QUEMADOR, METODO PARA OPERAR UN QUEMADOR Y TURBINA DE GAS.

Quemador (1) de una turbina de gas con un canal (3) del quemador,

en el que puede ser introducido aire de combustión (9) en una posición (7) de entrada de aire, y el combustible (11) puede ser introducido en una posición (10) de entrada de combustible, donde la posición (10) de entrada de combustible se encuentra ubicada aguas abajo de la posición (7) de entrada de aire y donde el aire de combustión (9) y el combustible (11) pueden ser mezclados en el canal (3) del quemador y, a continuación, pueden ser introducidos en una zona (27) de combustión, caracterizado porque un resonador de Helmholtz (19), se encuentra unido en forma directa reotécnicamente al canal (3) del quemador en una posición del resonador (26) aguas abajo de la posición (10) de entrada de combustible y aguas arriba de la zona (27) de combustión, de modo que se interrumpe en gran parte el acoplamiento entre las fluctuaciones de la proporción de aire y las oscilaciones (29) de combustión

Quemador, método para operar un quemador y turbina de gas.

La presente invención hace referencia a un quemador con un canal del quemador, en el que puede ser introducido aire de combustión en una posición de entrada de aire, y combustible en una posición de entrada de combustible, de modo que la posición de entrada de combustible se ubica aguas abajo de la posición de entrada de aire y, donde el aire de combustión puede mezclarse con el combustible en el canal del quemador y, a continuación, puede ser introducido en una zona de combustión. Particularmente, el quemador se encuentra conformado como el quemador de una turbina de gas. La presente invención hace referencia también a un método para operar un quemador semejante, así como una turbina de gas, en particular con una cámara de combustión anular.

En sistemas de combustión como turbinas de gas, motores de aviones, motores cohete e instalaciones de calefacción pueden llegar a producirse oscilaciones de combustión inducidas termoacústicamente. Éstas se originan a través de la interacción de la llama de combustión y del intercambio de calor asociado a ésta, con fluctuaciones de presión acústicas. Mediante una excitación acústica puede oscilar la posición de la llama, la superficie frontal de la llama o la estructura de la mezcla, lo que por otra parte conduce a variaciones en el intercambio de calor. En una interferencia en fase de onda constructiva puede producirse una retroacción positiva y una intensificación de la llama. Una oscilación de combustión puede conducir a molestias considerables de origen sonoro y a deterioros generados por las vibraciones.

Estas inestabilidades ocasionadas termoacústicamente se ven influenciadas fundamentalmente por las propiedades acústicas de la cámara de combustión y mediante las condiciones de limitación espacial presentes en la entrada de combustión y en la salida de combustión, así como en las paredes de la cámara de combustión. Las propiedades acústicas pueden ser modificadas a través de la instalación de resonadores de Helmholtz.

La solicitud WO 93/10401 A1 muestra una dispositivo para la supresión de oscilaciones de combustión en una cámara de combustión de una instalación de una turbina de gas. Un resonador de Helmholtz se encuentra unido reotécnicamente a una línea de alimentación de combustible. Las propiedades acústicas de la línea de alimentación, así como del sistema compuesto acústico, son así modificadas de modo tal, que las oscilaciones de combustión son suprimidas. Se ha comprobado, igualmente, que esta medida no es suficiente en todos los estados de funcionamiento, puesto que también pueden producirse oscilaciones de combustión en la línea de combustible durante la supresión de oscilaciones.

La solicitud US-A-6 058 709 sugiere, para evitar oscilaciones de combustión, introducir combustible en posiciones axialmente diferentes en el canal de combustión de un quemador. De este modo, con respecto a la formación de oscilaciones de combustión, posiciones oscilatorias en fase de ondas constructivas se superponen con posiciones de onda en fase destructivas en la propia estructura de la mezcla, de modo que en su conjunto se produce una menor cantidad de oscilaciones y, con ello, a una propensión reducida con respecto a la formación de oscilaciones de combustión. Esta medida, sin embargo, es costosa en cuanto al equipamiento, en comparación con una medida puramente pasiva del empleo de resonadores de Helmholtz.

En la solicitud EP 0 597 138 A1 se describe la cámara de combustión de una turbina de gas, la que presenta resonadores de Helmholtz enjuagados con aire en la zona de los quemadores. A través de estos resonadores es absorbida energía de oscilación por las oscilaciones de combustión producidas en la cámara de combustión y, de este modo las oscilaciones de combustión son amortiguadas.

Otra medida para el amortiguamiento de las oscilaciones de combustión se muestra en la solicitud EP 1 004 823 A2. En este caso, el resonador de Helmholtz se encuentra unido directamente a la zona de mezcla del quemador. Se hace hincapié y también se revela, exclusivamente, que el resonador debe ser instalado aguas arriba de la alimentación de combustible, puesto que las oscilaciones de combustión originadas en el quemador y también provocadas a través de las líneas de alimentación, deben ser absorbidas a través del resonador.

Es objeto de la presente invención el indicar un quemador de una turbina de gas con una propensión particularmente reducida a la formación de oscilaciones de combustión. Otro objeto de la invención consiste en indicar un método para operar un quemador de una turbina de gas, a través del que sean evitadas en forma eficaz las oscilaciones de combustión. Finalmente, es también objeto de la presente invención el indicar una turbina de gas con una propensión particularmente reducida a la formación de oscilaciones de combustión.

Conforme a la invención, el objeto referido a un quemador de una turbina de gas se alcanzará a través de la indicación de un quemador de una turbina de gas con un canal del quemador, en el que pueden ser introducidos aire de combustión en una posición de entrada de aire, y combustible, en una posición de entrada de combustible, donde la posición de entrada de combustible se encuentra ubicada aguas abajo de la posición de entrada de aire y donde el aire de combustión y el combustible puede ser mezclados en el canal del quemador y, a continuación, pueden ser introducidos en una zona de combustión, donde un resonador de Helmholtz se encuentra unido en forma directa reotécnicamente al canal del quemador en una posición del resonador aguas abajo de la posición de entrada de combustible y aguas arriba de la zona de combustión, de modo que se interrumpe en gran parte el acoplamiento entre las fluctuaciones de la proporción de aire y las oscilaciones de combustión.

La proporción de aire es una magnitud bien conocida en la ingeniería de la combustión y caracteriza en forma proporcional la composición de la mezcla formada por aire de combustión y combustible a través de la relación de concentraciones.

Con la presente invención, por primera vez, se toma un nuevo camino, el cual consiste en no sólo amortiguar una oscilación de combustión a través de un resonador de Helmholtz, sino también en contrarrestar también una causa fundamental para la producción de la oscilación de combustión: las fluctuaciones de la proporción de aire. La fluctuación de la proporción de aire, a través de intercambios de calor inhomogéneos temporalmente, conduce a impulsos acústicos, los que pueden conducir, de acuerdo al modo descrito anteriormente, a una retroacción y a la formación de una oscilación de combustión. Al ser dispuesto el resonador de Helmholtz aguas a abajo de la entrada de combustible se reducen las perturbaciones acústicas en la posición de entrada de combustible y, con ello, las fluctuaciones de la proporción de aire. Más allá de la absorción pura de energía de oscilación, el resonador de Helmholtz en esta posición del resonador es capaz de evitar la formación de la oscilación de combustión. De este modo se logra un medio mucho más efectivo contra las oscilaciones de combustión.

En forma preferente, el canal del quemador rodea al canal central como un canal anular, a través del que, en forma separada del canal anular, pueden ser suministrados combustible y aire de combustión a la zona de combustión, de modo que el resonador de Helmholtz, igualmente, rodea en forma anular al canal anular.

De este modo, el resonador puede actuar completamente y en forma simétrica sobre el canal anular. De esta manera son evitadas distribuciones no uniformes de la temperatura. A su vez, a través de la posición aguas bajo de la alimentación de combustible, el resonador puede actuar directamente sobre el punto de mayor intercambio de calor, lo que conduce a un efecto especialmente elevado del resonador.

El quemador, en particular, puede consistir en un quemador combinado de difusión y de premezcla. De esta manera, en el canal anular, como canal de premezcla, el combustible es mezclado íntimamente con el aire de combustión. El canal central se encuentra conformado como un quemador de difusión, en el que aire y combustible son mezclados, en primer lugar, fundamentalmente en la zona de combustión. Un quemador de premezcla puede quemar poco combustible en poco aire a través de una así llamada combustión pobre y presenta, de este modo, reducidas emisiones de óxido de nitrógeno. Sin embargo, la combustión pobre, frecuentemente, es inestable...

1. Quemador (1) de una turbina de gas con un canal (3) del quemador, en el que puede ser introducido aire de combustión (9) en una posición (7) de entrada de aire, y el combustible (11) puede ser introducido en una posición (10) de entrada de combustible, donde la posición (10) de entrada de combustible se encuentra ubicada aguas abajo de la posición (7) de entrada de aire y donde el aire de combustión (9) y el combustible (11) pueden ser mezclados en el canal (3) del quemador y, a continuación, pueden ser introducidos en una zona (27) de combustión, caracterizado porque un resonador de Helmholtz (19), se encuentra unido en forma directa reotécnicamente al canal (3) del quemador en una posición del resonador (26) aguas abajo de la posición (10) de entrada de combustible y aguas arriba de la zona (27) de combustión, de modo que se interrumpe en gran parte el acoplamiento entre las fluctuaciones de la proporción de aire y las oscilaciones (29) de combustión.

2. Quemador (1) de una turbina de gas conforme a la reivindicación 1, donde el canal (3) del quemador se encuentra realizado como un canal anular (30) y rodea a un canal central (41) mediante el cual, en forma separada del canal anular (30), pueden ser introducidos combustible (11) y aire de combustión (9) en la zona (27) de combustión, de modo que el resonador de Helmholtz (19) rodea igualmente al canal anular (30) en forma anular.

3. Quemador (1) de una turbina de gas conforme a la reivindicación 1, donde el canal (3) del quemador se encuentra realizado como un canal central (41) y se encuentra rodeado por un canal anular (30), mediante el cual, en forma separada del canal central (41), pueden ser introducidos combustible (11) y aire de combustión (9) en la zona (27) de combustión, de modo que el resonador de Helmholtz (19) rodea al canal central (41) en forma anular.

4. Quemador (1) de una turbina de gas conforme a la reivindicación 3, donde el canal anular (30) se encuentra conectado en forma directa, reotécnicamente, a otro resonador de Helmholtz (19), el que rodea en forma anular al canal anular (30), dicha conexión se encuentra realizada aguas abajo de la posición (10) de entrada de combustible, la que desemboca en el canal anular (30).

5. Quemador (1) de una turbina de gas conforme a una de las reivindicaciones precedentes, donde se encuentran dispuestos álabes torsionados (13) aguas arriba de la posición del resonador (26) en el canal anular (3).

6. Quemador (1) de una turbina de gas conforme a la reivindicación 5, donde el combustible (11) puede ser introducido por los álabes torsionados (13).

7. Quemador (1) de una turbina de gas conforme a una de las reivindicaciones precedentes, donde oscilaciones (29) de combustión pueden ser absorbidas a través del resonador de Helmholtz (19).

8. Quemador (1) de una turbina de gas conforme a una de las reivindicaciones precedentes, donde oscilaciones (29) de combustión pueden ser reflectadas a través del resonador de Helmholtz (19).

9. Quemador (1) de una turbina de gas conforme a una de las reivindicaciones precedentes, donde el resonador de Helmholtz (19) presenta un volumen (23) del resonador que es regulable.

10. Quemador (1) de una turbina de gas conforme a una de las reivindicaciones precedentes, donde el resonador de Helmholtz (19) presenta un volumen (23) del resonador que es regulable y se encuentra unido a un canal (3) del quemador mediante una boca (21) del resonador, de modo que la boca (21) del resonador se extiende dentro del volumen (23) del resonador mediante un tubo pequeño (61).

11. Turbina de gas (51) con un quemador (1) de una turbina de gas conforme a una de las reivindicaciones precedentes.

12. Turbina de gas (51) conforme a la reivindicación 11 con una cámara de combustión anular (55).

13. Método para operar un quemador (1) de una turbina de gas con un canal (3) del quemador, método en el que aire de combustión (9) es introducido en una posición (7) de entrada de aire y el combustible (11) es introducido en una posición (10) de entrada de combustible, la que se encuentra aguas abajo de la posición (7) de entrada de aire y donde el aire de combustión (9) se mezcla con el combustible (11) en el canal (3) del quemador y, a continuación, es introducido en una zona (27) de combustión, caracterizado porque el acoplamiento entre las fluctuaciones de la proporción de aire y las oscilaciones (29) de combustión se interrumpe en gran parte debido a que un resonador de Helmholtz (19) se encuentra unido en forma directa, reotécnicamente, al canal (3) del quemador en una posición del resonador (26) aguas abajo de la posición (10) de entrada de combustible y aguas arriba de la zona (27) de combustión, de modo que oscilaciones (29) de combustión no penetran tanto como para alcanzar la posición (10) de entrada de combustible.