(57)【要約】 【課題】  コークスの形成を引き起こす成分を除去するために燃料を処理して燃料の使用可能な冷却能力を増大させることが可能なガスタービンエンジンへの燃料供給システムを提供すること。【解決手段】  ガスタービンエンジンのための燃料供給システムは、吸熱される燃料の利用可能な冷却能力を増加させるために燃料を処理する触媒機器を備えている。触媒機器は、華氏２５０度（約１２１℃）を超える温度で燃料を非コークス化させるため、燃料内の成分を処理しかつ分解させる。触媒機器は、反応を開始して燃料内におけるコークス形成成分を非コークス形成成分に分解する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼器に燃料を供給する燃料システムを備え、
該燃料システムが、燃料内のコークス形成成分をコークス非形成成分に変換する第一、第二、及び第三ステージを含む触媒を有してなるエネルギー変換アセンブリ。
【請求項２】
請求項１に記載のアセンブリであって、
前記ステージの少なくとも一つが、前記燃料内の硫黄成分をスルホキシド及びスルホンに変換することを特徴とするアセンブリ。
【請求項３】
請求項１に記載のアセンブリであって、
前記ステージの少なくとも一つが、ヒドロペルオキシドを形成するために前記燃料内の成分を変換することを特徴とするアセンブリ。
【請求項４】
請求項１に記載のアセンブリであって、
前記ステージの少なくとも一つが、非コークス生成成分を形成するために前記燃料内のヒドロペルオキシドを変換することを特徴とするアセンブリ。
【請求項５】
請求項１に記載のアセンブリであって、
前記非コークス生成線分が有機酸化剤を含むことを特徴とするアセンブリ。
【請求項６】
請求項１に記載のアセンブリであって、
前記触媒が金属イオンを含むことを特徴とするアセンブリ。
【請求項７】
請求項１に記載のアセンブリであって、
前記触媒がポリ金属イオン錯体を含むことを特徴とするアセンブリ。
【請求項８】
請求項１に記載のアセンブリであって、
前記触媒が燃料の流れに晒される支持体と化学結合されていることを特徴とするアセンブリ。
【請求項９】
燃料の硫黄成分をスルホキシド及びスルホンに変換する第一ステージと、
ヒドロペルオキシドを形成するために前記燃料内の成分を変換する第二ステージと、
非コークス生成成分を形成するために前記燃料内のヒドロペルオキシドを変換する第三ステージとを備えていることを特徴とする触媒アセンブリ。
【請求項１０】
請求項９に記載のアセンブリであって、
前記被コークス生成成分が有機酸化物を含むことを特徴とするアセンブリ。
【請求項１１】
請求項９に記載のアセンブリであって、
前記触媒の一部が金属イオンであることを特徴とするアセンブリ。
【請求項１２】
請求項９に記載のアセンブリであって、
前記触媒の一部がポリ金属イオン錯体であることを特徴とするアセンブリ。
【請求項１３】
請求項９に記載のアセンブリであって、
燃料の流れに晒される支持体と化学結合される触媒を備えていることを特徴とするアセンブリ。
【請求項１４】
ａ）燃料の硫黄成分をスルホキシド及びスルホンへ変換するステップ、
ｂ）前記燃料内の成分を反応させてヒドロペルオキシドを形成するステップ、及び
ｃ）前記燃料内のヒドロペルオキシドを非コークス生成成分へ分解するステップ、
を備えていることを特徴とする吸熱性燃料のコークス形成を抑制する方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の方法であって、
前記ｂ）に記載のステップが、ヒドロペルオキシドを形成するために有機部位を酸素と反応させることを備えていることを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法であって、
前記有機部位が、アルキル芳香族を含むことを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１５に記載の方法であって、
前記有機部位が、分岐パラフィン及び分岐ナフタレンを含むことを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１４に記載の方法であって、
燃料システム内で燃料の流れに晒される触媒物質の支持体が配されることを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１４に記載の方法であって、
燃料を５０℃を超える温度に加熱することを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１４に記載の方法であって、
燃料システム内で支持体と化学結合する金属イオンが配されていることを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項１４に記載の方法であって、
燃料システム内で支持体と化学結合するポリ金属イオンが配されていることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンエンジンへの燃料供給システム、特に、燃料に抗コークス化処理を施すための触媒を有する燃料供給システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般にガスタービンエンジンは、圧縮機、燃焼器、及びタービンを備えている。圧縮機に吸入された空気は圧縮されて燃焼器に案内される。そこで燃料が高圧空気と混合されて点火される。燃焼器で生成された燃焼ガスはタービンに導入される。
【０００３】
航空機内に搭載される様々なシステムにおいて燃料が冷却剤としてよく使用される。特定の燃料において利用可能な冷却能力は、不溶性の生成物、いわゆる「コークス」の生成によって制約される。コークス堆積物の形成は、事前に空気に晒されて燃料に溶解した酸素量に依存する。燃料に溶解する酸素量を低減することは、コークス堆積物を減少させ、かつ、冷却許容温度の最大値を増加させる。
【０００４】
燃料システム内に配されたガス透過膜を使用して溶解した酸素を取り除く方法が知られている。燃料がガス透過膜に沿って通過するにつれて、燃料中の酸素分子が酸素分圧の差によって燃料外に拡散してガス透過膜を透過する。
【０００５】
不都合な点としては、燃料の酸素除去装置（deoxygenator）が酸素除去要求に対して不釣合いに増加してしまうことである。酸素除去量を９０％から９９％に増加させるために、酸素除去装置は２倍の大きさを要する。これでは、航空機内の搭載スペースは限られていることから、機器の大きさを増加させることは全体の構造や操作性に影響を及ぼしてしまう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、コークスの形成を引き起こす成分を除去するために燃料を処理して燃料の使用可能な冷却能力を増大させる、ガスタービンエンジンへの燃料供給システムの開発が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、さらに高い温度でもコークス堆積物の形成を遅らせる燃料処理のための触媒を有するガスタービンエンジンへの燃料供給システムである。
【０００８】
本発明の燃料供給システムは、華氏２５０度（約１２１℃）を超える温度で燃料を非コークス化させるため、燃料内の成分を処理しかつ分解させるために３つのステージで使用される触媒を備えている。触媒機器の第一ステージは、一般に燃料内に存在してスルホキシド（sulfoxide）やスルホン（sulfone）のような酸化硫黄化合物を形成させる硫黄化合物と一緒に酸素（dioxygen）と反応する。第二ステージでは、第三級水素（tertiary hydrogen）、特に、残留する酸素（dioxygen）とともにヒドロペルオキシド（hydroperoxide）を形成するアルキル芳香族第三級水素を含む最も活性な有機部位（organic moieties）と反応する。第三ステージでは、遊離酸素の発生を抑えるような方法によって有機酸化剤（organic oxygenate）を誘起し非コークス化（non-coke）するためにヒドロペルオキシドを分解する。
【０００９】
コークスは、典型的には酸素と燃料成分との反応といったいくつかの方法によって開始する一連のフリーラジカル反応を通じて形成される。燃料の処理によってコークス堆積物を形成する温度が上昇して燃料の利用可能な冷却能力が増加する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、本発明に係る燃料システムは、コークス形成反応に関与し又はこれを開始する酸素（dioxygen）のような燃料の成分を触媒反応によって除去してコークスの形成を抑え、燃料の使用可能な冷却能力を増加させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
ガスタービンエンジンアセンブリ１０は、図１に示すように、圧縮機１２と燃焼器１６とタービン１８とを備えている。圧縮機１２に流入される空気流１４は高圧に圧縮され、燃焼器１６に案内される。燃焼器１６内にて燃料が高圧空気と混合されて着火される。その結果、高温の燃焼ガス２０がタービン１８に導入される。燃料は、燃料供給システム２２を通じて燃焼器に供給される。ここでは、あるガスタービンが開示されているが、当業者であればこの開示から他のエネルギー変換機器への適用を理解できるであろう。
【００１２】
燃料は顕熱及び潜熱を吸収する能力を有することから、長い間、航空機における冷却剤として使用されてきている。ここで顕熱とは燃料を沸点まで加熱するのに要する熱である。また、潜熱とは、燃料を沸騰させるのに要する熱である。顕熱及び潜熱を吸収する能力は、燃料の物理的なヒートシンク能力として知られている。ヒートシンク能力は、溶解ガスや他の成分が熱によって燃料成分と反応して形成される不溶性物質の形成によって制約される。
【００１３】
燃料供給システム２２は、燃料を処理して華氏２５０度（約１２１℃）を超える温度で所望しないコークス堆積物の形成を抑える触媒機器２４を備えている。ポンプ３０は、燃料処理３４を行わせるためにタンク２８から触媒機器２４に燃料を吐出する。一旦、触媒機器２４で処理された燃料は冷却能力が増加され、（概略を符号３２で示す）他のシステムの冷却に使用される。システム３２は、水力システムや空気圧システム、又は排熱を伴う他のシステムでも構わない。冷却能力が高められて触媒機器２４から流出した燃料３４は、熱交換器２６を通過する。他のシステム３２からの熱は、熱交換器２６を通過する燃料には伝達されないようにされている。熱交換器２６から現れた燃料は燃焼器１６に案内される。
【００１４】
触媒機器２４は、図２に概略を示すように、第一ステージ３６、第二ステージ３８及び第三ステージ４０を備えている。各ステージ３６、３８、４０についての内容や配置、動作の順番の詳細については触れていない。触媒機器２４における反応は、任意の順序、順番にて同時に起こる。触媒機器２４は、コークスを形成する熱の影響を受けて反応してしまう燃料内の成分を一連の触媒反応を通して除去する触媒物質３７（概略を図示）を備えている。触媒物質３７は、触媒機器２４を通過する燃料の流れと積極的に接触する構造とされているのが好ましい。また、触媒物質３７は、燃料に溶解するものが好ましい。
【００１５】
触媒物質３７は、ハニカム構造４２に支持されて触媒機器２４内に配されるのが好ましい。しかしながらこれに限らず、顆粒、押出物、一枚岩、網目、又は他の公知の触媒支持構造とされていても構わない。触媒物質に特有の支持構造が調整されるが、本発明の開示から当業者は、燃料内の成分との触媒反応を最適化する触媒物質別に好適な支持方法を理解するであろう。
【００１６】
触媒物質３７として、例えば、支持体との化学結合を行う金属イオン（tetherd metal ion）がある。このような金属イオンの形式は、４又はそれ以上の配位能力を有し、かつ、燃料の不溶性支持体構造と自身が化学結合されるキレーティング分子によって少なくとも二つの配位が満たされるＦｅ３＋又はＣｕ２＋のような金属イオンがある。さらに、触媒物質は、支持構造と化学結合する二つ又はそれ以上の金属イオンを有する錯体に形成され得る。異なる金属体の同一金属を含む多重イオンの好適な錯体の例としては、米国特許第５，９２２，９２０号明細書「多核遷移金属集合体によるアリール・アルキルヒドロペルオキシド触媒物質」や、米国特許第５，５０４，２５６号明細書「多核遷移金属集合体によるアリール・アルキルヒドロペルオキシド触媒物質」がある。触媒物質は、また、イソポリモリブデン酸塩（isopolymolybdate）、イソポリタングステン酸塩（isopolytungstate）、ヘテロポリモリブデン酸塩（heteropolymolybdate）、又はヘテロポリタングステン酸塩（heteropolytungstate）であっても構わない。この開示から当業者は触媒に要求される構成を理解するであろう。
【００１７】
触媒システム２４の三つのステージ３６、３８、４０は、燃料を異なる成分に分解してそれらと反応する。各ステージ３６、３８及び４０におけるそのような触媒物質３７は、所望の反応を開始するための特有の用途に応じて異なるものとされ得る。
【００１８】
触媒機器２４の第一段階３６では、燃料は、過酸化物（peroxide）又は溶解した酸素を抗コークス化酸素添加剤（coking resistant oxygenates）に変換する還元剤として機能する。ガスタービンエンジンに使用される燃料には硫黄が含まれている。たくさんの硫化有機化合物（organosulfer compounds）は最上の酸素捕捉剤である。燃料内の溶解したフリー酸素を削減する非コークス成分を形成するために、燃料内の多くの溶解した遊離酸素と反応し得るのは硫化有機化合物である。第一ステージ３６は、存在するヒドロペルオキシドの反応と同様、この反応を促進する触媒を備えている。スルホキシド（sulfoxide）やスルホン（sulfone）のような硫化物が主に生成され、かつ、燃料内の多くの溶解酸素が削減される。
【００１９】
触媒機器２４の第二ステージ３８では、酸素（di-oxygen）とともに活性有機部位と反応してヒドロペルオキシド（hydroperoxide）を形成する。燃料は、分岐パラフィン、分岐ナフタレン、又はアルキル芳香族のような有機部位を備えている。これらの化合物は、酸素（di-oxygen）と反応してヒドロペルオキシドを形成する。
【００２０】
第三ステージ４０は、燃料内に存在し、かつ、第一及び第二ステージにて形成されたヒドロペルオキシドを分解する。ヒドロペルオキシドは、燃料内に遊離酸素が戻らないように非コークス化する有機酸化剤（organic oxygenate）に分解される。
【００２１】
燃料システム２２内の燃料は、所望の触媒反応を開始するために約５０℃から１００℃の間の温度に加熱される。燃料と触媒機器２４の所定の温度は、所望の触媒反応を促進するのに好適な環境を創出するための所定の燃料構成と触媒物質３７とに調整され得る。  
【００２２】
触媒システム２４に存在する燃料は、燃料システム内でコークスの生成を実質的に抑えるための異なる、かつ、好適な構成とされている。触媒機器２４から排出された燃料の利用可能な冷却能力の増加によって、エンジン効率をすべてにわたって改善する操作温度が高まる。
【００２３】
上述した内容は例示であって材料特性はこれに限らない。本発明は一つの具体例として記載されているが、これらの記載内容に当然に限定されるものではない。多くの改良や改変が可能とされる。本発明の好適な実施形態が開示されているが、当業者が認識可能な改良は本発明の範疇とされる。記載内容にかかわらず、本発明は請求項の目的の範囲内で実現され得る。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係るガスタービンエンジン及び燃料供給システムを示す概略図である。
【図２】本発明に係る三段階の触媒を示す概略図である。
【符号の説明】
【００２５】
１０  ガスタービンエンジンアセンブリ  
２２  燃料供給システム
２４  触媒機器
３６  第一ステージ
３７  触媒物質
３８  第二ステージ
４０  第三ステージ
【図１】
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【図２】
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【外国語明細書】
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