ES2300247T3 - Inyector de combustible liquido para quemadores de turbinas de gas. - Google Patents
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Abstract
Un quemador de turbina de gas que comprende una cámara (62) de premezcla que incluye una sección (60) cilíndrica y una parte (61) convergente corriente abajo y un elemento (13) corriente arriba de dicha parte (61) convergente para crear turbulencia en el flujo del aire comprimido obtenido del compresor de dicha turbina de gas, y un inyector (10) que comprende un cuerpo (11) que termina en una punta (12) y está provisto con al menos un conducto (25) para el paso del combustible líquido, y conductos (48, 58) para la entrada de aire comprimido procedente de dicho compresor, en el que dicho conducto (25) para el combustible líquido y los conductos para el aire comprimido terminan en respectivos orificios (20, 21, 22, 23) de salida CARACTERIZADO PORQUE la punta (12) de dicho inyector (10) termina en la parte media de la parte (61) convergente de dicha cámara (62) de premezcla.
Description
Inyector de combustible líquido para quemadores
de turbinas de gas.
La presente invención se refiere a un inyector
de combustible líquido para quemadores de turbinas de gas.
Como es sabido, las turbinas de gas son máquinas
que constan de un compresor y de una turbina de una o más etapas,
en las que estos componentes están conectados entre sí por un eje
rotatorio, y en las que está provista una cámara de combustión
entre el compresor y la turbina.
Con el fin de presurizar el compresor, se le
suministra aire obtenido del medio ambiente exterior.
El aire comprimido pasa a través de una serie de
cámaras de premezcla, que terminan en una tobera o parte
convergente, dentro de cada una de las cuales un inyector suministra
combustible mezclado con aire, para formar una mezcla de aire -
combustible a quemar.
En la cámara de combustión es admitido el
combustible necesario para producir la combustión la cual está
diseñada para producir un aumento de la temperatura y la entalpía
del gas.
Posteriormente, por medio de los
correspondientes conductos, el gas a alta temperatura y a alta
presión llega a la turbina, que transforma la entalpía del gas en
energía mecánica que está disponible para un usuario.
Entre el compresor y la cámara de combustión
está instalada una serie de unidades quemadores, cuyas funciones
incluyen el suministro de combustible líquido, obtenido de un
depósito remoto, a la cámara de combustión. Una de dichas unidades
se muestra en el documento US-A-5
778 676.
Las unidades quemadores conocidas tienen una
estructura compleja, dentro de la cual está presente un inyector
contenido en un cuerpo convergente el cual, en el lenguaje técnico,
se conoce generalmente como recubrimiento.
A su vez, el inyector que, como se puede
apreciar, está conectado a un conducto de suministro del combustible
líquido, generalmente tiene un cuerpo provisto con una parte
cilíndrica y una parte terminal apuntada.
Los inyectores de combustible líquido para
quemadores de turbinas de gas conocidos tienen un conducto que se
utiliza para el paso del combustible, y están provistos con
conductos para la entrada de aire comprimido del compresor de la
turbina.
Tanto el conducto de combustible como los
conductos de aire comprimido terminan en respectivos orificios de
salida, en los que la salida de aire del inyector se utiliza para
vaporizar el combustible y mejorar las características de la
combustión.
Además, hay un elemento asociado con el cuerpo
convergente, conocido en la técnica como ciclonizador, que se
utiliza para interceptar el flujo del aire obtenido del compresor, y
tiene una forma compleja que consta de dos series de palas
orientadas en direcciones opuestas, que están diseñadas para
producir un flujo turbulente en el aire comprimido obtenido del
compresor, permitiendo de esta manera la mezcla correspondiente del
propio aire con el combustible líquido inyectado por el inyector en
la cámara de
premezcla.
premezcla.
Los problemas que se plantean especialmente en
el campo técnico de los quemadores están relacionados con la
necesidad de obtener la máxima atomización del combustible líquido,
así como una mezcla adecuada para las diferentes características de
los combustibles utilizados.
Además, es deseable evitar el indeseado retorno
de llama hacia el quemador, lo que conduce a la desconexión de la
máquina.
Finalmente, es deseable obtener las mejores
condiciones de turbulencia de los fluidos presentes en el área de
premezcla, y reducir la emisión de productos derivados de la
combustión, tales como los óxidos nítricos.
Así pues, con la presente invención se pretende
proveer un inyector de combustible líquido para quemadores de
turbinas de gas, que tenga una estructura extremadamente simple y
compacta, manteniendo al mismo tiempo características
fluidodinámicas óptimas, como se describió anteriormente.
Con la invención se pretende también proveer un
inyector de combustible líquido para quemadores de turbinas de gas,
que permita una óptima fiabilidad de uso de la máquina.
Con la invención se pretende además proveer un
inyector de combustible líquido para quemadores de turbinas de gas,
que se pueda producir a bajo coste, y que conste de un número
reducido de piezas componentes.
De acuerdo con la invención, se provee un
quemador de turbina de gas que comprende una cámara de premezcla
que incluye una sección cilíndrica y una parte convergente corriente
abajo y un elemento corriente arriba de dicha parte convergente
para crear turbulencia en el flujo de aire comprimido obtenido del
compresor de dicha turbina de gas, y un inyector que comprende un
cuerpo que termina en una punta y que está provisto con al menos un
conducto para el paso del combustible líquido, y conductos para la
entrada de aire comprimido procedente de dicho compresor, en el que
dicho conducto para el combustible líquido y los conductos para el
aire comprimido terminan en respectivos orificios de salida en los
que la punta de dicho inyector termina en la parte media de la
parte convergente de dicha cámara de premezcla.
De acuerdo con una realización preferente de la
presente invención, los orificios de descarga lateral del aire
comprimido están situados corriente abajo de los orificios por los
que se descarga el combustible líquido.
Además, el centro de cada uno de los orificios
de descarga lateral del aire comprimido está situado en una línea
paralela al eje del inyector, respecto del correspondiente orificio
de descarga de combustible líquido.
De acuerdo con una realización preferente de la
presente invención, los orificios de descarga lateral del aire
comprimido, y los orificios de descarga del combustible líquido,
están situados corriente abajo del elemento para la turbulencia, y
en una posición que está claramente separada del mismo.
De acuerdo con otra realización preferente de la
presente invención, el cuerpo del inyector tiene una pluralidad de
conductos de entrada para permitir la entrada del aire comprimido
procedente de dicho compresor.
De acuerdo con otra realización preferente más
de la presente invención, dentro de su propia punta el inyector
tiene un conducto que está en comunicación con los conductos de paso
del aire comprimido, y termina en un orificio por cuyo frontal se
descarga el aire comprimido.
Además, el inyector de acuerdo con la presente
invención está provisto con un tubo, exterior al de suministro del
combustible líquido, que actúa como aislador térmico. Los dos tubos
se mantienen igualmente espaciados entre sí por medio de un muelle
correspondiente.
Ahora se va a describir la invención con mayor
detalle a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos, en los
que:
- la figura 1 muestra una vista, parcialmente en
sección transversal, de un quemador para turbinas de gas, provisto
con un inyector de acuerdo con la presente invención;
- la figura 2 muestra una vista, parcialmente en
sección transversal, de un inyector para turbinas de gas, de
acuerdo con la presente invención;
- la figura 3 muestra una vista del inyector de
las figuras 1 y 2, en sección transversal a lo largo de un plano
perpendicular al eje del inyector; y
- la figura 4 muestra una vista lateral de un
detalle del inyector para turbinas de gas, de acuerdo con la
presente invención.
Con referencia específica a las figuras en
cuestión, el inyector de combustible líquido para quemadores de
turbinas de gas, de acuerdo con la presente invención, está indicado
en su conjunto por el número 10 de referencia.
Más concretamente, como se puede ver en la
figura 1, el inyector 10 de combustible líquido para quemadores de
turbinas de gas, de acuerdo con la presente invención, es del tipo
utilizado dentro de quemadores que están provistos con cámara 62 de
premezcla y con un elemento 13, conocido generalmente como
ciclonizador, que se utiliza para crear una turbulencia adecuada en
el flujo de aire comprimido obtenido del compresor de la turbina de
gas.
La cámara 62 de premezcla tiene una primera
sección 60, que es sustancialmente cilíndrica, y una parte 61
convergente final que, de acuerdo con la técnica, es conocida como
recubrimiento.
La figura 1 muestra también la línea 63 de
separación entre la sección 60 cilíndrica y la parte 61 final
convergente.
El inyector 10 está conectado a un tubo 14, a
través del cual se suministra el combustible líquido, mientras que
hay también, asociados con la cámara 62 de premezcla, un conducto 70
de gas primario y un conducto 71, que pertenecen al circuito piloto
de la llama.
El inyector 10 comprende un cuerpo 11, que
termina en una punta 12, y está provisto con un conducto 25 para el
paso del combustible obtenido del tubo 21.
El conducto 25 de combustible líquido se
extiende dentro de una estructura 26, que se describe con mayor
detalle a continuación, y comunica con los orificios 22 y 23 de
salida del combustible.
Como se puede ver en la figura 1, el inyector 10
está insertado centralmente respecto del ciclonizador 13, en una
sección que se corresponde con parte de la longitud del cuerpo
11.
Además, la punta 12 del inyector 10 termina en
la parte media de la parte 61 convergente de la cámara 62 de
premezcla, dejando un espacio libre sustancial antes de la salida 64
en la parte 61 convergente.
Si ahora se examina la estructura interior del
inyector 10, que se puede ver en sección transversal en la figura
2, se puede observar que el inyector está provisto también con
conductos indicados con los números 48 y 58 de referencia, que
permiten la entrada de aire comprimido obtenido del compresor (no se
muestra) de la turbina de gas.
Los conductos 48 y 58 comunican con los
orificios 20 y 21 de salida del aire comprimido.
Si se examina la disposición de los orificios
20, 21, 22 y 23, se puede observar que los orificios 20 y 21 de
descarga lateral del aire comprimido están situados corriente abajo
de los orificios 22 y 23, por los que se descarga el combustible
líquido.
Preferiblemente, el centro de cada uno de estos
orificios 20 y 21 de descarga lateral del aire comprimido está
situado en una línea paralela al eje de dicho inyector 10, respecto
de los correspondientes orificios 22 y 23 de descarga del
combustible líquido.
Una característica importante del inyector de
acuerdo con la invención consiste en el hecho de que los orificios
20 y 21 de descarga lateral del aire comprimido, y los orificios 22
y 23 de descarga del combustible líquido, están situados corriente
abajo del ciclonizador 13, y en una posición que está claramente
separada del mismo.
La figura 4 muestra también en detalle el hecho
de que los orificios 20, 21 de descarga lateral del aire comprimido,
y los orificios 22 y 23 de descarga del combustible líquido, están
situados dentro de la sección 60 cilíndrica de la cámara 62 de
premezcla del quemador.
Concretamente, tanto los orificios 20 y 21 de
descarga lateral del aire comprimido como los orificios 22 y 23 de
descarga del combustible líquido, tienen sus propios ejes orientados
radialmente respecto del cuerpo 11 del inyector 10.
Más concretamente, tanto los orificios 20 y 21
de descarga lateral del aire comprimido como los orificios 22 y 23
de descarga del combustible líquido, tienen una sección transversal
ovalada.
Además, los orificios 22 y 23 son
preferiblemente menores que los orificios 20 y 21.
Como se manifestó anteriormente, el cuerpo 11
del inyector 10 tiene un orificio central dentro del cual está
insertado el tubo 14 de suministro del combustible líquido.
Como se puede ver en la figura 3, el cuerpo 11
del inyector 10 tiene también una pluralidad de conductos 18, 28,
38 de entrada para permitir la entrada del aire comprimido del
compresor.
Incidentalmente, en la realización de la
presente invención que se ilustra a modo de ejemplo no limitativo,
se puede advertir que hay tres conductos 18, 28 y 38 de entrada de
aire comprimido.
Dentro de la punta 12, el inyector 10 tiene
también un canal 19, que comunica con los canales 48 y 58, y termina
en un orificio 17, desde cuyo frontal se descarga el aire
comprimido.
Dentro de la punta 12, y en comunicación con el
conducto 19, está presente también un paso 40 de aire.
El tubo 14 de suministro del combustible líquido
tiene un espacio 16 de aislamiento, que está provisto de manera tal
que rodea, junto con un muelle 15, un tubo 20 interior que define el
conducto 25 del combustible líquido.
Dentro del inyector 10, está provista la
estructura 26 taladrada antes mencionada, cuya función es conectar
con la parte final del tubo 14 de suministro del combustible
líquido, tal como para crear un solo canal 25 de paso del
combustible líquido.
Además, la estructura 26 taladrada comunica con
los orificios 22 y 23, por los que se descarga el combustible
líquido.
A continuación se describe brevemente el
funcionamiento del inyector 10 de combustible líquido para
quemadores de turbinas de gas, de acuerdo con la presente
invención.
El combustible líquido se suministra desde un
depósito remoto por medio del tubo 14, al inyector 10, tal como
para alimentar la llama principal del quemador.
Simultáneamente, el aire comprimido obtenido del
quemador es admitido corriente arriba del inyector 10, y se pone en
contacto con el ciclonizador 13, de manera tal que se crea una
turbulencia en el flujo de aire comprimido, y esto hace posible
estabilizar la llama corriente abajo del inyector 10.
El combustible líquido se desplaza a lo largo
del conducto 25, y se descarga por los orificios 22 y 23, que están
dispuestos radialmente a lo largo del cuerpo 11 del inyector 10.
Simultáneamente, el aire obtenido del compresor
se desplaza a lo largo de los conductos 48 y 58, y se descarga por
los orificios 20 y 21 de salida.
Debido al hecho de que los orificios 20 y 21 de
descarga lateral del aire comprimido están situados corriente abajo
de los orificios 22 y 23, por los que se descarga el combustible
líquido, se crea una película de aire sobre la punta 12 del
inyector 10, evitando de esta manera que el combustible líquido se
deposite sobre el propio inyector.
Este efecto se incrementa por el hecho de que
los centros de los orificios 20 y 21 del aire comprimido están
situados en líneas paralelas al eje del inyector 10, respecto de los
correspondientes orificios 22 y 23 de descarga del combustible
líquido.
Además, a lo largo de su propio camino dentro
del inyector 10, el aire comprimido también sigue al conducto 19
que, a su vez, comunica con los conductos 48 y 58, tal como para ser
descargado en la parte anterior del orificio 17.
Este efecto hace posible controlar
satisfactoriamente la temperatura de la punta del inyector 10.
Se debe advertir también que la punta 12 del
inyector 10 termina en la parte media de la parte 61 convergente de
la cámara 62 de premezcla.
Esta característica, junto con la forma
convergente de la parte 61, permite propiedades óptimas de la
llama.
Además, el hecho de que los orificios 20 y 21 de
descarga lateral del aire comprimido, y los orificios 22 y 23 de
descarga del combustible líquido, estén situados en una posición que
está claramente separada del ciclonizador 13, hace posible obtener
una mezcla ideal del combustible.
La descripción facilitada hace evidentes las
características y ventajas del inyector de combustible líquido para
quemadores de turbinas de gas que es el sujeto de la presente
invención.
Claims (10)
1. Un quemador de turbina de gas que comprende
una cámara (62) de premezcla que incluye una sección (60) cilíndrica
y una parte (61) convergente corriente abajo y un elemento (13)
corriente arriba de dicha parte (61) convergente para crear
turbulencia en el flujo del aire comprimido obtenido del compresor
de dicha turbina de gas, y un inyector (10) que comprende un cuerpo
(11) que termina en una punta (12) y está provisto con al menos un
conducto (25) para el paso del combustible líquido, y conductos
(48, 58) para la entrada de aire comprimido procedente de dicho
compresor, en el que dicho conducto (25) para el combustible líquido
y los conductos para el aire comprimido terminan en respectivos
orificios (20, 21, 22, 23) de salida caracterizado porque la
punta (12) de dicho inyector (10) termina en la parte media de la
parte (61) convergente de dicha cámara (62) de premezcla.
2. Un quemador de turbina de gas de acuerdo con
la reivindicación 1, caracterizado porque dichos orificios
(20, 21) de descarga lateral del aire comprimido están situados
corriente abajo de los orificios (22, 23) por los que se descarga
el combustible líquido.
3. Un quemador de turbina de gas de acuerdo con
la reivindicación 2, caracterizado porque cada uno de los
orificios (20, 21) de descarga lateral del aire comprimido está
alineado con el correspondiente orificio (22, 23) de descarga del
combustible líquido.
4. Un quemador de turbina de gas de acuerdo con
la reivindicación 3, caracterizado porque dichos orificios
(20, 21) de descarga lateral del aire comprimido, y dichos orificios
(22, 23) de descarga del combustible líquido, están situados
corriente abajo de dicho elemento (13) de turbulencia, y en una
posición que está claramente separada del mismo.
5. Un quemador de turbina de gas de acuerdo con
la reivindicación 4, caracterizado porque dichos orificios
(20, 21) de descarga lateral del aire comprimido, y dichos orificios
(22, 23) de descarga del combustible líquido, están situados dentro
de la sección (60) cilíndrica de dicha cámara (62) de premezcla.
6. Un quemador de turbina de gas de acuerdo con
la reivindicación 4 o 5, caracterizado porque tanto dichos
orificios (20, 21) de descarga lateral del aire comprimido, como
dichos orificios (22, 23) de descarga del combustible líquido,
tienen sus propios ejes orientados radialmente respecto del cuerpo
(11) de dicho inyector (10).
7. Un quemador de turbina de gas de acuerdo con
la reivindicación 1, caracterizado porque el cuerpo (11) del
inyector (10) tiene un orificio central, dentro del cual está
insertado un tubo (14) de suministro del combustible líquido.
8. Un quemador de turbina de gas de acuerdo con
la reivindicación 7, caracterizado porque el cuerpo (11) del
inyector (10) tiene una pluralidad de conductos (18, 28, 38) de
entrada para permitir la entrada del aire comprimido procedente de
dicho compresor.
9. Un quemador de turbina de gas de acuerdo con
la reivindicación 8, caracterizado porque dentro de la punta
(12) tiene un conducto (19), en el que dicho conducto (19) comunica
con los conductos (48, 58), y termina en un orificio (17), por cuyo
frontal se descarga el aire comprimido.
10. Un quemador de turbina de gas de acuerdo con
la reivindicación 9, caracterizado porque tiene un espacio
(40) de aire dentro de la punta (12) y en comunicación con dicho
conducto (19).
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