(57)【要約】ガスタービンエンジン（１０）は触媒酸化モジュール（２８）を有する。触媒酸化モジュールは、圧力境界要素（３０）、触媒表面（３２）及び流体が下流のプレナムに流入する前に流体の予混合を可能にする圧力境界要素の開口（３４）を有する。１つの実施例において、圧力境界要素は、管体を横切る混合を可能にする孔部（６８）を備えた触媒被覆管体（５８）を備えている。別の実施例において、圧力境界要素は、第１の流体通路が第２の流体通路と交差して出口端部の上流で流体を予混合するための管板（４４）を有する。さらに別の実施例において、触媒酸化モジュールは管体の入口端部（７３）を装着する上流の管板（８６）と、管体の出口端部（７２）を装着する下流の管板（７８）とを有し、管体はこれらの間に摺動自在に閉じ込められている。
2006509990.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジンの触媒酸化モジュールであって、
入口端部及び下流のプレナムと流体連通関係にある出口端部を有し、燃焼混合物の第１の流体流を第２の流体流から分離する圧力境界要素と、
入口端部と出口端部との間で第１の流体流にさらされる触媒表面と、
出口端部の上流で第１の流体流と第２の流体流との間の流体連通を許容する圧力境界要素の開口とより成る触媒酸化モジュール。
【請求項２】
第２の流体流は可燃性燃料を含まない冷却流体より成る請求項１の触媒酸化モジュール。
【請求項３】
触媒表面は圧力境界要素の表面より成る請求項１の触媒酸化モジュール。
【請求項４】
圧力境界要素は管体より成る請求項１の触媒酸化モジュール。
【請求項５】
開口は管体に形成されている請求項４の触媒酸化モジュール。
【請求項６】
開口は管体に形成された複数の孔部より成る請求項４の触媒酸化モジュール。
【請求項７】
開口は管体に形成された複数のスロットより成る請求項４の触媒酸化モジュール。
【請求項８】
スロットは出口端部に形成されて環状フィンガを構成する請求項７の触媒酸化モジュール。
【請求項９】
フィンガは、半径方向に管体の中心線から離れる方向に偏倚されているため管体を対応の開口内に延びるようにすると偏倚係合する請求項８の触媒酸化モジュール。
【請求項１０】
圧力境界要素はさらに、管体の出口端部に接続された管板より成る請求項４の触媒酸化モジュール。
【請求項１１】
管板はさらに管体を受容する通路を有し、通路は入口側で第１の直径を、また出口側で第１の直径より大きい第２の直径を有する請求項１０の触媒酸化モジュール。
【請求項１２】
管体は軸方向において膨張及び収縮が容易にできるように管板の通路内に摺動自在に係合している請求項１１の触媒酸化モジュール。
【請求項１３】
通路は肩部で終端する入口側の皿孔より成る請求項１２の触媒酸化モジュール。
【請求項１４】
管体の入口端部に接続された上流の管板をさらに備え、上流の管板は管体を受容するための通路を有し、上流の管板の通路は、肩部で終端して管体を受容する皿孔を有し、管体は軸方向における膨張及び収縮が容易にできるように皿孔の内部と摺動自在に係合する請求項４の触媒酸化モジュール。
【請求項１５】
圧力境界要素はさらに、管体の出口端部に接続された下流の管板より成り、下流の管板には開口が形成されている請求項４の触媒酸化モジュール。
【請求項１６】
下流の管板はさらに、第１の流体流を受ける第１の流体入口開口と第１の流体出口開口とを含む第１の流体通路を有し、下流の管板はさらに、管体の出口端部を受容し第２の流体流を下流のプレナムに送り込む第２の流体通路を有し、第１の流体通路は第２の流体通路と下流のプレナムの上流で交差する請求項１５の触媒酸化モジュール。
【請求項１７】
第２の流体通路は、管板の入口側近くの小さい直径から下流の管板の出口側近くの大きい直径へ末広がる形状を有する請求項１６の触媒酸化モジュール。
【請求項１８】
管板は、管体の軸方向において膨張及び収縮できるように第２の流体通路内で摺動可能である請求項１６の触媒酸化モジュール。
【請求項１９】
第２の流体通路は、肩部で終端して管体を受容する皿孔より成る請求項１８の触媒酸化モジュール。
【請求項２０】
管体の入口端部に接続された上流の管板をさらに備え、上流の管板は管体を受容する通路を有し、上流の管板の通路は肩部で終端して管体を受容する皿孔を有し、管体は軸方向において膨張及び収縮できるように皿孔の内部で摺動自在に係合する請求項１５の触媒酸化モジュール。
【請求項２１】
第１の流体流と第２の流体流との間の流体連通関係を調整するために圧力境界要素の入口端部と出口端部との間にバッフルをさらに備えた請求項１の触媒酸化モジュール。
【請求項２２】
圧縮空気の第１及び第２の流体流を供給する圧縮機と、
可燃性燃料を第１の流体流に注入する燃料供給源と、
第１の流体流中で可燃性燃料を少なくとも部分燃焼させ、第１の流体流と第２の流体流とを少なくとも部分混合させる触媒酸化モジュールと、
触媒酸化モジュールから第１及び第２の流体流を受けて高温ガスを発生させる燃焼完了チェンバと、
燃焼完了チェンバから高温ガスを受けるタービンとより成るガスタービンエンジン。
【請求項２３】
触媒酸化モジュールはさらに、
入口端部及び下流のプレナムと流体連通関係にある出口端部を有し、燃焼混合物の第１の流体流を第２の流体流から分離する圧力境界要素と、
入口端部と出口端部との間で第１の流体流にさらされる触媒表面と、
出口端部の上流で第１の流体流と第２の流体流との間の流体連通を許容する圧力境界要素の開口とより成る請求項２２のガスタービンエンジン。
【請求項２４】
圧力境界要素は管体より成る請求項２３のガスタービンエンジン。
【請求項２５】
開口は管体に形成されている請求項２３のガスタービンエンジン。
【請求項２６】
開口は管体に形成された複数の孔部より成る請求項２４のガスタービンエンジン。
【請求項２７】
開口は管体に形成された複数のスロットより成る請求項２４のガスタービンエンジン。
【請求項２８】
スロットは出口端部に形成されて環状フィンガを構成する請求項２３のガスタービンエンジン。
【請求項２９】
フィンガは、半径方向に管体の中心線から離れる方向に偏倚されているため管体を対応の開口内に延びるようにすると偏倚係合する請求項２８のガスタービンエンジン。
【請求項３０】
圧力境界要素はさらに、管体の出口端部に接続された管板より成る請求項２４のガスタービンエンジン。
【請求項３１】
管板はさらに管体を受容する通路を有し、通路は入口側で第１の直径を、また出口側で第１の直径より大きい第２の直径を有する請求項３０のガスタービンエンジン。
【請求項３２】
管体の入口端部に接続された上流の管板をさらに備え、上流の管板は管体を受容するための通路を有し、上流の管板の通路は、肩部で終端して管体を受容する皿孔を有し、管体は軸方向における膨張及び収縮が容易にできるように皿孔の内部と摺動自在に係合する請求項３０のガスタービンエンジン。
【請求項３３】
圧力境界要素はさらに、管体の出口端部に接続された管板より成り、その管板には開口が形成されている請求項２４のガスタービンエンジン。
【請求項３４】
前記管板はさらに、第１の流体流を受ける第１の流体入口開口と第１の流体出口開口とを含む第１の流体通路を有し、下流の管板はさらに、管体の出口端部を受容し第２の流体流を下流のプレナムに送り込む第２の流体通路を有し、第１の流体通路は第２の流体通路と下流のプレナムの上流で交差する請求項３３のガスタービンエンジン。
【請求項３５】
第２の流体通路は、管板の入口側近くの小さい直径から下流の管板の出口側近くの大きい直径へ末広がる形状を有する請求項３４のガスタービンエンジン。
【請求項３６】
管体の入口端部に接続された上流の管板をさらに備え、上流の管板は管体を受容する通路を有し、上流の管板の通路は肩部で終端して管体を受容する皿孔を有し、管体は軸方向において膨張及び収縮できるように皿孔の内部で摺動自在に係合する請求項３３のガスタービンエンジン。
【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の触媒酸化モジュールに係り、さらに詳細には、触媒酸化管状アレイモジュールに係る。
【背景技術】
【０００２】
触媒燃焼システムは、ガスタービン装置において燃焼プロセスの汚染物質の生成を減少するものとして周知である。公知のように、ガスタービンは、空気を圧縮する圧縮機、圧縮機からの圧縮空気の存在下で燃料を燃焼させて高温ガスを発生させる燃焼段、及び高温ガスを膨張させて軸出力を取り出すタービンを有する。旧式ガスタービンエンジンの多くは、火炎温度が３０００°Ｆを超えて化学量論条件またはそれに近い条件で燃える拡散火炎が燃焼プロセスを支配する。かかる燃焼により高レベルの窒素酸化物（ＮＯx）が発生する。現在の排出規制はＮＯx排出の許容レベルが大きく引き下げられたものである。ＮＯx排出量を減少させる方法の１つに、燃焼温度を低くしてＮＯ及びＮＯ2ガスの生成を阻止するものがある。燃焼温度を低くする方法の１つは、予混合希薄燃料を燃焼段に送りこむものである。予混合燃焼プロセスでは、燃料と空気は燃焼器の予混合部分で予め混合される。その後、燃料−空気混合物は燃焼段へ送られ、そこで燃焼する。燃焼温度を減少させる別の方法として、燃料−空気混合物を燃焼段に送り込む前に触媒物質の存在下で燃料−空気混合物を部分酸化させるものがある。典型的な触媒酸化システムでは、高温による触媒の機能不全を回避し構造材料を支持するようにシステムの触媒部分内の温度を制御するための冷却手段も設けられている。かかる触媒酸化システムにおける冷却は、触媒を被覆した材料の裏側に冷媒を通すことを含む多数の方法で行うことが可能である。
【０００３】
米国特許第６，１７４，１５９号は、裏側冷却方式を用いるガスタービンの触媒酸化法及び装置を開示している。チューブのような多数の冷却導管の外側に触媒物質が被覆され、触媒反応器内で支持される。燃料／酸化剤混合物の一部が触媒を被覆した冷却導管上を流れて酸化されると同時に、燃料／酸化剤の一部が多数の冷却導管内に流入して触媒を冷却する。その後、発熱性触媒作用を受けた流体が触媒酸化システムから流れ出て、システムの外側で冷却流体と混合し、加熱された可燃性混合物となる。
【０００４】
流体が触媒酸化システムを一旦流れ出た後の混合物の燃焼を安定化するためには、流体の混合時に火炎の保持または過早の自己点火のような火炎の発生を最小限に抑えることが重要である。例えば、過早の自己点火は、自己点火時間より短い時間で混合プロセスを完了することにより防止できる。かくして、発熱性触媒作用を受けた流体と冷却流体とは触媒酸化システムから出ると混合されるため、混合時間と自己点火遅延時間を考慮する必要がある。従って、触媒燃焼システムの出口部分は、別々に触媒酸化システムを出た後の燃焼流体の燃焼段での混合を容易にするように構成されている。例えば、触媒を被覆した多数の冷却導管より成る触媒酸化モジュールにおいて、モジュールの下流出口の管体に末広がり端部を設けることにより、触媒燃焼システムを出た後の流体の流れ動力学及び混合を活発化することができる。さらに、管体の末広がり端部を稠密にしてモジュール内で管体が支持されるようにし、振動を抑制することができる。
【０００５】
しかしながら、管体端部を末広がり形状にすると多くの問題が発生する。この末広がり形状にすると、末広がり領域における管体の壁圧が減少するため局部的に過早の破壊が生じることがある。管体端部を末広がり形状にすると管体材料に歪みが発生し、これが末広がり領域の割れまたは脆化を惹き起こすことになりかねない。管体の末広がり端部を稠密にする構成では、管体は末広がり端部が当接する所で（例えば、擦過または擦過腐蝕により）摩耗しやすい。さらに、管体の末広がり端部を稠密にする構成では、管体端部の隣接する接触点以外で管体それ自体を封じ込めることができない。管体の末広がり端部構成にはさらに、この構成の出口端部が火炎を付着させる機構である平坦な表面を提供するため過早の火炎発生という別の問題がある。
【発明の概要】
【０００６】
ガスタービンエンジンの触媒酸化モジュールとして、入口端部及び下流のプレナムと流体連通関係にある出口端部を有し、燃焼混合物の第１の流体流を第２の流体流から分離する圧力境界要素と、入口端部と出口端部との間で第１の流体流にさらされる触媒表面と、出口端部の上流で第１の流体流と第２の流体流との間の流体連通を許容する圧力境界要素の開口とより成るものが記載されている。圧力境界要素は管体でよく、開口は管体に形成することができる。圧力境界要素はさらに開口を形成した管板を備えてもよい。
【０００７】
ガスタービンエンジンとして、圧縮空気の第１及び第２の流体流を供給する圧縮機と、
可燃性燃料を第１の流体流に注入する燃料供給源と、第１の流体流中で可燃性燃料を少なくとも部分燃焼させ、第１の流体流と第２の流体流とを少なくとも部分混合させる触媒酸化モジュールと、触媒酸化モジュールから第１及び第２の流体流を受けて高温ガスを発生させる燃焼完了チェンバと、燃焼完了チェンバから高温ガスを受けるタービンとを有するものが記載されている。ガスタービンの触媒酸化モジュールはさらに、入口端部及び下流のプレナムと流体連通関係にある出口端部を有し、燃焼混合物の第１の流体流を第２の流体流から分離する圧力境界要素と、入口端部と出口端部との間で第１の流体流にさらされる触媒表面と、出口端部の上流で第１の流体流と第２の流体流との間の流体連通を許容する圧力境界要素の開口とを有する。  
【実施例】
【０００８】
図１は、フィルタを通った周囲空気の流れ１４を受けて圧縮空気の流れ１６を発生させる圧縮機１２を備えたガスタービンエンジン１０を示す。圧縮空気１６は、燃焼混合物流体流２４と、冷却流体流２６とに分離され、それぞれ触媒酸化モジュール２８に導入される。燃焼混合物流体流２４は、触媒酸化モジュール２８に導入される前に、燃料供給源１８から供給される、例えば天然ガスまたは燃料油のような可燃性燃料流２０と混合される。冷却流体流２６は、可燃性燃料と混合されずに触媒酸化モジュール２８に直接導入することができる。オプションとして、冷却流体流２６を、触媒酸化モジュール２８に送り込む前に可燃性燃料流２０と混合してもよい。
【０００９】
触媒酸化モジュール２８の内部では、その移動長さＬの少なくとも一部において、燃焼混合物流体流２４と冷却流体流２６とは、圧力境界要素３０により分離される。本発明の１つの特徴として、圧力境界要素３０は、燃焼混合物流体流２４にさらされる側が触媒３２により被覆してある。触媒３２は、貴金属の活性成分として、第８族の貴金属、卑金属、金属酸化物またはそれらの任意の組み合わせを含むことができる。ジルコニウム、バナジウム、クロム、マンガン、銅、白金、パラジウム、オスミウム、イリジウム、ロジウム、セリウム、ランタンのような元素、ランタニド系列、コバルト、ニッケル、鉄などの他の元素を用いてもよい。
【００１０】
裏側を冷却する実施例において、圧力境界要素３０の反対側は冷却流体流２６をその移動長さＬの少なくとも一部において封じ込める。燃焼混合物流体流２４は、触媒３２にさらされると、発熱反応により酸化され、触媒３２及び圧力境界要素３０は反応しない冷却流体流２６により冷却されて、発熱反応により生じる熱の一部を吸収する。  
【００１１】
圧力境界要素３０は流体流を含む管体を備えてもよい。この管体の外側直径表面上に触媒３２を被覆して、管体の外部の周りを流れる燃焼混合物流体流２４にさらされるようにしてもよい。裏側を冷却する構成では、冷却流体流２６は管体の内側を流れるように送り込まれる。あるいは、管体の内側に触媒３２を被覆して、触媒が管体内部を流れる燃焼混合物流体流２４にさらされると共に、冷却流体流２６が管体の外側を流れるようにしてもよい。燃焼混合物流体流２４中に触媒を吊り下げる構造、燃焼混合物流体流２４中に吊り下げられる触媒材料より成る構造または燃焼混合物流体流２４にさらされる触媒材料を被覆されたペレットのように、燃焼混合物流体流２４を触媒３２にさらす他の方法を用いることができる。
【００１２】
１つの実施例において、圧力境界要素３０には、燃焼混合物流体流２４及び冷却流体流２６の一方が他方内に流入できるようにしてとのこれらの流体流２４、２６の予混合を促進させる開口３４が設けられている。図１に示すように、例えば、燃焼混合物流体流２４は、圧力境界要素３０に設けた貫通孔のような開口３４を通過して、触媒酸化モジュール２８を出る前の冷却流体流２６と予混合することができる。開口を介する流れ方向は、燃焼混合物流体流２４と冷却流体流２６との間の相対的圧力を調整することにより制御可能である。１つの実施例において、流体流２４、２６の一方または両方にバッフル３３を設けることにより、流れが触媒酸化モジュール２８を通して均等に配分されるようにすることができる。流体流２４、２６を触媒酸化モジュール２８を出る前に予混合することにより、火炎発生の制御を改善し、低いピーク燃焼動作温度をサポートすることができる。本発明の別の特徴として、管板のような圧力境界要素の保持手段３５を触媒酸化モジュール２８の出口に設けてもよい。以下にさらに詳しく説明するように、この保持手段３５は圧力境界要素３０の一部を形成し、流体流２４と２６の混合をさらに促進するように形成することができる。
【００１３】
流体流２４、２６は、触媒酸化モジュール２８を出た後、プレナムまたは燃焼完了段３６において混合されて燃焼し、高温の燃焼ガス３８を発生させる。本発明の１つの特徴として、可燃性燃料流２０が燃料供給源１８から燃焼完了段３６へ送られる。高温の燃焼ガス３８はタービン４０が受け、ガスはタービン内部で膨張して機械的な軸出力が引き出される。１つの実施例において、共通軸４２はタービン４０を圧縮機１２と共に発電機（図示せず）に相互接続して周囲空気１４の圧縮と発電とがそれぞれ行なわれるようにする。膨張した燃焼ガス４３は大気中に直接排出するか、または別の熱回収システム（図示せず）へ迂回させることができる。
【００１４】
触媒酸化モジュール２８は、図２−５においてさらに明瞭に示す予混合部分の作用により優れた性能を有する。図２Ａ−２Ｃは、予混合が下流端部の管板内で起こる実施例を示す。図２Ａは、触媒酸化モジュール２８内の管板４４の部分平面図である。図２Ａは、触媒酸化モジュール２８の流体流２４、２６の方向に垂直な面に沿う管板４４の断面（出口側から見た）を示す。圧力境界要素３０は管板４４を含む。管板４４は、流体流２４、２６を触媒酸化モジュール２８を出る前に予混合させる。管板４４は、冷却流体流通路４６と、燃焼混合物流体流通路４８とを有し、これらは管板４４の境界内で交差して流体が管板４４を通過する時予混合を促進させる。
【００１５】
図２Ｂは、矢印Ｂ−Ｂにより示す図２Ａの管板断面の部分断面図である。図２Ｂは、触媒酸化モジュール２８の流体流２４、２６の方向に平行な断面を示す。図２Ｂに示すように、管板４４は、管板入口側５４のそれぞれの冷却流体流通路入口開口４５から管板出口側５６の冷却流体流通路出口開口４７へ延びる冷却流体流通路４６を有する。各冷却流体流通路４６は、管板４４の入口側５４にある、肩部５２で終端する皿孔５０を有する。各管体５８は一部が皿孔５０内に延びて（０．１インチのような）、装着される管体５８が軸方向に差動的に熱膨張できる余地（例えば、０．０７インチ）を残す。肩部５２は、管体が上流の固定点で外れても管体を軸方向に閉じ込めるために管体５８の外側直径よりも小さい内側直径を有するように構成することができる。本発明の別の特徴として、冷却流体流通路４６はさらに、皿孔５０の肩部５２の小さい直径（０．１６８インチのような）から管板出口側５６の大きい直径（例えば、０．２４４インチ）に末広がった形状を有する。この末広がり形状は、管板出口側５６における混合を促進するように調整できる。例えば、この末広がり形状は８°の夾角でスロープさせることができる。
【００１６】
管体端部の末広がり形状とは対照的に、管板４４にテイパー付き開口を設けると幾何学的形状の一貫性及び材料の健全性が改善され、予混合が促進されて管体の修理インターバルが長くなる。有利なことに、管板出口側５６の端縁部６０を下流表面積が小さな鋭い終端部を持つように構成すると、予混合が促進され、触媒酸化モジュール２８の出口における火炎保持を最小限に抑えることができる。
【００１７】
図２Ｃは、図２Ａの矢印Ｃ−Ｃに沿う管板の部分断面図である。図２Ｃは、触媒酸化モジュール２８の流体流２４、２６の方向に平行な断面を示し、燃焼混合物流体流通路４８の縦方向の図を含む。図２Ｃに示すように、管板４４は、燃焼混合物流体流通路の入口開口６４の所の管板の入口側５４から管板の出口側５６へ延びる燃焼混合物流体流通路４８を有する。燃焼混合物流体流通路の入口開口６４は、管板入口側５４では冷却流体流通路の入口開口４５と交差しない。しかしながら、ここで注目すべきは、燃焼混合物流体流通路の出口開口６６が管板出口側５６の近くで冷却流体流通路４６と交差することにより、触媒酸化モジュール２８を出た流体流２４、２６の予混合を促進することである。本発明のさらに別の特徴として、各燃焼混合物流体流通路４８を、大きな直径（管板入口側５４で皿孔５０間に適合するように選択される）から管板出口側５６の小さい直径へテイパーさせることにより、燃焼混合物流体流通路４８を冷却流体流通路４６と部分的に交差させる（６２）ことができる。従って、燃焼混合物流体流通路４８を流れる流体は、例えば、冷却流体流通路４６を流れる流体と部分的に予混合されることにより、燃焼完了段３６における火炎発生の制御を改善することができる。
【００１８】
図３は、図１の触媒酸化システムの管板の実施例を示す部分破断図であり、その内側を示す。図３は、触媒酸化モジュール２８の流体流２４、２６の方向に平行な破断断面を示す。図３に示すように、管板４４は管体５８がその内部へ延びる冷却流体流通路４６を有する。冷却流体流通路４６は、下流方向に直径が増加するように末広がり形状になっている。さらに、管板４４は、管板の入口側５４から延びて、管板の出口側５６の近くで冷却流体流通路４６と交差するように構成された燃焼混合物流体流通路４８を備えることができる。燃焼混合物流体流通路４８のサイズ、配置及び数は流体流２４、２６を所望の如く予混合するように選択することが可能である。燃焼混合物流体流通路４８は管板４４を完全に貫通しないため、管板４４の冷却流体流通路４６の周りの材料をより多く維持することが可能になり、冷却流体流通路４６の末広がり形状に起因する強度の損失が少なくとも部分的に補償される。その結果、管板４４は構造的健全性を保持し、使用中の酸化及び劣化に対して大きな抵抗を有する。
【００１９】
図４は、図１の触媒酸化システムの管板の実施例の部分的破断図であり、その内部に延びる管体を示す。図４は、触媒酸化モジュール２８を介する流体流２４、２６の方向に平行な断面を示す。図４に示すように、管板７６はその内部に管体５８が延びる冷却流体流通路４６を有する。流体２４、２６の予混合は管体５８の孔部６８のような開口により行われる。従って、本発明の１つの特徴として、各管体５８は、燃焼混合物流体流２４が管体５８を流れる冷却流体流２６中に送り込まれるように管体５８の出口端部近くに形成された開口を有する。その結果、流体２４、２６は燃焼完了段３６に流入する前に予混合することができる。１つの実施例において、開口は管体５８に形成された一連の環状孔６８を含む。この孔部６８のサイズ、数及び配置は流体２４、２６を所望の如く予混合するように選択することができる。ここで重要なことは、均一なまたは選択された度合いの予混合が得られるように孔部６８の配置及びサイズを調整することにより、管板４４の外周面のような触媒酸化モジュール２８の所定の領域における予混合を調整することができる。従って、孔部６８の構成は環状に限定されず、孔部６８のサイズ及び管体５８の長さ方向における配置を所望の如く選択して特定の予混合パターンが得られるようにすることができる。
【００２０】
図５は、図１の触媒酸化システムの管板７６の実施例の部分破断図であり、その内部に延びる管体５８の局面を示す。図示の実施例において、管体の出口端部７２の近くに形成された開口は、燃焼混合物流体流２４が管体５８を流れる冷却流体流２６内に送り込まれるように一連の環状スロット７０を有する。本発明の１つの特徴として、スロット７０は各スロット７０の下流端部が管体の出口端部７２との関係でその出口端部７２にフィンガ７４を形成するような配置を有する。スロット７０は、管体５８を管板４４に形成した冷却流体流通路４６に取り付けると、燃焼混合物流体流２４を管体５８を流れる冷却流体流２６内に送り込める構成を有する。１つの実施例において、フィンガ７４を管体の中心線から半径方向に離れる方向に偏倚させることにより、管体５８がそれぞれの冷却流体流通路の入口開口４４に挿入されると皿孔５０の壁部と偏倚係合をするように構成できる。皿孔５０の壁部とのフィンガ７４の偏倚係合は発生する可能性のある振動を減衰させるために特に有効でありうる。有利なことに、スロット７０のサイズ、配置及び数は流体流２４、２６を所望の如く予混合するように選択することができる。
【００２１】
図６は、図１の触媒酸化システムの触媒酸化モジュール２８の実施例の部分破断図であり、上流の管板８６と下流の管板７８とにより軸方向に閉じ込められた管体５８を示す。図６は、触媒酸化モジュール２８を介する流れの方向に平行な破断断面を示す。図６に示すように、下流の管板７８（図２Ａ、２Ｂ、２Ｃ及び３に関連して前述した）は肩部８２で終端する皿孔８０を備えているが、この皿孔は管体５８の出口端部７２を閉じ込めて、管体５８が下流の管板流体流通路８４を軸方向にさらに延伸しないようにする。管体５８の入口端部７３は上流の管板８６に同様に装着されるため、管体５８は触媒酸化モジュール２８の内部でその両端部７２、７３において支持される。上流の管板８０は、その入口側９２のそれぞれの流体流通路入口開口９０からその出口側９６の流体流通路出口開口９４へ延びる流体流通路８８を有する。本発明の１つの特徴として、上流の管板の流体流通路８８は、管板８６の出口側９６の肩部１００で終端する皿孔９８を有する。管体５８の入口端部７３はその一部が皿孔９８内に延びて（０．１インチのように）、装着された管体５８が軸方向に差動的に熱膨張するための余地（例えば、０．０７インチ）を残す。肩部１００は、管体５８が下流で外れても、例えば、管体５８を軸方向に閉じ込めることができるように管体５８の外径よりも小さい内径を有するように構成することができる。本発明の１つの特徴として、下流の管板７８及び上流の管板８６により、それぞれの皿孔８０、９８に装着された管体５８は各皿孔８０、９８内を摺動自在に移動することが可能であるだけでなく、管体５８が上流の管板８６及び下流の管板７８から外れるのを防止する。有利なことに、触媒酸化モジュール２８内に上述したような態様で閉じ込められる管体５８は修理または交換のために容易に取り外せる。
【００２２】
本発明のさらに別の特徴として、触媒酸化モジュール２８の内部の、例えば上流の管板８６と下流の管板７８との間にバッフル１０２を配置して、流体流を触媒酸化モジュール２８を介して均等に分布させることがある。このバッフル１０２は、管体５８がバッフル１０２を貫通できるように管体通路１０４を有する。この管体通路１０４の直径は、管体５８を管体通路１０４に通す時に管体が収縮しないように管体５８の外径よりも大きな直径にすることができる。さらに別の特徴として、管体通路１０４をその内部の管体５８の周りに流体が流れることができるような十分な大きさにすることができる。本発明の別の特徴として、バッフル１０２は、その配置及びサイズを触媒酸化モジュール２８を介する流体の流れを所望の態様で調整するように決められたバッフル流体流通路１０６を有する。
【００２３】
本発明のさらに別の局面として、管体及び管板のような上述した構造的要素を、触媒酸化モジュール２８の要素の寿命を長くするために耐腐食性、耐高温性及び耐摩耗性材料で形成する。例えば、触媒酸化モジュール２８のコンポーネントを、これらの要素の使用寿命を延長するためにコバルト合金Ultimat 188及びL605のようなHaynes International Corporationから市販される耐腐食性及び耐摩耗性合金で形成することが可能である。
【００２４】
本発明の好ましい実施例を図示説明したが、かかる実施例は例示のために提供されたことが明らかであろう。多数の変形例及び設計変更が本発明の範囲から逸脱することなく当業者に想到されるであろう。従って、本発明は頭書の特許請求の範囲の思想及び範囲によってのみ限定されるものと意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】触媒酸化モジュールを用いるガスタービンエンジンの機能図である。
【図２Ａ】触媒酸化モジュールの管板の部分平面図である。
【図２Ｂ】図２Ａの矢印Ｂ−Ｂに沿う管板の部分断面図であり、その内部を示す。
【図２Ｃ】図２Ａの矢印Ｃ−Ｃに沿う管板の部分断面図であり、その内部を示す。
【図３】図１の触媒酸化モジュールの管板実施例の部分破断図であり、その内部を示す。
【図４】図１の触媒酸化モジュールの管板実施例の部分破断図であり、その内部に延びる管体を示す。
【図５】図１の触媒酸化モジュールの管板実施例の部分破断図であり、その内部に延びる管体を示す。
【図６】図１のガスタービンエンジンの触媒酸化モジュールの一実施例の部分破断図であり、上流の管板及び下流の管板により軸方向に封じ込められた管体を示す。
【図１】
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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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【手続補正書】
【提出日】平成16年12月15日(2004.12.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入口端部及び下流のプレナムと流体連通関係にある出口端部を有し、燃焼混合物の第１の流体流を第２の流体流から分離する圧力境界要素と、
入口端部と出口端部との間で第１の流体流にさらされる触媒表面と、
出口端部の上流で第１の流体流と第２の流体流との間の流体連通を許容する圧力境界要素の開口とより成るガスタービンエンジンの触媒酸化モジュールであって、
第１の流体流と第２の流体流とは触媒酸化モジュールの圧力境界要素の表の表面と裏の表面とに差し向けられることを特徴とする触媒酸化モジュール。
【請求項２】
第２の流体流は可燃性燃料を含まない冷却流体より成る請求項１の触媒酸化モジュール。
【請求項３】
触媒表面は圧力境界要素の表面より成る請求項１の触媒酸化モジュール。
【請求項４】
圧力境界要素は管体より成る請求項１の触媒酸化モジュール。
【請求項５】
開口は管体に形成されている請求項４の触媒酸化モジュール。
【請求項６】
開口は管体に形成された複数の孔部より成る請求項４の触媒酸化モジュール。
【請求項７】
開口は管体に形成された複数のスロットより成る請求項４の触媒酸化モジュール。
【請求項８】
スロットは出口端部に形成されて環状フィンガを構成する請求項７の触媒酸化モジュール。
【請求項９】
フィンガは、半径方向に管体の中心線から離れる方向に偏倚されているため管体を対応の開口内に延びるようにすると偏倚係合する請求項８の触媒酸化モジュール。
【請求項１０】
圧力境界要素はさらに、管体の出口端部に接続された管板より成る請求項４の触媒酸化モジュール。
【請求項１１】
管板はさらに管体を受容する通路を有し、通路は入口側で第１の直径を、また出口側で第１の直径より大きい第２の直径を有する請求項１０の触媒酸化モジュール。
【請求項１２】
管体は軸方向において膨張及び収縮が容易にできるように管板の通路内に摺動自在に係合している請求項１１の触媒酸化モジュール。
【請求項１３】
通路は肩部で終端する入口側の皿孔より成る請求項１２の触媒酸化モジュール。
【請求項１４】
管体の入口端部に接続された上流の管板をさらに備え、上流の管板は管体を受容するための通路を有し、上流の管板の通路は、肩部で終端して管体を受容する皿孔を有し、管体は軸方向における膨張及び収縮が容易にできるように皿孔の内部と摺動自在に係合する請求項４の触媒酸化モジュール。
【請求項１５】
圧力境界要素はさらに、管体の出口端部に接続された下流の管板より成り、下流の管板には開口が形成されている請求項４の触媒酸化モジュール。
【請求項１６】
下流の管板はさらに、第１の流体流を受ける第１の流体入口開口と第１の流体出口開口とを含む第１の流体通路を有し、下流の管板はさらに、管体の出口端部を受容し第２の流体流を下流のプレナムに送り込む第２の流体通路を有し、第１の流体通路は第２の流体通路と下流のプレナムの上流で交差する請求項１５の触媒酸化モジュール。
【請求項１７】
第２の流体通路は、管板の入口側近くの小さい直径から下流の管板の出口側近くの大きい直径へ末広がる形状を有する請求項１６の触媒酸化モジュール。
【請求項１８】
管板は、管体の軸方向において膨張及び収縮できるように第２の流体通路内で摺動可能である請求項１６の触媒酸化モジュール。
【請求項１９】
第２の流体通路は、肩部で終端して管体を受容する皿孔より成る請求項１８の触媒酸化モジュール。
【請求項２０】
管体の入口端部に接続された上流の管板をさらに備え、上流の管板は管体を受容する通路を有し、上流の管板の通路は肩部で終端して管体を受容する皿孔を有し、管体は軸方向において膨張及び収縮できるように皿孔の内部で摺動自在に係合する請求項１５の触媒酸化モジュール。
【請求項２１】
第１の流体流と第２の流体流との間の流体連通関係を調整するために圧力境界要素の入口端部と出口端部との間にバッフルをさらに備えた請求項１の触媒酸化モジュール。
【請求項２２】
圧縮空気の第１及び第２の流体流を供給する圧縮機と、
可燃性燃料を第１の流体流に注入する燃料供給源と、
第１の流体流中で可燃性燃料を少なくとも部分燃焼させ、第１の流体流と第２の流体流とを少なくとも部分混合させる触媒酸化モジュールと、
触媒酸化モジュールから第１及び第２の流体流を受けて高温ガスを発生させる燃焼完了チェンバと、
燃焼完了チェンバから高温ガスを受けるタービンとより成り、
第１の流体流と第２の流体流とは触媒酸化モジュールの圧力境界要素の表の表面と裏の表面とに差し向けられることを特徴とするガスタービンエンジン。
【請求項２３】
触媒酸化モジュールはさらに、
入口端部及び下流のプレナムと流体連通関係にある出口端部を有し、燃焼混合物の第１の流体流を第２の流体流から分離する圧力境界要素と、
入口端部と出口端部との間で第１の流体流にさらされる触媒表面と、
出口端部の上流で第１の流体流と第２の流体流との間の流体連通を許容する圧力境界要素の開口とより成る請求項２２のガスタービンエンジン。
【請求項２４】
圧力境界要素は管体より成る請求項２３のガスタービンエンジン。
【請求項２５】
開口は管体に形成されている請求項２３のガスタービンエンジン。
【請求項２６】
開口は管体に形成された複数の孔部より成る請求項２４のガスタービンエンジン。
【請求項２７】
開口は管体に形成された複数のスロットより成る請求項２４のガスタービンエンジン。
【請求項２８】
スロットは出口端部に形成されて環状フィンガを構成する請求項２３のガスタービンエンジン。
【請求項２９】
フィンガは、半径方向に管体の中心線から離れる方向に偏倚されているため管体を対応の開口内に延びるようにすると偏倚係合する請求項２８のガスタービンエンジン。
【請求項３０】
圧力境界要素はさらに、管体の出口端部に接続された管板より成る請求項２４のガスタービンエンジン。
【請求項３１】
管板はさらに管体を受容する通路を有し、通路は入口側で第１の直径を、また出口側で第１の直径より大きい第２の直径を有する請求項３０のガスタービンエンジン。
【請求項３２】
管体の入口端部に接続された上流の管板をさらに備え、上流の管板は管体を受容するための通路を有し、上流の管板の通路は、肩部で終端して管体を受容する皿孔を有し、管体は軸方向における膨張及び収縮が容易にできるように皿孔の内部と摺動自在に係合する請求項３０のガスタービンエンジン。
【請求項３３】
圧力境界要素はさらに、管体の出口端部に接続された管板より成り、その管板には開口が形成されている請求項２４のガスタービンエンジン。
【請求項３４】
前記管板はさらに、第１の流体流を受ける第１の流体入口開口と第１の流体出口開口とを含む第１の流体通路を有し、下流の管板はさらに、管体の出口端部を受容し第２の流体流を下流のプレナムに送り込む第２の流体通路を有し、第１の流体通路は第２の流体通路と下流のプレナムの上流で交差する請求項３３のガスタービンエンジン。
【請求項３５】
第２の流体通路は、管板の入口側近くの小さい直径から下流の管板の出口側近くの大きい直径へ末広がる形状を有する請求項３４のガスタービンエンジン。
【請求項３６】
管体の入口端部に接続された上流の管板をさらに備え、上流の管板は管体を受容する通路を有し、上流の管板の通路は肩部で終端して管体を受容する皿孔を有し、管体は軸方向において膨張及び収縮できるように皿孔の内部で摺動自在に係合する請求項３３のガスタービンエンジン。
【国際調査報告】
2006509990.tif 000009
2006509990.tif 000010
2006509990.tif 000011