BRPI0618012A2

BRPI0618012A2 - distribuição de fluxo de ar melhorada para um emissor de baixa combustão

Info

Publication number: BRPI0618012A2
Application number: BRPI0618012-4A
Authority: BR
Inventors: Vincent C Martling; Zhenhua Xiao
Original assignee: Power Systems Mfg Llc
Priority date: 2005-10-28
Filing date: 2006-10-19
Publication date: 2011-08-16
Also published as: BRPI0618012A8; WO2007053323A3; JP2009513924A; JP5091869B2; CA2627511C; RU2495263C2; CN101351633A; US20090139238A1; EP1960650A2; AU2006309151B2; WO2007053323A2; CA2627511A1; HUP0800390A2; IL191006A; US7685823B2; CZ2008257A3; EP1960650B1; EP1960650A4; AU2006309151A1; RU2008121212A

Abstract

<b>DISTRIBUIçãO DE FLUXO DE AR MELHORADA PARA UM EMISSOR DE BAIXA COMBUSTãO<d> Trata-se de um aparelho e método para fornecer um combustor (21) de turbina a gás que tem a estabilidade na combustão melhorada e reduz a queda de pressão por todo o combustor de turbina a gás. Uma pluralidade de palhetas (30) é fixada, radialmente, a uma camisa da câmara de combustão (22) entre esta e a linha de combustão (26). A pluralidade de palhetas (30) serve para direcionar um fluxo de ar entrante na região entre a camisa da câmara de combustão (22) e a linha de combustão (26) em uma direção substancialmente axial, de modo que componentes de velocidade tangencial sejam removidos, com isso fornecendo um fluxo de ar mais uniforme à câmara de combustão e reduzindo a quantidade de pressão perdida devido à tentativa de corrigir o fluxo de ar pela queda de pressão separada.

Description

"DISTRIBUIÇÃO DE FLUXO DE AR MELHORADA PARA UM COMBUSTORCOM BAIXO TEOR DE EMISSÃO"

Campo da Invenção

A presente invenção aplica-se, em geral, a combustores de turbina a gás e,mais especificamente, a um aparelho e a um método para proporcionar melhorestabilidade na combustão e queda de pressão mais baixa em todo o sistema decombustão.

Antecedentes da Invenção

Em um sistema de combustão para turbina a gás, o combustível e o arcomprimido são misturados e inflamados para produzirem gases quentes decombustão que acionam uma turbina e produzem propulsão ou acionam um eixoacoplado a um gerador para produzir eletricidade. Ao envidarem-se esforços nosentido de reduzir os níveis de poluição, órgãos governamentais estabeleceramnovas regulamentações exigindo que motores com turbina a gás reduzam os níveisdas emissões, inclusive de monóxido de carbono (CO) e óxidos de nitrogênio(NOx). Um tipo comum de combustão, empregado para cumprir estas novasexigências de emissão, é a-combustão pré-misturada, em que combustível e arcomprimido são misturados antes de inflamarem-se para formarem uma mistura tãohomogênea quanto possível e queimar essa mistura para produzir emissões maisbaixas. Muito embora a mistura prévia de combustível e ar comprimido antes dacombustão tenha suas vantagens em termos de emissões, ela também podeacarretar determinados inconvenientes como, também, instabilidades decombustão e, mais especificamente, dinâmicas de combustão.

A fim de alcançar as mais· baixas emissões possíveis através da combustãopré-misturada, sem a utilização de um catalisador, é necessário que se forneça aocombustor uma mistura com pouco combustível. Entretanto, quanto mais rico ocombustível contido no combustor, mais estáveis os processos de queima ecombustão. Por esse motivo, misturas com pouco combustível tendem a ser maisinstáveis devido a um menor conteúdo de combustível para uma determinadaquantidade de ar. Como resultado, quando as misturas de pouco combustível sãoqueimadas, elas tendem a produzir variações de pressão maiores devido à queimainstável. Um fator que contribui para a queima instável é a relação ar/combustívelou mais especificamente, a quantidade de ar misturada a uma quantidade de

{Client Files\24\0002\PLEAD\00035183. DOCv. 1 /CP P}combustível conhecida. A quantidade de ar que entra na câmara de combustãopode variar dependendo de como o ar é direcionado para a entrada da câmara decombustão. Se o fluxo de ar não for uniforme e não estiver relativamente livre deturbilhonamento, a quantidade de ar que entra no combustor irá variar, alterandoassim a relação ar/combustível, e afetando adversamente a estabilidade dacombustão.

Um exemplo de um combustor de turbina a gás da técnica antecedente queemprega combustão pré-misturada, tendo, ainda, turbilhonamento significativo nofluxo de ar, o que resulta na instabilidade da combustão e queda de pressão maior,é mostrado em seção transversal na Figura 1. Um combustor com turbina a gás(10) compreende um sistema de injeção de combustível (11), uma linha decombustão (12), um duto de transição (13), uma primeira luva externa (14) e umasegunda luva externa (15). Para o combustor mostrado na Figura 1, o ar utilizadopara combustão, representado pelas setas, entra na passagempreponderantemente anular (16) através de uma pluralidade de orifícios na primeiraluva externa (14) e na segunda luva externa (15). Nesse sistema da técnicaantecedente, o ar entra em diferentes localizações axiais e diferentes ângulos,incluindo-se geralmente de maneira perpendicular às paredes da linha decombustão (12) e do duto de transição (13). Conseqüentemente, o fluxo de ar, napassagem preponderantemente anular (16), apresenta algum turbilhonamento ouum componente de velocidade tangencial. Ou seja, esse turbilhonamento ocasionauma distribuição do fluxo de ar que não é uniforme para a linha de combustão (12)e, por esse motivo, gera problemas na estabilidade da combustão, por causar aocorrência de variações da relação ar/combustível no combustor. A fim de tentarreduzir, não mecanicamente, os efeitos do turbilhonamento, obteve-se uma quedade pressão maior por toda a passagem preponderantemente anular (16) através dodimensionamento da passagem (16) e do dimensionamento de uma pluralidade deorifícios na primeira luva externa (14) e segunda luva externa (15). A queda depressão adicional obtida através do combustor resulta em perda geral de eficiência,como perda de pressão para trabalho por todo o processo de combustão e daturbina à jusante.

Diante disso, é desejável que se forneça um sistema de combustão parauma turbina a gás em que a geometria do combustor forneça meios que reduzam

{Client Files\24\0002\PLEAD\OOC)35183.DOCv.1/CPP}significativamente a velocidade tangencial, ou turbilhonamento, para o ardirecionado a uma entrada de combustão, a fim de reduzir problemas naestabilidade da combustão e de reduzir a queda de pressão total por todo ocombustor. A redução da queda de pressão do combustor irá, por sua vez,aperfeiçoar a eficiência do combustor, aperfeiçoar a eficiência da turbina à jusantee tornar o custo operacional menor.

Sumário e Objetivos da Presente Invenção

É apresentado um aparelho e método para fornecer um combustor de turbinaa gás que tem estabilidade de combustão elevada e queda de pressão reduzida portodo o combustor de turbina a gás.

É descrito um combustor de turbina a gás que compreende uma camisa dacâmara de combustão, uma linha de combustão, ao menos um bico de combustívele uma pluralidade de palhetas fixadas radialmente à camisa da câmara decombustão entre essa e a linha de combustão. A pluralidade de palhetas serve paradirecionar mecanicamente um fluxo de ar entrante na região entre a camisa dacâmara de combustão e a linha de combustão em uma direção substancialmenteaxial, de modo que os componentes da velocidade tangencial são removidos, comisso, fornecendo um fluxo de ar mais uniforme à câmara de combustão e reduzindoa quantidade de pressão perdida devido à tentativa de corrigir o fluxo de arsomente pela queda de pressão.

Um objetivo da presente invenção consiste em fornecer um combustor deturbina a gás que tenha estabilidade de combustão melhorada através dofornecimento de um fluxo de ar mais uniforme à câmara de combustão.

Um outro objetivo da presente invenção consiste em fornecer um combustorde turbina a gás que tenha uma redução na queda de pressão por todo ocombustor, através do fornecimento de fluxo de ar à câmara de combustão, emuma pressão mais alta que a técnica antecedente.

De acordo com esses e outros objetivos, os quais se tornarão aparentes naspartes que se seguem, a presente invenção será descrita a seguir, com particularreferência aos desenhos em anexo.

Breve Descrição dos Desenhos

A Figura 1 é uma vista em seção transversal de um combustor de turbina agás, de acordo com a técnica anterior.A Figura 2 é uma vista em seção transversal de combustor de turbina a gás,de acordo com a modalidade preferida da presente invenção.

A Figura 3 é uma vista em seção transversal detalhada de uma porção deum combustor de turbina a gás, de acordo com a modalidade preferida da presente invenção.

A Figura 4 é uma vista da extremidade em seção transversal de uma porçãode um combustor de turbina a gás, de acordo com a modalidade preferida dapresente invenção.

Descrição Detalhada da Modalidade Preferida

A modalidade preferida da presente invenção será descrita detalhadamentea seguir, em particular, com referência às Figuras 2 a 4. Com referência à Figura 2,uma porção do motor de turbina a gás (20) é mostrado em seção transversal. Namodalidade preferida, uma pluralidade de combustores (21) de turbina a gás émontada no motor de turbina a gás (20), onde cada um deles é mostrado na Figura 2. O combustor (21) compreende camisa da câmara de combustão (22) que temuma primeira extremidade (23), uma segunda extremidade (24) e uma pluralidadede primeiros orifícios (25) alocados próximo à segunda extremidade (24). Deacordo com a modalidade preferida, a pluralidade de primeiros orifícios (25) éespaçada axialmente em fileiras circunferenciais em torno da camisa da câmara de combustão (22), conforme mostrado na Figura 4 e a pluralidade de primeirosorifícios (25) em que é preferível que cada um tenha um diâmetro de até 50,8 mm(2,00 polegadas). A linha de combustão (26) localiza-se radialmente dentro dacamisa da câmara de combustão (22) e com isso formando a primeira passagem(27) entre a linha de combustão (26) e a camisa da câmara de combustão (22). Ao menos um bico de combustível (28) é posicionado na extremidade anterior da linhade combustão (26) para injetar um combustível a se misturar com ar na linha decombustão (26). Para a modalidade preferida da presente invenção, umapluralidade de bicos de combustível (28) é utilizada e cada um é fixado a umacobertura de extremidade (29), a qual alimenta cada bico de combustível (28) comcombustível.

Uma característica adicional da camisa da câmara de combustão (22)consiste em uma pluralidade de palhetas (30), que são fixadas à camisa da câmarade combustão (22) próxima à pluralidade de primeiros orifícios (25). A pluralidade

{Client Files\24\0002\PLEAD\00035183.DOCv.1/CPP}de palhetas (30) se estende radialmente para dentro da linha de combustão (26) naprimeira passagem (27). A quantidade de palhetas (30) corresponde,preferencialmente, à quantidade dos primeiros orifícios (25), conforme mostrado naFigura 4. Além disso, a pluralidade de palhetas (30) é orientada de maneirapreponderantemente axial ao longo da camisa da câmara de combustão (22), demodo que cada uma delas remova, substancialmente, o componente de velocidadetangencial, ou turbilhonamento, do ar entrante na primeira passagem (27) atravésda pluralidade de primeiros orifícios (25). Diante disso, a pluralidade de palhetas(30) serve para direcionar o ar numa direção substancialmente axial em direção àprimeira extremidade da camisa da câmara de combustão (23). Isso está mais bemdescrito pictorialmente na Figura 4, onde a pluralidade de palhetas (30) é,preferencialmente, espaçada circunferencialmente de maneira igual em torno dacamisa da câmara de combustão (22). Adicionalmente, cada palheta (30) tem umcomprimento axial L, conforme mostrado na Figura 3, uma primeira parede (31) euma segunda parede (32), conforme mostrada na Figura 4, com isso formando aespessura T da palheta (30), com a primeira parede (31) e segunda parede (32)terminando na borda oposta da camisa da câmara de combustão (22). Apluralidade de palhetas (30) é dimensionada para eliminar efetivamente oturbilhonamento no fluxo de ar entrante na primeira passagem (27). Portanto, ocomprimento axial Lea espessura T irão variar dependendo do formato individualdo combustor e das características do fluxo de ar. A fim de evitar perdas depressão adicionais na primeira passagem (27), é preferível que a borda da palheta(30) seja arredondada. Além disso, é importante observar que, a fim de minimizar oturbilhonamento do fluxo de ar, é desejável que a pluralidade de palhetas (30) seestenda em direção à linha de combustão (26), porém termine a uma distância talque a borda da palheta (30) não entre em contato com a linha de combustão (26),sob nenhuma condição. O contato acidental entre a pluralidade de palhetas (30) e alinha de combustão (26) pode causar desgaste e tensão tanto na pluralidade depalhetas (30) quanto na linha de combustão (26). Para a modalidade preferida, adistância radial entre a borda da palheta (30) e a linha de combustão (26) é de até8,89 mm (0,350 polegada) para assegurar que um intervalo mínimo seja mantidosob quaisquer condições operacionais.

Em adição ao aparelho descrito acima, um método para redução de queda

{Client Files\24\0002\PLEAD\00035183.DOCv.1/CPP}de pressão por todo o combustor de turbina é descrito, que incorpora o aparelho decombustão da presente invenção. Um método para redução de queda de pressãopor todo o combustor compreende as etapas do fornecimento de um combustor(21) de turbina a gás que compreende uma camisa da câmara de combustão (22),que tem uma primeira extremidade (23), uma segunda extremidade (24) e umapluralidade de primeiros orifícios (25), localizados próximo à segunda extremidade(24). O combustor (21) compreende, também, a linha de combustão (26), localizadoradialmente dentro da camisa da câmara de combustão (22), formando com isso aprimeira passagem (27) entre os mesmos e ao menos um bico de combustível (28)para injetar um combustível a se misturar com ar na linha de combustão.Adicionalmente, o combustor (21) compreende uma pluralidade de palhetas (30)fixada à camisa da câmara de combustão (22) próxima à pluralidade de primeirosorifícios (25) e se estendendo radialmente para dentro na primeira passagem (27)em direção à linha de combustão (26). A seguir, um fluxo de ar comprimido édirecionado através da pluralidade de primeiros orifícios (25) na primeira passagem(27) e entre a pluralidade de palhetas (30). O fluxo de ar é, então, corrigido pelapluralidade de palhetas (30) para remover significativamente o componente develocidade tangencial do fluxo de ar comprimido e, então, direcionado numadireção substancialmente axial em direção à primeira extremidade da camisa dacâmara de combustão (23) em um padrão mais uniforme. Como um resultado dapluralidade de primeiros orifícios (25) e da pluralidade de palhetas (30) corrigiremmecanicamente o fluxo de ar, a queda de pressão através do combustor (21) dasegunda extremidade da camisa da câmara de combustão (24) para a primeiraextremidade da camisa da câmara de combustão (23) é reduzida. Uma queda depressão mais baixa por toda a camisa da câmara de combustão (22) e a primeirapassagem (27) resulta em uma alimentação de pressão de ar mais alta nocombustor. Como resultado, a eficiência da combustão é aprimorada e torna-sepossível obter mais trabalho a partir da turbina.

Enquanto a invenção tem sido descrita no que se conhece da presentemodalidade preferida, deve-se entender que a invenção não se limita à modalidadeapresentada, porém, pelo contrário, tem a intenção de abranger váriasmodificações e disposições equivalentes dentro do escopo das reivindicações aseguir.

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Claims

1. COMBUSTOR DE TURBINA A GÁS COM ESTABILIDADE DECOMBUSTÃO MELHORADA, caracterizado por compreenderuma camisa da câmara de combustão (22) que tem uma primeiraextremidade (23), uma segunda extremidade (24) e uma pluralidade deprimeiros orifícios (25) localizada próxima à dita segunda extremidade (24);uma linha de combustão (26) localizada radialmente dentro da dita camisada câmara de combustão (22), formando com isso uma primeira passagem(27);pelo menos um bico de combustível (28) para injetar um combustível para semisturar com ar na dita linha de combustão (26); euma pluralidade de palhetas (30), em que as ditas palhetas (30) são fixadasà camisa da câmara de combustão (22), próxima à dita pluralidade deprimeiros orifícios (25) e que se estende radialmente para dentro da ditalinha de combustão (26) na dita primeira passagem (27), de modo que apluralidade de palhetas (30) remove, significativamente, o componente develocidade tangencial do ar entrante na dita primeira passagem (27), atravésda dita pluralidade de primeiros orifícios (25), com isso direcionando, o ditoar numa direção substancialmente axial em direção à primeira extremidade(23) da camisa da câmara de combustão (22).

2. O COMBUSTOR DE TURBINA A GÁS, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que a dita pluralidade de palhetas (30) é espaçadacircunferencialmente de maneira igual em torno da dita camisa da câmara decombustão (22).

3. O COMBUSTOR DE TURBINA A GÁS, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que as ditas palhetas (30) têm um comprimento axial,uma primeira parede (31) e uma segunda parede (32), com isso estabelecendouma espessura da palheta (30), onde as ditas primeira parede (31) e segundaparede (32) terminam em uma borda oposta da dita camisa da câmara decombustão (22).

4. O COMBUSTOR DE TURBINA A GÁS, de acordo com a reivindicação 3,caracterizado pelo fato de que a dita borda da palheta (30) é arredondada.

5. O COMBUSTOR DE TURBINA A GÁS, de acordo com a reivindicação 3,{Client Files\24\0002\PLEAD\00035183. DOCv. 1 /CPP}caracterizado pelo fato de que a dita borda da palheta (30) é espaçada em umadistância radial da dita linha de combustão (26).

6. O COMBUSTOR DE TURBINA A GÁS, de acordo com a reivindicação 5,caracterizado pelo o fato de que a dita distância radial é de até 8,89 mm (0,350polegada).

7. O COMBUSTOR DE TURBINA A GÁS, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que a dita pluralidade de primeiros orifícios (25) éespaçada axialmente em fileiras circunferenciais em torno da dita camisa dacâmara de combustão (22).

8. O COMBUSTOR DE TURBINA A GÁS, de acordo com a reivindicação 7,caracterizado pelo fato de que a quantidade da dita pluralidade de palhetas (30) éigual à quantidade da dita pluralidade de primeiros orifícios (25) em cada uma dasditas fileiras circunferenciais.

9. O COMBUSTOR DE TURBINA A GÁS, de acordo com a reivindicação 7,caracterizado pelo fato de que a dita pluralidade de primeiros orifícios (25) tem umdiâmetro de até 50,8 mm (2,00 polegadas).

10. MÉTODO PARA REDUÇÃO DE QUEDA DE PRESSÃO POR TODO OCOMBUSTOR DE TURBINA A GÁS caracterizado pelo fato de que o dito métodocompreende as seguintes etapas:fornecimento de um combustor de turbina a gás que compreende umacamisa da câmara de combustão (22) que tem uma primeira extremidade(23), uma segunda extremidade (24) e uma pluralidade de primeiros orifícios(25) localizada próxima à dita segunda extremidade (24), uma linha decombustão (26) localizada radialmente dentro da dita camisa da câmara decombustão (22), formando com isso uma primeira passagem (27) entre osmesmos, pelo menos um bico de combustível (28) para injetar umcombustível para se misturar com ar na dita linha de combustão (26) e umapluralidade de palhetas (30), em que as ditas palhetas (30) são fixadas à ditacamisa da câmara de combustão (22), próxima à dita pluralidade deprimeiros orifícios (25) e se estendendo radialmente para dentro em direçãoà dita linha de combustão (26), na dita primeira passagem (27);direcionamento de um fluxo de ar comprimido através da dita pluralidade deprimeiros orifícios (25), na dita primeira passagem (27) e entre a ditapluralidade de palhetas (30);correção do dito fluxo de ar comprimido pelo trajeto na dita pluralidade depalhetas (30) para remover significativamente a componente de velocidadetangencial do dito fluxo de ar comprimido e então, direcionar o dito fluxo dear comprimido em uma direção substancialmente axial à dita primeiraextremidade (23) da camisa da câmara de combustão (22), na qual a quedade pressão por todo o dito combustor (21) da dita segunda extremidade (24)da camisa da câmara de combustão (22) para a dita primeira extremidade(23) da camisa da câmara de combustão (22) é reduzida por corrigirmecanicamente dito fluxo de ar comprimido através de dita pluralidade depalhetas (30).

11. O MÉTODO, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato deque a dita pluralidade de palhetas (30) é espaçada circunferencialmente de maneiraigual em torno da dita camisa da câmara de combustão (22).

12. O MÉTODO, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato deque as ditas palhetas (30) têm um comprimento axial, uma primeira parede (31) euma segunda parede (32), estabelecendo com isso uma espessura da palheta (30),em que a dita primeira parede (31) e segunda parede (32) terminam em uma bordaoposta da dita camisa da câmara de combustão (22).

13. O MÉTODO, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato deque a dita borda da palheta (30) é arredondada.

14. O MÉTODO, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato deque a dita borda da palheta (30) é espaçada em uma distância radial da dita linhade combustão (26).

15. O MÉTODO, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato deque a dita distância radial é de até 8,89 mm (0,350 polegada).

16. COMBUSTOR DE TURBINA A GÁS COM UMA DISTRIBUIÇÃOCIRCUNFERENCIAL MAIS UNIFORME DO FLUXO DE AR, caracterizado porcompreender:uma camisa da câmara de combustão (22) que tem um a primeiraextremidade (23), uma segunda extremidade (24) e uma pluralidade deprimeiros orifícios (25) localizada próxima à dita segunda extremidade (24);uma linha de combustão (26) localizada radialmente dentro da dita camisa{Client Files\24\0002\PLEAD\00035183.DOCv.1/CPP}da câmara de combustão (22), formando com isso uma primeira passagem(27) entre os mesmos;ao menos, um bico de combustível (28) para injetar um combustível a semisturar com ar nadita linha de combustão (26); e uma pluralidade de palhetas (30), em que as ditas palhetas (30) são fixadasà dita camisa da câmara de combustão (22), próxima à dita pluralidade deprimeiros orifícios (25) e que se estende radialmente para dentro da ditaprimeira passagem (27) em direção à dita linha de combustão (26),terminando numa distância radial da dita linha de combustão (26) tal que dita pluralidade de palhetas (30) remove significativamente o componente develocidade tangencial do ar entrante na dita primeira passagem (27) atravésda dita pluralidade de primeiros orifícios (25), com isso direcionando o dito arem uma direção substancialmente axial em direção a dita primeiraextremidade (23) da camisa da câmara de combustão (22) para prover um padrão de fluxo circunferencialmente mais uniforme ao dito combustor (21)

17. O COMBUSTOR DE TURBINA A GÁS, de acordo com a reivindicação 16,caracterizado pelo fato de que a dita pluralidade de palhetas (30) é espaçadacircunferencialmente de maneira igual em torno da dita camisa da câmara decombustão (22).

18. O COMBUSTOR DE TURBINA A GÁS, de acordo com a reivindicação 17,caracterizado pelo fato de que as ditas palhetas (30) têm um comprimento axial,uma primeira parede (31) e uma segunda parede (32), com isso estabelecendouma espessura da palheta (30), onde as ditas primeira parede (31) e segundaparede (32) terminam em uma borda oposta da dita camisa da câmara decombustão (22).

19. O COMBUSTOR DE TURBINA A GÁS, de acordo com a reivindicação 18,caracterizado pelo fato de que a dita borda da palheta (30) é arredondada.

20. O COMBUSTOR DE TURBINA A GÁS, de acordo com a reivindicação 16,caracterizado pelo fato de que a dita distância radial é de até 8,89 mm (0,350polegada).