Quemador de una turbina de gas que tiene una configuración de lanza especial.

Quemador (1) de una turbina de gas que comprende un cuerpo tubular (2) con una entrada (3) para la entrada deun flujo de gas (A),

aguas abajo de dicha entrada (3), al menos un generador lateral de vórtices (4) y una lanza (7)que se proyecta dentro de dicho cuerpo tubular (2) y que tiene una parte terminal (10) que se extiende paralela al ejelongitudinal (5) del quemador (1) que está provisto con cuatro grupos de toberas (12) para la inyección decombustible dentro de dicho cuerpo tubular (2), cayendo dichos cuatro grupos de toberas (12) en un plano deinyección (15) perpendicular al eje de la parte terminal (10) de la lanza (7), una parte aguas abajo de dicha lanza (7),comprendiendo adicionalmente dicho quemador (1) una salida (11), la relación x/L entre la distancia axial x entre unborde de salida de dicho al menos un generador lateral de vórtices (4) y el plano de inyección (15), y la longitud L delcuerpo tubular (2) es igual a o menor que 0,1052, en el que:

la parte terminal (10) de la lanza (7) se extiende desde una parte intermedia (9) que se inserta en dichoelemento tubular (2) y conecta la parte terminal (10) a una parte de suministro de combustible (8) de la lanza(7) que es exterior al elemento tubular (2), en el que dichos

cuatro grupos de toberas (12)

tienen sus ejes (41, 42) en ángulos diferentes con respecto a un plano transversal (43),

los ángulos (B) entre dos ejes (41) de los grupos de toberas (12) hacia la parte intermedia (9) de la lanza (7) yel plano transversal (43) son iguales entre sí,

los ángulos (C) entre los dos ejes (42) de los grupos de toberas (12) opuestos a la parte intermedia (9) de lalanza (7) y el plano transversal (43) son iguales entre sí,

los ángulos (B) entre los dos ejes (41) de los grupos de toberas (12) hacia la parte intermedia (9) de la lanza (7)y el plano transversal (43) son más pequeños que los ángulos (C) entre los dos ejes (42) de los grupos detoberas (12) opuestos a la parte intermedia (9) de la lanza (7) y el plano transversal (43).

Quemador de una turbina de gas que tiene una configuración de lanza especial

Campo técnico

La presente invención se refiere a un quemador de una turbina de gas.

Técnica antecedente En particular, la presente invención se refiere a una turbina de gas de combustión secuencial, que comprende un compresor para la compresión de un flujo de aire principal, un primer quemador para la mezcla de un primer combustible con el flujo de aire principal y la generación de una primera mezcla a ser quemada, una turbina de alta presión en la que los gases que proceden del primer quemador se expanden, un segundo quemador en el que se inyecta un segundo combustible en los gases de expandidos para generar una segunda mezcla a ser quemada, y una turbina de baja presión en la que también los gases procedentes del segundo quemador se expanden.

Específicamente, el quemador de la presente invención es el segundo quemador de la turbina de gas de combustión secuencial y comprende un cuerpo tubular con una sección transversal trapezoidal.

El cuerpo aloja, aguas abajo de una entrada para el flujo de gas, cuatro generadores de vórtices con forma tetraédrica, dispuestos para generar cuatro pares de vórtices en rotación contraria.

Los generadores de vórtices se localizan en las paredes superior, inferior y laterales del cuerpo y, específicamente, los generadores de vórtices superior e inferior están más cercanos a la entrada del cuerpo que los generadores de vórtices laterales.

Además, los generadores de vórtices superior e inferior tienen bordes de salida que caen en un primer plano perpendicular al eje longitudinal del quemador y los generadores de vórtices laterales tienen bordes de salida que caen en un segundo plano perpendicular al eje longitudinal del quemador; el primer plano está más cercano a la entrada que el segundo plano.

El quemador comprende también una lanza para inyectar un combustible en el flujo de aire comprimido principal, de modo que el combustible se mezcle con el aire comprimido y genere una mezcla a ser quemada.

La lanza se compone de un cierto número de elementos tubulares coaxiales para la inyección de un combustible líquido, un combustible gaseoso y aire; cada uno de estos elementos tubulares está provisto en el extremo de la lanza con toberas, que son coaxiales entre sí y definen una pluralidad de grupos de toberas para la inyección de combustible y aire en el quemador.

Estos grupos de toberas se colocan todos en un plano (el plano de inyección) e inyectan combustible a lo largo de su plano de inyección.

El plano de inyección está típicamente muy alejado del segundo plano que contiene los bordes de salida de los generadores de vórtices laterales.

Además, de acuerdo con una realización no cubierta por la invención, los grupos de toberas se colocan también simétricamente tanto con respecto a un plano transversal de la parte terminal de la lanza como a un plano longitudinal perpendicular al plano transversal.

Estas características permiten una fabricación fácil y barata del quemador y de la lanza, no obstante dan como resultado una mezcla incorrecta del combustible con el flujo de gas caliente que procede de la turbina de alta presión.

Como es conocido en la técnica, la calidad de la mezcla influye grandemente en las emisiones de NOx (de acuerdo con una correlación exponencial entre el NOx y la carencia de mezcla) ; es por lo tanto de gran importancia la optimización del quemador y, en particular, de la lanza que inyecta el combustible, para garantizar una mezcla optimizada del combustible con el flujo principal de aire comprimido y, con ello, unas bajas emisiones de NOx.

El documento WO 2009/019 113 describe un quemador con una cámara de turbulencias cónica y un tubo de mezcla aguas abajo de ella; una lanza, cuya posición es ajustable axialmente, se proyecta dentro de la cámara de turbulencias/tubo de mezcla.

El documento EP 0 623 786 describe un quemador con un cuerpo tubular y generadores de vórtices que se extienden desde sus paredes. Una lanza se extiende dentro del cuerpo tubular; la lanza tiene una punta con toberas próximas a los bordes de salida del generador de vórtices.

El documento DE 10 2004 041 272 describe una lanza con seis grupos de toberas igualmente espaciadas sobre la circunferencia de la lanza.

Sumario de la invención La finalidad técnica de la presente invención es por lo tanto proporcionar un quemador de una turbina de gas mediante el que dichos problemas de la técnica conocida se reducen significativamente.

Dentro del alcance de esta finalidad técnica, un objetivo de la invención es proporcionar un quemador, que mejore la mezcla del combustible con el flujo de gas que procede de la turbina de alta presión con respecto a los quemadores tradicionales.

Un objetivo adicional de la presente invención es proporcionar un quemador mediante el que las emisiones de NOx de la turbina de gas se reducen sensiblemente cuando se comparan con las emisiones de NOx de una turbina de gas tradicional.

La finalidad técnica, junto con estos y otros objetivos adicionales, se consigue, de acuerdo con la invención, proporcionando un quemador de una turbina de gas de acuerdo con las reivindicaciones adjuntas.

Ventajosamente, el quemador de acuerdo con la invención también permite reducir las emisiones de CO.

Breve descripción de los dibujos Las características y ventajas adicionales de la invención serán más evidentes a partir de la descripción de una realización preferida, pero no exclusiva, del quemador de una turbina de gas de acuerdo con la invención, ilustrado a modo de ejemplo no limitativo en los dibujos adjuntos, en los que:

la figura 1 es una vista esquemática del quemador de acuerdo con la invención, por razones de claridad solamente el generador de vórtices lateral por detrás de la lanza (que está parcialmente oculto por la lanza) se muestra en esta figura; el generador de vórtices lateral en la parte frontal de la lanza y los generadores de vórtices superior e inferior no se muestran;

la figura 2 es una sección ampliada a través de la parte terminal de la lanza; y

la figura 3 es una vista frontal esquemática del quemador y, en particular, de la parte terminal de la lanza; por razones de claridad los generadores de vórtices no se muestran en esta figura, además solamente los vórtices generados por los generadores de vórtices laterales se muestran en esta figura (constituyen la mayor parte de los vórtices) ; los vórtices generados por los generadores de vórtices superior e inferior no se muestran.

Descripción detallada de la invención Con referencia a las figuras, éstas muestran un quemador 1 de una turbina de gas.

El quemador 1 es una parte de una máquina de combustión secuencial en la que se inyecta una primera parte del combustible (en un primer quemador) en un flujo de aire principal para formar una mezcla; esta mezcla se quema y se expande en una turbina de alta presión. Posteriormente se inyecta un combustible adicional (en un segundo quemador) en el flujo ya expandido para formar una mezcla; también esta mezcla es quemada y expandida en una turbina de baja presión.

El quemador 1 de la presente invención es el segundo quemador de la máquina de combustión secuencial y tiene un cuerpo tubular 2 (que tiene una sección transversal trapezoidal con una altura H) con una entrada 3 para la entrada del flujo de gas A.

Aguas abajo de la entrada 3 el quemador 1 tiene cuatro generadores de vórtices 4 de tipo conocido que se extienden a lo largo del eje longitudinal 5 del quemador 1.

Unos generadores de vórtices superior e inferior sobresalen de las paredes superior e inferior del cuerpo trapezoidal; estos generadores de vórtices no se muestran en las figuras.

Dos generadores de vórtices laterales se proyectan desde las dos paredes laterales de los generadores de vórtices y tienen bordes de salida que caen en el mismo plano 6 perpendicular al eje 5 del quemador 1.

El quemador 1 comprende adicionalmente una lanza 7 que se proyecta dentro del cuerpo 2.

La lanza 7 tiene una parte de alimentación de combustible 8 que es exterior al cuerpo tubular 2, una parte intermedia 9 que es interior al cuerpo tubular 2 y se extiende perpendicularmente al eje 5 del quemador 1, y una parte terminal 10 que se aloja en el interior del cuerpo tubular 2 y se extiende desde la parte intermedia 9 de la lanza.

La parte terminal 10 se extiende en una dirección opuesta a la entrada 3 y paralela al eje longitudinal 5 del quemador 1.

La parte terminal 10 está provista con cuatro grupos de toberas 12 para la inyección de un... [Seguir leyendo]

1. Quemador (1) de una turbina de gas que comprende un cuerpo tubular (2) con una entrada (3) para la entrada de un flujo de gas (A) , aguas abajo de dicha entrada (3) , al menos un generador lateral de vórtices (4) y una lanza (7) que se proyecta dentro de dicho cuerpo tubular (2) y que tiene una parte terminal (10) que se extiende paralela al eje longitudinal (5) del quemador (1) que está provisto con cuatro grupos de toberas (12) para la inyección de combustible dentro de dicho cuerpo tubular (2) , cayendo dichos cuatro grupos de toberas (12) en un plano de inyección (15) perpendicular al eje de la parte terminal (10) de la lanza (7) , una parte aguas abajo de dicha lanza (7) , comprendiendo adicionalmente dicho quemador (1) una salida (11) , la relación x/L entre la distancia axial x entre un borde de salida de dicho al menos un generador lateral de vórtices (4) y el plano de inyección (15) , y la longitud L del cuerpo tubular (2) es igual a o menor que 0, 1052, en el que:

la parte terminal (10) de la lanza (7) se extiende desde una parte intermedia (9) que se inserta en dicho elemento tubular (2) y conecta la parte terminal (10) a una parte de suministro de combustible (8) de la lanza (7) que es exterior al elemento tubular (2) , en el que dichos cuatro grupos de toberas (12)

tienen sus ejes (41, 42) en ángulos diferentes con respecto a un plano transversal (43) ,

los ángulos (B) entre dos ejes (41) de los grupos de toberas (12) hacia la parte intermedia (9) de la lanza (7) y el plano transversal (43) son iguales entre sí,

los ángulos (C) entre los dos ejes (42) de los grupos de toberas (12) opuestos a la parte intermedia (9) de la lanza (7) y el plano transversal (43) son iguales entre sí,

los ángulos (B) entre los dos ejes (41) de los grupos de toberas (12) hacia la parte intermedia (9) de la lanza (7) y el plano transversal (43) son más pequeños que los ángulos (C) entre los dos ejes (42) de los grupos de toberas (12) opuestos a la parte intermedia (9) de la lanza (7) y el plano transversal (43) .

2. Quemador (1) de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que dicha relación x/L está comprendida entre 0, 000 y 0, 1052.

3. Quemador (1) de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que comprende dos generadores laterales de vórtices que tienen bordes de salida que caen en un plano (6) perpendicular al eje del quemador (1) .

4. Quemador (1) de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que dicha lanza (7) comprende al menos un primer elemento tubular (20) dispuesto para transportar un combustible y un elemento tubular exterior (22) que define con dicho primer elemento tubular (20) un conducto anular (24) dispuesto para transportar aire, estando provisto dicho primer elemento tubular (20) con primeras toberas (26) de dichos grupos de toberas (12) y estando provisto dicho elemento tubular exterior (22) con toberas exteriores (27) de dichos grupos de toberas (12) , en el que cada tobera exterior (27) está provista con un manguito (28) que sobresale hacia el exterior.

5. Quemador (1) de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado por que la longitud de cada manguito (28) de las toberas exteriores (27) desde la superficie exterior del elemento tubular exterior (22) a su borde libre (29) es igual o menor a 10 milímetros preferiblemente está comprendido entre 1-10 milímetros.

6. Quemador (1) de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado por que la superficie interior de cada manguito

(28) de las toberas exteriores (27) tiene forma cónica.

7. Quemador (1) de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado por que la relación entre el diámetro interior de la salida y el diámetro interior de entrada del manguito (28) es mayor del 50%, preferiblemente comprendido entr.

7. 98% y, más preferiblemente entre e.

8. 91%.

8. Quemador (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 4 a 7, caracterizado por que el borde de entrada (30) de cada manguito (28) de las toberas exteriores (27) está redondeado en el elemento tubular exterior (22) .

9. Quemador (1) de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado por que el primer elemento tubular (20) encierra un segundo elemento tubular (32) y define con él un conducto anular (34) , teniendo dicho segundo elemento tubular

(32) un extremo cerrado con segundas toberas (36) de dicho grupo de toberas (12) coaxial con dichas primeras toberas (26) y dichas toberas exteriores (27) y dichos manguitos (28) de las toberas exteriores.

10. Quemador (1) de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado por que dichas primeras toberas (26) y dichas segundas toberas (36) de cada grupo de toberas (12) está provisto con partes cilíndricas (37, 38) que sobresalen hacia el exterior, que tienen bordes libres (39) alineados.

11. Quemador (1) de acuerdo con la reivindicación 10, caracterizado por que la pared exterior de la parte cilíndrica

(37) de las primeras toberas (26) tiene forma cónica.

12. Quemador (1) de acuerdo con la reivindicación 10, caracterizado por que las partes cilíndricas (37, 38) que sobresalen hacia el exterior de las primeras y segundas toberas (26, 36) se alojan dentro de dicho elemento tubular exterior (22) y exterior a los manguitos correspondientes (28) del elemento tubular exterior (22) .

13. Quemador (1) de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que los ángulos (B) entre los ejes (41) de

los grupos de toberas (12) hacia la parte intermedia (9) de la lanza (7) y el plano transversal (43) son menores de 25º y mayores de 15º y son preferiblemente de aproximadamente 20º.

14. Quemador (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones previas, caracterizado por que dichos grupos de toberas (12) se colocan simétricamente con respecto a un plano longitudinal (45) que es perpendicular al plano transversal (43) .

15. Quemador (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones previas, caracterizado por ser el segundo quemador de una máquina de combustión secuencial.