Elementos refractarios en un quemador.

Quemador (1) para un motor de turbina de gas, donde dicho quemador (1) comprende:

- porciones extremas aguas arriba y aguas abajo opuestas axialmente y dispuestas para recibir combustibley aire mezclados para ser quemados en una llama principal (7) del quemador (1),

- dicho elemento refractario (4a, 4b, 4c) dispuesto para alojar dicha llama principal (7),

- dicho elemento refractario está formado a partir de una pluralidad de secciones del elemento refractario(4a, 4b, 4c), en donde cada sección del elemento refractario (4a, 4b, 4c) tiene la configuración de la cubiertacónica de un cono truncado, y donde son distribuidas de manera consecutiva una tras otra en la direcciónaguas abajo del quemador (1),

- un canal anular (10, 11) para el combustible y el aire premezclado dispuesto entre dos seccionesconsecutivas del elemento refractario (4a, 4b), caracterizado porque una parte más estrecha de la cubiertade una sección del elemento refractario aguas abajo (4b), es la parte más ancha del extremo aguas debajode la cubierta de la sección del elemento refractario aguas arriba más cercana (4a).

Elementos refractarios en un quemador

Área técnica La presente invención hace referencia a un quemador, de manera preferente para su uso en motores de turbinas de gas, y más particularmente a elementos refractarios adaptados para estabilizar la combustión de un motor, y además a un quemador que utiliza una cámara de combustión piloto para proporcionar productos de combustión para estabilizar la combustión premezclada pobre principal.

Antecedentes técnicos Los motores de turbinas de gas se emplean en una variedad de aplicaciones que incluyen la generación de energía eléctrica, aviación militar y comercial, conducción por tuberías y transporte marítimo. En un motor de turbina de gas que opera en modo LPP (por sus siglas en inglés, mezcla pobre premezclada y prevaporizada) , el combustible y el aire se suministran a una cámara de combustión donde se mezclan y se produce la ignición mediante una llama, iniciando por tanto la combustión. Los principales problemas asociados con el proceso de combustión en motores de turbinas de gas, además de la eficacia térmica y la mezcla apropiada de combustible y aire, están asociados a la estabilización de la llama, la eliminación de pulsos y ruido, y el control de emisiones contaminantes, especialmente óxidos de nitrógeno (NOx) , CO, UHC, humos y emisión de partículas 1. En motores de turbinas de gas industriales, que operan en modo LPP, la temperatura de la llama se reduce por medio de la adición de más aire del que se requiere para el proceso de combustión en sí mismo. El exceso de aire que no se hace reaccionar debe ser calentado durante la combustión, y como resultado la temperatura de la llama 20 del proceso de combustión se reduce (por debajo del punto estequiométrico) de aproximadamente 2300K a 1800K y menos. Esta reducción en la temperatura de la llama se requiere para reducir de manera significativa las emisiones de NOx. Un método que se ha mostrado exitoso en la reducción de las emisiones de NOx, es realizar el proceso de combustión con una mezcla tan pobre que la temperatura de la llama se reduce por debajo de la temperatura a la que el Nitrógeno diatómico y el Oxígeno (N2 y O2) se disocian y recombinan en NO y NO2. Los flujos de combustión 25 estabilizados por giro o rotación (swirl) se utilizan comúnmente en motores de turbinas de gas industriales por medio de, tal como se ha indicado anteriormente, el desarrollo de flujo invertido (Zona de Recirculación inducida por Giro) alrededor de la línea central, por lo cual el flujo invertido devuelve calor y radicales libres a la mezcla de combustible y aire sin quemar que se introduce. El calor y los radicales libres provenientes del combustible que se ha hecho reaccionar previamente, son necesarios para iniciar (pirolizar combustible e iniciar el proceso de ramificación en 30 cadena) y sostener la combustión estable de la mezcla de combustible y aire fresca que no se ha hecho reaccionar. La combustión estable en los motores de turbinas de gas requiere un proceso cíclico de combustión que produce productos de combustión que se transportan de regreso aguas arriba para iniciar el proceso de combustión. Un frente de llama es estabilizado en una capa de cortadura de la zona de recirculación inducida por giro. Dentro de la capa de cortadura “la velocidad de la llama turbulenta local de la mezcla de aire/combustible” tiene que ser mayor

que la “velocidad de la mezcla de aire/combustible local”, y como resultado el proceso de combustión/frente de llama puede ser estabilizado.

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

1. La cantidad de aire que se requiere para reducir la temperatura de la llama de 2300K a 1700-1800 K, es aproximadamente dos veces la cantidad de aire que se requiere para la combustión estequiométrica. Esta circunstancia hace que la relación global de combustible/aire (º) se encuentre muy cercana a (alrededor de o inferior a 0.5; • º 0.5) , o sea similar a la relación de combustible/aire a la cual tiene lugar la extinción pobre de la llama premezclada. Bajo estas condiciones, la llama puede extinguirse localmente y puede volver a producirse la ignición 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 la relación de equivalencia. Las fluctuaciones en la velocidad de la llama pueden dar como resultado fluctuaciones/desplazamientos espaciales del frente de llama (zona de recirculación inducida por giro) . Un frente de llama menos estable, más fácil de desplazar, de una llama premezclada da como resultado una tasa de liberación de calor periódica, que, a su vez, da 50 como resultado un desplazamiento de la llama, procesos dinámicos de fluidos no homogéneos, y un desarrollo de inestabilidades termo-acústicas.

3. Las fluctuaciones de la relación de equivalencia son, probablemente, el mecanismo de acoplamiento más habitual para unir la liberación irregular de calor a oscilaciones de presión irregulares.

4. Para hacer que el combustible sea lo suficientemente pobre, a fin de poder reducir de manera significativa las emisiones de NOx, casi todo el aire utilizado en el motor debe pasar a través del inyector y ser premezclado con el combustible. Por lo tanto, todo el flujo en los quemadores tiene el potencial de ser reactivo y requiere que el punto donde se inicia la combustión sea fijo.

5. Cuando el calor que se requiere para que las reacciones tengan lugar es el factor de limitación de estabilidad, fluctuaciones temporales muy pequeñas en las relaciones de equivalencia de combustible/aire (que podrían o bien ser el resultado de la fluctuación de combustible o del flujo de aire a través del quemador/inyector) , pueden generar que la llama se extinga parcialmente y se vuelva a producir la ignición.

6. Una razón adicional y muy importante para la disminución de la estabilidad en la llama premezclada es que el gradiente pronunciado de la mezcla de combustible y aire se elimina del proceso de combustión. Esto hace que el flujo de combustible premezclado tenga lugar en cualquier lugar donde haya una temperatura suficiente para la reacción. Cuando la llama puede, más fácilmente, ocurrir en mútiples posiciones, se vuelve más inestable. Los únicos medios para estabilizar una llama premezclada en una posición fija, se basan en el gradiente de temperatura producido donde el combustible premezclado sin quemar y el aire se mezclan con los productos calientes de combustión (la llama no puede producirse donde la temperatura es demasiado baja) . Esto deja al gradiente térmico producido por la generación, radiación, difusión y convección del calor como un método para estabilizar la llama premezclada. El calentamiento por radiación del fluido no produce un gradiente marcado; por lo tanto, la estabilidad debe venir de la generación, difusión y convección del calor en la zona de reacción previa. La difusión únicamente produce un gradiente marcado en el flujo laminar y no en flujos turbulentos, dejando sólo la convección y la generación de energía para producir los gradientes marcados deseados para la estabilización de la llama, que son en realidad gradientes de calor y radicales libres. Ambos, los gradientes de calor y de radicales libres, se generan, se propagan y se someten a convección por medio de los mismos mecanismos, a través de los productos de combustión que recirculan dentro de la zona de recirculación inducida por giro.

2. En flujos premezclados, además de en flujos de difusión, la rápida expansión que causa separaciones y los flujos de recirculación rotacionales, se utilizan habitualmente para producir gradientes de calor y radicales libres en el combustible y aire de reacción previa.

Se conocen quemadores convencionales para una turbina de gas a partir de las patentes GB 812 317 A, JP 09 264536 A, US 2007/113555 A1, US 5 321 948 A.

Un objeto de la presente invención es presentar un elemento refractario que mejore la estabilización del proceso de combustión de un quemador.

Resumen de la invención Los aspectos relacionados con el elemento refractario de acuerdo a la presente invención se describen en la presente patente, a modo de ejemplo, en conexión con un quemador de bajas emisiones de premezcla parcial pobre-rica, para una cámara de combustión de una turbina de gas que proporciona un proceso de ignición y de combustión estable en todas las condiciones de carga del motor. Este quemador opera de acuerdo al principio de “suministrar” calor y una alta concentración de radicales libres desde un escape de una cámara de combustión... [Seguir leyendo]

1. Quemador (1) para un motor de turbina de gas, donde dicho quemador (1) comprende:

- porciones extremas aguas arriba y aguas abajo opuestas axialmente y dispuestas para recibir combustible y aire mezclados para ser quemados en una llama principal (7) del quemador (1) ,

- dicho elemento refractario (4a, 4b, 4c) dispuesto para alojar dicha llama principal (7) ,

- dicho elemento refractario está formado a partir de una pluralidad de secciones del elemento refractario (4a, 4b, 4c) , en donde cada sección del elemento refractario (4a, 4b, 4c) tiene la configuración de la cubierta cónica de un cono truncado, y donde son distribuidas de manera consecutiva una tras otra en la dirección aguas abajo del quemador (1) ,

- un canal anular (10, 11) para el combustible y el aire premezclado dispuesto entre dos secciones consecutivas del elemento refractario (4a, 4b) , caracterizado porque una parte más estrecha de la cubierta de una sección del elemento refractario aguas abajo (4b) , es la parte más ancha del extremo aguas debajo de la cubierta de la sección del elemento refractario aguas arriba más cercana (4a) .

2. Quemador de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el ángulo medio a de un elemento refractario se encuentra por encima de 20 grados y por debajo de 25 grados para cada una de dichas secciones del elemento refractario (4a, 4b, 4c) .

3. Quemador de acuerdo con la reivindicación 2, en donde una longitud L del elemento refractario que comprende dichas secciones del elemento refractario (4a, 4b, 4c) es mayor que L/D = 0, 5 y la longitud L del elemento refractario es menor que L/D = 2, en donde D es el diámetro del elemento refractario en su extremo aguas abajo; de manera preferente, la longitud L del elemento refractario es del orden de L/D = 1.

4. Quemador de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el elemento refractario tiene una pluralidad de dichos canales anulares (10, 11) distribuidos a lo largo de la dirección aguas abajo del elemento refractario, dichos canales anulares (10, 11) dispuestos para la adición de combustible y aire premezclados a una llama principal (7) dispuesta para ser alojada en dicho elemento refractario.

5. Quemador de acuerdo con las reivindicaciones precedentes, en donde la parte más estrecha de una sección del elemento refractario aguas abajo (4b) cubre aproximadamente 1/3 de la parte más ancha de la sección del elemento refractario aguas arriba más cercano (4a) , tal como se ve a lo largo de la dirección axial del elemento refractario.

6. Un método para quemar un combustible sustancialmente en un proceso de combustión de mezcla pobre del quemador (1) para una turbina de gas de acuerdo con la reivindicación 1, que incluye los pasos de:

- quemar una parte principal del combustible en una llama principal (7) alojada en dicho elemento refractario,

- anclar dicha llama principal (7) en una posición definida en el espacio, mediante la utilización del elemento refractario dividido en secciones del elemento refractario (4a, 4b, 4c) .

7. El método de acuerdo con la reivindicación 6, que además incluye el paso de:

- proporcionar aire y combustible premezclado a la llama pobre principal (7) a través de al menos un canal anular (10, 11) dispuesto entre dos secciones consecutivas del elemento refractario (4a, 4b, 4c) , para facilitar una combustión estable y rápida de la llama premezclada pobre principal 7.