(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気供給源（８）と、燃料供給手段（１２）と、前記空気供給源（８）及び前記燃料供給手段（１２）と流体連通関係にあって、触媒物質を被覆した燃料／空気プレナム（３８）を有する触媒反応器組立体（２０）とより成ると共に、
前記燃料／空気プレナム（３８）を貫通する冷却導管（３０）が、上流端部（４６）を有し、かつ、前記冷却導管（３０）は、前記空気供給源（８）と流体連通関係にあるが前記上流端部（４６）において前記燃料供給手段（１２）から隔離されており、
さらに、前記燃料／空気プレナム（３８）及び前記冷却導管（３０）と流体連通関係にある混合室（４４）と、前記空気供給源（８）及び前記燃料供給手段（１２）を介して供給される燃料／空気混合物を点火する手段（１６）とを備えた触媒燃焼器組立体（３）であって、
前記触媒反応器組立体（２０）は、外殻部（２４）及び細長い触媒コア（２１）を有し、
前記触媒コア（２１）は、前記外殻部（２４）から離隔されて、当該触媒コア（２１）と前記外殻部（２４）との間に、当該触媒コア（２１）を取り巻く第１のプレナム（３４）を形成し、
前記外殻部（２４）は、少なくとも１つの燃料入口（３７）及び少なくとも１つの空気入口（３６）を有し、
前記触媒コア（２１）は、複数の前記冷却導管（３０）が軸方向に貫通する燃料／空気プレナム（３８）を形成し、
前記燃料／空気プレナム（３８）は、第１のプレナム（３４）と流体連通関係にあり、
燃料及び空気が、前記燃料入口（３７）及び前記空気入口（３６）をそれぞれ介して前記第１のプレナム（３４）に導入されて、前記燃料／空気混合物を形成し、当該形成された燃料／空気混合物が、その形成後に前記燃料／空気プレナム（３８）を通過するように設定されている
ことを特徴とする触媒燃焼器。
【請求項２】
前記空気供給源（８）が、さらに、前記空気入口（３６）及び前記冷却導管（３０）の両方と流体連通関係にある
ことを特徴とする請求項１記載の触媒燃焼器。
【請求項３】
前記燃料／空気プレナム（３８）及び前記冷却導管（３０）が、それぞれ下流端部（４２）を有し、
前記燃料／空気プレナム（３８）の前記下流端部（４２）及び前記冷却導管（３０）の前記下流端部（４２）が、共に前記混合室（４４）と流体連通関係にある
ことを特徴とする請求項２記載の触媒燃焼器。
【請求項４】
前記燃料／空気混合物を点火する手段が、パイロット組立体（１６）であり、
前記混合室（４４）が、下流端部（４２）を有し、
前記下流端部（４２）が、前記パイロット組立体（１６）に隣接しており、
かつ前記下流端部（４２）は、前記パイロット組立体（１６）と流体連通関係にある
ことを特徴とする請求項３記載の触媒燃焼器。
【請求項５】
前記触媒コア（２１）が、内殻部（２６）、前記上流端部（４６）、及び内壁（３２）を有し、
前記触媒コア（２１）が、前記内壁（３２）の前記上流端部（４６）に、端板（２８）を有し、
前記内殻部（２６）、前記内壁（３２）、及び前記端板（２８）によって、前記燃料／空気プレナム（３８）が画定され、
前記冷却導管（３０）は、開いた前記上流端部（４６）及び開いた前記下流端部（４２）を有する複数の管状部材より成ると共に、
前記複数の管状部材の開いた上流端部（４６）は、前記端板（２８）を貫通して設けられている
ことを特徴とする請求項４記載の触媒燃焼器。
【請求項６】
前記管状部材の開いた上流端部（４６）が、前記空気供給源（８）と流体連通関係にある
ことを特徴とする請求項５記載の触媒燃焼器。
【請求項７】
前記触媒反応器組立体（２０）が、前記火炎領域（６０）を有し、
前記火炎領域（６０）が、前記混合室（４４）及び前記パイロット組立体（１６）の下流にあって、それらと流体連通関係にある
ことを特徴とする請求項６記載の触媒燃焼器。
【請求項８】
前記触媒燃焼器組立体（３）が、モジュール形の触媒燃焼器組立体であり、
かつ、前記モジール形の触媒燃焼器組立体は、複数のモジュラー形触媒反応器組立体であってその各々が前記外殻部（２４）、前記内殻部（２６ａ）、前記内壁（３２ａ）、及び２つの側壁（５２）を備えた複数のモジュラー形触媒反応器組立体を有するものであり、
前記内殻部（２６ａ）、前記内壁（３２ａ）、及び前記側壁（５２）が、前記燃料／空気プレナム（３８）を形成し、
前記燃料／空気プレナム（３８）が、前記空気供給源（８）及び前記燃料供給手段（１２）と流体連通関係にある
ことを特徴とする請求項５から７までのうちいずれか１項に記載の触媒燃焼器。
【請求項９】
請求項１から８までのうちいずれか１項に記載の触媒燃焼器における少なくとも触媒燃焼器組立体（３）を含んだ燃焼タービンであって、
圧縮機組立体（２）と、
前記触媒燃焼器組立体（３）と、
タービン組立体（５）と、
前記触媒燃焼器組立体（３）を取り囲んで前記圧縮空気プレナム（８）を画定する外側ケーシング（７）と、
前記圧縮機組立体（２）、前記圧縮空気プレナム（８）、前記触媒燃焼器組立体（３）、及び前記タービン組立体（５）を貫通する流路（１０）とより成る
ことを特徴とする燃焼タービン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【政府契約】
アメリカ合衆国政府は、エネルギー省との契約第ＤＥ−ＦＣ２１−９５ＭＣ３２２６７号に従って、本発明につき特定の権利を保持する。
【０００２】
【発明の背景】
【０００３】
【発明の分野】
本発明は、燃料タービンの触媒燃焼器に関し、さらに詳細には、複数の冷却空気用導管が燃料／空気混合物プレナムを貫通する濃厚点火過薄触媒燃焼ハイブリッド燃焼器に関する。
【０００４】
【背景情報】
一般的に、燃焼タービンは、３つの主要な組立体、即ち、圧縮機組立体、燃焼器組立体及びタービン組立体より成る。運転状態において、圧縮機は周囲空気を圧縮し、この圧縮状態の空気が燃料器組立体へ流入して燃料と混合される。燃料と圧縮空気の混合物が点火されると、加熱された作動ガスが発生する。加熱された作動ガスは、タービン組立体を通過中に膨張する。タービン組立体は、複数の静翼と回転動翼とを有する。回転動翼は中心軸に結合されている。タービン部分を通過する作動ガスの膨張により、動翼が回転し、それに従って中心軸が回転する。中心軸は発電機に連結されている。
【０００５】
通常、燃焼器組立体は、温度が２，５００乃至２，９００°Ｆ（１，３７１乃至１，５９３℃）の作動ガスを発生する。高温、特に約１，５００℃を超える温度では、作動ガス中の酸素と窒素が結合して、公知の汚染物質であるＮＯｘと総称される汚染物質ＮＯ及びＮＯ2を形成する。ＮＯｘの形成速度は火炎温度に従って指数関数的に増加する。従って、タービンエンジンの作動ガスの所与の温度において、ＮＯｘが最小限に抑えられるのは、燃焼器組立体中の火炎が均一な温度にある時、即ち、燃焼器組立体に高温スポットが存在しない時である。これを達成するには、全ての燃料を燃焼に利用できる全ての空気と予め混合して（低ＮＯｘ過薄予混合燃焼と呼ぶ）燃焼器組立体内の火炎温度が均一でＮＯｘの生成が減少するようにする。
【０００６】
過薄予混合燃焼の火炎は一般的に、混合が十分でない場合の火炎と比べると安定性が低いが、その理由は、十分に混合されていない火炎の高温領域は火炎の安定性を増加させるからである。過薄予混合燃焼の火炎を安定化する１つの方法は、燃焼領域の前に触媒の存在下で燃料／空気混合物の一部を反応させることである。触媒を利用するには、燃料／空気混合物を触媒物質または触媒床上を通過させて混合物の一部を予め反応させて、燃焼器組立体内の下流の場所での燃焼の安定化に資するラジカルを発生させる。
【０００７】
従来技術の触媒燃焼器は、触媒の前に燃料と空気とを完全に混合するものである。これにより、燃料過薄混合物が触媒へ送られる。しかしながら、燃料過薄混合物では、典型的な触媒物質は圧縮機出口温度では活性を示さない。そのため、触媒の前に空気を加熱するためのプリバーナーが必要となるが、これによりコストが増加し設計が複雑になるだけでなくＮＯｘ放出物が発生する（例えば、米国特許第５，８２６，４２９号を参照されたい）。従って、ＮＯｘを減少させるように燃料過薄混合物を燃焼させるが、燃料濃厚混合物を触媒床に通過させるためのプリバーナーは不要である燃焼器組立体を提供するのが望ましい。
【０００８】
触媒を使用する１つの問題点は、触媒は高温に曝されると劣化し易いことである。高温は、触媒と燃料との反応、触媒床内の予点火及び／または下流の燃焼領域から触媒床内に延びるフラッシュバック点火により生じる。従来技術の触媒床は、触媒床内の温度を低下させるために触媒床を貫通する冷却導管を備えている。冷却導管には触媒物質は存在せず、燃料／空気混合物の一部は未反応の状態で冷却導管を通過できる。燃料／空気混合物の別の部分は、触媒床上を流れてその触媒床と反応する。その後、燃料／空気混合物の２つの部分が結合する。未反応の燃料／空気混合物は、燃料と触媒の反応及び／または触媒床内の点火またはフラッシュバックにより生じる熱を吸収する。例えば、米国特許第４，８７０，８２４号及び４，５１２，２５０号を参照されたい。
【０００９】
かかる冷却システムの問題点は、冷却導管が燃料／空気混合物より成るガスを利用することである。この燃料／空気混合物は冷却導管内で過早点火し易い。かかる過早点火が生じると、燃料／空気混合物の熱吸収能力が損なわれて触媒床が過熱状態となる。
【００１０】
従って、冷却流体として燃料／空気混合物に依存しない冷却手段を有する燃焼タービン用触媒反応器が求められている。
【００１１】
さらに、冷却流体通路内でガスが点火する可能性のない燃焼タービン用触媒反応組立体が求められている。
【００１２】
触媒の性能をプリバーナーが最早必要とされない点まで改善した触媒反応器が求められている。
【００１３】
さらに、既存の燃焼器を改造して取付けることが可能な触媒反応器が求められている。
【００１４】
【発明の概要】
上記及び他の要望は、冷却導管が燃料／空気プレナムを貫通する触媒反応器組立体を提供する本発明により充足される。冷却導管は空気供給源と流体連通関係にある。冷却導管の外側表面及び燃料／空気プレナムの内側表面には、触媒物質が被覆してある。燃料／空気プレナム及び冷却空気導管はそれぞれ、下流端部が混合室と流体連通関係にある。従って、燃料濃厚燃料／空気混合物は燃料／空気プレナムを通過する。空気は冷却導管を通過する。燃料／空気混合物と冷却用空気が混合すると、燃料過薄予混合ガスが生じる。燃料過薄予混合ガスが点火されると、ＮＯｘの量を減少させる作動ガスが発生する。
【００１５】
燃料／空気プレナムは、内側シュラウドと、燃料／空気混合物プレナムの下流端部とは反対側に位置する端板とにより形成される。第１のプレナムは燃料／空気プレナムを取囲んでいる。第１のプレナムは燃料供給源及び空気供給源と流体連通関係にある。空気供給源は、冷却導管へ空気を供給するのを同じ供給源でよい。混合室の下流端部には、火炎室と点火組立体とがある。
【００１６】
触媒反応器組立体を、圧縮機組立体、燃焼器組立体及びタービン組立体より成る燃焼タービンの燃焼器組立体に組み込むことができる。通常、燃焼タービンは、複数の燃焼器組立体を取囲む外殻部を有する。この外殻部は、圧縮機組立体と流体連通関係にある圧縮空気プレナムを形成する。燃焼器組立体の下流端部には移行部があり、これらは圧縮空気プレナム内に取囲まれ、またタービン組立体に結合されている。
【００１７】
触媒部分に燃料濃厚混合物を送り込むのは、幾つかの理由により有利である。例えば、触媒は、より多くの燃料が触媒物質と接触するため、活性度が増加する。これにより、触媒は圧縮機の出口における空気の温度より低い温度で活性状態となることができる。従って、燃料／空気混合物を予熱するために触媒の上流にプリバーナーを設ける必要がない。さらに、触媒領域を酸素が過薄な環境にすると、反応する燃料の量を制御できる。反応する燃料が少なければ、発生する熱が減少するため、触媒床の温度が制限される。
【００１８】
動作については、圧縮機組立体が周囲空気を圧縮し、圧縮空気が圧縮空気プレナムへ送られる。圧縮空気プレナム内の圧縮空気は少なくとも２つの部分に分けられる。第１の部分は第１のプレナムへ流入し、第２の部分は冷却導管を流れる。第３の部分はパイロット組立体へ送ってもよい。第１のプレナム内では、燃料供給源から燃料が導入されて第１の圧縮空気流と混合され、燃料濃厚燃料／空気混合物が形成される。燃料濃厚燃料／空気混合物は、冷却空気導管を取囲む燃料／空気プレナムへ送られ、触媒物質と接触する。燃料濃厚燃料／空気混合物は、触媒物質を反応して混合室へ送られる。圧縮空気の第２の部分は、冷却室へ流入し、触媒反応による熱を吸収する。その後、圧縮空気の第２の部分は混合室へ流入し、そこで加熱された燃料／空気混合物と混合されて、予点火ガスを発生させる。結合された予点火ガスは空気を過剰に含む。従って燃料過薄状態である。燃料過薄予点火ガスは火炎領域へ送られ、そこで自己点火するかまたはパイロット組立体により点火されて作動ガスを発生させる。作動ガスは、移行領域を流れてタービン組立体へ送られる。
【００１９】
【好ましい実施例の詳細な説明】
当該技術分野でよく知られているように、また図１に示すように、燃焼タービンは、圧縮機組立体２、触媒燃焼組立体３、移行部４及びタービン組立体５を有する。流路１０は圧縮機２、触媒燃焼組立体３、移行部４及びタービン組立体５を延びる。タービン組立体５は、中心軸６により圧縮機組立体２に機械的に結合されている。通常、外側ケーシング７が複数の触媒燃焼器組立体３及び移行部４を包囲する。外側ケーシング７は圧縮空気プレナム８を形成する。触媒燃焼器３及び移行部４は圧縮空気プレナム８内にある。触媒燃焼器３は、中心軸６の周りに円周方向に配設するのが好ましい。
【００２０】
動作については、圧縮機組立体２が周囲空気を取り込んで圧縮する。圧縮空気は流路１０を流れて、ケーシング７により画定される圧縮空気プレナム８へ流入する。圧縮空気プレナム８内の圧縮空気は触媒燃焼器組立体３へ流入し、後述するように、燃料と混合した後、点火され、作動ガスを発生させる。作動ガスは、触媒燃焼器組立体３から移行部４を通ってタービン組立体５へ流入する。タービン組立体５内において、作動ガスは、軸６に固着された一連の回転動翼９及び静翼１１を通過中に膨張する。作動流体がタービン組立体５を通過すると、動翼９と軸６が回転して機械的な力を発生させる。タービン５は、発電を行うために発電機に結合可能である。
【００２１】
図２に示すように、触媒燃焼器組立体３は、燃料供給源１２、支持フレーム１４、パイロット組立体１６、燃料導管１８及び触媒反応器組立体２０を有する。触媒反応器組立体２０は、触媒コア２１、入口ノズル２２及び外殻部２４を有する。触媒コア２１は、内殻部２６、端板２８、複数の冷却導管３０及び内壁３２を有する。触媒コア２１は、点火器組立体１６の周りに軸方向に配設された細長い環状面体である。内壁３２は、点火器組立体１６に隣接している。内殻部２６及び内壁３２はそれぞれ、燃料／空気プレナム３８内に位置する内側表面２７、３３を有する（後述する）。
【００２２】
外殻部２４は内殻部２６と離隔関係にあるため、第１のプレナム３４が形成される。第１のプレナム３４は圧縮空気入口３６を有する。圧縮空気入口３６は、好ましくは圧縮空気プレナム８である空気供給源と流体連通関係にある。燃料入口３７は外殻部２４を貫通している。燃料入口３７は空気入口３６の下流に位置する。燃料入口３７は燃料導管１８と流体連通関係にある。燃料導管は燃料供給源と流体連通関係にある。
【００２３】
燃料／空気プレナム３８は、端板２８、内殻部２６及び内壁３２により画定される。内殻部２６上には、第１のプレナム３４と燃料／空気プレナム３８とを流体連通関係にする少なくとも１つの燃料／空気混合物用入口４０がある。燃料／空気プレナム３８の下流端部４２は混合室４４と流体連通関係にある。
【００２４】
複数の冷却導管３０はそれぞれ、第１の端部４６及び第２の端部４８を有する。各冷却導管の第１の端部４６は端板２８を貫通し、入口ノズル２２と流体連通関係にある。上流の端部である冷却導管の第１の端部４６は、燃料入口３７から隔離されている。従って、燃料は冷却導管３０の第１の端部４６へ流入できない。各冷却導管の第２の端部４８は混合室４４と流体連通関係にある。冷却導管３０は、内側表面２９及び外側表面３１を有する。冷却導管の外側表面３１には、白金またはパラジウムのような触媒物質が固着されている。さらに、触媒物質を内殻部２６の内側表面２７及び内壁３２の内側表面３３に固着してもよい。従って、燃料／空気プレナム３８内の表面は、一般的に、触媒物質が被覆してある。好ましい実施例において、冷却導管は管状部材である。しかしながら、冷却導管３０は任意の形状でよく、プレートのような部材で構成することも可能である。
【００２５】
混合室４４の下流端部４９は、火炎領域６０と流体連通関係にある。火炎領域６０はまた、パイロット組立体１６と流体連通関係にある。
【００２６】
パイロット組立体１６は、環状通路１５を画定する外壁１７を有する。環状通路１５は、圧縮空気プレナム８と流体連通関係にある。パイロット組立体１６はさらに、燃料導管１８と連通関係にある。パイロット組立体１６は、環状通路１５からの圧縮空気と、導管１８からの燃料とを混合して、その混合物をスパーク点火器で点火する。環状通路１５内の圧縮空気は、環状通路１５内の翼により渦流状態となる。渦流の角度モーメントにより、パイロット組立体１６の中心線に沿って低圧領域を有する渦が発生する。火炎領域６０からの高温の燃焼生成物は、低圧領域に沿って上流に再循環され、入来燃料空気混合物を連続して点火することにより安定したパイロット火炎を発生させる。あるいは、スパーク点火器をパイロット火炎が不安定である時に用いてもよい。
【００２７】
動作については、圧縮空気プレナム８のような空気供給源からの空気は少なくとも２つの部分に分割されるが、流路１０内の圧縮空気の約１０乃至２０％である第１の部分が空気入口３６を通って第１のプレナム３４へ流入する。流路１０内の圧縮空気の約７５乃至８５％を占める空気の第２の部分は、入口２２を通って冷却導管３０へ流入する。流路１０内の圧縮空気の約５％である空気の第３の部分は、パイロット組立体１６を流れる。
【００２８】
空気の第１の部分は第１のプレナム３４へ流入する。第１のプレナム３４内において、圧縮空気は第１の入口３７から第１のプレナム３４へ流入する燃料と混合され、燃料／空気混合物が生じる。この燃料／空気混合物は、燃料が濃厚な混合物であるのが好ましい。燃料濃厚燃料／空気混合物は、燃料／空気入口４０を通って燃料／空気プレナム３８へ流入する。第１のプレナム３４の燃料濃厚燃料／空気混合物は、燃料／空気プレナム３８へ流入する。燃料／空気混合物は、導管の外側表面３１、内殻部の内側表面２７及び内壁の内側表面３８上の触媒物質と反応する。反応済みの燃料／空気混合物は、燃料／空気プレナム３８を出て混合室４４へ流入する。
【００２９】
空気の第２の部分は、入口２２を通過して冷却導管の第２の端部４６へ流入し、これらの冷却導管３４を通って冷却導管の第２の端部４８へ流れる。冷却導管３０を通過した空気も混合室４４へ流入する。空気は、導管３０を流れる際、燃料／空気混合物と触媒物質との反応により発生する熱を吸収する。混合室４４内において、反応済み燃料／空気混合物と圧縮空気とはさらに混合されて燃料過薄予点火ガスを発生させる。燃料過薄予点火ガスは、混合室の下流端部４９を出て火炎領域６０へ流入する。火炎領域６０内において、燃料過薄混合ガスはパイロット組立体１６により点火され、作動ガスを発生させる。
【００３０】
触媒物質を使用するため、燃料／空気プレナム３８内でＮＯｘがほとんど発生しないように燃料濃厚燃料／空気混合物を比較的低い温度で制御して反応させることができる。燃料の一部と空気とが反応して燃料／空気混合物が予熱されるため、火炎領域６０内の下流側の火炎安定化に役立つ。燃料濃厚混合物が圧縮空気の第２の部分の空気と結合されると、燃料過薄予点火ガスが発生する。予点火ガスは燃料過薄状態であるため、燃焼器組立体により発生するＮＯｘの量が減少する。冷却導管３０を通過するのは圧縮空気だけであるため、燃料空気混合物が冷却導管３０内で点火される可能性はない。従って、冷却導管３０は常に燃料／空気プレナム３８から熱を取り去るのに有効であり、それにより触媒物質の作用寿命が延びる。
【００３１】
図３に示すように、触媒反応器組立体を分割して中心軸１００の周りに位置するモジュール５０にすると、組立が容易になる。各モジュール５０は、内殻部２６ａ、内壁３２ａ及び側壁５２、５４を有する。複数の冷却導管３０ａは、内殻部２６ａ、内壁３２ａ及び側壁５２、５４により取囲まれている。各モジュールはまた、端板２８、外殻部２４ａ及び燃料入口３７ａを有する。図示のように、６個のモジュール５０は、軸１００を中心とするほぼ六角形状である。もちろん、種々の形状の任意の数のモジュール５０を用いてもよい。
【００３２】
本発明の特定の実施例を詳細に説明したが、当業者は、本願の記載全体に鑑みて種々の変形例及び設計変更を想到できるであろうことがわかる。例えば、触媒コアをパイロット組立体を中心として円周方向に位置するものとして示したが、この触媒コアをパイロット組立体のただ一方の側に配置してもよい。従って、図示説明した特定の構成は例示的であって本発明の範囲を限定するものでなく、その範囲は頭書の特許請求の範囲及び任意且つ全ての均等物の全幅を与えられるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、燃焼タービンの断面図である。
【図２】  図２は、図１に示す燃焼器組立体の詳細な部分断面図である。
【図３】  図３は、中心軸の周りに位置するモジュール形触媒コアを示す斜視図である。
【図１】
0004772269.tif 000002
【図２】
0004772269.tif 000003
【図３】
0004772269.tif 000004