Cámara de combustión con oxidación sin llama.

Turbina de gas con un compresor (2), con una turbina (3) y con al menos una cámara de combustión (5) concéntrica al eje central para la oxidación sin llama de combustible,

que rodea un volumen interior (9) abarcado, en general, por una circulación circunferencial que se configura, y que presenta una entrada (6, 15) que establece una dirección de entrada del aire (24, 25), que está conectada en el compresor (2), una salida (7, 14), que está conectada en la turbina (3) y una instalación de alimentación de combustible (18), que establece una dirección de introducción del combustible (24, 25), caracterizada porque la entrada (6, 15) comprende varias toberas de aire, en la que la instalación de alimentación de combustible comprende varias toberas de combustible, y en la que las toberas de combustible (19) establecen la dirección de entrada de combustible (24, 25) y las toberas de aire (15) de forma esencialmente coincidente la dirección de entrada del aire (24, 25) y están dispuestas con un radio (A) con respecto al eje medio (16) de la cámara de combustión (5), que es mayor que el radio del orificio (14), que forma la salida (7).

Cámara de combustión con oxidación sin llama La invención se refiere a una cámara de combustión para una turbina de gas y a una turbina de gas equipada con una cámara de combustión de este tipo.

Las turbinas de gas sirven para la conversión de energía térmica en energía mecánica, que se cede, por ejemplo, a un árbol (central eléctrica, accionamientos de buques, helicópteros) o como empuje (aviones) . Yodas las turbinas de gas presentan cámaras de combustión, en las que se quema un combustible con exceso de aire. En este caso, en la cámara de combustión se configura una llama estable. Para la estabilización de la misma se ralentiza en primer lugar la mayoría de las veces la circulación de gas, que tiene una velocidad muy alta en la salida del compresor. Están previstos medios adecuados para la configuración de llamas estables, por ejemplo se generan en la cámara de combustión remolinos de espacio pequeño para la estabilización de la llama. La combustión se realiza con exceso de aire, para no sobrecargar térmicamente la cámara de combustión y la turbina.

Se conoce a partir del documento EP 0463218 B1 una oxidación sin llama de un combustible en una cámara de reacción correspondiente. La oxidación sin llama se consigue a altas temperaturas de la cámara de combustión, cuando el combustible es introducido en una corriente de gas caliente, que contiene gas de escape y oxígeno.

Se conoce a partir del documento US 3.309.866 una turbina de gas, en la que la mezcla de combustible y aire se forma ya antes de la compresión y se conduce después de la compresión desde compresor hacia la cámara de combustión. La mezcla se introduce aproximadamente tangencial a una pared al menos aproximadamente de forma circular en la sección transversal y se descarga de nuevo desde el otro lado. De manea alternativa es igualmente posible inyectar el combustible directamente en la cámara de combustión, pero no se indica ninguna configuración constructiva concreta de la inyección fina de aire y de combustible directamente en la cámara de combustión.

Las cámaras de combustión de turbinas de gas deben cumplir varios requerimientos. Algunos de ellos son una pérdida de presión lo más reducida posible, la consecución de una combustión lo más completa posible, la permanencia (apenas) por debajo de la temperatura máxima del gas de escape (para la conservación de la turbina) y una generación reducida de óxido de nitrógeno.

De ello se deriva el cometido de crear una turbina de gas con una cámara de combustión, que presenta una generación reducida de óxido de nitrógeno y que es adecuada para el empleo en turbinas de gas.

Este cometido se soluciona con la turbina de gas de acuerdo con la reivindicación 1:

La cámara de combustión de acuerdo con la invención está instalada para la oxidación sin llama. Esto se consigue porque la entrada y la salida están instaladas de tal forma que en su espacio interior se configura una corriente de recirculación de espacio grande, con la que se mezclan con el aire fresco alimentado cantidades mayores de gases de escape caliente. Con preferencia se establecen las relaciones de tal manera que se mezcla con la corriente de aire fresco al menos una corriente de gas de escape de doble magnitud. De esta manera se consigue que la mezcla de aire fresco y gas de escape presente una temperatura de la mezcla, que está por encima de la temperatura de encendido del combustible. La oxidación sin llama que se establece no indica la configuración de una llama estable. Por lo tanto, se puede trabajar con velocidades relativamente altas del gas, extendiéndose la oxidación del combustible sobre un trayecto mayor que se encuentra entre la entrada y la salida.

La corriente de de recirculación de espacio grande se puede configurar, además, relativamente sin pérdidas, de manera que la cámara de combustión tiene una resistencia reducida a la circulación y de esta manera solamente provoca pérdidas de presión reducida. Se pueden alcanzar pérdidas de presión, que solamente están en el intervalo inferior al 3 % de la presión de la cámara de combustión. El aire fresco se comprime en la cámara de combustión y se alimenta con preferencia libre de torsión en cierto modo como chorro de aire. Resulta una circulación ordenada.

La nueva cámara de combustión posibilita altas densidades de potencia (por ejemplo, 100 MW/m3) . La rotura de la llama así como el retorno de la llama son imposibles condicionadas por el principio. Se han alcanzado concentraciones de NOx inferiores a 10 ppm.

Para la configuración de la oxidación sin llama bajo la consecución simultánea de una resistencia reducida a la circulación de la cámara de combustión y una forma de construcción compacta, se introduce el combustible en la misma dirección en la cámara de combustión que el aire fresco. De esta manera se reducen en gran medidas los remolinos locales, que podrían contribuir en otro caso a una elevación de la pérdida de presión.

Se prefiere diseñar la cámara de combustión con una recirculación interior de 2 a 5. Esto significa que al aire fresco se mezclan gases de escapa en una cantidad de dos a cinco veces su corriente de masas.

El aire y el combustible son introducidos en este caso dispuestos con preferencia coaxiales entre sí, en chorros adyacentes o en chorros adyacentes de otra manera y esencialmente paralelos entre sí en la cámara de combustión. La alimentación en la cámara de combustión se realiza con preferencia desde la pared frontal en la

zona adyacente a la pared exterior de la cámara de combustión, es decir, en una zona dispuesta radialmente en el exterior de la pared frontal. De esta manera se introducen aire fresco y combustible en una circulación en primer lugar esencialmente paralela a la pared en la cámara de combustión. La salida de la cámara de combustión está orientada con preferencia en la misma dirección o en dirección contraria, presentando su límite exterior una distancia menor con respecto al eje medio de la cámara de combustión que las cámaras de aire que pertenecen a la entrada de la cámara de combustión. Con esta medida se puede conseguir la corriente de recirculación de espacio grande, que circula desde la entrada hacia la salida de la cámara de combustión a lo largo de la pared, y entonces desde la salida hacia la entrada con preferencia sobre el eje medio de la cámara de combustión.

La entrada de la cámara de combustión se forma a través de varias toberas de entrada de aire, que conducen el aire fresco como chorros de aire fresco hasta el espacio interior. Además, las toberas de aire están formadas con preferencia de tal forma que el chorro de aire saliente ejerce una acción de inyección para la reaspiración de gases de escape. Esto se puede conseguir o apoyar, por ejemplo, a través de una sección de forma cónica que se proyecta sobre la pared frontal de la cámara de combustión.

La cámara de combustión puede pertenecer a un conjunto de cámaras de combustión individuales dispuestas en forma de anillo, que se designan también como cámaras de combustión tubulares. De manera alternativa, la cámara de combustión puede estar diseñada como cámara de combustión anular. En instalaciones estacionarias, son posibles también formas de cámaras de combustión discrepantes.

La cámara de combustión está configurada con preferencia de tal forma que presenta solamente un único centro de circulación (centro de turbulencia) . En la cámara de combustión tubular, este centro de turbulencia es una línea o superficie, que está dispuesta coaxialmente al eje longitudinal de la cámara de combustión. La corriente de circulación es una circulación toroidal, que ocupa todo el espacio interior de la cámara de combustión. En la cámara de combustión anular, en la que las toberas de aire que pertenecen a la entrada están dispuestas, por ejemplo, sobre una corona exterior en la pared frontal, se forma el centro de turbulencia de la misma manera a través de una línea circular alineada coaxialmente al eje longitudinal de la cámara de combustión. Ésta está con preferencia aproximadamente paralela a la línea, sobre la que están dispuestas las toberas de aire.

La cámara de combustión está provista con preferencia con una instalación de pre-calentamiento, con la que se puede llevar al comienzo del funcionamiento a una temperatura adecuada para la oxidación sin llama. La instalación de pre-calentamiento se forma, por ejemplo, por quemadores accionados temporalmente, que pueden configurar una llama, a través de una calefacción eléctrica o a través de otras fuentes de calor.

La cámara de combustión puede estar recubierta en su pared interior... [Seguir leyendo]

1. Turbina de gas con un compresor (2) , con una turbina (3) y con al menos una cámara de combustión (5) concéntrica al eje central para la oxidación sin llama de combustible, que rodea un volumen interior (9) abarcado, en general, por una circulación circunferencial que se configura, y que presenta una entrada (6, 15) que establece una dirección de entrada del aire (24, 25) , que está conectada en el compresor (2) , una salida (7, 14) , que está conectada en la turbina (3) y una instalación de alimentación de combustible (18) , que establece una dirección de introducción del combustible (24, 25) , caracterizada porque la entrada (6, 15) comprende varias toberas de aire, en la que la instalación de alimentación de combustible comprende varias toberas de combustible, y en la que las toberas de combustible (19) establecen la dirección de entrada de combustible (24, 25) y las toberas de aire (15) de forma esencialmente coincidente la dirección de entrada del aire (24, 25) y están dispuestas con un radio (A) con respecto al eje medio (16) de la cámara de combustión (5) , que es mayor que el radio del orificio (14) , que forma la salida (7) .

2. Turbina de gas de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque las secciones transversales de la entrada (6, 15) y de la salida (7, 14) y la geometría del espacio interior (9) de la cámara de combustión (5) están adaptadas entre sí de tal forma que la corriente de masas de la corriente de gas que circula en el espacio interior es mayor que el doble de la corriente de masas conducido a la entrada (6, 15) .

3. Turbina de gas de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque las secciones transversales de la entrada (6, 15) y de la salida (7, 14) y la geometría del espacio interior (9) de la cámara de combustión (5) están adaptadas entre sí de tal forma que la corriente de masas de la corriente de gas que circula en el espacio interior es menor que cinco veces la corriente de masas conducida a la entrada (6, 15) .

4. Turbina de gas de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque la entrada (6, 15) comprende varias toberas de aire (15) , que están dispuestas adyacentes en una serie.

5. Turbina de gas de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizada porque cada tobera de aire (15) presenta una sección que se proyecta sobre la pared (11) .

6. Turbina de gas de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizada porque las toberas de aire (15) presentan una alineación coincidente.

7. Turbina de gas de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque la cámara de combustión (5) está configurada cilíndrica y porque las toberas de aire (15) están dispuestas en un círculo, que está dispuesto concéntrico a la cámara de combustión (5) .

8. Turbina de gas de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque la cámara de combustión (5) está configurada en forma de anillo circular.

9. Turbina de gas de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque la corriente de recirculación solamente presenta un único centro de turbulencia (35) .

10. Turbina de gas de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizada porque el centro de turbulencia (35) está sobre una línea o superficie curvada.

11. Turbina de gas de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque la cámara de combustión (5) presenta una instalación de pre-calentamiento (22) .

12. Turbina de gas de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque en el espacio interior (9) está dispuestas una instalación de guía (17) , que divide el espacio interior (9) en un canal de mezcla y un canal de reacción (26) y un canal de retorno de la corriente (34) .