Ajuste a escala del tamaño de un quemador.

Método para aumentar a escala el tamaño de un quemador (1) de un motor de turbina de gas que comprende un alojamiento (2) de quemador,

en el que dicho quemador tiene:

- partes de extremo aguas arriba y aguas abajo axialmente opuestas;

- en un extremo aguas arriba de dicho quemador (1) combustible (14) y aire (12) proporcionados como una mezcla de aire y combustible desde una salida (8) de un canal (10) de premezclado para mantener una llama (7) principal en el extremo aguas abajo de dicho quemador (1);

- estando definido dicho canal (10) de premezclado en su salida (8) por una pared interna circular formada

por una sección (4a) de boquilla interna y una pared externa circular formada por una sección (4b) de 10 boquilla externa;

- estando el método caracterizado porque comprende las etapas de:

- aumentar el tamaño del quemador (1) añadiendo una sección (4c) de boquilla por fuera y que rodea dicha sección (4b) de boquilla previamente más externa formando así en un espacio anular entre la sección (4c) de boquilla añadida y la sección (4b) de boquilla externa existente un canal (11) de premezclado añadido

definido en su salida (9) por una pared interna circular formada por dicha sección (4b) de boquilla previamente más externa y una pared externa circular formada por la sección (4c) de boquilla añadida;

- definiendo dichas secciones (4a, 4b, 4c) de boquilla un espacio de combustión para alojar dicha llama (7) principal de dicho quemador (1), teniendo una sección (4c, 4b) de boquilla externa un diámetro mayor que una sección (4b, 4a) de boquilla interna adyacente y extendiéndose por una distancia mayor aguas abajo que la sección (4b, 4a) de boquilla interna adyacente, teniendo cada sección (4a, 4b, 4c) de boquilla la configuración de la envolvente cónica de un cono truncado y distribuyéndose consecutivamente una detrás de otra en el sentido aguas abajo del quemador (1), rodeando una parte lo más estrecha de la envolvente de una sección (4b) de boquilla aguas abajo la parte más ancha de la envolvente de la sección (4a) de boquilla aguas arriba más próxima.

Ajuste a escala del tamaño de un quemador

Campo técnico

La presente invención se refiere a boquillas en un quemador preferiblemente para su uso en motores de turbina de gas, y más particularmente a boquillas en un quemador adaptadas para estabilizar la combustión del motor, y además a un quemador que usa una cámara de combustión piloto para proporcionar productos de combustión para estabilizar la combustión premezclada pobre principal. Se conoce un quemador de turbina de gas que tiene una pluralidad de secciones de boquilla por ejemplo del documento US 5 321 948.

Antecedentes de la técnica Se emplean motores de turbina de gas en una variedad de aplicaciones que incluyen la generación de potencia eléctrica, aviación militar y comercial, transmisión por tuberías y transporte marítimo. En un motor de turbina de gas que funciona en modo LPP (Lean, Premixed, Prevaporized: pobre, premezclada, prevaporizada) , el combustible y el aire se proporcionan a una cámara de quemador en la que se mezclan y encienden por una llama, iniciando así la combustión. Los problemas principales asociados con el proceso de combustión en motores de turbina de gas, además de la eficiencia térmica y el mezclado apropiado del combustible y el aire, están asociados a la estabilización de la llama, la eliminación de pulsaciones y ruido, y el control de emisiones contaminantes, especialmente óxidos de nitrógeno (NOx) , CO, UHC (Unburned hydrocarbons: hidrocarburos no quemados) , humo y emisiones de partículas.

En motores de turbina de gas industriales, que funcionan en modo LPP, la temperatura de llama se reduce por una adición de más aire que el requerido para el propio proceso de combustión. El aire en exceso que no reacciona debe calentarse durante la combustión, y como resultado se reduce la temperatura de llama del proceso de combustión (por debajo del punto estequiométrico) desde aproximadamente 2300 K hasta 1800 K y menos. Esta reducción en la temperatura de llama se requiere para reducir significativamente las emisiones de NOx. Un método que ha mostrado ser el más exitoso para reducir las emisiones de NOx es hacer el proceso de combustión tan pobre que la temperatura de la llama se reduzca por debajo de la temperatura a la que el nitrógeno y oxígeno diatómicos (N2 y O2) se disocian y recombinan para dar NO y NO2. Comúnmente se usan flujos de combustión con estabilización de remolino en motores de turbina de gas industriales para estabilizar la combustión al desarrollar, tal como se indicó previamente, un flujo de retorno (zona de recirculación inducida por remolino) alrededor de la línea central, por lo que el flujo de retorno devuelve calor y radicales libres de vuelta a la mezcla de combustible y aire no quemada entrante. El calor y los radicales libres del combustible y aire que han reaccionado previamente se requieren para iniciar (pirolizar el combustible e iniciar el proceso de ramificar cadenas) y mantener la combustión estable de la mezcla de combustible y aire sin reaccionar nueva. La combustión estable en los motores de turbina de gas requiere un proceso cíclico de combustión que produce productos de combustión que se transportan de vuelta aguas arriba para iniciar el proceso de combustión. Un frente de llama se estabiliza en una capa de cortadura de la zona de recirculación inducida por remolino. Dentro de la capa de cortadura la “velocidad de llama turbulenta local de la mezcla aire/combustible” tiene que ser mayor que la “velocidad de mezcla aire/combustible local” y puede estabilizarse como resultado del proceso de combustión/frente de llama.

La combustión premezclada pobre es de manera inherente menos estable que la combustión de llama de difusión por las siguientes razones:

1. La cantidad de aire requerido para reducir la temperatura de llama desde 2300 K hasta 1700-1800 K es aproximadamente el doble de la cantidad de aire requerido para la combustión estequiométrica. Esto hace la relación combustible/aire (Φ) global muy próxima (alrededor o por debajo de 0, 5; Φ º 0, 5) o similar a la relación combustible/aire a la que se produce la extinción pobre de la llama premezclada. Bajo estas condiciones la llama puede extinguirse localmente y encenderse de nuevo de manera periódica.

2. Cerca del límite de extinción pobre la velocidad de llama de las llamas pobres parcialmente premezcladas es muy sensible a las fluctuaciones de relación de equivalencia. Las fluctuaciones en la velocidad de llama pueden dar como resultado movimientos/fluctuaciones espaciales del frente de llama (zona de recirculación inducida por remolino) . Un frente de llama menos estable, sencillo de mover de una llama premezclada da como resultado una tasa de liberación de calor periódica que, a su vez, da como resultado un movimiento de la llama, procesos de dinámica de fluidos no estacionarios y un desarrollo de inestabilidades termoacústicas.

3. Las fluctuaciones de relación de equivalencia son probablemente el mecanismo de acoplamiento más común para enlazar liberación de calor no estacionaria a oscilaciones de presión no estacionarias.

4. Para hacer la combustión suficientemente pobre, para poder reducir significativamente las emisiones de NOx, casi todo el aire usado en el motor debe atravesar el inyector y tiene que premezclarse con combustible. Por tanto, todo el flujo en los quemadores tiene el potencial de ser reactivo y requiere que se fije el punto en el que se inicia la combustión.

5. Cuando el calor requerido para que se produzcan las reacciones es el factor limitante de estabilidad, fluctuaciones temporales muy pequeñas en las relaciones de equivalencia combustible/aire (que podrían resultar o bien de la fluctuación de flujo de combustible o bien del flujo de aire a través del quemador/inyector) pueden hacer que la llama se extinga parcialmente y se encienda de nuevo.

6. Una razón adicional y muy importante para la disminución de la estabilidad en la llama premezclada es que la pendiente empinada de la mezcla de combustible y aire se elimina del proceso de combustión. Esto hace que se produzca la reacción del combustible de flujo premezclado en cualquier lugar en el que haya una temperatura suficiente. Cuando la llama puede producirse, de manera más sencilla, en posiciones múltiples, se hace más inestable. Los únicos medios para estabilizar una llama premezclada a una posición fija están basados en el gradiente de temperatura producido cuando el combustible premezclado no quemado y el aire se mezclan con los productos de combustión calientes (la llama no puede producirse cuando la temperatura es demasiado baja) . Esto deja el gradiente térmico producido por la generación, radiación, difusión y convección de calor como un método para estabilizar la llama premezclada. El calentamiento por radiación del fluido no produce un gradiente agudo; por tanto, la estabilidad debe proceder de la generación, difusión y convección de calor al interior de la zona de reacción previa. La difusión sólo produce un gradiente agudo en el flujo laminar y no flujos turbulentos, dejando que sólo la convección y la generación de energía produzcan los gradientes agudos deseados para la estabilización de llama que en realidad son gradientes de radicales libres y calor. Ambos gradientes de calor y radicales libres, se generan, difunden y sufren una convección por los mismos mecanismos a través de productos de combustión que recirculan dentro de la zona de recirculación inducida por remolino.

7. En flujos premezclados, al igual que los flujos de difusión, la expansión rápida que causa separaciones y flujos de recirculación de remolino se usan ambos comúnmente para producir gradientes de calor y radicales libres al interior del combustible y aire reaccionado previamente.

Un objetivo de la presente invención es presentar una manera de ajustar a escala el tamaño de un quemador.

Sumario de la invención Se da a conocer un quemador pobre-rico parcialmente premezclado de bajas emisiones para una cámara de combustión de turbina de gas que proporciona un proceso de combustión y encendido estable en todas las condiciones de carga de motor. Este quemador funciona según el principio de “suministrar” calor y una alta concentración de radicales libres desde un escape de cámara de combustión piloto a una llama principal que arde en un remolino de aire/combustible premezclado pobre, por lo que se apoya una combustión rápida y estable de la llama premezclada pobre principal. La cámara de combustión piloto suministra calor y complementa una alta concentración de radicales libres directamente a un punto de remanso delantero y una capa de cortadura de la zona de recirculación inducida por remolino principal,... [Seguir leyendo]

1. Método para aumentar a escala el tamaño de un quemador (1) de un motor de turbina de gas que comprende un alojamiento (2) de quemador, en el que dicho quemador tiene:

- partes de extremo aguas arriba y aguas abajo axialmente opuestas;

- en un extremo aguas arriba de dicho quemador (1) combustible (14) y aire (12) proporcionados como una mezcla de aire y combustible desde una salida (8) de un canal (10) de premezclado para mantener una llama (7) principal en el extremo aguas abajo de dicho quemador (1) ;

- estando definido dicho canal (10) de premezclado en su salida (8) por una pared interna circular formada

por una sección (4a) de boquilla interna y una pared externa circular formada por una sección (4b) de 10 boquilla externa;

- estando el método caracterizado porque comprende las etapas de:

- aumentar el tamaño del quemador (1) añadiendo una sección (4c) de boquilla por fuera y que rodea dicha sección (4b) de boquilla previamente más externa formando así en un espacio anular entre la sección (4c) de boquilla añadida y la sección (4b) de boquilla externa existente un canal (11) de premezclado añadido

definido en su salida (9) por una pared interna circular formada por dicha sección (4b) de boquilla previamente más externa y una pared externa circular formada por la sección (4c) de boquilla añadida;

- definiendo dichas secciones (4a, 4b, 4c) de boquilla un espacio de combustión para alojar dicha llama (7) principal de dicho quemador (1) , teniendo una sección (4c, 4b) de boquilla externa un diámetro mayor que una sección (4b, 4a) de boquilla interna adyacente y extendiéndose por una distancia mayor aguas abajo

que la sección (4b, 4a) de boquilla interna adyacente, teniendo cada sección (4a, 4b, 4c) de boquilla la configuración de la envolvente cónica de un cono truncado y distribuyéndose consecutivamente una detrás de otra en el sentido aguas abajo del quemador (1) , rodeando una parte lo más estrecha de la envolvente de una sección (4b) de boquilla aguas abajo la parte más ancha de la envolvente de la sección (4a) de boquilla aguas arriba más próxima.

2. Método según la reivindicación 1, que incluye además las etapas de:

- aumentar el tamaño del quemador (1) añadiendo una sección (4d) de boquilla por fuera y que rodea dicha sección (4c) de boquilla previamente más externa formando así en un espacio anular entre la sección (4d) de boquilla añadida y la sección (4c) de boquilla externa existente un canal (11b) de premezclado añadido definido en su salida por una pared interna circular formada por dicha sección (4c) de boquilla previamente

más externa y una pared externa circular formada por la sección (4d) de boquilla añadida;

- definiendo dichas secciones (4a, 4b, 4c, 4d) de boquilla un espacio de combustión para alojar dicha llama

(7) principal de dicho quemador (1) , teniendo una sección (4d, 4c, 4b) de boquilla externa un diámetro mayor que una sección (4c, 4b, 4a) de boquilla interna adyacente y extendiéndose por una distancia mayor aguas abajo que su sección (4c, 4b, 4a) de boquilla interna adyacente.

3. Método según la reivindicación 2, que incluye además la etapa de:

- disponer los índices de turbulencia de la mezcla de aire/combustible proporcionada a dichos canales (10, 11, 11b) para mantener índices de turbulencia según: SN, 10 > SN, 11 > SN, 11b, aunque los índices de turbulencia deben estar todos por encima de SN=0, 6 y no ser mayores que SN=0, 8.

4. Boquilla ajustable a escala en un quemador (1) para un motor de turbina de gas,

- el quemador (1) tiene partes de extremo aguas arriba y aguas abajo axialmente opuestas;

- el combustible y el aire se mezclan y proporcionan al quemador (1) , tras lo cual el combustible se quema en una llama (7) principal del quemador (1) ,

- se dispone una boquilla (4a, 4b, 4c) para alojar dicha llama (7) principal,

- se dispone un canal (10, 11) anular para aire y combustible premezclados entre dos secciones (4a, 4b) de boquilla consecutivas,

- disponiéndose dicha boquilla de modo que pueden añadirse secciones (4c, 4d) de boquilla adicionales a un número existente de al menos dos secciones (4a, 4b) de boquilla, y

- disponiéndose dicha boquilla de modo que la sección (4d, 4c) de boquilla añadida puede eliminarse hasta que quedan un mínimo de dos secciones (4a, 4b) de boquilla.

caracterizada porque 45 - dicha boquilla ajustable a escala se forma de una pluralidad de secciones (4a, 4b, 4c) de boquilla,