(57)【要約】  本開示は、特に、燃焼ガス又は高温燃焼ガス環境を含む燃焼ガス環境に露出された、ケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体のシリカ後退を低減させるための方法及びシステムに関する。方法及びシステムは、処理された圧縮空気をケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体が露出される燃焼ガスと混合する前に、圧縮空気から水分を除去することを伴う。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリカ後退を低減させる方法であって、
ケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体を高温燃焼ガス環境に露出することと、
ケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体の対象面を除湿された混合ガスと接触させることにより、対象面のシリカ後退を低減させることとを含み、
除湿された混合ガスが、圧縮空気から水分を除去するのに有効な水分除去剤により処理された圧縮空気を含む、方法。
【請求項２】
除湿された混合ガスが、水分除去剤により処理された圧縮空気と混ざり合った燃焼ガスを含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
水分除去剤が、圧縮空気から水分を除去するのに有効な任意の無機材料、有機材料又は機械デバイスを含む、請求項１記載の方法。
【請求項４】
無機材料が、シリカゲル、無水硫酸カルシウム等から成る群から選択される、請求項３記載の方法。
【請求項５】
ケイ素含有セラミックスが、炭化ケイ素、炭化ケイ素−炭化ケイ素複合体、窒化ケイ素、ケイ素−炭化ケイ素、ケイ化モリブデン、及びこれらの混合物から成る群から選択される、請求項１記載の方法。
【請求項６】
ケイ素含有セラミックスが炭化ケイ素−炭化ケイ素複合体である、請求項５記載の方法。
【請求項７】
ケイ素含有セラミックスがケイ素を主成分として含む、請求項１記載の方法。
【請求項８】
ケイ素含有セラミックス複合体が連続繊維補強セラミックス複合体である、請求項１記載の方法。
【請求項９】
繊維が、炭素、炭化ケイ素、炭化ケイ素含有材料、及びこれらの混合物から成る群から選択される、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
ケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体が高温タービン構成要素である、請求項１記載の方法。
【請求項１１】
ケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体のシリカ後退が、除湿された混合ガスを伴わない燃焼ガスに露出されたケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体と比べて少なくとも約１／２の後退速度に低減される、請求項１記載の方法。
【請求項１２】
シリカ後退が、約１／１０、約１／２０、約１／４０、約１／６０、約１／８０、約１／１００の後退速度まで低減される、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
ケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体の対象面を覆うような除湿された混合ガスの層流を作成することを更に含む、請求項１記載の方法。
【請求項１４】
対象面に近接した位置でケイ素を圧縮空気に注入することを更に含み、ケイ素が、圧縮空気を除湿する前、後又は前後の両方に圧縮空気に注入される、請求項１記載の方法。
【請求項１５】
燃焼器により使用される圧縮空気にケイ素を注入することを更に含み、燃焼器が、ケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体が露出される燃焼ガスを提供し、
ケイ素が、圧縮空気を除湿する前、後又は前後の両方に圧縮空気に注入される、請求項１記載の方法。
【請求項１６】
シリカ後退を低減させるためのシステムであって、
高温燃焼ガスを１以上のケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体に提供する燃焼器と、
燃焼ガスと混合するための圧縮空気を提供する空気圧縮器と、
除湿された圧縮空気を燃焼ガスと混合する前に水分除去剤を圧縮空気に提供する１以上の除湿構成要素と
を備えるシステム。
【請求項１７】
水分除去剤が、圧縮空気から水分を除去するのに有効な任意の無機材料、有機材料又は機械デバイスを含む、請求項１６記載のシステム。
【請求項１８】
無機材料が、シリカゲル、無水硫酸カルシウム等から成る群から選択される、請求項１７記載のシステム。
【請求項１９】
ケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体が、燃焼ライナ、ベーン及びブレード、ノズル、バケット、トランジションピース、シュラウド等から成る群から選択されるタービン構成要素である、請求項１６記載のシステム。
【請求項２０】
システムが、地上設置型ガスタービン装置、航空機エンジン又は熱交換器の部分として一体化される、請求項１６記載のシステム。
【請求項２１】
ケイ素を圧縮空気に注入してケイ素ドープされた圧縮空気を生じるための１以上のケイ素注入器を更に備え、１以上のケイ素注入器が、燃焼ガスを圧縮空気と混合する直前にケイ素の注入が実施されるように配置される、請求項１６記載のシステム。
【請求項２２】
１以上のケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体に高温燃焼ガスを提供する燃焼器により使用される圧縮空気にケイ素を注入するためのケイ素注入器（５０）を更に備える、請求項１６記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、ケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体のシリカ後退を低減させるのに使用される方法及びシステムに関し、ケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体は、特に、産業用地上設置型タービン、航空機エンジン、自動車及び熱交換器に見られるような高温燃焼ガス環境に露出されたものを含む、燃焼ガス環境に露出されたものである。
【背景技術】
【０００２】
炭化ケイ素、窒化ケイ素等のケイ素系一体構造セラミックス、及び連続繊維補強セラミックス複合体を含むケイ素含有複合体は、ガスタービン、航空機エンジン及び熱交換器の構成部品等、高温構造用途の魅力的な候補である。これらのケイ素含有材料は、これらの卓越した高温特性及び低密度のために特に魅力的である。例えば、燃焼ガス環境において、冷却された金属構成要素を冷却されていないケイ素含有セラミックス構成要素又は冷却用の少ないケイ素含有セラミックス構成要素により置き換えることにより性能上の利点が得られる。そのようなセラミックスにより高温ガス経路構成要素の材料を置換することは、高い出力パワー、熱効率の改良、及びＮＯｘ排出量の低減を生み出す。構成部品のサイズ、及び構成要素がサービス中に満たさなければならない機械的仕様に応じて、炭化ケイ素繊維補強炭化ケイ素又はケイ素−炭化ケイ素マトリクス複合体等の連続もしくは非連続繊維補強セラミックス複合体を含むケイ素含有複合体セラミックスは、優れた熱及び機械衝撃抵抗性、高い耐損傷性及び破断歪みのために、ときどき一体構造セラミックスに勝って選択される。炭化ケイ素又はケイ素−炭化ケイ素マトリクスを伴うこのクラスの複合体は、炭化ケイ素／炭化ケイ素又はＳｉＣ／ＳｉＣ複合体と一般に呼ばれる。非連続繊維補強複合体の例は、炭化ケイ素ウィスカで補強された複合体を含む。一体構造セラミックスの例は、炭化ケイ素、窒化ケイ素及びケイ素−炭化ケイ素セラミックスである。
【０００３】
ケイ素含有セラミックス又はケイ素含有複合体（本明細書では、ケイ素含有セラミックス又は複合体）の金属に優位な点の一つは、高いタービンロータ入口温度を可能にするこれらの優れた高温耐久性である。加えて、それらは、ニッケル系超合金と比べて低い熱膨張係数及び低い密度を呈する。ケイ素含有複合体系の比較的高い熱伝導性は、使用温度においてニッケル系合金と同様である。
【０００４】
ケイ素含有セラミックス又はケイ素含有複合体が考慮されるガスタービン構成部品は、シュラウド及び燃焼ライナを含む。シュラウドは、タービン外側流路を形成し、ロータバケットを覆うようにシーリング面を作成する。シュラウドは、タービンチップのクリアランス及びラウドネスシステムの主要要素であり、大きなマシンにセグメント化される。シュラウドは、熱シールドの役割を果たし、タービンケーシングを高温ガスストリーム温度から遮断する。流路の部分として、シュラウドは、十分な酸化／腐食抵抗性を有し、エンジン温度、圧力及び流れ環境のための設計寿命の要件を構造的に十分満たさなければならない。
【０００５】
燃焼ライナは、燃焼反応ゾーンを含み、高温ガスをタービン入口に運ぶ。低排出燃焼器において、火炎温度は、サーマルＮＯｘの生成を限定するように最小化される。このことは、タービン冷却用空気を除く圧縮器空気の大部分を予混合器に通し、ライナを通る冷却用又は希釈用空気の量を最小化することにより達成される。ライナ内の複雑な熱勾配及び昇温は、シーリングを損失させる過剰な金属歪み、冷却用空気流の制限、及び高温側熱伝達の増加を招く場合がある。ケイ素含有複合体は、低サイクルクリープ疲労抵抗性及び非常に少ない変形を呈する。シュラウドを伴うケースとして、燃焼ライナは、十分な酸化／腐食抵抗性を有するべきである。タービン構成要素の追加部品は、ノズル、ベーン、ブレード、バケット及びトランジションピースを備える。
【０００６】
高酸化抵抗性は、ケイ素含有セラミックス又は複合体の表面における保護シリカ（ＳｉＯ2）膜の形成により加えられる。ケイ素含有材料の上に提案された用途は、液体燃料又は天然ガス水素もしくは石炭の燃焼生成物である燃焼ガスと直接接触するようにそれらを配置する。天然ガス、液体又は石炭燃料の場合、燃焼生成物は、燃料−空気比に応じて最大約２０体積％の水蒸気を含有する。天然ガスと水素の混合物の場合又は純水素の場合、更に高い水蒸気レベルが得られる。水蒸気及び酸素を含有する環境において、熱力学計算式は、ケイ素の酸化（例えば炭化ケイ素として提示する）のために起こる主要反応を示している。
【０００７】
ＳｉＣ＋３／２Ｏ2（ｇ）＝ＳｉＯ2＋ＣＯ（ｇ）    （１）
ＳｉＣ＋３Ｈ2Ｏ（ｇ）＝ＳｉＯ2＋３Ｈ2（ｇ）＋ＣＯ（ｇ）    （２）
水素及び一酸化炭素は、燃焼ガス中の酸素と反応して水蒸気及び二酸化炭素を形成する。酸素／水蒸気混合ガス中においてケイ素含有セラミックス又は複合体上に形成されたシリカ膜は、水酸化ケイ素又はオキシ水酸化ケイ素種を形成することにより同時に揮発し得る。例えば、可能な一部の揮発反応は、
ＳｉＯ2＋Ｈ2Ｏ（ｇ）＝ＳｉＯ（ＯＨ）2（ｇ）    （３）
ＳｉＯ2＋２Ｈ2Ｏ（ｇ）＝Ｓｉ（ＯＨ）4（ｇ）    （４）
２ＳｉＯ2＋３Ｈ2Ｏ（ｇ）＝Ｓｉ2Ｏ（ＯＨ）6（ｇ）    （５）
である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第６５１７３４１号明細書
【発明の概要】
【０００９】
シリカの揮発は、ケイ素含有セラミックス又は複合材料の厚さの低減、いわゆる表面後退をもたらす材料損失をもたらす。観察された損失速度は、燃焼ガス環境における１０００時間の運転当り数ミルから数十ミルのオーダーである。天然ガスのような燃料である使用燃料に応じて、反応は、多くのタービン、エンジン及び熱交換器用途に見られる高い水蒸気含有率（最大約２０体積％）、高圧（概ね最大３０〜４０気圧）及び高温（最大約１２００〜１５００℃）により好まれる。よって、燃焼環境におけるケイ素含有セラミックス又は複合体の長期化学耐久性のために、シリカ膜の揮発は、構成要素の寿命に亘って制御される必要がある。
【００１０】
耐環境被膜（ＥＢＣ）が表面シリカ後退の保護に役立つ一方で、一部の用途では、冷却に使用される圧縮空気により生じる後退損失に対して保護するために、構成要素の内部通路にＥＢＣが必要とされ得る。しかし、今日、内部通路のＥＢＣのための加工技術は、利用可能ではない。さらに、ＥＢＣの局所剥離が存在する場合、代替的な保護技術の必要性が存在する。
【００１１】
本システム及び技術は、当該技術分野におけるこれら及び他の欠陥を解消することを目的とする。
【００１２】
本技術は、ケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体、特に、高温燃焼ガスを含む燃焼ガスに露出されたもののシリカ後退を低減させるのに有用な方法及びシステムに関する。
【００１３】
一態様では、本技術は、以下の工程、（ｉ）ケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体を高温燃焼ガス環境に露出する工程と、（ｉｉ）ケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体の対象面をケイ素ドープされた混合ガスと接触させることにより、対象面のシリカ後退を低減させる工程とを伴う、シリカ後退を低減させる方法を提供する。この方法によれば、ケイ素ドープされた混合ガスは、対象面に近接した位置でケイ素を圧縮空気に注入してケイ素ドープされた圧縮空気を生み出し、ケイ素ドープされた圧縮空気を燃焼ガスと混合してケイ素ドープされた混合ガスを生み出すことにより生成される。一実施形態では、この方法は、ケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体の対象面を覆うようなケイ素ドープされた混合ガスの層流を作成することを更に伴う。別の実施形態では、方法は、少なくとも一部の水分を圧縮空気から除去することを更に伴う。
【００１４】
別の態様では、本技術は、シリカ後退を低減させるためのシステムを提供し、システムは、（ｉ）高温燃焼ガスを１以上のケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体に提供する燃焼器と、（ｉｉ）燃焼ガスと混合するための圧縮空気を提供する空気圧縮器と、（ｉｉｉ）ケイ素を圧縮空気に注入してケイ素ドープされた圧縮空気を生じるための１以上のケイ素注入器とを含み、１以上のケイ素注入器は、燃焼ガスを圧縮空気と混合する直前にケイ素の注入が実施されるように配置される。一実施形態では、このシステムは、除湿されケイ素ドープされた圧縮空気を燃焼ガスと混合する前に水分除去剤を圧縮空気に提供するための１以上の除湿構成要素を更に含む。別の実施形態では、除湿された圧縮空気は、システム内又はシステムに近接するケイ素含有セラミックス、ケイ素含有セラミックス複合体、又は任意の他の構成要素の冷却に使用され、そのような圧縮空気の除湿は、除湿を伴わない圧縮空気により生じる後退を低減させる。
【００１５】
別の態様では、本技術は、以下の工程、（ｉ）ケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体を高温燃焼ガス環境に露出する工程と、（ｉｉ）ケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体の対象面を除湿された混合ガスと接触させることにより、対象面のシリカ後退を低減させる工程とを伴い、除湿された混合ガスが、圧縮空気から水分を除去するのに有効な水分除去剤により処理された圧縮空気を含む、シリカ後退を低減させる方法を提供する。一実施形態では、この方法は、ケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体の対象面を覆うような除湿された混合ガスの層流を作成することを更に伴う。別の実施形態では、この方法は、対象面に近接した位置でケイ素を圧縮空気に注入することを更に伴い、ケイ素は、圧縮空気を除湿する前、後又は前後の両方に圧縮空気に注入される。
【００１６】
別の態様では、本技術は、シリカ後退を低減させるためのシステムを提供し、システムは、（ｉ）高温燃焼ガスを１以上のケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体に提供する燃焼器と、（ｉｉ）燃焼ガスと混合するための圧縮空気を提供する空気圧縮器と、（ｉｉｉ）除湿された圧縮空気を燃焼ガスと混合する前に水分除去剤を圧縮空気に提供する除湿構成要素とを含む。一実施形態では、このシステムは、ケイ素を圧縮空気に注入してケイ素ドープされた圧縮空気を生じるための１以上のケイ素注入器を更に含み、１以上のケイ素注入器は、燃焼ガスを圧縮空気と混合する直前にケイ素の注入が実施されるように配置される。
【００１７】
本明細書に提供されるように、本技術の方法及びシステムは、ケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体のシリカ後退を低減させるのに有効である。一実施形態に従えば、方法及びシステムは、ケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体のシリカ膜の揮発を低減させることによりシリカ後退を低減させるのに有効である。シリカ膜の揮発を低減させる結果として、下層のケイ素含有セラミックス又はセラミックス複合体は、その作用厚さを実質的に維持し、燃焼環境において腐食及び後退を受けない。本技術の方法及びシステムは、燃焼ガス環境中の構成要素上に保護被膜が使用されるときにも有用である。
【００１８】
本方法及びシステムは、高温段構成要素の内部通路を被膜する必要性を排除するとともに、ＥＢＣ損失の領域のセラミックスマトリクス複合体（ＣＭＣ）を保護するのに有効であり得る点においても有用である。さらに、本技術は、ＥＢＣ剥離のケースではＣＭＣ構成要素の寿命を延ばすのにも有効であり得る。
【００１９】
本方法及びシステムは、能動的に冷却される構成要素を伴うＣＭＣ用途の使用にも有用である。陸上での圧縮空気の含水率を３％程度とすることができるが、商業用飛行機が飛行する高高度での含水率は、非常に低い。したがって、航空機エンジン構成要素は、典型的に内部被膜を必要としないが、地上設置型ガスタービン又は陸上において使用される航空転用型は、能動的に冷却される構成要素のために内部ＥＢＣ被膜を必要とする。この問題は、圧縮空気から水分を除去することにより解決することができる。
【００２０】
本技術に従えば、数ｐｐｍオーダーの圧縮空気中のケイ素レベルを提供するのに十分高い蒸気圧で、構成要素の冷却に使用される圧縮空気を有機ケイ素化合物によりドーピングすることによって、内部ＥＢＣ被膜の必要性を排除又は低減させることもできる。このことは、冷却用チャネル内のＥＢＣの必要性を排除又は低減させる。本システムにより提供されるアプローチには、別の利点が存在する。圧縮空気は、冷却用孔から出てくるときに、燃焼ガスと混合し、ＣＭＣ構成要素の表面を流れる。この混合によりケイ素レベルが著しく希釈されるが、ＣＭＣ構成要素の表面の局所的なケイ素レベルは、一部の領域のＥＢＣの必要性を排除し、他の領域のＥＢＣの寿命を延ばすのに十分高くなり得る。圧縮空気中のケイ素レベルは、典型的にｐｐｍのオーダーであり、冷却に使用される圧縮空気の量は、ガスタービンを通る空気流の全体積の数％のオーダーである。したがって、冷却に使用される圧縮空気のケイ素によるドーピングは、燃焼ガスの全ケイ素レベルに非常に小さな影響を有し、ケイ素レベルは、環境保護庁（ＥＰＡ）の現行の排出制限値よりも確実に十分低い。
【００２１】
本方法及びシステムは、異物損傷（ＦＯＤ）により生じるようなＥＢＣ剥離のケースにおけるＣＭＣにも役立つ。剥離が起きると、ＣＭＣは、ＣＭＣにおいて孔ができる点まで凹むことができる。本システムは、後退速度を低減させるのに有効であり得、これにより孔を形成する時間を増加させる。第２に、孔ができると、後退速度は、ケイ素を含有した圧縮空気が孔から漏れて後退を低減又は排除するため、著しく低下する。
【００２２】
これら及び他の目的、特徴並びに本方法、システム及び技術の利点は、添付図面と併せて、本開示の各種の態様の以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本開示によるシリカ後退を低減させる方法の一実施形態のフローチャートである。図１に示される実施形態は、シリカ後退を低減させるために、ケイ素ドープされた混合ガスをケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体に提供することを伴う。
【図２】本開示によるシリカ後退を低減させる方法の一実施形態のフローチャートである。図２に示される実施形態は、シリカ後退を低減させるために、除湿された混合ガスをケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体に提供することを伴う。
【図３】本開示によるシリカ後退を低減させるためのシステムの一実施形態の概略図である。図３に示される実施形態は、燃焼器と、空気圧縮器と、ケイ素を圧縮空気に注入してケイ素ドープされた圧縮空気を生じるための１以上のケイ素注入器（５０ａ、５０ｂ、５０ｃ）とを含む。
【図４】本開示によるシリカ後退を低減させるためのシステムの一実施形態の概略図である。図４に示される実施形態は、燃焼器と、空気圧縮器と、除湿された圧縮空気を燃焼ガスと混合する前に水分除去剤を圧縮空気に提供するための１以上の除湿構成要素（６０ａ、６０ｂ、６０ｃ）とを含む。
【図５】本開示によるシリカ後退を低減させるためのシステムの一実施形態の概略図である。図５に示される実施形態は、燃焼器と、空気圧縮器と、ケイ素を圧縮空気に注入してケイ素ドープされた圧縮空気を生じるための１以上のケイ素注入器（５０ａ、５０ｂ、５０ｃ）と、ケイ素ドープされ除湿された圧縮空気を燃焼ガスと混合する前に水分除去剤を圧縮空気に提供するための１以上の除湿構成要素（６０ａ、６０ｂ、６０ｃ）とを含む。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
概して、本方法、システム及び技術は、ケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体（本明細書では、「ケイ素含有材料」と総称される）の厚さの損失（「後退」又は「材料損失」とも称される）、特に、燃焼ガス及び燃焼ガス環境への露出、特に、高温燃焼ガス及び高温燃焼ガス環境への露出による厚さの損失に関連する問題を扱う。セラミックスマトリクス複合体（ＣＭＣ）（例えばＳｉＣ／ＳｉＣ複合体）等のケイ素含有材料は、燃焼ガス環境に露出されるガスタービン（例えば地上設置型ガスタービン）及び航空機エンジンの構成部品の製作に使用される。ガスタービン及び航空機エンジンは、燃焼時に水蒸気含有ガスを生成する炭化水素燃料を使用する。水蒸気は、ケイ素含有材料と反応して、ケイ素基材の厚さを低減させることにより表面後退を生じさせる揮発性水酸化ケイ素を形成する。
【００２５】
本技術は、燃焼ガス又は燃焼ガス環境に露出されたケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体のシリカ後退の低減に使用する方法及びシステムを提供することによって、これらの問題及び他の問題を扱う。本技術の一実施形態では、ケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体のシリカ後退は、本明細書に詳しく記述される本技術の方法及びシステムを使用せずに燃焼ガスに露出されたケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体と比べて、少なくとも約１／２の後退速度に低減される。特定の実施形態では、シリカ後退は、約１／１０の後退速度まで低減される。他の実施形態では、シリカ後退は、約１／２０、約１／４０、約１／６０、約１／８０又は約１／１００の後退速度まで低減される。
【００２６】
本明細書において、用語「燃焼ガス」は、少なくとも５００℃の温度を有し、特に１０００℃を超える温度を有する、燃焼に関連するガスを意味する。用語「燃焼ガス」は、関連技術分野の当業者により理解されるような「高温燃焼ガス」も意味する。
【００２７】
本明細書において、用語「燃焼ガス環境」は、燃焼ガスに露出される任意の環境を意味し、各種の実施形態では、産業用地上設置型タービン、航空機エンジン、自動車及び熱交換器に見られるような高温燃焼ガス環境を意味する。更なる例において、ケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体は、構成要素の内部にあり、圧縮空気は、内部部分を通じて導かれ、一部のケースでは構成要素の冷却用孔を介して出る。構成要素の内部通路は、典型的に被膜を有するが、更なる実施形態は、被膜を含まなくてもよい。本開示の技術は、シリカ後退を低減させ、構成要素の内部被膜の排除を容易にする。各種の実施形態では、そのような構成要素は、内部的に圧縮空気にのみ露出され、燃焼器により発生する燃焼ガスに露出されない。しかし、そのような構成要素は、圧縮空気中の水蒸気の存在のために、後退の問題を有する場合がある。
【００２８】
本明細書において、用語「材料損失」は、特に高温において、ケイ素含有材料とガス雰囲気（例えば、水蒸気、燃焼ガス）の反応により起きる、構成要素（例えば、ガスタービン又は航空機エンジンの構成要素）のケイ素含有材料の材料損失を意味する。十分に緻密な材料において、材料損失は、構成要素の厚さの低減をもたらす。材料が多孔性である場合、緻密材料の材料損失と同様の厚さ後退に加えて、開気孔内で生じる材料損失も存在する。一般に、多孔性材料は、十分に緻密な材料よりも高い材料損失を経験する。気孔は、ケイ素含有材料の酸化により追加の材料損失を生じさせ得る。
【００２９】
本技術の方法及びシステムは、高温燃焼ガス環境を含む燃焼ガス環境に露出される任意のケイ素含有材料（例えば、任意のケイ素含有セラミックス又は任意のケイ素含有セラミックス複合体）に適用可能である。航空機又は地上設置型タービンエンジンに使用される構成要素又は部品は、燃焼ガス環境に露出されるケイ素含有材料の非限定的な例である。特定の実施形態では、ケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体は、高温タービン構成要素である。タービンエンジンに使用される構成要素又は部品の例は、非限定的に、燃焼ライナ、ベーン及びブレード、ノズル、バケット、トランジションピース、シュラウド等を含む。特に、本技術は、ケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体の対象面に適用可能である。本明細書に提供されるように、「対象面」は、高温燃焼ガスを含む燃焼ガスに露出され得るケイ素含有材料、構成要素又は構成要素の部品の任意の表面を意味する。対象面は、冷却に使用され得る、構成要素の内部通路を含む。
【００３０】
本開示に従えば、ケイ素含有セラミックスの例は、非限定的に、炭化ケイ素、炭化ケイ素−炭化ケイ素複合体、窒化ケイ素、ケイ素−炭化ケイ素、ケイ化モリブデン、及びこれらの混合物を含む。
【００３１】
幾つかの実施形態では、ケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体は、ケイ素を「主成分」として含み、このことは、材料組成中の最大質量％がケイ素であるケイ素系セラミックス又はセラミックス複合体を意味することが一般に意味される。幾つかの実施形態では、炭素は、一部のケイ素含有セラミックス複合体の主成分であることができ、幾つかのケースではケイ素を上回る場合もある。これらの実施形態では、ケイ素は、一主成分と見做され、炭素は、別の主成分と見做される。同様に、ケイ素含有セラミックス複合体は、時折ＣＦＣＣと称される連続繊維補強セラミックス複合体であることができる。ケイ素含有セラミックスの例は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）、ケイ素−炭化ケイ素、及び二ケイ化モリブデンである。ケイ素含有セラミックス複合体の例は、幾つかに言及すると、ケイ素−炭化ケイ素複合体（Ｓｉ／ＳｉＣ）及び炭化ケイ素−炭化ケイ素複合体（ＳｉＣ／ＳｉＣ）である。ケイ素含有連続繊維セラミックス複合体の例は、炭化ケイ素含有繊維を有するケイ素−炭化ケイ素マトリクス複合体であり、繊維を含有する上述された任意のセラミックス又は複合体は、ＣＦＣＣである。「炭化ケイ素含有繊維」は、炭化ケイ素を含有する組成を有する繊維を意味し、一例において炭化ケイ素を実質的に含有する。例えば、繊維は、炭素により取り囲まれた炭化ケイ素コアを有し得、又は、反対に、繊維は、炭化ケイ素により取り囲まれ、又はカプセル化された炭素コアを有し得る。これらの例は、用語「炭化ケイ素含有繊維」の実証のために与えられ、この特定の組合せに限定されない。炭素、炭化ケイ素、炭化ケイ素含有材料、窒化ケイ素、ケイ素含有セラミックス、又はこれらの組合せを含有する限り、他の繊維組成が企図される。
【００３２】
例えば、炭化ケイ素により包まれ得る他のコア材料は、炭素及びタングステンを含む。繊維材料は、非晶質、結晶質、又はこれらの混合であることができる。結晶質材料は、単結晶又は多結晶であり得る。炭化ケイ素含有繊維材料の例は、炭化ケイ素、Ｓｉ−Ｃ−Ｏ、Ｓｉ−Ｃ−Ｏ−Ｎ、Ｓｉ−Ｃ−Ｏ−金属、及びＳｉ−Ｃ−Ｏ−金属であり、金属成分は、変化することができるが、しばしばチタン又はジルコニア又はアルミニウムである。有機前駆物質を使用して、広範な元素を繊維に導入し得る炭化ケイ素含有繊維を生成する、当該技術分野で知られているプロセスが存在する。
【００３３】
加えて、連続繊維補強ケイ素含有セラミックス複合体は、炭素含有もしくはケイ素含有繊維又はケイ素及び炭素含有繊維を有し、繊維上の被膜を伴う又は伴わない、ケイ素−炭化ケイ素マトリクス複合体又は炭化ケイ素マトリクス複合体を含み得る。そのような繊維に許容可能な被膜は、非限定的に、窒化物、ホウ化物、炭化物、酸化物、ケイ化物、又は他の同様のセラミックス耐火材料である。代表的なセラミックス炭化物被膜は、ホウ素、クロム、ハフニウム、ニオブ、ケイ素、タンタル、チタン、バナジウム、ジルコニウム、及びこれらの混合物の炭化物である。本プロセスに有用な代表的なセラミックス窒化物は、ホウ素、ハフニウム、ニオブ、ケイ素、タンタル、チタン、バナジウム、ジルコニウム、及びこれらの混合物の窒化物である。セラミックスホウ化物の例は、ハフニウム、ニオブ、タンタル、チタン、バナジウム、ジルコニウム、及びこれらの混合物のホウ化物である。酸化被膜の例は、アルミニウム、イットリウム、チタン、ジルコニウム、ベリリウム、ケイ素及び希土類の酸化物である。被膜の厚さは、約０．１〜約４．０マイクロメートル厚であることができる。一例の厚さは、約０．３〜１．０マイクロメートルである。繊維の被膜の他の一部の例は、窒化ホウ素、ケイ素ドープされた窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、炭素、及びこれらの混合物から成る群から選択される。
【００３４】
繊維材料は、１つ以上の被膜を有し得る。追加被膜は、ケイ素により濡らされ、約５００オングストローム〜約３マイクロメートルであるべきである。代表的な有用なケイ素濡れ材料は、炭素元素、金属炭化物、溶融ケイ素と後で反応してケイ化物、窒化ケイ素等の金属窒化物、及び金属ケイ化物を形成する金属皮膜である。炭素元素は、一例であり、通常、熱分解炭素の形で下層被膜上に堆積される。一般に、金属炭化物は、ケイ素、タンタル、チタン又はタングステンの炭化物である。金属窒化物は、ホウ素、ハフニウム、ニオブ、ケイ素、タンタル、チタン、バナジウム、ジルコニウム、及びこれらの混合物の窒化物であり得る。一般に、金属ケイ化物は、クロム、モリブデン、タンタル、チタン、タングステン及びジルコニウムのケイ化物である。溶融ケイ素と後で反応してケイ化物を形成する金属は、ケイ素の融点よりも高い、一例においては約１４５０℃よりも高い融点を有していなければならない。通常、金属及びそのケイ化物は、本プロセスにおいて固体である。代表的なそのような金属は、クロム、モリブデン、タンタル、チタン及びタングステンである。
【００３５】
ケイ素含有セラミックス又は複合体は、当該技術分野で知られている方法により製作される。例示を目的として、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第５０１５５４０号、第５３３０８５４号及び第５３３６３５０号に記述されるような溶融浸透技術によって、ケイ素−炭化ケイ素複合体を製作することができる。また、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第６０２４８９８号に教示されるような、当該技術分野で知られている各種の方法によって、連続繊維ケイ素含有セラミックス複合体を製作することができる。ケイ素含有複合体を化学的気相浸透法（ＣＶＩ）及び高分子含浸熱分解法（ＰＩＰ）により、又はＣＶＩもしくはＰＩＰと溶融浸透法との組合せにより製作することもできる。
【００３６】
圧縮空気のケイ素ドーピングを使用したシリカ後退の低減
一態様では、本技術は、燃焼ガス環境に露出されたケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体のシリカ後退を低減させるために、圧縮空気のケイ素ドーピングを伴う方法を提供する。一般に、図１に例示されるように、この方法１００は、以下の工程、（ｉ）ケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体を高温燃焼ガス環境に露出する工程（図１の工程１１０）と、（ｉｉ）ケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体の対象面をケイ素ドープされた混合ガスと接触させることにより、対象面のシリカ後退を低減させる工程（図１の工程１２０）とを伴う。
【００３７】
この方法によれば、ケイ素ドープされた混合ガスは、対象面に近接した位置でケイ素を圧縮空気に注入してケイ素ドープされた圧縮空気を生み出し、ケイ素ドープされた圧縮空気を燃焼ガスと混合してケイ素ドープされた混合ガスを生み出すことにより生成される。
【００３８】
一実施形態では、ケイ素ドープされた圧縮空気は、１以上のケイ素元素、ケイ素含有化合物、又はこれらの混合物を含む。ケイ素含有化合物は、非限定的に、シロキサン、シラン、シリカ、シリコーン、炭化ケイ素、窒化ケイ素、酸化ケイ素、シリケート、砂、及びこれらの混合物を含むことができる。シロキサンは、非限定的に、オクタメチルシクロテトラシロキサン、ヘキサメチルジシロキサン、又はこれらの混合物であることができる。
【００３９】
特定の実施形態では、ケイ素ドープされた圧縮空気は、燃焼ガスをケイ素ドープされた圧縮空気と混合する直前にケイ素を圧縮空気に注入することにより生成される。本明細書において、燃焼ガスをケイ素ドープされた圧縮空気と混合する直前にケイ素を圧縮空気に注入するプロセスは、ケイ素の局所的な注入又は局所化された注入と称される。本明細書に提供されるように、所望の位置（例えば、地上設置型タービン又は航空機エンジンの対象面）にケイ素を局所的に注入するために、所望の位置に近接して１以上のケイ素注入器を配置することができる（図３を参照）。図３に示されるように、シリカ後退を低減させるためのシステム３００は、第１の構成要素４０ａ、第２の構成要素４０ｂ、第３の構成要素４０ｃそれぞれに近接した位置にケイ素注入器５０ａ、５０ｂ及び５０ｃを含む。ケイ素注入器５０ａ、５０ｂ及び５０ｃは、本開示に従って近接配置されたケイ素注入器の例である。
【００４０】
対比のために、本技術に従って提供されるようなケイ素の局所化された注入は、ケイ素含有材料の対象面の上流の点における燃焼ガス環境のケイ素ドーピング（例えば、米国特許第６５１７３４１号に記述されるような）から区別可能である。図５に示されるように、ケイ素注入器５０は、本開示の近接配置されたケイ素注入器よりも上流にあるケイ素注入器の配置の例である。
【００４１】
ケイ素を固形物、スラリー、液体、溶液、噴霧スプレー、ガス状材料、又はこれらの混合物として圧縮空気に注入することができる。
【００４２】
本明細書において、「ケイ素の有効量」は、ケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体上に位置するシリカ膜の揮発を防止又は低減させ、ケイ素含有セラミックス又はセラミックス複合体の後退損失を更に防止し得る、圧縮空気中のケイ素の量を意味する。さらに、「ケイ素の有効量」は、ケイ素が適用される、ケイ素含有セラミックスの表面又はケイ素含有セラミックス複合体の表面又は表面の近くで測定される、圧縮空気中のケイ素の量に関連する。ケイ素の有効量の非限定的な例は、圧縮空気の質量に対して約０．０２〜約１０．０ｐｐｍのケイ素レベルである。ケイ素の有効量の他の非限定的な例は、圧縮空気の質量に対して約０．０５と約５．０ｐｐｍの間、約０．１と約２．０ｐｐｍの間、約０．２と約１．０ｐｐｍの間、約０．３と約０．７ｐｐｍの間のケイ素レベルである。
【００４３】
別の実施形態では、方法は、ケイ素の有効量を燃焼ガスに直接的又は間接的に注入してシリカ膜の揮発を更に防止又は低減させることを伴い、ケイ素を燃焼ガスに間接的に注入することは、ケイ素を燃料、燃焼空気、又はこれらの混合物に注入することを含む。この態様及び材料損失を低減させる他の態様の例は、同一出願人に属する米国特許第６５１７３４１号に見出される。
【００４４】
ケイ素又はケイ素含有化合物を圧縮空気に直接的に添加すること、及び／又は、燃焼燃料、燃焼空気に直接的に、燃焼器に直接的に、燃焼ガスに直接的に、又は上記の全てに、又は上記の組合せに添加することができる。ケイ素又はケイ素含有化合物は、化合物が燃焼ガス中で揮発することを前提とすると、固体、液体又はガス状体であることができる。よって、本システムの一態様は、ケイ素含有セラミックス又はセラミックス複合体構成要素と圧縮空気及び／又は燃焼ガスとの反応を防止することにより材料損失を防止又は緩和することである。
【００４５】
幾つかの実施形態では、ケイ素又はケイ素含有化合物を、水酸化ケイ素としてのケイ素の急速な揮発に導く形で添加することが望ましい。急速な揮発が起きない場合、次いで、シリカ膜及び下層のケイ素含有セラミックスもしくは複合体の後退又は厚さ損失を防止するために、以下で表１及び表２に実証されるレベルよりも高いケイ素のレベルが必要とされる。表１及び表２は、米国特許第６５１７３４１号から取られたものであり、便宜上のために本明細書に含まれていることに留意されたい。ケイ素化合物を溶剤中の有機化合物として、又は乳化され得るスラリーとして液体燃料に添加することができる。圧縮空気又は燃料への添加に使用することができる有機化合物の例は、非限定的に、オクタメチルシクロテトラシロキサン｛Ｓｉ4Ｏ4（ＣＨ3）8｝、及びヘキサメチルジシロキサン｛Ｓｉ2Ｏ（ＣＨ3）6｝等のシロキサンである。これらの化合物の両方は、空気中の水蒸気に対して良好な安定性を有する低粘性液体である。
【００４６】
ケイ素含有化合物も、燃焼に使用する空気に添加することができる。それらを圧縮器の下流かつ燃焼器の直前に添加することができる。それらを燃焼ガス及び燃焼に使用する空気に直接添加することもでき、このことは、急速な揮発を可能にする。ケイ素含有化合物は、容易に揮発する有機化合物の形、又は、非限定的に、酸化ケイ素、ケイ素、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ホウ化ケイ素、及びこれらの混合物等の、微細粒子状ケイ素含有化合物のスラリーの形であることができる。
【００４７】
加えて、ケイ素含有化合物をシロキサン、シラン、シリカ、シリコーン、炭化ケイ素、窒化ケイ素、酸化ケイ素、シリケート、砂、及びこれらの混合物から成る群から選択することができる。２６．５℃の沸点を有するテトラメチルシラン｛Ｓｉ（ＣＨ3）4｝を天然ガス燃料に直接添加することができる。上述されたシロキサン、オクタメチルシクロテトラシロキサン｛Ｓｉ4Ｏ4（ＣＨ3）8｝及びヘキサメチルジシロキサン｛Ｓｉ2Ｏ（ＣＨ3）6｝は、テトラメチルシランよりも高い沸点を有しており、予混合器の直前で圧縮空気に液体として注入することができる。技術は、燃料及びケイ素含有材料の予揮発が、燃焼が起きる前に、揮発された燃料／ケイ素含有材料と圧縮空気との予混合を経験する、予混合予揮発の概念も含む。加えて、水中に分散されたコロイド状シリカを燃焼器の前の空気ストリームに直接注入することができる。コロイド状シリカは、分散系中に最大６０質量％、別の例においては約４０質量％存在する。
【００４８】
燃焼ガスに導入されたケイ素は、微細シリカ、又はシリカと燃料もしくは空気中に存在する他の不純物との反応によりでき得る他の化合物の形で、タービン又は他の燃焼ガス環境から排出される。高純度液体燃料は、典型的に数ｐｐｍの不純物を含有する。産業用ガスタービンに使用される多くの液体燃料は、最終的に排出ガスに含まれる数十から数百ｐｐｍの不純物を含有する。本明細書の方法を使用し、ケイ素又はケイ素含有化合物を有する燃焼ガスを注入することによって、航空機エンジンに使用されるような高純度燃料では排出ガスの粒子レベルが増加し、タービンに使用される不純又は汚れた燃料では無視できる変化である。それにもかかわらず、ガスタービンの排出物中の燃焼ガスの全ケイ素レベルは、ケイ素が燃焼ガスに注入され、又は局所的にある圧縮空気中よりも格段に低い。結果として、ガスタービンの排出物に含まれる燃焼ガスの全ケイ素レベルは、従来技術よりも低く、ＥＰＡにより許容される制限値よりも低い。
【００４９】
一実施形態によれば、燃焼ガスへの注入又は混合により必要とされるケイ素のレベルは、ケイ素含有セラミックス又はセラミックス複合体構成要素上に位置するシリカ（酸化ケイ素）膜の揮発のための熱力学的力を著しく低減又は排除するように、Ｓｉ（ＯＨ）4等の水酸化ケイ素生成物の十分な濃度を形成するための量である。シリカ膜及び構成要素の厚さ損失を緩和又は防止するのに必要とされるケイ素レベルは、化学量論比、圧力及び温度と伴に増加する。燃焼ガス中の水蒸気レベルが高いほど、燃焼ガスに注入されるために必要とされるケイ素レベルが高い。
【００５０】
例えば、燃料中の水素／炭素比（Ｈ／Ｃ）を計算することによって、燃焼ガス中の水蒸気レベル、及び水酸化ケイ素又はオキシ水酸化ケイ素生成物に変換するのに必要とされるケイ素の量を計算することができる。Ｈ／Ｃ原子比が約４．０の天然ガス燃料は、Ｈ／Ｃ原子比が約１．７〜約２．０の液体燃料と比べて高いケイ素注入レベルを要求する。約１の燃料空気比は、化学量論的混合物であり、過剰空気を伴わずに燃焼する比率に相当する。１未満の比率は、空気の過剰を示す一方、１を超える比率は、燃焼のために不十分な空気を示す。概説された方法を、１未満の空気燃料比と１を超える空気燃料比との両方に使用することができる。表１は、変化するタービン運転条件下でケイ素ドーピングレベルを使用して最大０．４の化学量論比の結果を実証している。ケイ素レベルは、燃料と空気の両方に与えられる。燃焼ガス中に要求されるケイ素レベルは、空気／燃料質量比が非常に大きいので、空気中のケイ素レベルと本質的に同様である。表１に例示されるように、高い化学量論比に必要とされるケイ素レベルが高い。後退損失を防止又は最小化するのに必要とされるケイ素レベルは、約１の化学量論比の場合に最大であると期待される。高い化学量論比では、水蒸気含有率が再び減少し、このことは、テスト条件により規定されるケイ素又はケイ素化合物の添加の最適化を要求する。
【００５１】
以下には、本明細書において上述された米国特許第６５１７３４１号の表１及び２が提供されている。米国特許第６５１７３４１号の開示とは異なり、本技術は、燃焼ガス中のケイ素の局所濃度（すなわち、燃焼ガスと圧縮空気の混合により得られる局所ガス）に関する。本明細書に提供されるように、本技術の各種の実施形態では、混合は、局所濃度が表１及び２に明らかにされた限界を超えるようなものである。
【００５２】
【表１】
2016505495.tif 000003
シリカ及びケイ素含有セラミックス及び複合体を保護する利点は、表１に示されるケイ素レベルよりも低いケイ素レベルでも得ることができる。表１のケイ素レベルよりも低いケイ素レベルでも幾らかの低減が起きる。表２は、後退損失速度の低減に及ぼすケイ素レベルの影響を示している。表２は、後退損失の問題を理論的に十分に防止することができることを実証している。しかし、実際には、後退損失の１００％の低減は、達成され得ない。また、ケイ素添加物の揮発の緩慢な速度のため、及び表１及び２に示されるタービンの運転条件とは異なる運転条件のため、表１及び２に示されるケイ素レベルよりも最大約５〜約１０倍の高いケイ素レベルが必要とされ得る。
【００５３】
【表２】
2016505495.tif 000004
一実施形態では、この方法は、ケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体の対象面を覆うようなケイ素ドープされた混合ガスの層流を作成することを更に伴う。当該技術分野で知られているような層流は、流路を拡張するように混合及び渦を低減させる。よって、例えば、ケイ素ドープされた混合ガスの層流は、ケイ素ドープされた混合ガスと燃焼ガスとの混合を低減させるのに有用である。本明細書において記述及び企図されるような層流を作成する方法、技術、システム及び配置は、当該技術分野で良く知られている。
【００５４】
別の実施形態では、方法は、少なくとも一部の水分を圧縮空気から除去することを更に伴う。特定の実施形態では、水分は、圧縮空気を燃焼ガスと混合する前に圧縮空気から除去され、圧縮空気からの水分の除去は、ケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体上に位置するシリカ膜の揮発を防止又は低減させるのに有効である。
【００５５】
別の態様では、本技術は、局所化されたケイ素ドーピングを使用して、燃焼ガス環境に露出されたケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体のシリカ後退を低減させるためのシステムを提供する。一般に、このシステムは、（ｉ）高温燃焼ガスを１以上のケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体に提供する燃焼器と、（ｉｉ）燃焼ガスと混合するための圧縮空気を提供する空気圧縮器と、（ｉｉｉ）ケイ素を圧縮空気に注入してケイ素ドープされた圧縮空気を生じるための１以上のケイ素注入器とを含み、１以上のケイ素注入器は、燃焼ガスを圧縮空気と混合する直前にケイ素の注入が実施されるように配置される。
【００５６】
このシステムの一実施形態では、ケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体は、非限定的に、燃焼ライナ、ベーン及びブレード、ノズル、バケット、トランジションピース、シュラウド、及び改造セラミックスベーンを含むタービン構成要素である。別の実施形態では、システムは、地上設置型ガスタービン装置、航空機エンジン又は熱交換器の部分として一体化される。
【００５７】
一実施形態では、このシステムは、除湿されケイ素ドープされた圧縮空気を燃焼ガスと混合する前に水分除去剤を圧縮空気に提供するための１以上の除湿構成要素を更に含む。
【００５８】
図３は、局所化されたケイ素ドーピングを使用して、燃焼ガス環境に露出されたケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体のシリカ後退を低減させるためのシステムの一実施形態を例示している。図３に示されるように、システム３００は、空気圧縮器１０、燃料源２０、燃焼器３０、第１の構成要素４０ａ、第２の構成要素４０ｂ、第３の構成要素４０ｃ、並びにケイ素注入器５０ａ、５０ｂ及び５０ｃを含む。構成要素４０ａ、４０ｂ及び４０ｃは、燃焼ガス環境７０（例えば、地上設置型ガスタービン又は航空機エンジン）に露出されるケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体に相当する。図３は、３つの構成要素（４０ａ、４０ｂ及び４０ｃ）を例示しているが、本システムは、３つよりも多い又は少ない構成要素を含むことができる。図３に示されるように、空気圧縮器１０は、１つの経路を使用して圧縮空気を燃焼器３０に提供し、別の経路を使用して圧縮空気を構成要素４０ａ、４０ｂ及び４０ｃに提供する。燃料源２０は、燃料を燃焼器３０に供給する。空気圧縮器１０からの圧縮空気と、燃料源２０からの燃料とは、通常の燃焼デバイスにより燃焼器３０で組み合わされる。燃焼器３０からの燃焼ガスは、次いで構成要素４０ａ、４０ｂ及び４０ｃに流れることにより、これらの構成要素を燃焼ガス環境７０に露出する。ケイ素注入器５０ａ、５０ｂ及び５０ｃは、構成要素４０ａ、４０ｂ及び４０ｃに近接してそれぞれ配置される。ケイ素注入器５０ａ、５０ｂ及び５０ｃは、燃焼器３０により提供される燃焼ガスと混合する前に、空気圧縮器１０により提供される圧縮空気にケイ素を注入してケイ素ドープされた圧縮空気を生じる。任意選択的な実施形態では、システムは、空気圧縮器１０により提供された圧縮空気にケイ素を注入するためのケイ素注入器を、構成要素４０ａ、４０ｂ又は４０ｃに近接しない位置に更に備える。
【００５９】
圧縮空気の除湿を使用したシリカ後退の低減
別の態様では、本技術は、燃焼ガス環境に露出されたケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体のシリカ後退を低減させるために、燃焼ガスに圧縮空気を混合する前に圧縮空気から水分を除去することを伴う方法を提供する。概して、図２に例示されるように、この方法２００は、以下の工程、（ｉ）ケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体を高温燃焼ガス環境に露出する工程（図２の工程２１０）と、（ｉｉ）ケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体の対象面を除湿された混合ガスと接触させることにより、対象面のシリカ後退を低減させる工程（図２の工程２２０）とを伴う。幾つかの実施形態では、方法は、燃焼ガスに直接露出されないセラミックス構成要素の部分における後退の低減に有用である。例えば、一部のケースでは、特定のセラミックス構成要素の内側は、燃焼ガスに直接露出され得ないが、圧縮空気中の水蒸気の存在のために、後退問題を有する。よって、そのようなケースにおいて、本技術は、セラミックス構成要素の内側と接触し得る圧縮空気からの水分の低減又は除去を助けることができる。
【００６０】
この方法によれば、各種の実施形態では、除湿された混合ガスは、圧縮空気から水分を除去するのに有効な水分除去剤により処理された圧縮空気を含む。特定の実施形態では、除湿された混合ガスは、圧縮空気から水分を除去するのに有効な水分除去剤により処理された圧縮空気と混ざり合った燃焼ガスを含む。そのような実施形態では、圧縮空気と燃焼ガスの混ざり合いは、一般に、構成要素の内部面よりも、燃焼ガスに露出された構成要素の外側面で起きる。
【００６１】
本明細書において、用語「水分除去剤」は、圧縮空気から水分を除去するのに有効な任意の無機材料、有機材料、システム、機構、機械デバイス等を含む。例えば、本明細書において、「水分除去剤」は、非限定的に、水分吸収材、冷却空気、又は、圧縮空気から水分を除去するのに有用な任意の他の作用剤又は手段を含むことができる。この方法に使用するのに適した水分除去剤は、当該技術分野で知られている。水分除去剤としての使用に適した無機材料の非限定的な例は、非限定的に、シリカゲル、無水硫酸カルシウム（例えばＤＲＩＥＲＩＴＥ（登録商標）材料）等を含む。
【００６２】
一実施形態では、除湿された混合ガスは、燃焼ガスと混合されるときに、燃焼ガスと混合する前に含水率を低減させるのに十分な量で圧縮空気の含水率を低減させるために、圧縮空気を水分除去剤に通すことにより生成される。更なる実施形態では、前処理された圧縮空気は、燃焼ガスと混合されるときに、燃焼ガスから水分を除去するのに十分な温度まで圧縮空気を冷却することにより提供される。一部の実施形態では、非限定的に、凝縮器及び／又は冷蔵システム等を含む冷却システムにより圧縮空気を冷却することができる。
【００６３】
一般に、当該技術分野で理解されるように、圧縮空気の水蒸気レベルは、温度及び湿度に依存し、かなり広範に変化し得る。例えば、外気温−１０℃では、含水率が０．３％未満であり得るが、温度４０℃では、外気の水蒸気含有率は、〜７．３％まで高まり得る。当該技術分野で理解されるように、除去される水蒸気レベルは、タービンの運転条件に依存する。低温低圧運転の場合、高温高圧の場合よりも高い水蒸気レベルを許容することができる。水蒸気レベルを１％未満、好ましくは０．５％未満、一部のケースでは〜０．１〜０．２％未満まで低減させることが望ましい。
【００６４】
前処理された圧縮空気は、ケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体をその場で冷却するため、又は、ケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体と関連する構成要素をその場で冷却するために使用される圧縮空気を含むことができる。本明細書において、用語「その場で（ｉｎ  ｓｉｔｕ）」は、ケイ素含有セラミックス、ケイ素含有セラミックス複合体、又は、ケイ素含有セラミックスもしくはセラミックス複合体と関連する構成要素を、非限定的に、ガスタービン、航空機エンジン及び熱交換器の構成部品等の高温構造用途を含む意図された用途において使用することを意味する。一例において、除湿された混合ガスは、内部の被膜を排除することができる、構成要素の内部通路に使用される。地上設置型システムの場合、冷却用空気中の水分の除去は、構成要素の内側からの後退を低減させ、製品寿命を増加させる。
【００６５】
別の実施形態では、前処理された圧縮空気は、圧縮空気と燃焼ガスの混合を低減させるために、又はケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体の表面の水蒸気含有率を低減させるために有効な流れ条件を提供するように注入される。例えば、ケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体の表面を覆うように圧縮空気の層流を作成するように、前処理された圧縮空気を注入することにより、燃焼ガスとの圧縮空気の混合を最小化し、ケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体の表面の水蒸気含有率を最小化することができる。
【００６６】
よって、特定の実施形態では、この方法は、ケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体の対象面を覆うような除湿された混合ガスの層流を形成することを更に伴う。別の実施形態では、この方法は、対象面に近接した位置でケイ素を圧縮空気に注入することを更に伴い、ケイ素は、圧縮空気を除湿する前、後又は前後の両方に圧縮空気に注入される。ケイ素の注入のためのプロセス及び材料は、本明細書の他で提供される。
【００６７】
別の態様では、本技術は、燃焼ガス環境に露出されたケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体のシリカ後退を低減させるために、圧縮空気を燃焼ガスに混合する前に圧縮空気から水分を除去することを組み込むシステムを提供する。概して、このシステムは、（ｉ）高温燃焼ガスを１以上のケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体に提供する燃焼器と、（ｉｉ）燃焼ガスと混合するための圧縮空気を提供する空気圧縮器と、（ｉｉｉ）除湿された圧縮空気を燃焼ガスと混合する前に水分除去剤を圧縮空気に提供する除湿構成要素とを含む。
【００６８】
このシステムにおける使用に適した燃焼器及び空気圧縮器は、関連技術分野で良く知られている。本明細書において、「除湿構成要素」は、燃焼ガス環境において圧縮空気が燃焼ガスと混ざり合う前に、水分除去剤を圧縮空気に提供するのに有効な任意のデバイス、システム、装置、化合物、組成、材料等を意味する。よって、このシステムの適した除湿構成要素は、圧縮空気から水分を除去するのに有効な任意の無機材料、有機材料、システム、機構、機械デバイス等を含む、本明細書に記述されるような水分除去剤を提供するのに有効である。
【００６９】
このシステムの一実施形態では、ケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体は、非限定的に、燃焼ライナ、ベーン及びブレード、ノズル、バケット、トランジションピース、シュラウド及び改造セラミックスベーンを含むタービン構成要素である。別の実施形態では、システムは、地上設置型ガスタービン装置、航空機エンジン又は熱交換器の部分として一体化される。
【００７０】
一実施形態では、このシステムは、ケイ素を圧縮空気に注入してケイ素ドープされた圧縮空気を生じるための１以上のケイ素注入器を更に含み、１以上のケイ素注入器は、燃焼ガスを除湿された圧縮空気と混合する直前にケイ素の注入が実施されるように配置される。
【００７１】
図４は、燃焼ガス環境に露出されたケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体のシリカ後退を低減させるために、圧縮空気を燃焼ガスに混合する前に圧縮空気から水分を除去することを組み込むシステムの一実施形態を例示している。図４に示されるように、システム４００は、空気圧縮器１０、燃料源２０、燃焼器３０、第１の構成要素４０ａ、第２の構成要素４０ｂ、第３の構成要素４０ｃ、除湿構成要素６０、除湿構成要素６０ａ、除湿構成要素６０ｂ及び除湿構成要素６０ｃを含む。構成要素４０ａ、４０ｂ及び４０ｃは、燃焼ガス環境７０（例えば、地上設置型ガスタービン又は航空機エンジン）に露出されるケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体に相当する。図４は、３つの構成要素（４０ａ、４０ｂ及び４０ｃ）を例示しているが、本システムは、３つよりも多い又は少ない構成要素を含むことができる。図４に示されるように、空気圧縮器１０は、１つの経路を使用して圧縮空気を燃焼器３０に提供し、別の経路を使用して圧縮空気を構成要素４０ａ、４０ｂ及び４０ｃに提供する。燃料源２０は、燃料を燃焼器３０に供給する。空気圧縮器１０からの圧縮空気と、燃料源２０からの燃料とは、通常の燃焼デバイスにより燃焼器３０で組み合わされる。燃焼器３０からの燃焼ガスは、構成要素４０ａ、４０ｂ及び４０ｃに流れることにより、これらの構成要素を燃焼ガス環境７０に露出する。除湿構成要素６０は、空気圧縮器１０により提供される圧縮空気に構成要素４０ａ、４０ｂ及び４０ｃの上流の位置で水分除去剤を提供する。除湿構成要素６０ａ、６０ｂ及び６０ｃは、構成要素４０ａ、４０ｂ及び４０ｃに近接してそれぞれ配置される。よって、除湿構成要素６０ａ、６０ｂ及び６０ｃは、除湿された圧縮空気を燃焼器３０により提供される燃焼ガスと混合する前に、空気圧縮器１０により提供される圧縮空気に水分除去剤を提供して除湿された圧縮空気を生じる。
【００７２】
任意選択的な実施形態では、図３に示されるように、圧縮空気を燃焼器３０に注入するとともに、空気圧縮器１０により提供される圧縮空気に構成要素４０ａ、４０ｂ及び４０ｃに近接した位置でケイ素を注入するために、ケイ素注入器を使用することができる。
【００７３】
圧縮空気のケイ素ドーピングと除湿の組合せ
本開示の別の態様は、燃焼ガス環境に露出されたケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体のシリカ後退を低減させるために、圧縮空気のケイ素ドーピングと除湿の両方を組合せるための方法及びシステムを提供する。この態様では、方法及びシステムは、ケイ素を圧縮空気に注入してケイ素ドープされた圧縮空気を生じるための１以上のケイ素注入器と、ケイ素ドープされ除湿された圧縮空気を燃焼ガスと混合する前に水分除去剤を圧縮空気に提供するための１以上の除湿構成要素とを使用する。
【００７４】
本開示に従った圧縮空気のケイ素ドーピングと除湿の組合せは、図５に概略的に例示されている。図５を参照すると、一実施形態では、システム５００は、空気圧縮器１０、燃料源２０、燃焼器３０、第１の構成要素４０ａ、第２の構成要素４０ｂ、第３の構成要素４０ｃ、ケイ素注入器５０（任意選択的）、ケイ素注入器５０ａ、ケイ素注入器５０ｂ、ケイ素注入器５０ｃ、除湿構成要素６０、除湿構成要素６０ａ、除湿構成要素６０ｂ及び除湿構成要素６０ｃを含む。構成要素４０ａ、４０ｂ及び４０ｃは、燃焼ガス環境７０（例えば、地上設置型ガスタービン又は航空機エンジン）に露出されるケイ素含有セラミックス又はケイ素含有セラミックス複合体に相当する。図５は、３つの構成要素（４０ａ、４０ｂ及び４０ｃ）を例示しているが、本システムは、３つよりも多い又は少ない構成要素を含むことができる。図５に示されるように、空気圧縮器１０は、１つの経路を使用して圧縮空気を燃焼器３０に提供し、別の経路を使用して圧縮空気を構成要素４０ａ、４０ｂ及び４０ｃに提供する。燃料源２０は、燃料を燃焼器３０に供給する。空気圧縮器１０からの圧縮空気と、燃料源２０からの燃料とは、通常の燃焼デバイスにより燃焼器３０で組み合わされる。燃焼器３０からの燃焼ガスは、次いで構成要素４０ａ、４０ｂ及び４０ｃに流れることにより、これらの構成要素を燃焼ガス環境７０に露出する。
【００７５】
除湿構成要素６０は、空気圧縮器１０により提供される圧縮空気に構成要素４０ａ、４０ｂ及び４０ｃの上流の位置で水分除去剤を提供する。除湿構成要素６０ａ、６０ｂ及び６０ｃは、構成要素４０ａ、４０ｂ及び４０ｃに近接してそれぞれ配置される。よって、除湿構成要素６０ａ、６０ｂ及び６０ｃは、除湿された圧縮空気を燃焼器３０により提供される燃焼ガスと混合する前に、空気圧縮器１０により提供される圧縮空気に水分除去剤を提供して除湿された圧縮空気を生じる。ケイ素注入器５０ａ、５０ｂ及び５０ｃも、構成要素４０ａ、４０ｂ及び４０ｃに近接してそれぞれ配置される。ケイ素注入器５０ａ、５０ｂ及び５０ｃは、燃焼器３０により提供される燃焼ガスと混合する前に、圧縮空気を水分除去剤により処理することにより提供される除湿された圧縮空気にケイ素を注入してケイ素ドープされた圧縮空気を生じる。任意選択的な実施形態では、図５に示されるように、構成要素４０ａ、４０ｂ及び４０ｃに近接した位置ではなく、圧縮空気が燃焼器３０に進入する前の位置で、空気圧縮器１０により提供される圧縮空気にケイ素を注入するために、ケイ素注入器５０（任意選択的）を使用することができる。
【実施例】
【００７６】
以下の例は、特定の実施形態を例示することを意図しているが、いかなる意味においても本システム及び技術の範囲を限定することを意図していない。
【００７７】
実施例１
一実施形態を燃焼リグにおいて実証することができる。リグは、〜２４００Ｆの所望のガス温度及び少なくとも〜１０％の水蒸気濃度を提供する空気／燃料比を有する天然ガスを燃料として使用して、１０〜１５気圧の圧力で燃焼ガスを発生させるために使用される燃焼器から成ることができる。絶対温度は、実験が同じ条件で繰り返し実施される限りさほど重要ではない。燃焼ガスは、次いで固定ベーンに導かれる。ベーンの寸法は、重要ではないが、ベーンの表面のガス速度が要因である。ベーンの高さ及びスパンは、２〜３”のオーダーであることができる。ベーンセクションへの入口ガス速度は、１５０〜２００ｍ／秒のオーダーであるべきであり、次いでベーン出口で約６００ｍ／秒まで加速される。ベーンは、溶融浸透ＳｉＣ／ＳｉＣ複合体で製作されるが、焼結窒化ケイ素で製作することもできる。
【００７８】
実験１：
まず、ベーンの冷却孔無しで実験を行うことができる（本明細書では「実験１」と称する）。２１００Ｆ〜２３００Ｆの範囲の表面温度を有するベーンの各種の位置に埋め込まれた熱電対によりベーンの温度を監視することができる。幾つかの実施形態ではは、より高い温度でさえも使用することができ、これは、後退速度を増加させ、実験を短期間で行うことができるためである。数百時間のオーダーの時間に亘って燃焼ガスをベーンに通過させることができる。セラミックス構成要素の期待後退速度は、先端で１０００時間当り３０ミルのオーダーであり、後端で１０００時間当り１０ミルのオーダーであると期待される。したがって、後退速度を測定し得るのに十分な時間に亘って実験を行うべきである。要求される時間は、数百時間のオーダーである。
【００７９】
実験２：
ついで、ベーンの表面に層流を作成するように圧縮空気が通る冷却用孔を有するベーンによって実験を行うことができる（実験１と同じように）。構成要素の温度を下げるために使用される冷却用空気をガスタービン構成要素が有することは、良く見られる。冷却用空気の量は、燃焼器内で燃焼に使用される空気の数％のオーダーであるべきである。空気は、米国の部分を含む世界の多くの部分における高温多湿日の典型である〜３％の水蒸気レベルで飽和されるべきであり、〜２２００Ｆの温度であるべきである。ガスタービンにおいて、冷却用空気は、実質的により低い温度であるが、冷却用空気の利点がＣＭＣの温度の低下に依るものではなく、燃焼ガスの含水率を低減させるのに使用される空気のためであることを示すために、より高い温度が推奨される。燃焼条件は、第１の実験の燃焼条件と同じに維持されるべきである。ベーンの温度は、注意深く監視されるべきである。ベーンの温度は、実験１よりも低いと期待される。
【００８０】
再び、測定可能な後退速度を得るために、少なくとも数百時間に亘る実験を行うことによりベーンの後退速度を測定することができる。ベーンの表面では、冷却用空気が燃焼ガスと混合し、燃焼ガスの有効含水率は、燃焼ガスの有効含水率の間の何処か（〜１０％）であり、圧縮空気の有効含水率の間の何処か（〜３％）である。５０％の混合効率を仮定すると、水蒸気含有率は、凡そ６．５％であり、後退速度は、構成要素の表面で〜１／２．３に低下すると期待される。混合効率は、ベーンの表面における燃焼ガスの含水率及び後退速度に影響を及ぼす。例えば、低い混合効率は、少ない燃焼ガスを冷却用空気と混合し、結果として、燃焼ガスの含水率は、上で計算された６．５％よりも低く、後退速度の低減は、ここで計算された〜１／２．３よりも大きい。
【００８１】
実施例２
圧縮空気に水分が添加されない点、及び、乾燥剤を通過することにより、もしくは水の凍結温度未満まで空気を冷却することにより燃焼ガス中に存在する水分が除去される点を除いて、上の実験２と同じように実験を行うことができる。圧縮空気の含水率が０近くであると期待され、５０％の混合効率を再び仮定すると、燃焼ガスの有効含水率は、〜５％であり、後退速度は、例１の上の実験１と比べて１／４に低下すると期待される。
【００８２】
実施例３
１つの相違点を伴って、上の例１の上の実験２と同じように又は上の例２の実験と同様に再び実験を行うことができる。圧縮空気には、低濃度の揮発性ケイ素有機化合物が添加される。最適なケイ素レベルは、実験的に決定することができ、０．１〜１．０ｐｐｍのオーダーである。表１を参照されたい。ケイ素レベルは、圧縮空気を燃焼ガスと混合するため、表１の場合よりも高い。ケイ素含有率は、炭化ケイ素複合体の後退を緩和し、又は防止さえするほどに十分高いと期待される。再び、実験は、後退速度を測定するために、数百時間のオーダーに亘って行われる必要がある。
【００８３】
本明細書では各種の実施形態が詳しく描写及び記述されてきたが、本発明の主旨から逸脱せずに各種の修正、追加、置換等を施すことができ、したがって、それらは、以下の請求項に規定されるような本発明の範囲内であると見做されることが、関連技術分野の当業者にとっては明らかであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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