(57)【要約】【課題】炭化水素膜で保護された耐火性炭化物構成要素及びその使用方法を提供すること。【解決手段】  タービン発電システムは、燃焼器とタービンを含む複数の高温ガス経路構成要素を備え、前記燃焼器が、燃料と空気の混合気を燃焼させて排出ガスストリームを生成するよう構成され、前記タービンが、前記排出ガスストリームのエネルギーを有用な機械エネルギーに変換するよう構成され、前記複数の高温ガス経路構成要素が、高温ガス経路に熱的に結合される。タービン発電システムは更に、高炭素活量ガスを前記複数の高温ガス経路構成要素のうちの少なくとも１つの高温ガス経路構成要素に送給するよう構成された第１の導管を備え、耐火性炭化物が前記複数の高温ガス経路構成要素の少なくとも一部を含む。【選択図】      図１
2013127246.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐火性炭化物の高温ガス経路構成要素を安定化する方法であって、
燃焼器内で燃料を燃焼するステップと、
高温ガス経路に熱的に結合された前記高温ガス経路構成要素の少なくとも一部に高炭素活量ガスを送給するステップと、
を含み、前記前記高温ガス経路構成要素の少なくとも一部が耐火性炭化物を含む、方法。
【請求項２】
前記高温ガス経路への高炭素活量ガスの流れを選択的に制御するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記高温ガス経路構成要素が、燃焼器、ベーン、ブレード、ロケット、ラムジェット、スクラムジェット、及びシュラウドから選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記高温ガス経路構成要素が、タービンシステムの一部を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記タービンシステムが、燃料と共に空気を燃焼して排出ガスストリームを生成するよう構成された燃焼器と、
前記排出ガスストリームのエネルギーを有用な機械エネルギーに変換するよう構成されたタービンと、
前記高炭素活量ガスを前記高温ガス経路に送給するよう構成された第１の導管と、
を備える、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
タービンシステムは更に、
空気を加圧するよう構成された圧縮機と、
前記高温ガス経路に分散される高炭素活量ガスの量を選択的に制御するよう構成されたバルブと、
前記タービンによって生成された機械エネルギーを電気エネルギーに変換するよう構成された発電機と、
前記圧縮機、前記タービン、及び前記発電機を連結して、前記タービンによって生成された機械エネルギーを前記発電機及び前記圧縮機によって利用できるようにするシャフトと、
のうちの少なくとも１つを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記高炭素活量ガスを送給することによって、前記高温ガス経路構成要素の表面上にカバーガスのフィルムが形成される、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記高炭素活量ガスが少なくとも１つの炭化水素燃料を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記高炭素活量ガスが更に、二酸化炭素を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
リザーバにおいて前記タービンシステムの排出ガスストリームから二酸化炭素を隔離するステップを更に含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記耐火性炭化物が、セラミックマトリックス複合材を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
タービン発電システムであって、
燃焼器とタービンを含む複数の高温ガス経路構成要素を備え、
前記燃焼器が、燃料と空気の混合気を燃焼させて排出ガスストリームを生成するよう構成され、前記タービンが、前記排出ガスストリームのエネルギーを有用な機械エネルギーに変換するよう構成され、前記複数の高温ガス経路構成要素が、高温ガス経路に熱的に結合され、
前記タービン発電システムが更に、
高炭素活量ガスを前記複数の高温ガス経路構成要素のうちの少なくとも１つの高温ガス経路構成要素に送給するよう構成された第１の導管を備え、
耐火性炭化物が前記複数の高温ガス経路構成要素の少なくとも一部を含む、タービン発電システム。
【請求項１３】
前記高温ガス経路に送給される前記高炭素活量ガスの量を選択的に制御するよう構成されたバルブを更に備える、請求項１２に記載のタービン発電システム。
【請求項１４】
前記燃焼器が、Ｃａｎｄａノズルを含む、請求項１２に記載のタービン発電システム。
【請求項１５】
空気を加圧するよう構成された圧縮機と、
前記タービンによって生成された機械エネルギーを電気エネルギーに変換するよう構成された発電機と、
前記圧縮機、前記タービン、及び前記発電機を連結して、前記タービンによって生成された機械エネルギーを前記発電機及び前記圧縮機によって利用できるようにするシャフトと、
を更に備える、請求項１２に記載のタービン発電システム。
【請求項１６】
前記耐火性炭化物が、セラミックマトリックス複合材を含む、請求項１２に記載のタービン発電システム。
【請求項１７】
高温ガス経路構成要素の冷却システムであって、
高温ガス経路構成要素と、
高炭素活量ガスを前記高温ガス経路構成要素に送給するよう構成された第１の導管と、
を備え、前記高炭素活量ガスが、前記高温ガス経路構成要素の表面上にカバーガスのフィルムを形成する、冷却システム。
【請求項１８】
前記高温ガス経路構成要素が、燃焼器、ベーン、ブレード、ロケット、ラムジェット、スクラムジェット、及びシュラウドから選択される、請求項１７に記載の冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は全体的に、高温燃焼ガス環境において耐火性炭化物を安定化する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現行のガスタービンの性能は、陸上、船舶、又は航空機用途の何れにおいても、高温セクション材料の許容温度及びこの材料の一体性を維持するのに必要な冷却上の欠点によって制限される。従来のタービンシステムでは、例えば、圧縮機吐出空気は、高温ガス経路構成要素用の冷却媒体として使用することができる。これらのタービンシステムの「高温ガス経路」は、燃焼器ライナ及び保炎セグメント、高圧タービン段の固定ベーン及び回転ブレード、並びに回転ブレードの周りのシュラウドなどの構成要素を含む。これらの高温ガス経路構成要素のより高温の性能を提供し、より高い燃焼温度及びエンジン効率をもたらすために、複合材料及びモノリシック材料が長年にわたって開発されている。このような材料には、耐火性金属炭化物（ＭＣ）及びセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）のような耐火性炭化物がある。耐火性炭化物は、極めて高い融点を有する。セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）は、ＳｉＣ−Ｓｉのマトリックス内の連続したＳｉＣ強化繊維からなり、溶融ケイ素含浸プロセスを用いて作製される。ＣＭＣの望ましい特性には、熱伝導性が高い、マトリックス亀裂発生応力が高い、層間強度が高い、及び環境安定性が良好であることが挙げられる。ＣＭＣは、最大で少なくとも２８００°Ｆまでの高温性能を提供するが、これらは依然として特殊なコーティング及び冷却を必要とする環境要因によって制限されている。詳細には、２２００°Ｆを上回る温度では、コーティングされていないＣＭＣは、過酸化及び減肉を生じやすい。現在のところ、ＣＭＣは、ムライト及びＢａ−Ｓｒ−アルミノケイ酸塩セラミックの化学的性質に基づく耐環境性ボンドコート（ＥＢＣ）を利用している。ＥＢＣは、減肉に起因したＣＭＣの損失を防止するが、コーティングの損傷又は損失に関する懸念を伴う。
【０００３】
従来の全てのガスタービンエンジンは、別個の燃焼システム及びタービンを利用しており、これらは燃焼器と極めて近接して存在しなければならない。燃焼器の設計及び作動性は、拡散、予混合、又は複合モードであるか、ガスもしくは液体燃料であるかに関わらず、タービンの熱管理に対して大きな影響を持っている。加えて、燃焼器システム自体の熱管理は、結果として生じるガス温度プロファイル及びパターン要因、燃焼の不安定性、及びエミッションに大きく寄与する可能性がある。低エミッション及びゼロエミッションエンジンへの技術的な転換に伴って、新しい燃焼方式では、燃焼器及びタービン構造の革新が必要とされている。加えて、タービン構成要素の一体性及び性能を維持しながら、より高温の作動を可能にする作動システム及び方法に対する必要性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７，９８０，０５２号明細書
【発明の概要】
【０００５】
本開示は、全体的に、高炭素活量ガスを用いて高温ガス経路構成要素を安定化するシステム及び方法に関する。より詳細には、本開示は、ガスタービン発電システムの分野にある。
【０００６】
１つの実施形態において、本開示は、耐火性炭化物の高温ガス経路構成要素を安定化する方法に関する。本方法において、燃焼器において燃料を燃焼させる。高炭素活量ガスが、高温ガス経路に熱的に結合された高温ガス経路の構成要素の少なくとも一部に送給される。高温ガス経路構成要素の少なくとも一部は、耐火性炭化物を含む。
【０００７】
１つの実施形態において、本開示は、タービン発電システムに関する。本システムは、高温ガス経路に熱的に結合された幾つかの高温ガス経路構成要素を含む。高温ガス経路構成要素の少なくとも１つのうちの少なくとも一部は、耐火性炭化物又はセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）を含む。燃焼器は、燃料と空気の混合気を燃焼させて排出ガスストリームを生成するよう構成される。タービンは、この排出ガスストリームのエネルギーを有用な機械エネルギーに変換するよう構成される。高炭素活量ガスが導管により高温ガス経路構成要素のうちの少なくとも１つに送給される。
【０００８】
１つの実施形態において、本開示は、高温ガス経路構成要素の冷却システムに関する。本システムは、高温ガス経路構成要素と、該高温ガス経路構成要素の少なくとも一部に高炭素活量ガスを送給する第１の導管とを含む。この高炭素活量ガスは、少なくとも１つの高温ガス経路構成要素の表面上にカバーガスのフィルムを形成する。本開示において、「表面」は、内部又は外部表面を含む、高温ガス経路構成要素のあらゆる表面を指すことができる。
【０００９】
上記及び他の特徴は、以下の詳細な説明及び図面によって例証される。
【００１０】
本発明のこれら並びに他の特徴、態様、及び利点は、図面全体を通じて同じ参照符号が同じ要素を示す添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことにより、一層よく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】１つの実施形態による、タービン構成要素安定化源として高炭素活量ガスを利用するよう適合されたタービン発電システムのプロセスフロー図。
【図２】１つの実施形態による、タービン構成要素安定化源として隔離された二酸化炭素を含む高炭素活量ガスを利用するよう適合されたタービン発電システムのプロセスフロー図。
【図３】１つの実施形態において、航空機用高圧ガスタービン及び燃焼器の１つの実施例の概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に提示される各実施形態は、本開示の特定の態様の説明を容易にするものであり、本開示の範囲を限定するものと解釈すべきではない。その上、本明細書及び請求項全体を通じてここで使用される近似表現は、関連する基本的機能の変更をもたらすことなく、許容範囲内で変わることのできるあらゆる定量的表現を修飾するのに適用することができる。従って、「約」などの１又は複数の用語により修飾される値は、指定される厳密な値に限定されるものではない。場合によっては、近似表現は、値を測定するための計器の精度に対応することができる。
【００１３】
以下の明細書及び請求項において、単数形態は、前後関係から明らかに別の意味を示さない限り、複数形態も含む。本明細書で使用される用語「することができる」及び「であってもよい」とは、一連の状況内で起こる可能性があること、或いは、特定の特性、特徴又は機能を有することを示し、及び／又は修飾される動詞に関連する技量、能力、又は可能性の１つ又はそれ以上を表現することにより別の動詞を修飾する。従って、「することができる」及び「であってもよい」の使用は、修飾される用語が適切ではない、可能ではない、又は好適ではない場合もあることを考慮に入れながら、修飾の用語が示された技量、機能、又は利用に明らかに適切であり、可能であり、又は好適であることを示している。
【００１４】
本開示は、耐火性炭化物材料及びシステムを利用して、一例によれば、少なくとも約３０００°Ｆに耐えることのできる高温ガス経路構成要素をもたらすようにする。本開示において、タービン高温ガス経路構成要素の酸化及び揮発は、高温ガス経路構成要素の表面上に連続的に補給される高炭素活性ガスの化学的安定化膜を導入することによって抑制される。これらのガスは、外側表面上又は内側表面上にあるかに関わらず、耐火性炭化物の安定化をもたらす。ここで高炭素活性ガスは、高温ガス経路構成要素の表面の少なくとも一部、具体的には耐火性炭化物から構成される部分に提供されて、燃焼後のガスから保護するようにする。この保護層は、炭化物の減肉を最小限にする機能を果たす。
【００１５】
本開示は、耐火性炭化物を超高温（一例として３０００°Ｆを上回る）で使用できるようにする。耐火性炭化物に対して他の温度範囲も対応することができる。高温ガス経路構成要素で使用する炭化物は、高融点を有し、高温で構造的安定性及び強度を有することになる。このような耐火性炭化物の実施例には、限定ではないが、ＴｉＣ、ＺｒＣ、ＨｆＣ、ＴａＣ、ＳｉＣ、ＮｂＣ、及びＢ4Ｃが挙げられる。本開示において、用語「耐火性炭化物」、「耐火性金属炭化物」及び「セラミックマトリックス複合材」は、マトリックス及び強化構成要素の両方に適用可能な用語と共に同義的に使用することができる。本明細書の実施例において炭化ケイ素系ＣＭＣが記載されているが、同様の特性を有する他の耐火性炭化物複合材並びにモノリスを使用してもよい点は、当業者であれば理解されるであろう。酸化物は、本明細書で記載される方法及びシステムで使用するには好適ではない。
【００１６】
炭素活量は、グラファイトの標準状態の炭素活量１．０と比較したときの環境における炭素分圧の熱力学比率である。従って、高炭素活量ガスは、ガス中の炭素の分圧が構成要素表面での耐火性炭化物中の炭素活量よりも高いものである。本開示において、炭素活量の実際の値は、約０．１〜約１．０の間である。
【００１７】
以下の説明はガスタービンシステムに関する例証であるが、燃焼プロセス中に酸化され埋め込むことができる耐火性炭化物構成要素を利用するあらゆるシステムが本開示の実施形態を利用できることは、当業者であれば理解されるであろう。ジェットエンジン、陸上用タービン、又はロケットノズル、アフターバーナー、又はモータは、このような代替システムの例証である。本開示の方法及びシステムは、発電用タービン、航空機転用エンジン、及び船舶推進用エンジンに有用である。
【００１８】
図１は、タービンの高温ガス経路構成要素を安定化する高炭素活量ガス２５を利用したタービン発電システム１００を示している。タービン発電システムは、空気圧縮機１２、燃焼器６６、タービン１４、及び発電機１６を含む。圧縮機１２、タービン１４、及び発電機１６は、２つのシャフト１８、２０により連結することができる。シャフト１８、２０はまた、同じシャフトであってもよい点に留意されたい。シャフトによって、タービン１４が生成する機械エネルギーを発電機１６及び圧縮機１２が利用できるようになる。
【００１９】
空気圧縮機１２の入口に流入する空気１０は加圧される。次いで、空気圧縮機１２の出口から出た加圧空気５４は、燃焼器６６に供給することができ、利用できる種々の燃焼器の実施形態を以下で詳細に説明する。
【００２０】
特定の実施形態において、高温ガス経路構成要素の保護範囲を完全にすることは有利とすることができるが、他の実施形態ではより少ない保護範囲が望ましい場合もある。混合チャンバに対して異なる燃焼器システム及び制御バルブが利用可能であることにより、高炭素活量ガスの噴射速度の制御が可能になる。
【００２１】
現在のタービンフィルム冷却は、表面に対して浅い角度で配向された離散的フィルム孔の列を用いることに依存している。これらのフィルム列の効果的な設計及び位置により、全体的な保護範囲の保護ガス層をもたらすことが可能になる。現行の燃焼器では、目的を達成するために、複数孔、全体的な保護範囲のフィルム冷却、又は他の形式の完全スロットタイプのフィルム冷却を用いるのが一般的である。よって、全面的な高温ガス経路構成要素に対して高炭素活量保護層を導入するための技術が存在する。また、翼形部後縁、ブレード先端、及び構成要素間の界面スロットなどの境界の形状領域、並びに高度乱流ストリームにおいて十分な保護範囲を提供する上で課題が存在する。このような領域では、多孔性壁部において得られるものと同様の浸出冷却の技術的に改変された形態を用いることもできる。
【００２２】
ガス及びフィルム保護範囲の割り当ては、最適な仕事抽出及びエンジン効率に有利なように種々の程度及び位置に調整することができる。本方法は、例えば、従来の燃焼器の下流側にある高炭素活量ガスで保護されたベーン及び／又はブレード、又は燃焼器のみ、又は燃焼器とベーンシステム、或いは、複数の構成要素にわたって分配された燃焼システムとして用いることにより、システムにおける燃焼を増強するのに用いることができる。
【００２３】
本開示において、燃焼システムの様々な別の実施形態を用いることができる。航空機エンジンは通常、アニュラ型燃焼器を使用しており、他方、地上発電用タービンエンジンは、缶アニュラ型燃焼器を使用している。先進の航空機エンジン燃焼器−タービンシステムは、ノズルガイドベーンの周りにある程度の燃焼を事前に生じることができる。翼形部フィルム冷却は、未燃燃料と反応し、高温ガス経路の表面付近にフィルム加熱を生じさせることができる。一部の燃焼システムでは、燃焼器及びタービン入口ガイドベーンを単一のシステムに併合することが求められる。このような燃焼器とタービン入口ガイドノズルを組み合わせることにより、燃料がノズルの表面上に噴射される。燃料はノズルを冷却し、ノズルの下流側で燃焼が発生する。例えば、多段燃焼器は、１次燃焼ゾーンをタービン入口ベーンの上流側に導入し、２次燃焼ゾーンをタービン入口ベーンのすぐ手前又は内部に導入することができる。停留渦式燃焼（ＴＶＣ）は、パイロットバーナーとして再循環壁キャビティを利用する多段燃焼の一形態である。ＴＶＣ装置は、高温生成物及び燃焼ガスを流入燃料と混合することによって、連続した点火源を提供する火炎安定ゾーンをもたらす。
【００２４】
従来の燃焼器の後に続いて、ＣＭＣが高炭素活量ガスによって保護されたＣＭＣ３０００ベーン（保護フィルム付きＣＭＣ）を用いることができ、これによりベーンから全ての圧縮機吐出空気が排除される。このシステムは、より高温の燃焼温度か、又はより低温の火炎温度（低エミッション）を有する現行の燃焼温度を可能にする。高活量の炭素ガスは、以下の実施例において説明するように、より多くの複数段システムを提供するために燃焼器を増強する。
【００２５】
非限定的な一例として、従来の燃焼器及びタービン入口ガイドベーンは、米国特許出願公開２００８０１３４６８５号及び２００８００７８１８１号に記載されるような、ＣＭＣ  Ｃｏａｎｄａノズルで置き換えることができる。この新規のシステムは、燃焼器と入口ガイドベーンの両方の機能を達成するが、ＣＭＣで作られている。要約すると、この燃焼器では、燃料は、表面に対してジェットを固着させるようにするＣｏａｎｄａ効果により曲線壁部に接線方向に制御されたパターンで噴射される。例えば、ＣＨ4などのガス燃料を用いる用途では、燃料噴射とＣＭＣの保護ガスの両方に使用することができる。ネット燃料などの液体燃料を用いる用途では、炭化水素燃料をＣＭＣ構成要素の内部で霧化し、次いで、噴射されるガス燃料として用いてＣＭＣ保護層を形成することになる。両方の用途において、燃焼は、空気通路とノズルの下流側の両方で生じることができる。
【００２６】
幾つかの場合において、加圧空気５４を燃焼器６６に送給する前に復熱器において該加圧空気５４を予熱することが望ましい場合があることは、当業者であれば理解されるであろう。燃料２４は、燃焼器６６に供給される。燃料流量は、流れ制御バルブによって制御することができる。燃料は、噴射ノズルにより燃焼器６６に噴射することができる。高圧ガスタービン用途では、タービンの回転軸の周りに円周方向に位置する複数の燃焼室又は缶を利用して燃料２４及び加圧空気５４を燃焼させることも有利である。
【００２７】
燃焼器６６の内部では、燃料２４及び加圧空気５４が混合されて点火装置により点火され、発熱反応を生じさせる。燃焼後、燃焼により結果として得られる高温の膨張ガス５６は、タービン１４の入口ノズルに配向される。タービン１４を通って膨張すると、高温ガスはタービンシャフト出力を生成する。その結果、タービン出力が空気圧縮機１２を駆動する。タービン排出ガス２６は、タービンから流出する。
【００２８】
一部の実施形態において、タービン排出ガス２６は、蒸気発生器３０に送給することができる。熱回収システムにおいて、タービン排出ガス２６は、最初に復熱器を通って送給されて燃焼空気を加熱することができ、その後、排出ガスは、追加の熱回収段に送られる。蒸気発生器３０に送給されるタービン排出ガス２６は、水２８を加熱して蒸気を生成するのに使用される。蒸気３２は、蒸気タービンを動力源とした駆動発生器とすることができる蒸気発生器３６に送給され、追加の電力３８を生成する。
【００２９】
燃焼器６６をより高温で燃焼可能にするために、高炭素活量ガス２５が第１の導管６８を介して高温ガス経路に供給され、タービンシステム１００の高温ガス経路構成要素を冷却及び／又は保護する。一部の実施形態において、高温ガス経路に分配される高炭素活量ガスの量を選択的に制御するために、バルブ又はグランドシールのような調整器７４が存在してもよい。
【００３０】
高炭素活量ガスは、上記で考察したように同じ燃料２４とすることができ、或いは、別個の供給源によってもたらされることもできる。限定ではないが、メタン、ナフサ、ブタン、ガソリン、ジェット燃料、バイオ燃料又は天然ガスのような流体炭化水素燃料が、この用途では適切となる。一部の実施形態において、高炭素活量ガスは、噴霧又はガス化形態で高温ガス経路構成要素に送給される。本明細書で使用される用語「高温ガス経路構成要素」は一般に、燃焼器６６によって生成される高温ガスに曝されるハードウェア構成要素を指す。これらの高温ガス経路構成要素は、固定又は回転要素とすることができる。このような高温ガス経路構成要素の実施例は、限定ではないが、燃焼器（燃焼器構成要素、例えば、燃焼器ライナ又は保炎セグメントを含む）、シュラウド、タービンのベーンもしくはブレード、ロケット、ラムジェット、又はスクラムジェットを含む。
【００３１】
高炭素活量ガス２５は、高温ガス経路構成要素の十分な冷却及び／又は保護を可能にするタービンシステム１００の何れかの場所に送給することができる。非限定的な実施例として、図では、高炭素活量ガス２５がタービン１４に直接送給されるように示されている。代替として、高炭素活量ガス２５は、燃焼器６６又はシャフト２０に送給することができ、ここでタービン１４全体に分散させることができる。高炭素活量ガス２５は、一部の実施形態において、圧縮機１２からの空気と混合され、冷却媒体を形成することができる。他の実施形態では、高炭素活量ガス２５は、タービン１４の一部を保護することができると共に、圧縮機抽出空気が別の部分（金属又はＣＭＣの何れでも）を冷却する。
【００３２】
一部の実施形態において、タービンの回転ブレードを置き換えることができる。この場合、高炭素活量ガスは、ＣＭＣブレードで使用され、ブレードからの充填可能空気を完全に排除する。結果として得られる回転燃焼器システムは、後続のタービン段に対して十分に混合された高温ガスをもたらすことになる。燃料を高炭素活量ガスとして使用すると、ＣＯ2又は他の非反応ガス単独で使用するのとは違って、次の更なる燃焼をもたらすことになる。高炭素活量ガスは、場合によっては、特定の相の耐火性炭化物と反応することができるが、多くの場合、これらのガスは、耐火性炭化物の下流側又は離れた位置で混合し反応することになる。
【００３３】
タービン出力はまた、発電機１６を駆動することもできる。発電機１６は、機械的エネルギーを使用して電力を生成する。本発明はまた、発電機１６無しで構成することもできる。タービン出力は、機械的駆動用途の場合と同様に、直接伝達されて加えられることになる。
【００３４】
特定の条件下では、高炭素活量ガスは、高温ガス経路に送給されるまえに二酸化炭素と混合するのが望ましい場合がある。図２は、二酸化炭素と混合された高炭素活量ガス２５を利用するタービン発電システムを示す。この実施形態では、高炭素活量ガス２５は、第１の導管６８を通じて混合チャンバ７２に運ばれる。二酸化炭素は、供給源から第２の導管４６を介して混合チャンバ７２に供給される。混合チャンバ７２は、図に例示するように別個の構成要素である必要はなく、二酸化炭素を高炭素活量ガス２５と共に混合できる限り、第２の導管４６と第１の導管６８の合流点とすることができる。
【００３５】
一部の実施形態において、二酸化炭素の量と、高温ガス経路に混合されて分配される高炭素活量ガスの量とを選択的に制御するために、バルブ（図示せず）が存在してもよい。このバルブは、高温ガス経路構成要素に送給される高炭素活量ガス及び／又は二酸化炭素の濃度を変えることができる。
【００３６】
一部の実施形態において、二酸化炭素は、冷却排出ガスから除去されて、任意選択的に、図示のようにリザーバ４４内に貯蔵することができる。二酸化炭素は、多くの異なるプロセスを用いて排出ガスから除去することができる。例えば、膜分離器又は二酸化炭素洗浄装置を用いて、二酸化炭素を排出ガスストリームから濾過又は他の方法で分離することができる。本発明の方法及びシステムは、あらゆる二酸化炭素隔離プロセスで利用できるので、本明細書では二酸化炭素の隔離方法についてこれ以上の考察は行わない。
【００３７】
高炭素活量ガス２５中に隔離された二酸化炭素を加えることにより、複数の利点を実現することができる。幾つかの場合では、ガスタービンエンジンは、もはや冷却用に圧縮機バイパス空気を使用する必要がなくなる。従って、全ての圧縮機空気を燃焼器に送給することができる。これにより、（１）より小型の圧縮機を用いて圧縮機の転回時に生じる「寄生」エネルギーを低減することができ、及び／又は（２）燃焼器に送給されることになるより多くの空気がより強力な燃焼をもたらすことが可能になる。これらの変化の両方は、出力及び効率を改善することになる。また、場合によっては、隔離された二酸化炭素を追加することで、タービンの総質量流量を増大させることができる。これにより、ガスタービンエンジンの出力が更に増大する。これは、二酸化炭素を移動させるエネルギーコストを相殺する助けとなる。二酸化炭素は、高温ガス経路に導入される前に加圧しなければならないにも関わらず、隔離された二酸化炭素の使用を可能にする記載のものなどのシステムは、適切な条件下では望ましいとすることができる。
【００３８】
図３は、１つの実施形態における従来の航空機用高圧ガスタービン及び燃焼器の実施例の概略図を示す。
【００３９】
現在利用されているＣＭＣシステムのＳｉＣなどの耐火性炭化物を安定化するのに必要な炭素の化学的活量は、高温ガス経路構成要素に保護の炭化水素ガスを噴射し、構成要素の表面上に保護層を形成することによって確立される。この炭化水素層は、高温ガス経路構成要素を効果的に保護するために３つの事を実施しなければならない。第１は、水蒸気を排除することである。どのような理論にも縛られることなく、この措置は、保護層を通じた水蒸気の拡散を制限することによって達成されると考えられる。加えて、保護層は、利用可能なＨ２Ｏと反応して、金属炭化物構成要素の表面で有効なＨ２Ｏ蒸気圧を低下させると考えられる。保護層の第２の機能は、金属炭化物の直接酸化速度を制限するためにＯ２の分圧を低下させることである。酸化物種が燃焼ガス又は添加物の何れかから保護層を見つけ出す場合には、極めて高温で酸化速度を制限するよう低下させなければならない。これのために必要となる可能性があるＯ２は、対象の耐火性炭化物並びに温度の両方に相関関係がある。これら２つの機能が達成されると、フィルムの第３の目的は、耐火性炭化物の蒸発を最小限にして、これを安定化させるのに十分に高いレベルで炭素活量を維持することである。最終的には、高炭素活量ガスは、通常は燃焼ガスよりも遙かに低い温度で供給されるので、内部冷却及びフィルム冷却の両方として高温ガス経路構成要素に冷却を提供し、遙かに高い燃焼温度を可能にすることができる。しかしながら、ＭＣが十分に安定化されている条件下では、必ずしも耐火性炭化物が燃焼ガスよりも低い温度で維持されるとは限らない。
【００４０】
カバーガスとして窒素を利用するシステムは、水蒸気を上首尾に排除することができる。しかしながら、実際には窒素は、直接酸化を阻止するのに十分に低い酸素含有量で作ることができず、これは２５００°Ｆを上回る温度での問題である。ＳｉＯ２は、ＳｉＯ蒸気圧の増大を考慮すると解離及び蒸発が可能であり、ＣＭＣ上に形成されるＳｉＯ２ガラスの粘性は、一旦は保護酸化物が除去されることになる点まで低下することになる。その上、全てのＭＣ酸化物が保護性であるとは限らない。これらは、形成されると蒸発又は剥離することができる。このような場合、カバーガスの酸素含有量は、水蒸気が排除された場合でも十分な直接酸化を制限するほど低く維持されなければならない。
【００４１】
１つの実施形態において、燃焼ガス生成物（ＣＯ２）は、ガス中のカーボンポテンシャルを調整するために、炭化水素（例えば、メタン又はジェット燃料）と混合された後に高温セクション構成要素に再導入される。コーティング無しのＳｉＣベースＣＭＣ材料では、ＣＯ２は、式１  ａ．）に従ってＳｉＣを酸化することができる。
１  ａ．）            ＳｉＣ  ＋  ＣＯ２  →  ＳｉＯ２  ＋  ２Ｃ
しかしながら、質量作用の法則により、高炭素活量又は低ＣＯ２圧力では、式（１ａ）の反応は左に向けられ、ＳｉＣが安定する。これらの条件は、炭素活量及びＣＯ２分圧の両方に対する許容可能範囲に制限を加える。ＳｉＯ２が形成された場合、以下の式１ｂ．）に従ってＨ２Ｏと反応し、ＣＭＣの減肉及び消費をもたらすことになる。
１  ｂ．）            ＳｉＯ2  ＋  ２Ｈ2Ｏ  →  Ｓｉ（ＯＨ）4
式１  ａ．）と１  ｂ．）を組み合わせて、炭素含有化学種を例えばＣＨ４として表すと、全体として式２．）が得られる。
２．）            ＳｉＣ  ＋  ４Ｈ2Ｏ  →  Ｓｉ（ＯＨ）4  ＋  ＣＨ4
これは、空気中の水又は燃焼後ガスが、ＳｉＣの蒸発及びメタン（ＣＨ4）の生成をもたらすことを示している。耐火性炭化物の表面上の保護層が、ＣＨ4含有などにより炭素化学活量が高い場合、この反応は、左に向い、ＳｉＣの消費が抑制される。同様に、ＳｉＣの直接昇華は、式３．）に従って進む。
３．）            ＳｉＣ（ｓ）  →  ＳｉＣ（ｇ）  →  Ｓｉ（ｇ）  ＋  Ｃ
ここでガスＳｉは炭素と共に生成される。この場合も同様に、高い炭素化学活量が提供されると、この反応は左に向けられ、ＳｉＣの蒸発が直接抑制される。
【００４２】
この化学安定性の状況によれば、耐火性炭化物を高炭素活量ガスの層によって完全に効率的に覆うことができる場合、耐火性炭化物は、材料の喪失又は劣化を伴うことなく、３０００°Ｆなどの高温に耐えることになる。更に、高炭素活量ガスの噴射を伴い、これらのガスによって表面の完全な保護範囲をもたらす耐火性炭化物システムは、下流側だけでなく主流での燃料の燃焼の場合でも表面の完全な保護を可能にする。このシステムは、耐火性炭化物構成要素の炭化水素安定性をもたらすことになる。
【００４３】
耐火性炭化物構成要素は、現在、酸化及び減肉を回避するために環境障壁コーティング（ＥＢＣ）を必要とする。しかしながら、本発明のシステムでは、環境障壁コーティングが必要ではなく、これにより可能性のあるシステム故障又は劣化の１つの発生源が排除される。ＥＢＣ無しの炭化物構成要素を単独で用いることには多くの利点がある。１．）ＥＢＣは不可欠なものとなり、すなわち、構成要素の寿命がＥＢＣの寿命によって制限される。ＥＢＣの代わりに高炭素活量ガスを用いることで、ＥＢＣの寿命ではなく、炭化物構成要素の力学的耐久性の生来の寿命まで延びる。２．）ＥＢＣを排除することにより、製造及び材料コストが大幅に低減される。ＥＢＣは、コーティングを含む全ての層を生成するのに複数の堆積ステップを必要とする。これらのプロセスは、材料及び労力コストが付加されるだけでなく、高価な製造設備への投資も必要となる。３．）ＥＢＣは、コーティングされた構成要素に有意な重量増加をもたらす。特に航空機用途では、性能の向上及び燃料消費量の低減の結果、ＥＢＣの代わりにカバーガスの使用を招くことになる。連続的に補給される蒸気化学保護フィルムと共にコーティングされていない耐火性炭化物構成要素を使用することで、炭化水素蒸気供給源（例えば、燃料）を用いて保護することができる、３０００°Ｆ使用可能材料の機会を提供する。このようなタービン構成要素の提供により、結果として生じるエンジン効率の向上及び複数点の燃料消費率（ＳＦＣ）を有する充填不能及び充填可能な空気冷却流の両方がほぼ排除される完全に新規のエンジンアーキテクチャをもたらすことができる。
【００４４】
上記の説明は例証を意図するものであり、限定ではない点を理解されたい。例えば、上述の実施形態（及び／又はその態様）は、互いに組み合わせて用いることができる。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は物的事項を本発明の教示に適合するように多くの修正を行うことができる。限られた数の実施形態のみに関して本発明を詳細に説明してきたが、本発明はこのような開示された実施形態に限定されないことは理解されたい。むしろ、本発明は、上記で説明されていない多くの変形、改造、置換、又は均等な構成を組み込むように修正することができるが、これらは、本発明の技術的思想及び範囲に相応する。加えて、本発明の種々の実施形態について説明してきたが、本発明の態様は記載された実施形態の一部のみを含むことができる点を理解されたい。従って、本発明は、上述の説明によって限定されると見なすべきではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００４５】
１２  空気圧縮機
１４  タービン
１６  発電機
３０  蒸気発生器
３６  蒸気発生器
６６  燃焼器
１００  タービン発電システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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