专利名称：赋予抗焦化性能的燃料催化处理的制作方法
背景技术：
本发明一般涉及用于燃气涡轮发动机的燃料输送系统，特别涉及包括用于处理燃料以赋予其抗焦化性能的催化剂的燃料输送系统。
燃气涡轮发动机一般包括压缩机、燃烧器和涡轮机。进入压缩机的空气被压缩并导入燃烧器。燃料与高压空气混合并点燃。在燃烧器中产生的燃烧气体驱动涡轮机。
在航空器上各种各样的系统中用燃料作为冷却介质已经是惯例。某种燃料的可用冷却容量受到产生的不溶产物限制，所述不溶产物被称为“焦炭”。所述焦炭沉积的形成取决于燃料因前期暴露于空气而导致其中含有的溶解氧的量。减少燃料中溶解氧的量可以降低焦炭沉积速率并增加最大允许温度。
通过在燃料系统中设置透气膜来去除溶解氧是公知的。当燃料沿着透气膜通过，氧分压差驱使燃料中的氧分子从燃料中扩散出来并穿过透气膜。
不利的是，燃料去氧装置尺寸的增加与去除氧的需求不成比例。要将氧去除率从90％提升到99％，去氧装置的大小几乎需要翻倍。要知道，航空器上的空间是有限的，任何设备尺寸的增加都会影响整体结构和运行。
因此，需要开发用于燃气涡轮发动机的燃料输送系统，其能对燃料进行处理并防止焦炭生成组分的形成，从而使燃料的可用冷却容量增加。
发明概述本发明是用于燃气涡轮发动机的燃料输送系统，其包括催化剂，该催化剂用于处理燃料使焦炭沉积的形成延迟到提高的温度。
本发明的燃料输送系统包括催化剂，其通过三部分(stage)的工作来处理和分解燃料中的组分使得燃料在超过250°F不焦化。催化设备第一部分使溶解氧分子与燃料中通常存在的硫化合物反应，形成被氧化的硫化合物如亚砜和砜。第二部分使例如那些包含叔氢尤其是烷基芳香烃叔氢的最活泼的有机部分与残余二-氧反应生成氢过氧化物。第三部分使所述氢过氧化物分解为非焦炭，通过这样的方式诱导有机氧化物以阻止氧的释放。
焦炭一般通过以某种方式引发的一系列的自由基反应，通常是燃料组分与分子氧的反应而生成。燃料处理使得焦炭沉积形成的温度提高，从而增加了燃料的可用冷却容量。
因此，本发明的燃料系统通过催化反应去除燃料中的组分如参与或导致焦炭形成反应的分子氧，防止焦炭形成，增加了燃料的可用冷却容量。
附图简述通过下面对当前优选实施方案详细的描述，本发明的各种特点和优势对本领域技术人员将是显然的。详细描述的附图简单描述如下
图1是按照本发明的燃气涡轮发动机和燃料输送系统的示意图；以及图2是按照本发明的三阶(three-stage)催化剂的示意图。
优选实施方案的详细描述参考图1，燃气涡轮发动机组件10包括压缩机12、燃烧器16和涡轮机18。进入压缩机12的气流14被压缩至高压并被导入燃烧器16。在燃烧器16中，燃料与高压空气混合并点燃。生成热的燃烧气体20驱动涡轮机18。燃料通过燃料输送系统22分配到燃烧器。尽管燃气涡轮发动机组件被示出，工作人员在本公开内容的帮助下将理解在任何能量转换设备中应用。
由于具有吸收显热和潜热的性能，燃料已经在航空器上被用作冷却剂很久了。显热是指加热燃料到沸点所需的热量。潜热是指汽化燃料所需的热量。吸收显热和潜热的能力已知被作为燃料物理散热片。所述物理散热片受限于溶解气体和其它组分与燃料组分在有热条件下反应导致的不溶物质形成。
所述燃料输送系统22包括用于处理燃料和在超过约250°F的温度下防止不需要的焦炭沉积形成的催化设备24。泵30将燃料从燃料箱28泵入催化设备24以对燃料34进行处理。一旦燃料在催化设备24中被处理，燃料就具有了增加的冷却容量并可以用来冷却其它系统(示意性地表示为32)。系统32可以包括液压或气动系统，或任何其它产生多余热量的系统。从催化设备24中出来的具有增加的冷却容量的燃料34通过热交换器26。来自于其它系统32的热量注入通过热交换器26的所述燃料。燃料从热交换器26中出来并被送到燃烧器16。
参考图2，催化设备24被示意性地示出，其包括第一、第二和第三部分36、38和40。所述不同部分36、38和40不特指具体顺序、布局或次序。在催化设备24内反应可以按任何顺序、次序以及同时发生。催化设备24包括催化材料37(示意性示出)，其通过一系列催化反应去除燃料内的在热影响下能通过其它反应形成焦炭的组分。优选地，催化材料37被结构物负载以促进其与流过催化设备24的燃料接触。同样优选地，催化材料37不溶于燃料。
优选地，催化材料37负载在置于催化设备24内的蜂窝状结构物42上。不过，催化材料37可以负载在颗粒、压出型材、整料、丝网或其它已知催化载体结构物上。具体的载体结构物应适合于催化材料，并且本领域的技术工人在本公开内容的帮助下可理解如何负载不同类型的催化材料以优化其与燃料内组分的催化反应。
催化材料37的一个例子是与载体化学键合的束缚金属离子。束缚金属离子的一种形式是如Fe+3或Cu+2的金属离子，其具有四或更多的配位容量，并且其中至少两个配位容量能满足螯合分子的要求，也就是该螯合分子能与不溶于燃料的载体结构物化学键合。此外，所述催化材料可以是与载体结构物化学键合的包括两种或多种金属离子的络合物形式。合适的具有多离子的包括不同金属的相同金属的络合物的例子在US 5,922,920“Catalytic Production Of Aryl AlkylHydroperoxides By Polynuclear Transition Metal Aggregates”和US 5,504,256“Catalytic Production of Aryl Alkyl Hydroperoxides ByPolynuclear Transition Metal Aggregates”中可以找到。所述催化材料也可以是同多钼酸盐(isopolymolybdate)、同多钨酸盐(isopolytungstate)、异多钼酸盐(hetropolymolybdate)、或异多钨酸盐(heteropolytungstate)。本领域技术人员在本公开内容的帮助下将能理解所需催化剂的具体组成。
所述催化设备24的三个部分36、38和40分解并与燃料的不同组分反应。同样地在所述三个部分36、38和40中每个部分的催化材料37可以视具体应用而不同以便引发所期望的反应。
在催化设备24中的第一部分36，燃料作为用来将任何过氧化物或溶解氧转化为抗焦化氧化物的还原剂。用于燃气涡轮发动机的燃料包含硫。很多有机硫化合物是很好的氧捕获阱。也就是说有机硫化合物能与燃料中的溶解氧反应并生成非焦化组分，这就减少了燃料中自由的溶解氧的数量。第一部分36包括促进该反应以及任何存在氢过氧化物的反应的催化剂。一般地，伴随如亚砜或砜的硫化合物的生成，燃料中溶解氧的数量减少。
所述催化设备24中的第二部分38使活性有机部分与二-氧反应形成氢过氧化物。燃料包括有机部分，例如带支链的石蜡烃、环烷烃或烷基芳香烃。这些组分与二-氧反应形成氢过氧化物。
第三部分40使燃料中于第一部分和第二部分形成的氢过氧化物分解。所述氢过氧化物分解为非焦炭并产生有机氧化物，通过这样的方式来防止释放的二-氧返回燃料中。
燃料系统22中的燃料被加热到约50℃-100℃以促进所需要的催化反应的引发。燃料和催化设备24的具体温度可以适应具体燃料组成和催化材料37，以建立优选的能促进所需催化反应的环境。
从催化设备24出来的燃料包括不同的但优选的组成，其基本防止了燃料系统中焦炭的形成。从催化设备24中出来的燃料具有增加的可用冷却容量，其为在增加的温度下运转提供了改善的总体发动机效率。
前面所描述的是示例性的，而不仅仅是原材料明细表。本发明已经以说明性的方式被描述，应该理解，所用术语目的是描述而不是限制。按照上述的讲授，本发明的一些修改和变化是可以接受的。本发明的优选实施方案已经公开，然而，本领域的普通技术人员应认识到，修改应在本发明的范围之内。应该理解，在附加权利要求范围内，本发明可以不同于具体描述而实施。因此，应该研究以下权利要求来判定本发明的真正范围和内容。
权利要求
1.一种能量转化组件包括用于分配燃料到所述燃烧器的燃料系统，所述燃料系统包括催化剂，其包括用于将燃料中的焦炭形成组分转化为非焦炭形成组分的第一、第二和第三部分。
2.权利要求1所述的组件，其中至少一个所述部分将所述燃料中的硫组分转化为亚砜和砜。
3.权利要求1所述的组件，其中至少一个所述部分将所述燃料中组分转化形成氢过氧化物。
4.权利要求1所述的组件，其中至少一个所述部分使所述燃料中氢过氧化物分解形成非焦炭生成组分。
5.权利要求1所述的组件，其中所述非焦炭形成组分包括有机氧化物。
6.权利要求1所述的组件，其中所述催化剂包括束缚的金属离子。
7.权利要求1所述的组件，其中所述催化剂包括多金属离子络合物。
8.权利要求1所述的组件，其中所述催化剂与暴露于燃料流中的载体结构化学键合。
9.一种催化剂组件包括用于将所述燃料中硫组分转化为亚砜和砜的第一部分；用于将所述燃料中组分转化形成氢过氧化物的第二部分；以及用于使所述燃料中氢过氧化物分解形成非焦炭形成组分的第三部分。
10.权利要求9所述的组件，其中所述非焦炭形成组分包括有机氧化物。
11.权利要求9所述的组件，其中一部分所述催化剂包括束缚金属离子。
12.权利要求9所述的组件，其中一部分所述催化剂组件包括多金属离子络合物。
13.权利要求9所述的组件，包括与暴露于燃料流中的载体结构化学键合的催化剂组分。
14.一种抑制吸热燃料中焦炭形成的方法包括如下步骤a)将燃料中的硫组分转化为亚砜和砜；b)使所述燃料中的组分发生反应形成氢过氧化物；以及c)使所述燃料中的氢过氧化物分解为非焦炭形成组分。
15.权利要求14所述的方法，其中所述步骤b)包括使有机部分与二-氧反应形成氢过氧化物。
16.权利要求15所述的方法，其中所述有机部分包括烷基芳香烃。
17.权利要求15所述的方法，其中所述有机部分包括带支链的石蜡烃和支链环烷烃。
18.权利要求14所述的方法，包括在燃料系统中负载催化材料并暴露于燃料流。
19.权利要求14所述的方法，包括加热燃料到超过50℃。
20.权利要求14所述的方法，包括将束缚的金属离子化学键合到位于燃料系统的载体上。
21.权利要求14所述的方法，包括将束缚的多金属离子化学键合到位于燃料系统的载体上。
全文摘要
用于燃气涡轮发动机的燃料输送系统，其包括用于处理燃料从而增加吸热燃料的可用冷却容量的催化设备。所述催化设备完成处理和分解燃料中组分以使所述燃料在超过250°F不焦化。所述催化设备包括引发反应和使燃料中焦炭形成组分分解为燃料中非焦炭形成组分的材料。
文档编号F02C7/30GK1664332SQ20051000901
公开日2005年9月7日 申请日期2005年2月16日 优先权日2004年2月13日
发明者T·H·范德斯普尔特, H·科尔达托斯 申请人:联合工艺公司