ES2432237T3 - Disposición de quemador - Google Patents

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Abstract

Disposición de quemador con - un anillo de distribución de combustible (27), - varias toberas de combustible (29) que, en la dirección de flujo, están montadas sobre el anillo dedistribución de combustible (27), - en donde el anillo de distribución de combustible (27) presenta en la dirección de flujo una superficie anular(54), - en donde el anillo de distribución de combustible presenta un lado interno exterior (56) dirigido hacia elcentro del anillo y un lado externo exterior (58) opuesto, caracterizada porque se dispone de al menos unarendija (60) sobre la superficie (54) entre las toberas de combustible (29), y en donde la al menos unarendija (60) se extiende sobre la superficie (54) desde el lado externo (58) hasta el lado interno (56), y endonde está dispuesta al menos una escotadura (66) sobre la superficie (54) y la al menos una escotadura(66) comprende parcialmente también el lado exterior (58) del distribuidor de combustible (27).

Description

Disposición de quemador
La presente invención se refiere a una disposición de quemador y en especial a una disposición de quemador para turbinas de gas.
Una turbina de gas comprende como componentes fundamentales un compresor, una turbina con álabes de paleta así como al menos una cámara de combustión. Los álabes de paleta de la turbina están dispuestos como coronas de álabes de paleta sobre un árbol que se extiende casi siempre por toda la turbina de gas, el cual está acoplado a un consumidor, por ejemplo a un generador para generar corriente. El árbol dotado de los álabes de paleta recibe también el nombre de rotor de turbina o rotor. Entre las coronas de álabes de paleta se encuentran coronas de álabes de guiado, que se usan como toberas para conducir el medio de trabajo a través de la turbina.
Durante el funcionamiento de la turbina de gas se alimenta a la cámara de combustión aire comprimido desde el compresor. El aire comprimido se mezcla con un combustible, por ejemplo aceite o gas, y la mezcla se quema en la cámara de combustión. Los gases de escape de combustión calientes se alimentan por último como medio de trabajo a través de una salida de cámara de combustión a la turbina, en donde después de expandirse y enfriarse transmiten un impulso a los álabes de paleta y de este modo producen trabajo. Los álabes de guiado se usan con ello para optimizar la transmisión de impulsos.
Una disposición de quemador normal para turbinas de gas, como la que está descrita en el documento US 6, 082, 111 y como la que se aplica en especial en el caso de las llamadas cámaras de combustión tubulares, presenta por lo general un soporte anular con lanzas de tobera distribuidas uniformemente alrededor del perímetro del anillo. En estas lanzas de tobera están dispuestas aberturas de tobera de combustible, con las que puede inyectarse combustible en un canal de alimentación de aire. Las toberas de combustible representan una etapa principal del quemador, que se usa para generar una llama de pre-mezclado, es decir una llama, en la que se mezclan el aire y el combustible antes del encendido. Para minimizar la formación de NOx en la llama se hacen funcionar quemadores de pre-mezclado con mezclas de aire-combustible más pobres, es decir, con mezclas que contienen relativamente poco combustible.
A través del centro del anillo de distribución de combustible anular se extiende normalmente un quemador piloto, que está configurado como quemador de difusión, es decir, genera una llama en la que el combustible se inyecta directamente en la llama, sin mezclarse previamente con aire. El quemador piloto se usa, aparte de para poner en marcha la turbina de gas, también para estabilizar la llama de pre-mezclado que, para minimizar la expulsión de sustancias dañinas, se hace funcionar con frecuencia en una zona de la relación de mezclado entre aire y combustible que, sin llama piloto de apoyo, podría conducir a inestabilidades de llama.
A elevadas temperaturas de combustión el anillo de distribución de combustible destaca por una vida útil reducida.
Por ello una tarea de la presente invención consiste en poner a disposición una disposición de quemador ventajosa con un anillo de distribución de combustible, que presente una vida útil especialmente elevada. Otra tarea consiste en poner a disposición una turbina de gas ventajosa con una disposición de quemador de este tipo.
Esta tarea es resuelta mediante una disposición de quemador según la reivindicación 1. La tarea referida a la turbina de gas es resuelta mediante la indicación de una turbina de gas según la reivindicación 12. Las reivindicaciones subordinadas contienen configuraciones ventajosas de la invención.
Con ello la disposición de quemador comprende un anillo de distribución de combustible así como varias toberas de combustible que, en la dirección de flujo, están montadas sobre el anillo de distribución de combustible. El anillo de distribución de combustible presenta en la dirección de flujo una superficie anular. Además de esto, el anillo de distribución de combustible presenta un lado interno exterior dirigido hacia el centro del anillo y un lado externo exterior opuesto.
Debido a que alrededor del anillo de distribución de combustible circula aire final de compresor desde fuera, es decir por los dos lados externos respectivos, aunque a una temperatura máxima de 500 ºC, pero en el interior circula a través del mismo combustible frío que en caso extremo solo presenta 20 ºC, se ha descubierto que a causa de esto sobre el anillo de distribución de combustible se producen elevados gradientes térmicos y, ligado a esto, tensiones muy elevadas. Por medio de esto se influye considerablemente en la vida útil de la pieza constructiva. En especial sobre la superficie del anillo de distribución de combustible se producen tensiones elevadas.
Conforme a la invención se dispone a continuación de al menos una rendija sobre la superficie entre las toberas de combustible. Mediante esta rendija de descarga se obtiene una mejor distribución de calor en el material del distribuidor de combustible, con lo que se reducen las tensiones y se ajusta una mayor esperanza de vida. La rendija
de descarga puede variar con ello en profundidad, anchura y longitud y adaptarse al respectivo anillo de distribución de combustible. La al menos una rendija se extiende con ello sobre la superficie desde el lado externo hasta el lado interno. De este modo se cuida la descarga de tensión en una amplia zona superficial. Sobre la superficie se dispone de al menos una escotadura. Mediante la al menos una escotadura se obtiene, sobre todo en conexión a las rendijas, una geometría óptima a través de la cual se produce una mejor distribución de calor en el material del anillo de distribución de combustible. Mediante la mejor distribución de calor ya no se produce ninguna tensión localmente excesiva y pueden alcanzarse los ciclos de vida útil exigidos. La tensión puede reducirse de este modo en esta zona de originalmente más de 950 Mpa a 600 MPa.
La al menos una escotadura comprende parcialmente también el lado externo del anillo de distribución de combustible. En una configuración preferida la al menos una escotadura es fundamentalmente redonda.
En una configuración preferida se dispone de varias toberas de combustible, en donde entre cada tobera de combustible adyacente se dispone de una rendija. De esta forma todo el anillo superficial del anillo de distribución de combustible se recubre de rendijas de descarga.
De forma preferida la al menos una rendija tiene fundamentalmente forma de y. Con ello la al menos una rendija en forma de y comprende dos brazos y una pata, en donde los dos brazos de la rendija fundamentalmente en forma de y están dirigidos hacia el lado externo del anillo de distribución de combustible. Alternativa o adicionalmente, por ejemplo en secuencia alterna, los dos brazos de la rendija fundamentalmente en forma de y pueden estar dirigidos también hacia el lado interno del anillo de distribución de combustible.
La al menos una escotadura puede presentar con ello un radio, en donde el radio se reduce según se mira en la dirección de flujo.
El anillo de distribución de combustible comprende de forma preferida al menos una aleación de níquel, en especial una aleación de níquel-molibdeno o una aleación de níquel-cromo-hierro-molibdeno. Estas aleaciones son especialmente resistentes a altas temperaturas.
El anillo de distribución de combustible comprende de forma preferida en su interior al menos dos canales de combustible para dos etapas de combustión A y B. En una configuración ventajosa los dos canales de combustible comprenden dos conexiones de abastecimiento. Por medio de esto pueden alimentarse combustibles a las toberas de combustible, en cada caso por separado y en función del estado de carga de la máquina.
La disposición de quemador está prevista en especial en una turbina de gas. Se deducen particularidades, características y ventajas adicionales de la presente invención de la siguiente descripción de ejemplos de ejecución, haciendo referencia a las figuras adjuntas.
La figura 1 muestra una turbina de gas en una representación muy esquematizada,
la figura 2 muestra un quemador de turbina de gas con disposición de quemador en una representación en perspectiva,
la figura 3 muestra un quemador de turbina de gas con disposición de quemador conforme a la invención en una representación en perspectiva,
la figura 4 muestra una disposición de quemador conforme a la invención en corte,
la figura 5 muestra una disposición de quemador conforme a la invención en una vista en planta.
A continuación se explican la estructura y el funcionamiento de una turbina de gas con base en la figura 1, que muestra una vista en corte muy esquematizada de una turbina de gas. La turbina de gas 1 comprended un segmento de compresor 3, un segmento de combustión 4, que en el presente ejemplo de ejecución comprende varias cámaras de combustión tubulares 5 con quemadores 6 dispuestos en las mismas, pero que básicamente también puede comprender una cámara de quemador anular, y un segmento de turbina 7. Un rotor 9, también llamado inducido, se extiende por todos los segmentos y soporta en el segmento de compresor 3 coronas de álabes de compresor 11 y en el segmento de turbina 7 coronas de álabes de turbina 13. Entre coronas de álabe de compresor 11 adyacentes y entre coronas de álabes de turbina 13 adyacentes están dispuestas coronas de álabes de guiado de compresor 15, respectivamente coronas de álabes de guiado de turbina 17, que se extienden desde una carcasa 19 de la turbina de gas 1 radialmente en dirección al rotor 9.
Durante el funcionamiento de la turbina de gas 1 se aspira aire a través de una entrada de aire 21 en el segmento de compresor 3. Allí se comprime el aire mediante los alabes de compresor 11 rotatorias y se conduce hasta los quemadores 6 en el segmento de combustión 4. En los quemadores 6 el aire se mezcla con un combustible gaseoso
o fluido y la mezcla se quema en las cámaras de combustión 5. Los gases de escape de combustión calientes sometidos a alta presión se alimentan después como medio de trabajo al segmento de turbina 7. En su camino a través del segmento de turbina los gases de escape de combustión transmiten un impulso a los álabes de paleta de turbina 13, en donde se expanden y enfrían. Por último los gases de escape de combustión expandidos y enfriados abandonan el segmento de turbina 7 a través de un escape 23. El impulso transmitido conduce a un movimiento rotatorio del rotor, que acciona el compresor y un consumidor, por ejemplo un generador para generar corriente eléctrica o una máquina de trabajo industrial. Las coronas de álabes de guiado de turbina 17 se usan con ello como toberas para conducir el medio de trabajo, para optimizar la transmisión de impulsos a los álabes de paleta de turbina 13.
La figura 2 muestra un quemador 6 del segmento de combustión 4 en una representación en perspectiva. Como componentes principales el quemador 6 comprende un anillo de distribución de combustible 27, ocho toberas de combustible 29 que se extienden desde el anillo de distribución de combustible 27 y ocho generadores de torsión 31 dispuestos en la zona de las puntas de las toberas de combustible 29. El anillo de distribución de combustible 27 y las toberas de combustible 29 forman juntos una carcasa de quemador, a través de la cual se extienden conductos de combustible hasta aberturas de inyección, que están dispuestas dentro del generador de torsión 31. Las toberas de combustible 29 pueden estar soldadas al anillo de distribución de combustible 27. A través de varias tubuladuras (no representadas), el quemador puede conectarse a conductos de alimentación de combustible. Mediante una brida 35 puede fijarse el quemador 6 a una cámara de combustión tubular, de tal modo que las toberas de combustible 29 estén dirigidas hacia el interior de la cámara de combustión.
Aunque el quemador 6 mostrado en la figura 2 presenta ocho toberas de combustible 29, también es posible equiparlo con otra cantidad de toberas de combustible 29. La cantidad de toberas de combustible 29 puede ser con ello mayor o menor que ocho, por ejemplo pueden estar disponibles seis toberas de combustible 29 o doce toberas de combustible 29, que en cada caso presenten un único generador de rotación. Asimismo normalmente está dispuesta una tobera de combustible piloto en el centro del quemador. La tobera de combustible piloto no se ha representado en la figura 2 para una mejor comprensión.
Durante el proceso de combustión se conduce aire hacia fuera del compresor a través del generador de torsión 31, en donde se mezcla con combustible. A continuación se quema después la mezcla de aire-combustible en la zona de combustión de la cámara de combustión 5, para formar el medio de trabajo.
El anillo de distribución de combustible 27 tiene la tarea de distribuir el combustible entre las toberas de combustible
29. Para esto está dotado en el interior de dos canales de combustible 41, 42, de los que cada uno alimenta varias toberas 29 (en este caso especial en cada caso 4 toberas 29) con combustible como una etapa A y una etapa B (figura 3 y figura 4). Los dos canales de combustible 41 y 42 comprenden dos conexiones de abastecimiento 51, 52 para alimentar combustible. Con ello puede tratarse también de diferentes clases de combustible. Alrededor del anillo de distribución de combustible 27 circula aire de compresor caliente desde fuera a una temperatura máxima de 500 ºC, pero desde el interior con combustible frío que en caso extremo solo puede presentar 20 ºC. Por medio de esto se producen en el anillo de distribución de combustible 27 tensiones muy elevadas. Sobre todo en el lado superficial 54 del anillo de distribución de combustible 27 vuelto hacia las toberas 29 se producen tensiones muy elevadas, de tal modo que no puede alcanzarse la vida útil.
Se dispone de varias toberas de combustible 29, que están montadas en la dirección de flujo sobre el anillo de distribución de combustible 27. Además de esto, el anillo de distribución de combustible 27 presenta en la dirección de flujo una superficie anular 54 y un lado interno exterior 56 dirigido hacia el centro del anillo y un lado externo exterior 58 opuesto.
Conforme a la invención se dispone a continuación sobre la superficie 54 entre las toberas de combustible 29 al menos de una rendija 60. Esta tiene fundamentalmente forma de y (figura 3 y figura 5). Con ello fundamentalmente en forma de y significa que aquí están comprendidas todas las formas, que recuerdan aproximadamente a la letra Y, es decir que presentan dos brazos 62 y una pata 63. De forma ventajosa todos los espacios intermedios sobre la superficie 54 entre las toberas 29 están dotados de tales rendijas 60. La rendija 60, y en especial la rendija 60 en forma de y, se extiende por la superficie 54 desde el lado externo 58 al lado interno 56. De este modo pueden evitarse el elevado gradiente térmico durante el funcionamiento y las tensiones que se producen por medio de esto. De esta forma se aumenta considerablemente la vida útil de la disposición de quemador, en especial del anillo de distribución de combustible 27.
Con ello los dos brazos 62 de la rendija 60 fundamentalmente en forma de y pueden estar dispuestos ventajosamente en el lado externo 58 de la superficie 54 del anillo de distribución de combustible 27. Sin embargo, los dos brazos 62 de la rendija 60 fundamentalmente en forma de y pueden también estar dirigidos hacia el lado interno 56 de la superficie 54 del anillo de distribución de combustible 27. También son posibles secuencias alternas.
Además de esto están dispuestas escotaduras 66 sobre la superficie 54 (figura 5). Estas escotaduras 66 están dispuestas sobre la superficie 54, de tal modo que comprenden parcialmente también el lado interno 58 del anillo de distribución de combustible 27, es decir, se dispone una escotadura desde el lado interno 58 del anillo de distribución de combustible 27. La escotadura 66 puede variar en su profundidad y en forma. Sin embargo, con ello se trata de forma preferida de una escotadura 66 fundamentalmente redonda.
Con ello la escotadura 66 puede presentar un radio y el radio reducirse según se mira en la dirección de flujo. De 5 este modo pueden evitarse todavía más efectivamente el elevado gradiente térmico durante el funcionamiento y las tensiones que se producen a causa de esto.
El anillo de distribución de combustible 27 comprende de forma preferida al menos una aleación de níquel, en especial una aleación de níquel-molibdeno. Este material es especialmente resistente al calor y por ello es especialmente adecuado para quemadores.
10 La disposición de quemador conforme a la invención puede usarse en especial en una turbina de gas.
Mediante la al menos una rendija 60 conforme a la invención sobre la superficie 54 del anillo de distribución de combustible 27, entre las toberas de combustible 29 y la escotadura, pueden evitarse tensiones elevadas causadas por el funcionamiento sobre el anillo de distribución de combustible 27.
Mediante esta geometría bastante mejor del anillo de distribución de combustible 27 se obtiene una mejor
15 distribución de calor en el material del anillo de distribución de combustible. A causa de la mejor distribución de calor ya no se produce localmente ninguna tensión excesiva. La consecuencia son ciclos de vida más largos.
Por ello es posible mejorar las tensiones en esta zona de más de 950 MPa a 600 MPa.
Estas rendijas 60 y escotaduras 66 conforme a la invención pueden instalarse mediante técnica de fabricación en anillo de distribución de combustibles 27 ya existentes, ya que no exigen ninguna transformación profunda y, de este
20 modo, pueden transformarse fácilmente mediante técnica de fabricación. También se influye tan solo de forma mínima en el actual rendimiento aéreo del quemador.

Claims (12)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Disposición de quemador con
    -
    un anillo de distribución de combustible (27),
    -
    varias toberas de combustible (29) que, en la dirección de flujo, están montadas sobre el anillo de distribución de combustible (27),
    -
    en donde el anillo de distribución de combustible (27) presenta en la dirección de flujo una superficie anular (54),
    -
    en donde el anillo de distribución de combustible presenta un lado interno exterior (56) dirigido hacia el centro del anillo y un lado externo exterior (58) opuesto, caracterizada porque se dispone de al menos una rendija (60) sobre la superficie (54) entre las toberas de combustible (29), y en donde la al menos una rendija (60) se extiende sobre la superficie (54) desde el lado externo (58) hasta el lado interno (56), y en donde está dispuesta al menos una escotadura (66) sobre la superficie (54) y la al menos una escotadura
    (66) comprende parcialmente también el lado exterior (58) del distribuidor de combustible (27).
  2. 2.
    Disposición de quemador según la reivindicación 1, caracterizada porque se dispone de varias toberas de combustible (29), en donde entre cada tobera de combustible adyacente (29) se dispone de una rendija (60).
  3. 3.
    Disposición de quemador según las reivindicaciones 1 - 2, caracterizada porque la al menos una rendija (60) tiene fundamentalmente forma de y.
  4. 4.
    Disposición de quemador según la reivindicación 3, caracterizada porque la al menos una rendija en forma de y comprende dos brazos (4) y una pata (63), y los dos brazos (62) de la rendija (60) fundamentalmente en forma de y están dirigidos hacia el lado externo (58) del anillo de distribución de combustible (27).
  5. 5.
    Disposición de quemador según la reivindicación 4, caracterizada porque la al menos una rendija en forma de y comprende dos brazos (4) y una pata (63), y los dos brazos (62) de la rendija (60) fundamentalmente en forma de y están dirigidos hacia el lado interno (56) del anillo de distribución de combustible (27).
  6. 6.
    Disposición de quemador según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la al menos una escotadura (66) es fundamentalmente redonda.
  7. 7.
    Disposición de quemador según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la al menos una escotadura (66) presenta un radio, y el radio se reduce según se mira en la dirección de flujo.
  8. 8.
    Disposición de quemador según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el anillo de distribución de combustible (27) comprende al menos una aleación de níquel.
  9. 9.
    Disposición de quemador según la reivindicación 8, caracterizada porque el anillo de distribución de combustible
    (27) comprende al menos una aleación de níquel-molibdeno.
  10. 10.
    Disposición de quemador según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el anillo de distribución de combustible (27) comprende en su interior al menos dos canales de combustible (41, 42) para dos etapas de combustión A y B.
  11. 11.
    Disposición de quemador según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque los dos canales de combustible (41, 42) comprenden dos conexiones de abastecimiento (51, 52).
  12. 12.
    Turbina de gas con una disposición de quemador según una de las reivindicaciones anteriores.
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