BR112016012733A2 - Bocal para a pulverização de uma substância líquida e motor de turbina a gás - Google Patents
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Abstract
BOCAL PARA A PULVERIZAÇÃO DE UMA SUBSTÂNCIA LÍQUIDA E MOTOR DE TURBINA GÁS.
O bocal (4) é usado para a pulverização de uma substância líquida em direção a um compressor (1) de um motor de turbina a gás e compreende: um corpo alongado (20) que tem uma extremidade para ejetar a substância líquida, um conduto (21) para a dita substância líquida interna ao dito corpo alongado (20) e que se estende até a dita extremidade, um recesso (22) situado na dita extremidade, em que o dito conduto (21) termina no dito recesso (22); em que o dito recesso (22) se abre em direção à superfície lateral do dito corpo alongado (20), tipicamente um corpo cilíndrico, e o dito conduto (21) é tangencial ao fundo do dito recesso (22).
Description
[001] A presente invenção refere-se a bocais de lavagem e a motores de turbina a gás.
[002] Conforme é conhecido, os motores de turbina a gás, em particular, seus compressores, são afetados pela incrustação e, portanto, precisam ser limpos repetidamente durante sua vida útil.
[003] Uma forma comum para limpar um motor de turbina a gás consiste na interrupção de seu funcionamento normal e na lavagem do mesmo, sem desmontar o motor. Essa é a chamada lavagem “fora de linha” e é realizada por meio de um detergente líquido. Após o tratamento com o detergente líquido, o enxague é muitas vezes necessário. A lavagem fora de linha é muito eficaz; de qualquer forma, implica a interrupção do funcionamento normal e, portanto, aumenta o tempo ocioso da máquina e da usina que inclui a máquina.
[004] É também de conhecimento, mesmo que menos comum, lavar um motor de turbina a gás durante o funcionamento, isto é, quando o motor gera trabalho. Isso é a chamada lavagem “em linha” e consiste na adição de um detergente líquido ao gás que flui no compressor. Nesse caso, a quantidade de detergente líquido adicionado ao gás é pequena (mais precisamente, a razão de líquido para gás é mantida baixa) e a pressão do detergente líquido ejetado é baixa a fim de evitar: - perturbar a operação do compressor e/ou da turbina e/ou do combustor (por exemplo, a combustão pode extinguir devido ao detergente líquido), - perturbar a vazão de fluido dentro do compressor,
- danificar os componentes do compressor (por exemplo, gotículas de detergente líquido, se houver alguma, pode atingir, por exemplo, as lâminas giratórias do compressor).
[005] Deve-se observar que os detergentes líquidos usados para a lavagem “fora de linha” são normalmente diferentes de detergentes líquidos usados para a lavagem “em linha”.
[006] Os métodos de lavagem em linha conhecidos são muito menos eficazes que os métodos de lavagem fora de linha conhecidos, mesmo que tenham a vantagem de não afetar o tempo ocioso da máquina e da usina que inclui a máquina.
[007] Portanto, existe uma necessidade por uma forma aperfeiçoada de lavar motores de turbina a gás e por dispositivos que permitem o mesmo.
[008] Foi concebida a pulverização de uma substância líquida detergente em direção à entrada do compressor do motor; de preferência, a razão de líquido para gás na entrada do compressor é maior que 1% e menor que 5% com referência ao fluxo de massa nominal do compressor; de preferência, a pressão da substância líquida detergente a ser pulverizada é completamente alta, tipicamente maior que 0,2 MPa e menor que 2,0 MPa.
[009] Um projeto particular dos bocais de pulverização foi concebido também para desempenhos ideais, em particular, nas condições mencionadas acima.
[010] Um primeiro aspecto da presente invenção é um bocal para a pulverização de uma substância líquida.
[011] O bocal é usado para a pulverização de uma substância líquida em direção a um compressor de um motor de turbina a gás e compreende:
- um corpo alongado que tem uma extremidade para ejetar a substância líquida, - um conduto para a dita substância líquida interna ao dito corpo alongado e que se estende até a dita extremidade, - um recesso situado na dita extremidade, em que o dito conduto termina no dito recesso; em que o dito recesso se abre em direção à superfície lateral do dito corpo alongado, tipicamente um corpo cilíndrico, e o dito conduto é tangencial ao fundo do dito recesso.
[012] Um segundo aspecto da presente invenção é um motor de turbina a gás.
[013] O motor de turbina a gás compreende um compressor, uma turbina a jusante do compressor, e uma pluralidade de bocais para a pulverização de uma substância líquida detergente em direção à entrada do compressor, de preferência, os bocais têm as características apresentadas acima.
[014] Os desenhos anexos, que são incorporados no presente documento e constituem uma parte do relatório descritivo, ilustram realizações exemplificativas da presente invenção e, juntamente com a descrição detalhada, explicam essas realizações. Nos desenhos: - A Figura 1 mostra uma vista simplificada de uma realização de um compressor de um motor de turbina a gás, - A Figura 2 mostra vistas simplificadas de uma realização de um bocal (a Figura 2A corresponde a uma seção transversal longitudinal e a Figura 2B corresponde a uma seção transversal), - A Figura 3 mostra um diagrama de tempo de uma realização de uma fase de lavagem, e - A Figura 4 mostra um diagrama de tempo de uma sequência de fases de lavagem de acordo com a Figura 3.
[015] A descrição a seguir de realizações exemplificativas se refere aos desenhos anexos.
[016] A descrição a seguir não limita a invenção. Em vez disso, o escopo da invenção é definido pelas reivindicações anexas.
[017] A referência por todo o relatório descritivo a “uma (1) realização” ou “uma realização” significa que um aspecto, estrutura ou característica particular descrita(o) em conexão com uma realização é incluído(a) em pelo menos uma realização da matéria revelada. Assim, a ocorrência das expressões “em uma realização” ou “em uma realização” em vários momentos ao longo do relatório descritivo não se refere necessariamente à mesma realização. Ademais, as funções, estruturas ou características particulares podem ser combinadas de qualquer maneira adequada em uma ou mais realizações.
[018] A Figura 1 é uma vista de metade em seção transversal e mostra parcialmente uma realização de um motor de turbina a gás; em particular, mostra uma moldura frontal, incluindo uma boca de sino 2 e uma ogiva 3, uma moldura intermediária (opcional), incluindo escoras 5 e pás-guia de entrada 6 e um compressor 1, incluindo um rotor (consulte as referências 7 e 8) e um estator (consulte a referência 9). A moldura frontal, em particular, a boca de sino 2 e o nariz de bala 3, e a moldura intermediária, em particular, sua parede externa 12 e sua parede interna 13, definem uma trajetória de entrada que conduz para a entrada do compressor 1. Logo após a entrada do compressor 1, está o primeiro estágio de rotor do compressor (apenas uma lâmina 7 é mostrada). Às vezes, a combinação da moldura frontal, da moldura intermediária e do compressor 1 é chamada em geral de “compressor”.
[019] Em geral, um motor de turbina a gás compreende a conexão em série de um compressor (como aquele mostrado parcialmente na Figura 1), uma câmara de combustão com dispositivos de combustão (não mostrados na Figura 1) e uma turbina (não mostrada na Figura 1).
[020] Na Figura 1, apenas alguns dos componentes do rotor e do estator do compressor 1 são mostrados; em particular, o eixo 8 do rotor, uma lâmina 7 do primeiro estágio do rotor, o invólucro 9 do estator; em particular, não é mostrada qualquer uma das lâminas dos outros estágios do rotor e qualquer uma das pás dos estágios do estator.
[021] Na solução da Figura 1, há uma pluralidade de bocais 4 (apenas um é mostrado) para a pulverização de uma substância líquida detergente L em direção à entrada do compressor 1.
[022] Nessa realização, os bocais 4 estão situados na boca 2, isto é, na superfície convergente lisa usada para direcionar o gás em direção ao primeiro estágio do compressor, em particular, para direcionar o gás G para a trajetória de entrada que conduz à entrada do compressor 1 através das escoras 5 e das pás-guia de entrada 6.
[023] Os bocais 4 ejetam a substância líquida detergente L e atomizam a mesma; dessa forma, as gotículas do líquido L podem ser arrastadas pelo fluxo do gás G (consulte a Figura 1).
[024] A substância líquida detergente L é pulverizada a uma determinada distância da parede externa (consulte as referências 2 e 12) da trajetória de entrada do compressor 1 e a uma determinada distância da parede interna (consulte as referências 3 e 13) da trajetória de entrada do compressor 1 e em uma determinada direção (consulte a Figura 1) para assegurar uma distribuição boa e adequada do líquido no fluxo de gás dentro da trajetória de entrada.
[025] Na realização da Figura 1, a direção média da substância líquida L é inclinada em relação à direção média do gás G.
[026] Na realização da Figura 1, os bocais 4 estão situados em um círculo (centralizado no eixo geométrico 100 do motor) e na mesma distância um do outro; em particular, todos os bocais 4 são conectados de maneira fluida a um único coletor 15 que é vantajosamente conformado como um círculo (centralizado no eixo geométrico 100 do motor e situado atrás da boca de sino 2).
[027] Existe também uma unidade de controle 19 conectado de modo operacional ao coletor 15 a fim de controlar a ejeção da substância líquida detergente L; dessa forma, todos os bocais 4 ejetam a mesma quantidade de substância líquida ao mesmo tempo.
[028] Uma realização de um bocal 4 é mostrada na Figura 2 e pode ser usada para a pulverização de uma substância líquida, em particular, a substância líquida detergente L na realização da Figura 1.
[029] O bocal 4 compreende um corpo cilíndrico alongado 20 que tem uma primeira extremidade 20-1 para receber a substância líquida L e uma segunda extremidade 20-4 para ejetar a substância líquida L. Existe também uma primeira parte intermediária 20-2 e uma segunda parte intermediária 20-3; a parte 20-2 é usada para prender o bocal 4 na boca 2; a parte 20-3 é usada para estabelecer uma distância entre o ponto de ejeção e a parede externa (consulte as referências 2 e 12) da trajetória de entrada.
[030] Um conduto 21 para o fluxo da substância líquida L é interno ao corpo cilíndrico alongado 20 e se estende a partir da primeira extremidade 20-1, através das partes intermediárias 20-2 e 20-3, até a segunda extremidade 20-4.
[031] Um recesso 22 está situado na extremidade 20-4, e o conduto 21 termina no recesso 22; quando a substância líquida L alcança o recesso 22, a mesma é ejetada a partir do recesso 22 e pulverizada; o nível de atomização depende da pressão a montante do recesso 22 e do formato do recesso 22. Com a finalidade de aumentar a pressão, o conduto 21 tem uma determinada seção transversal (relativamente grande) em sua porção inicial 21- 1, isto é, na primeira extremidade 20-1, e uma seção transversal menor em sua porção final 21-2, isto é, na segunda extremidade 20-4.
[032] Na realização da Figura 2, o recesso 22 é disposto como um diâmetro do corpo cilíndrico 20 e se abre em direção à superfície lateral do corpo cilíndrico 20; dessa forma, o gás G flui em torno do corpo cilíndrico 20 (consulte, em particular, a Figura 2B) e o líquido L é protegido pelo corpo cilíndrico 20 (consulte, em particular, a Figura 2B); na realização da Figura 1, os bocais 4 estão situados afastados de onde existe um alto fluxo de gás G.
[033] Na realização da Figura 2, uma boa ejeção da substância líquida L é obtida por um conduto 21, especificamente, sua porção final 21-2, tangencial ao fundo do recesso 22 (consulte, em particular, a Figura 2A); em qualquer caso, o conduto poderia ser substancialmente tangencial ao recesso 22, que significa em uma distância axial pequena até o fundo do recesso 22 menor que 0,1 mm.
[034] Essa conexão fluida específica entre o recesso 22 e o conduto 21 gera uma pulverização uniforme do líquido e uma melhor atomização.
[035] Em particular, sendo o conduto 21 tangencial ao recesso 22, as gotículas de líquido geradas têm diâmetros que compreendem entre 150 e 450 m, de preferência, entre 250 e 300 m.
[036] A direção e a abertura da substância líquida L ejetada dependem também do formato da seção transversal do recesso 22. Na realização da Figura 2, esse formato é parcialmente plano (observe a porção próxima à superfície de boca) e parcialmente curvo (consulte a Figura 2A), por exemplo, um arco de círculo, parábola ou hipérbole; a porção que une o formato plano e o curvo corresponde ao fundo do recesso 22.
[037] De acordo com as realizações do método, a lavagem de um motor de turbina a gás é realizada durante o funcionamento do motor de turbina a gás e compreende uma fase de lavagem que consiste na pulverização de uma substância líquida detergente em direção à entrada do compressor do motor; a pulverização pode ser realizada conforme mostrado na Figura 1, isto é, a montante das escoras e das pás-guia de entrada; a pulverização pode ser realizada conforme mostrado na Figura 1, isto é, a partir da boca do compressor.
[038] O fluxo de massa da substância líquida detergente a ser pulverizada é, de preferência, definida de modo que a razão de líquido para gás na entrada do compressor seja maior que 1% e menor que 5%, com referência ao fluxo de massa nominal do compressor. Deve ser observado que, na realização da Figura 1, parte da substância líquida detergente para contra as escoras e/ou as pás-guia de entrada e não alcança o primeiro estágio do compressor. Devido à alta quantidade do líquido, uma boa lavagem é alcançada.
[039] A razão entre líquido e gás é, com mais preferência, maior que 1% e menor que 3%, com mais preferência ainda, cerca de 2 %; essas razões são acordos muito bons entre a quantidade de líquido e a perturbação da operação do compressor e de todo o motor de turbina a gás.
[040] Deve ser observado que a razão de líquido para gás é comumente denominada como WAR (razão de água para ar - "Water-to-Air Ratio") à medida que o líquido é normalmente água e o gás é normalmente ar.
[041] A pressão da substância líquida detergente a ser pulverizada é, de preferência, maior que 0,2 MPa e menor que 2,0 MPa (essa é a pressão na extremidade do conduto interno ao bocal de pulverização pouco antes da pulverização, isto é, com referência à Figura 2 na área da porção 21- 2) – a pressão da substância líquida detergente a ser pulverizada é, com mais preferência, maior que 0,8 MPa e menor que 1,2 MPa. Devido à alta pressão e a alta velocidade do líquido, uma boa atomização é alcançada e, portanto, uma boa mistura de líquido e gás é obtida e é causada baixa perturbação para a operação do compressor e nenhum (ou muito baixo) dano mecânico para os componentes do compressor.
[042] Com referência à realização exemplificadora da Figura 2, o diâmetro da porção 21-2 se situa na faixa de 1,0 a 2,0 mm (por exemplo, 1,8 mm), o diâmetro do bocal 4 se situa na faixa de 10 a 20 mm (por exemplo, 18 mm), a pressão na porção 21-2 se situa na faixa de 0,2 a 2,0 MPa (tipicamente 0,8 a 1,2 MPa) e a velocidade na porção 21-2 se situa na faixa de 5 a 30 m/s (por exemplo, 22 m/s).
[043] A combinação da razão de líquido para gás e da alta pressão de líquido é sinérgica para alcançar uma boa lavagem durante o funcionamento do motor.
[044] Outros aspectos importantes para bons desempenhos são: a distância entre os pontos de ejeção de líquido e a parede externa (consulte, por exemplo, os elementos 2 e 12 na realização da Figura 1) da trajetória de entrada do compressor, a distância entre os pontos de ejeção de líquido e a parede interna (consulte, por exemplo, os elementos 3 e 13 na realização da Figura 1) da trajetória de entrada do compressor, e a direção da pulverização (consulte, por exemplo, o elemento 4 na realização da Figura 1); mediante a escolha desses parâmetros, o fluxo de gás deve ser considerado. Uma posição confortável para a pulverização do líquido é na frente do compressor a partir de sua boca (consulte, por exemplo, o elemento 4 na realização da Figura 1).
[045] Especialmente para a lavagem “em linha”, um líquido muito adequado é a água pura.
[046] A fase de lavagem WF mostrada na Figura 3 compreende: - uma primeira subfase SF1 durante a qual o fluxo da substância líquida detergente é aumentado gradualmente (de zero para, por exemplo, um valor desejado FL), - uma segunda subfase SF2 durante a qual o fluxo da substância líquida detergente é mantido constante (por exemplo, no valor desejado FL), - opcionalmente, uma terceira subfase SF3 durante a qual o fluxo da substância líquida detergente é diminuído gradualmente (do valor desejado FL para zero).
[047] O aumento gradual é vantajoso pelo fato de que a mistura de fluido através do compressor varia gradualmente. Pela mesma razão, a diminuição gradual é vantajosa mesmo sendo ligeiramente menos importante.
De qualquer forma, as fases de lavagem alternativas são possíveis; por exemplo, durante a segunda subfase, o fluxo pode não ser constante e/ou seu valor de fluxo pode depender das condições de operação do compressor.
[048] A segunda subfase SF2 dura por um período de tempo predeterminado T2 que é maior que 0,5 minuto e menor que 5 minutos; de preferência, dura de 1 a 2 minutos; portanto, é totalmente curta. A primeira subfase SF1 dura por um período de tempo predeterminado T1 que é maior que 5 segundos e menor que 30 segundos; portanto, é totalmente longa se comparada à segunda subfase SF2. A terceira subfase SF3 dura por um período de tempo predeterminado T3 que é maior que 5 segundos e menor que 30 segundos; portanto, é totalmente longa se comparada à segunda subfase SF2. A primeira subfase SF1 e a terceira subfase SF3 podem ter a mesma duração.
[049] Resultados muito bons podem ser alcançados se a fase de lavagem WF for repetida várias vezes em um dia, em particular, um número predeterminado de vezes durante um período de tempo predeterminado, conforme é mostrado na Figura 4; nessa Figura, o período de tempo entre uma fase de lavagem e a seguinte é diferente (consulte as referências P1 e P2),
mas pode ser mais fácil repetir o mesmo periodicamente. Sob condições de operação normais, o número de repetição por dia é selecionado na faixa de 1 a 10 e, tipicamente, cerca de 4.
[050] Devido às medidas mencionadas acima e com precauções adequadas, as fases de lavagem podem ser realizadas em qualquer momento durante o funcionamento; nenhuma lavagem é necessária mediante a partida e parada do motor de turbina a gás.
[051] O que foi descrito, em particular, a solução de bocal e a solução de processo de lavagem, é tipicamente aplicado a um motor de turbina a gás, em particular, a seu compressor (consulte, por exemplo, a Figura 1).
[052] Algumas das características do processo de lavagem podem ser implantadas através do projeto do bocal 4 na realização da Figura 1.
[053] Algumas das características do processo de lavagem podem ser implantadas através da unidade de controle 19 na realização da Figura 1.
Claims (9)
1. BOCAL (4) PARA A PULVERIZAÇÃO DE UMA SUBSTÂNCIA LÍQUIDA em direção a um compressor (1) de um motor de turbina a gás, caracterizado pelo fato de que compreende: - um corpo alongado (20) que tem uma extremidade para ejetar a substância líquida, - um conduto (21) para a dita substância líquida interna ao dito corpo alongado (20) e que se estende até a dita extremidade, - um recesso (22) situado na dita extremidade, em que o dito conduto (21) termina no dito recesso (22), - em que o dito recesso (22) se abre em direção à superfície lateral do dito corpo alongado (20) e em que o dito conduto (21) é tangencial ao fundo do dito recesso (22).
2. BOCAL, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito corpo alongado (20) é um corpo cilíndrico.
3. BOCAL, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o dito recesso (22) é disposto de acordo com uma direção de diâmetro do dito corpo alongado (20).
4. BOCAL, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o formato da seção transversal do dito recesso (22) é parcialmente plano e parcialmente curvo.
5. BOCAL, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o formato da seção transversal do dito recesso (22) compreende um arco de círculo, parábola ou hipérbole.
6. BOCAL, de acordo com a reivindicação 4 ou 5, caracterizado pelo fato de que a porção que une a porção plana do formato da seção transversal do dito recesso (22) e a porção curva do formato da seção transversal do dito recesso (22) corresponde a um fundo do dito recesso (22).
7. BOCAL, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que o dito conduto (21) tem uma primeira seção transversal em uma primeira extremidade (20-1) e segunda seção transversal menor em uma segunda extremidade (20-4).
8. BOCAL, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o dito conduto (21) tem um gargalo próximo ao dito recesso (22).
9. MOTOR DE TURBINA A GÁS, caracterizado pelo fato de que compreende um compressor (1), uma turbina a jusante do compressor e uma pluralidade de bocais (4) para a pulverização de uma substância líquida detergente em direção à entrada do compressor (1); em que os bocais (4) são conforme definidos em qualquer uma das reivindicações1 a 8.
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