(57)【要約】【課題】  相当な量の捕捉空間を必要とせずに、燃料の使用可能な冷却性能を増加させるために溶解酸素を除去するガスタービン機関用燃料給送システムを開発すること。【解決手段】  エネルギー変換装置用燃料給送システムは、溶解酸素を除去し、燃料の使用可能な冷却性能を増大させる燃料脱酸素器及び酸素捕捉剤モジュールを含む。燃料脱酸素除去装置から出現する燃料は、酸素捕捉モジュールに流れ込む。ここでは、酸素の第１部分より少ない第時２部分が燃料から除去される。酸素捕捉剤と燃料脱酸素器の組合せは、何れかの装置の使用に関する溶解酸素の除去の増加を単独で与える。この組合せは、装置寸法の対応する増加の無い燃料脱酸素化の所望の増加を与える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギー変換組立体であって、
燃料から酸素の第１部分を除去する燃料脱酸素器と、
前記燃料から酸素の第２部分を除去するために前記燃料脱酸素器と直列な酸素捕捉剤モジュールと、を備える組立体。
【請求項２】
前記エネルギー変換組立体は、
インテークエアーを圧縮する圧縮機を含むガスタービンと、
圧縮されたインテークエアーで燃料を燃焼させる燃焼装置と、
前記燃焼装置と流体連通する回転タービンを具備するタービン部分と、
を備える、請求項１に記載の組立体。
【請求項３】
前記燃料脱酸素器は、燃料通路を流れる燃料に接する浸透性薄膜を備える、請求項１に記載の組立体。
【請求項４】
前記浸透性薄膜の燃料側に配置されたポリテトラフルオロエチレンコーティングを備える、請求項３に記載の組立体。
【請求項５】
非燃料側の前記浸透性薄膜を支持する多孔質基板を備える、請求項３に記載の組立体。
【請求項６】
前記燃料から溶解酸素を抜き出すために、前記浸透性薄膜の燃料側と前記非燃料側との間に部分的圧力差を創出するために、前記多孔質基板と連通する真空源を備える、請求項５に記載の組立体。
【請求項７】
前記燃料から溶解酸素を抜き出すために、前記浸透性薄膜の燃料側と前記非燃料側との間で部分的圧力差を創出するために、前記多孔質基板と連通するストリップガス通路を備える、請求項５に記載の組立体。
【請求項８】
前記燃料脱酸素器は前記燃料内の酸素と反応する触媒材料を備える、請求項１に記載の組立体。
【請求項９】
前記触媒材料は、非コークス形成物を形成するために前記燃料と反応を開始する、請求項８に記載の組立体。
【請求項１０】
前記酸素捕捉剤モジュールは酸素吸着剤材料を備える、請求項１に記載の組立体。
【請求項１１】
前記酸素吸着剤材料は再生可能である、請求項１に記載の組立体。
【請求項１２】
前記酸素吸着剤材料はポリマーからなる、請求項１０に記載の組立体。
【請求項１３】
前記酸素捕捉剤モジュールは、前記酸素吸着剤材料を含む交換可能な部分を備える、請求項１０に記載の組立体。
【請求項１４】
前記燃料脱酸素器は前記酸素捕捉剤モジュールより前記燃料から大量の溶解酸素を除去する、請求項１に記載の組立体。
【請求項１５】
燃料給送システムであって、
燃料の熱吸収能力を増加させるために溶解酸素の第１部分を除去する燃料脱酸素器と、
前記燃料脱酸素器を出る燃料から溶解酸素の第２部分を除去する酸素捕捉剤モジュールと、を備えるシステム。
【請求項１６】
前記燃料脱酸素器は、燃料通路を流れる燃料に接する浸透性薄膜を備える、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記浸透性薄膜の燃料側に配置されたポリテトラフルオロエチレンコーティングを備える、請求項１６に記載のシステム
【請求項１８】
非燃料側の前記浸透性薄膜を支持する多孔質基板を備える、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１９】
前記燃料から溶解酸素を抜き出すために、前記浸透性薄膜の燃料側と前記非燃料側との間に部分的圧力差を創出するために、前記多孔質基板と連通する真空源を備える、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記燃料から溶解酸素を抜き出すために、前記浸透性薄膜の燃料側と前記非燃料側との間に部分的圧力差を創出するために、前記多孔質基板と連通するストリップガス通路を備える、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２１】
前記ｂ）段階は、酸素吸収剤材料に隣接して燃料を流すことを備える、請求項２１に記載の方法。
【請求項２２】
前記ｂ）段階は、酸素吸収剤材料に隣接して燃料を流すことを備える、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記燃料から酸素を拡散させるために、多孔質基板によって非燃料側に浸透性薄膜を支持することと、前記浸透性薄膜の燃料側と前記非燃料側との間に部分的圧力差を創出することと、を備える、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記燃料を触媒材料に露出させ、かつコークス形成物の形成を阻止する反応を開始させる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
交換可能なモジュールを酸素吸着剤材料で充填し、かつ前記モジュールを燃料流れに隣接して配置する、請求項２２に記載の方法。
【請求項２６】
前記第２燃料脱酸素器によるより、前記第１燃料脱酸素器によって大量の溶解酸素を除去する、請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、エネルギー変換装置用燃料給送システム、および特に燃料の使用可能な冷却性能を増加させるために溶解酸素を除去するための燃料脱酸素器と、酸素捕捉剤モジュールと、を含む燃料給送システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービン機関は、航空機及び発電用途で、通常、使用されるエネルギー変換装置である。ガスタービン機関は、通常、圧縮装置、燃焼装置、及びタービンを含む。圧縮装置に入る空気は圧縮され、燃焼装置に向けて導かれる。燃料は高圧空気と混合されて点火される。燃焼装置で生じた燃焼ガスはタービンを駆動する。
【０００３】
航空機搭載の様々なシステムに冷却媒体として燃料を使用することは一般的な方法である。特定燃料の使用可能な冷却能力は、「コークス」と呼ばれる溶解不能な生成物の形成によって制限される。コークス被着物の構成は空気への先の露出により、燃料内に存在する溶解酸素の量に依存する。燃料内に溶解した酸素の量を減らすことは、コークス被着速度を減じ、最大許容温度を増加させる。
【０００４】
出願人に譲渡された２つの従来技術特許は、燃料システム内に配置されたガス浸透性薄膜を使用して溶解酸素除去装置を開示する（例えば、特許文献１及び２参照）。浸透性薄膜に沿った燃料通路として、燃料中の酸素分子はガス浸透性薄膜に亘って燃料から拡散する。浸透性薄膜に亘る酸素部分圧差は燃料から酸素を追い出す。これは影響を受けず、かつ薄膜を通過する。
【特許文献１】米国特許第６，３１５，８１５号明細書
【特許文献２】米国特許第６，７０９，４９２号明細書
【０００５】
別の燃料脱酸素除去装置は、燃料流れに露出した触媒材料を利用する。燃料内で溶解酸素が他の成分と結合してコークス生成物を形成するのを阻止するために、触媒材料は燃料成分と反応を開始する。触媒材料は、燃料給送システム内のコークス前駆物質を形成する成分を形成せしめる。
【０００６】
酸素捕捉剤の使用によって燃料から溶解酸素を除去することも知られている。酸素捕捉剤は、溶解酸素を除去するための無機材料である。酸素捕捉剤は、無毒で、非可燃性で、容易に再生成される、ほとんど不活性な材料である。しかしながら、航空機に搭載した燃料脱酸素処理に必要な酸素捕捉剤の量は非実用的である。
【０００７】
燃料から除去し得る溶解空気が多くなればなるほど、コークス被着形態より前の燃料温度が高くなり、及び有用な使用可能な冷却能力が高くなる。不利なことに、燃料脱酸素器の寸法は、酸素除去のための要件と共に不釣り合いに増加する。９０%から９９%への酸素除去の増加は、脱酸素記寸法がほぼ２倍になることを要する。理解されるように、航空機に搭載された空間は制限されており、装置寸法の如何なる増加も全体的な配置及び操作に影響を与える。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って、相当な量の捕捉空間を必要とせずに、燃料の使用可能な冷却性能を増加させるために溶解酸素を除去するガスタービン機関用燃料給送システムを開発することは望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、溶解酸素を除去し、燃料の使用可能な冷却性能を増加させる燃料脱酸素器及び酸素捕捉剤モジュールを含むエネルギー変換装置用燃料給送システムである。
【００１０】
本発明の燃料給送システムは燃料脱酸素器及び酸素捕捉剤モジュールを含む。燃料給送システムを通って流れる燃料は、燃料脱酸素装置を通って流れる。燃料脱酸素除去装置は、燃料から酸素の第１部分を除去する。
【００１１】
燃料脱酸素除去装置から出現する燃料は、酸素捕捉モジュール内に流れ込む。そこでは、第１部分より少ない酸素の第２部分が燃料から除去される。酸素捕捉剤から出現する燃料は、溶解酸素が何れも実質的に無い。実質的に酸素が無い燃料が、別のシステムから熱を吸収するための熱交換器を通って流れる。溶解酸素の除去は、燃料の搾取可能な冷却能力を増加させる。これは、次には全面的なエンジン効率を増加させる、増大したエンジン温度を与える。
【００１２】
酸素捕捉剤と燃料脱酸素器の組合せは、何れかの装置のみの使用に関する溶解酸素の除去の増加を与える。組合せによって除去された、溶解空気の割合を除去することができる燃料脱酸素器又は酸素捕捉剤モジュールの寸法は最適ではない。組合せは、装置寸法の対応する増加の無い、燃料脱酸素化の所望の増加を与える。
【００１３】
従って、本発明の燃料給送システムは、相当な量の更なる空間を必要とせずに、燃料の増大した使用可能な冷却性能に帰着する、溶解酸素の増大した量の除去を与える。
【００１４】
本発明の様々な特徴及び利点は、現在好ましい実施形態の以下詳細な説明から、当業者には自明となる。詳細な説明に付随する図面は以下のように簡単に説明することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１を参照すると、ガスタービン機関組立体１０は圧縮装置１２、燃焼装置１４、及びタービン１６を含む。圧縮装置１２に入る気流１８は、高圧に圧縮され、燃焼装置１４に向けて導かれる。燃焼装置１４では、燃料は高圧空気と混合され且つ点火される。機関１０から排出された、結果として生じた熱間燃焼ガス１５はタービン１６を駆動する。燃料は燃料給送システム２０によって燃焼装置１４に給送される。ガスタービン機関１０は図示されるが、当業者に知られた他のエネルギー変換組立体は本発明を適用することから利益を得るであろう。
【００１６】
本発明の燃料給システム２０は燃料脱酸素器２２及び酸素捕捉剤モジュール２４を含む。燃料システム２０は、略字的に参照符号３２で示す他のシステムからの熱を拒絶する熱交換器２６を含む。別のシステムは、冷却空気又は機関１０を通じて循環する他の流体を冷却を含み得る。特定の冷却要求は、熱交換器２６の形状構成を規定する。この開示の利益によって、当業者は、本発明によって提供される、増大した冷却能力を利用する熱交換器２６及び燃料システム２０の構成方法を理解するであろう。
【００１７】
図２を参照すると、本発明による燃料脱酸装置２２′は、燃料入口４６及び出口４８を規定するハウジング４０を含む。複数の燃料プレート４２は燃料通路４４を画定するためにハウジング４０内に積み重ねられる。燃料プレート４２は複合浸透性薄膜７３を含む。真空出口５０は、燃料プレート４２及び真空源８２と連通する。溶解酸素を含む燃料は入口４６に入り、燃料通路４４から流出する。燃料内の酸素は、真空源８２によって創出された酸素部分圧差による追い出し力下で複合浸透性薄膜７３を通じて拡散する。燃料流れから除去された酸素５２は真空出口５０から排出され、かつ流出する。
【００１８】
図３を参照すると、本発明による燃料脱酸素装置２２′′は、燃料入口６８及び燃料出口７０を画定するハウジング６０を含む。複数の管状部材６２は、ハウジング６０内に配置され、かつストリップガス８０のために通路６４を形成する。ハウジング６０に入る燃料は、管状部材６２を越え、及び該管状部材の周りに流れる。管状部材６２の各々は、燃料から通路６４内への酸素を抽出する複合浸透性薄膜７３を含む。ストリップガス８０は、浸透性薄膜７３に亘る酸素分圧差を創出する通路６４を流過する。分圧差は、燃料から、及び浸透性薄膜７３を通じて酸素を駆動する。その後、除去された酸素は、装置２２′から排出され、ストリップガスから除去される。
【００１９】
図４を参照すると、複合浸透性薄膜７３は横断面で示され、かつ好ましくは多孔質裏当て７２上に配置された浸透層７４を含む。多孔質裏当て７２は浸透層７４用に要求された支持構造体を供給する一方で、燃料から最大の酸素拡散を可能にする。浸透層７４は多孔質裏当て７２で被覆され、２つの間の機械的結合が形成される。浸透層７４は、好ましくは、０．２５μｍの孔径を有するポリビニリデンフロオロライド（ＰＶＤＦ）の０．００５インチ厚の多孔質裏当て７２上のテフロン（登録商標）ＡＦ２４００の０．５〜２０μｍの被覆である。異なる材料、厚さ、及び孔径の他の支持体を、必要な強度及び開放度を与えるために使用し得る。好ましくは、浸透層７４はデュポン社のテフロン（登録商標）ＡＦアモルファスフッ素共重合体である。しかしながら、Ｓｏｌｖａｙ社のＨｙｆｌｏｎ（登録商標）ＡＤ過フッ化ガラス質重合体及び旭ガラスのＣＹＴＯＰ（登録商標）ポリペルフルオロブテニルビニルエーテルのような、当業者には周知の他の材料は本発明の範囲内にある。複合浸透性薄膜７３の各々は多孔質基板７６上に支持される。複合浸透性薄膜７３に亘って酸素分圧差を創出するために、多孔質基板７６は真空源８２と連通する。
【００２０】
作動に当たって、部分圧差は、浸透性薄膜７３の非燃料側７５と燃料側７７との間の真空源８２によって創出される。矢印８０で示した酸素は、複合浸透性薄膜７３に亘って、かつ多孔質基板７６内に燃料２８から拡散する。多孔質基板７６から酸素８０は抽出され且つ燃料システムから外部に排出される。
【００２１】
図５を参照すると、本発明による別の燃料脱酸素器２２′′が概略的に示され、燃料２８の流れ内の支持構造体８６上に支持された触媒を含む。触媒材料８４は、コーク生成物を形成しそうでない燃料内の成分との反応を促進する。触媒材料８４は、銅、ニッケル、クロミウム、プラチナ、モリブデン、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、パラジウム、及びこれらの材料の任意の組合せのような金属とし得る。さらに、触媒材料３６は沸石ともし得る。この開示の利益を有する当業者は、コークス先駆物を形成せずに溶解酸素を消費するのに必要な触媒の特定成分を理解する。
【００２２】
好ましくは、触媒材料８４は、燃料脱酸素器２２′′′内に配置されたハニカム構造体８６上に支持される。しかしながら、触媒材料は、細礫、押出し物、一体物、あるいは他の周知の触媒支持構造体上に支持し得る。
【００２３】
燃料脱酸素器２２の実施形態を図示し且つ説明したが、この適用の利益を有する当業者には、燃料脱酸素器の他の配置が本発明の考慮内にあることが解るであろう。
【００２４】
燃料脱酸素装置２２の寸法は要求される酸素除去量に依存する。燃料脱酸素装置２２の寸法は、酸素除去要求の増加につれて不釣り合いに増加する。例えば、酸素の除去パーセントを９０％から９９％に増加させることは、燃料脱酸素装置２２の寸法の実質的に２倍にすることを要する。酸素が燃料から除去される時、酸素圧力差は指数関数的に減少する。利用可能な酸素圧力差のこの減少は、燃料脱酸素器２２で除去し得る酸素量を減じる。
【００２５】
本発明の燃料給送システムは酸素捕捉剤モジュール２４と燃料脱酸素器２２を組み合わせる。燃料内の残りの酸素を除去するために、酸素捕捉剤モジュール２４は燃料脱酸素器２２後の燃料流れ２８内に配置される。
【００２６】
図６を参照すると、酸素捕捉剤モジュール２４は、酸素吸収剤材料２５を含むモジュール２７を受容するハウジング２３を含む。酸素吸収剤材料は溶液及び容器から酸素を除去するのに使用することが知られている。酸素吸収剤材料は、不活性生成物を形成するのに存在する酸素で反応を始めることにより酸素を除去する。酸素吸収剤材料２５は当業者に知られた任意のタイプとし得る。例えば、ビーズ材料の形態をしている酸素捕捉ポリマー、あるいは、燃料流れ内に配置された支持構造体に結合された塩類である。この開示の利益を有する当業者は、酸素捕捉材料の選択が用途に依存していることが解る。そして、何れか周知の酸素捕捉剤材料の用途は本発明の範囲内である。
【００２７】
酸素吸収剤材料は、通常、不活性で、無毒で、非可燃性で、再生可能である。望ましくないコーキングを阻止するために、燃料から酸素を十分な量だけ除去するにはかなりの量が要求されるという不利点がある。したがって、酸素捕捉モジュール２４は、燃料から酸素の一部のみを除去する燃料脱酸素装置２２の後に配置される。
【００２８】
好ましくは、酸素捕捉モジュール２４は、燃料に含まれていた酸素の約１０％を除去するために十分な量の酸素吸収剤材料を含む。燃料脱酸素除去装置２２は溶解酸素の約９０％を除去するように構成される。従って、要求される酸素吸収剤材料２５の量は、実際、所望の存続期間後に交換し得るモジュール２７内に実際に設置するに十分小さい。例えば、１０００ガロン/時で流れる燃料システムから溶解酸素の１０％を除去することは、２０時間毎に約４２５グラムの酸素を吸収しなければならない。１０キログラムの酸素吸収剤材料は所望量の酸素を除去するために要求される。理解し得るように、これは実例であり、この開示の利益を有する当業者は、特定用途に必要な吸着剤材料の量を決定する方法が解る。
【００２９】
図１を参照すると、運転時に、燃料給送システム２０は燃料脱酸素除去装置２２を通って流れる。燃料脱酸素除去装置２２は、燃料２８から酸素８０の第１部分を除去する。浸透性薄膜７３(図４)に亘って部分酸素圧差を含む。燃料脱酸素処理装置２２から出現する燃料は、酸素捕捉モジュール２４に流れ込む。ここでは、酸素の第１部分より少ない酸素の第２部分が燃料２８から除去される。その後、酸素捕捉剤２４から出現する燃料は、熱交換器２６、あるいは熱を吸収する他の伝熱装置によって迂回させることができる。燃料からの溶解酸素の除去は、燃料の開発可能な冷却能力を増加させる。これは、次いで、機関を操作する全体的な効率を増加させる機関温度を増加させる。
【００３０】
上述した説明は例示的であり、重要な詳述ではない。本発明は例示的態様で記載されてきたので、使用される用語は限定というよりはむしろ説明する単語の性質を帯びるように意図されている。多くの修正及び変形上記の教示に照らして可能である。本発明の好ましい実施形態を開示してきた。しかしながら、当業者は或る変更が本発明の範囲内であることを認識するであろう。添付の特許請求の範囲内では、本発明は特に説明した以外の態様で行い得ることが理解される。このため、特許請求の範囲の請求項は本発明の真の範囲及び内容を決定するために検討されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明によるエネルギー変換組立体及び燃料給送システムの概略図である。
【図２】本発明による燃料脱酸素器の概略図である。
【図３】本発明による別の燃料脱酸素器の概略図である。
【図４】本発明による浸透性薄膜の横断面図である。
【図５】触媒材料を含む本発明による別の燃料脱酸素器の概略図である。
【図６】本発明による酸素捕捉モジュールの概略図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０  ガスタービン機関組立体
１２  圧縮装置
１４  燃焼装置
１５  熱間燃焼ガス
１６  タービン
１８  気流
２０  燃料給送システム
２２  燃料脱酸素器
２２′  燃料脱酸素装置
２２′′  燃料脱酸素装置
２２′′′  燃料脱酸素装置
２４  モジュール
２５  酸素吸収剤材料
２６  熱交換器
２７  モジュール
２８  燃料
３２  他のシステム
４０  ハウジング
４２  燃料プレート
４４  燃料通路
４６  燃料入口
４８  燃料出口
５０  真空出口
５２  酸素
６２  管状部材
６４  通路
６８  燃料入口
７０  燃料出口
７２  多孔質裏当て
７３  複合浸透性薄膜
７４  浸透層
７５  非燃料側
７６  多孔質基板
７７  燃料側
８０  ストリップガス
８２  真空源
８４  触媒材料
８６  支持構造体
【図１】
2005180453.tif 000003
【図２】
2005180453.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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