間で異なる多孔率を画定する。特に、タービン翼２００８Ｅは、比較的より多くのトランスピレーション流体がタービン翼の根元ではなくタービン翼の先端で流出してもよいように根元８０２６よりも先端８０２８においてより多孔質である。これに関して、タービン翼２００８Ｅは、上述のようにそれを通してトランスピレーション流体を発散させるように構成される多孔質焼結金属材料のような多孔質材料を含んでいてもよい。例証されるように、幾つかの実施形態では、多孔質材料は、複数の層８０３０Ａ〜Ｄを画定してもよく、この場合、層の多孔率は根元から先端にかけて増加する。層８０３０Ａ〜Ｄは、異なる材料によって又は種々の程度に焼結されている同じ材料によって画定されてもよく、したがって、その多孔率は変化する。幾つかの実施形態では、層は一緒にラミネートされてもよいが、層は種々の他の方法で取り付けられてもよい。
【０１１３】
別の実施形態では、図１５Ｂで例証されるように、タービン翼２００８Ｅ’は、図１５Ｂに関して上記で説明されたように根元８０２６’と先端８０２８’との間で異なる多孔率を画定する。しかしながら、例証されるように、幾つかの実施形態では、多孔質材料は、多孔率勾配を画定してもよく、例えば、材料の多孔率は、８０２６’から先端８０２８’にかけて増加する。これに関して、材料の多孔率は、幾つかの実施形態では異なる多孔率を画定する別個の層が存在しない状態で種々の場所で変化してもよい。
【０１１４】
タービン翼に関する種々の他の構成が使用されてもよい。例えば、幾つかの実施形態では、タービン翼は、タービン翼の後縁におけるトランスピレーション流体の流れに実質的に等しい又はこれよりも少ない前縁におけるトランスピレーション流体の流れを画定するように構成されてもよい。さらに、幾つかの実施形態では、タービン翼は、タービン翼の根元におけるトランスピレーション流体の流れに実質的に等しい又はこれよりも少ない先端におけるトランスピレーション流体の流れを画定するように構成されてもよい。さらに、前縁と後縁との間の多孔率の変化はまた、根元と先端との間のトランスピレーション流れを制御することに関して説明したのと類似した方法でブレードの外へのトランスピレーション流体の流れを制御するのに用いられてもよい。
【０１１５】
したがって、例えば、タービン翼（又は他の構成部品）を画定する材料の多孔率は、根元と先端との間で増加する、根元と先端との間で減少する、ブレードの外側部分に対して中央において比較的より高く又はより低くなる、前縁から後縁にかけて増加又は減少するなどであってもよい。多孔率勾配又は多孔率層は、約１０％多孔率から約９０％多孔率まで、約２５％多孔率から約７５％多孔率まで、又は約１％多孔率から約２５％多孔率まで増加又は減少してもよい。
【０１１６】
したがって、トランスピレーション流体は、本明細書で開示されるシステム及び組立体の種々の構成部品を冷却する及び／又は他の方法で保護するように構成されてもよい。これに関して、図１６は、タービン翼９０６の外面９０４に対する１００μｍ灰粒子９０２に関する計算された軌道９００を例証する。灰粒子軌道９００は、タービン翼の外面９０４から２ｍ／秒で発散するＣＯ２トランスピレーション流体の流れ９０８と共にタービン翼９０６の方に７５ｍ／秒で最初に移動する灰粒子９０２に基づいてモデル化される。タービンの中の循環流体は、３００バール（３０ＭＰａ）及び７００℃であってもよい。例証されるように、トランスピレーション流体９０８は、灰粒子９０２がタービン翼９０６に接触してくるのを防ぐ。特に、灰粒子９０２は、タービン翼の外面９０４から約０．２ｍｍに来るように計算される。したがって、タービン翼９０６の侵食が回避される可能性がある。
【０１１７】
同様に、図１７は、燃焼器１００６の内面１００４に対する５０μｍ灰粒子１００２に関する計算された粒子軌道１０００の本開示に係る一例を例証する。灰粒子軌道１０００は、約３メートル毎秒の燃焼ガスの軸方向の流速、約９０％を超えるＣＯ２の燃焼ガス組成、約１，５００℃の燃焼ガス温度、約３００バール（３０ＭＰａ）の圧力、及び半径方向（例えば、軸方向の燃焼ガスの流れに垂直）に約１メートル毎秒のトランスピレーション流体１００８の半径方向のトランスピレーション流量のときの燃焼器１００６の内面１００４に対して垂直に５０ｍ／秒の速度で最初に移動する灰粒子１００２に基づいてモデル化される。例証されるように、トランスピレーション流体１００８は、灰粒子１００２が燃焼器１００６の内面１００４に接触してくるのを防ぐ。灰粒子１００２は、燃焼器１００６の内面１００４から約０．２ｍｍにだけ来るように計算される。したがって、燃焼器１００６の内面１００４の侵食が回避される可能性がある。
【０１１８】
以下の表１は、従来の発電所天然ガスタービン設計の作動に関する種々のパラメータを提供する。こうした典型的なタービン１１００の断面が図１８に示される。比較として、以下の表２は、本開示に係る高圧低速タービンの作動に関する同じパラメータを提供する。本開示に係る例示的なタービン１２００の断面が図１９に示される。従来のタービン１１００を本開示のタービン１２００と比較することでおそらく分かるように、本開示のタービンは、幾つかの実施形態では本開示のタービンが従来のタービンのタービン翼１１０８に比べて比較的より短いタービン翼２００８Ｆを使用することに起因して比較的より小さい直径を画定する可能性がある。これに関して、以下の表に示されるように、本開示のタービン１２００のタービン翼２００８Ｆは、幾つかの実施形態では従来のタービン１１００のタービン翼１１０８に比べて比較的より小さい平均内側半径（すなわち、ロータの中心２００６Ｆからタービン翼の根元まで）、平均外側半径（すなわち、ロータの中心からタービン翼の先端まで）、及び平均半径（内側半径及び外側半径の平均）を画定する可能性がある。また、本開示のタービン１２００は、従来のタービン１１００に比べて比較的より大きい長さ対直径比を画定する可能性がある。さらに、本開示のタービン１２００は、従来のタービン１１００よりも比較的多い数のタービン翼２００８Ｆを含む可能性がある。加えて、本開示のタービン１２００のロータ２００６Ｆの直径は、従来のタービン１１００のロータ１１０６の直径よりも小さい可能性がある。
【表１】
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【表２】
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【０１１９】
上記の説明で提示される教示の恩恵を有する本開示に関係する当業者には、本明細書に記載された本開示の多くの修正及び他の実施形態が想起されるであろう。したがって、本開示は開示された具体的な実施形態に限定されず、修正及び他の実施形態が付属の請求項の範囲内に含まれることが意図されることが理解される。本明細書で特定の用語が使用されるが、それらは限定する目的でではなく単に一般的及び記述的な意味で用いられる。
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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