ES2230914T3

ES2230914T3 - Procedimientos y sistemas de control para la inyeccion de agua en un motor de turbina.

Info

Publication number: ES2230914T3
Application number: ES99965355T
Authority: ES
Inventors: Stephen Rex Payling; Robert Paul Coleman; Curtis Lee Brown
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1998-07-24
Filing date: 1999-07-22
Publication date: 2005-05-01
Anticipated expiration: 2019-07-22
Also published as: ATE315171T1; JP4382283B2; DE69929359T2; ES2274654T3; DE69933362T2; CA2303316C; WO2000008326A9; TR200000777T1; EP1062415A2; WO2000008326A2; ATE280323T1; DE69921336D1; WO2000009875A2; AU1439600A; CA2306487A1; JP4498609B2; US6467252B1; AU767058B2; US6553753B1; EP1040261B1

Abstract

Un motor de turbina que comprende: un compresor de baja presión que comprende una admisión y un escape. un compresor de alta presión que comprende una admisión y un escape, estando el citado compresor de alta presión en relación de flujo axial y aguas abajo del citado compresor de baja presión; una cámara de combustión situada aguas abajo del citado compresor de alta presión; una turbina de alta presión situada aguas abajo de la citada cámara de combustión ; una turbina de baja presión en relación de flujo axial y aguas debajo de la citada turbina de alta presión ; un sistema de inyección de agua que comprende: una pluralidad de boquillas para inyectar agua en un flujo de gas que pasa por el citado motor; una fuente de agua; un colector de agua; una tubería de suministro de agua que se extiende desde la citada fuente de agua al citado colector de agua; una válvula de medición de agua para controlar el flujo a través de la citada tubería de suministro de agua; un colector de aire ; un tubo de flujo de aire acoplado al citado compresor de alta presión y al citado colector de aire.

Description

Procedimiento y sistemas de control para la inyección de agua en un motor de turbina.

Esta solicitud reivindica los beneficios de la solicitud provisional norteamericana número 60/094.094, presentada el 24 de julio de 1998.

Antecedentes de la invención

Esta invención se refiere, en general, a motores de turbina de gas, y más en particular, se refiere a una inyección de agua en el pre-sobrealimentador y en el precompresor en un motor de turbina de gas, tal como el que se muestra, por ejemplo, en los documentos EPO 781 909 o EPO 889 212.

Los motores de turbina de gas típicamente incluyen un compresor para comprimir un fluido de trabajo, tal como el aire. El aire comprimido se inyecta en una cámara de combustión que calienta el fluido, haciendo que se expanda, y se fuerza al fluido expandido a través de una turbina. El compresor incluye típicamente un compresor de baja presión y un compresor de alta presión.

La producción de los motores de turbina de gas conocidos puede estar limitada por la temperatura del fluido de trabajo en el escape del compresor de alta presión, algunas veces denominada temperatura "T3" y por la temperatura de fluido de trabajo en el escape de la cámara de combustión, algunas veces denominada temperatura "T41". Para reducir ambas temperaturas T3 y T41 se conoce la utilización de un interenfriador que se encuentra situado en el trayecto de flujo del fluido entre el compresor de baja presión y el compresor de alta presión. En el funcionamiento en estado estable, el interenfriador extrae calor del aire comprimido en el compresor de baja presión, lo cual reduce la temperatura así como el volumen del aire que entra en el compresor de alta presión. Una reducción en la temperatura de este tipo reduce ambas temperaturas T3 y T41. De esta manera, se puede conseguir una producción de energía incrementada al incrementar el flujo a través del compresor.

Típicamente, agua fría o aire circulan a través del interenfriador, y el calor se transfiere desde el flujo de aire al agua o aire fríos. El agua o aire absorben el calor, y a continuación, el agua o aire calentados se retiran. La retirada del aire o agua calentados produce pérdidas en la eficiencia total del ciclo térmico. Por lo tanto, aunque el interenfriador facilita una producción de energía incrementada, el interenfriador reduce la eficiencia térmica del motor. El interenfriador también introduce pérdidas de presión asociadas con la retirada del aire, el enfriamiento existente de ese aire, y la canalización del aire frío al compresor. Además, no es práctico que un Interenfriador también proporcione enfriamiento entre etapas.

Con al menos algunos interenfriadores conocidos, el agua caliente se retira utilizando un enfriador de agua que disipa el agua caliente en una torre de enfriamiento o como vapor al ambiente. Por supuesto, la liberación de vapor al ambiente presenta problemas ambientales. Además, se requiere una cantidad significativa de agua para los interenfriadores de este tipo, y este consumo elevado de agua incrementa los costos de la operación.

Sería deseable proporcionar una producción de energía parcialmente incrementada como la que se consigue con los interenfriadores, pero al mismo tiempo proporcionar también una eficiencia térmica mejorada en comparación con, al menos, algunos interenfriadores conocidos. También sería deseable proporcionar una producción de energía incrementada, incluso en turbinas de gas de rotor único.

Sumario de la invención

Estos y otros objetivos se pueden alcanzar con un motor de turbina de gas que incluye una inyección de agua en el pre-sobrealimentador o precompresor, que proporciona muchas de las mismas ventajas mientras que al mismo tiempo soluciona alguno de los inconvenientes del interenfriamiento. En una realización ejemplar, un motor de turbina de gas adecuado para utilizarse en conexión con la inyección de agua pulverizada incluye un compresor de baja presión, un compresor de alta presión y una cámara de combustión. El motor también incluye una turbina de alta presión, una turbina de baja presión y/o una turbina de potencia. Se proporciona un aparato de inyección de agua para inyectar agua en una conexión de admisión del compresor de alta presión. El aparato de inyección de agua pulverizada se encuentra en comunicación de fluido con un suministro de agua, y durante el funcionamiento del motor, se suministra agua desde dicho suministro por medio del aparato de inyección, a la admisión del compresor.

En funcionamiento, el aire circula a través del compresor de baja presión y se suministra el aire comprimido desde el compresor de baja presión al compresor de alta presión. Además, se suministra agua pulverizada en la admisión del compresor de alta presión, y el agua pulverizada entra en el compresor de alta presión a través de la admisión. Debido al ambiente a alta temperatura en la posición en al cual se inyecta el agua pulverizada, el agua pulverizada se evapora parcialmente antes de entrar en el compresor de alta presión. El agua pulverizada enfría el flujo de aire en el compresor de alta presión durante, al menos, cada etapa de compresión a través de la cual circulan dichos flujos de pulverización, es decir, hasta que se evapora. Normalmente, aproximadamente en las etapas medias del compresor de alta presión, y dependiendo de la cantidad de agua, la mayor parte del agua pulverizada está evaporada.

El aire y el vapor de agua se comprimen adicionalmente por medio del compresor de alta presión, y se suministra el aire altamente comprimido a la cámara de combustión. El flujo de aire desde la cámara de combustión acciona la turbina de alta presión, la turbina de baja presión y la turbina de potencia. El calor residual es captado por calderas, y el calor de las calderas, en forma de vapor, se puede suministrar a componentes situados aguas arriba.

El agua pulverizada proporciona la ventaja de que la temperatura del flujo de aire en el escape del compresor de alta presión (temperatura T3) y la temperatura del flujo de aire en el escape de la cámara de combustión (temperatura T41) se han reducido en las operaciones en estado estable, en comparación con tales temperaturas sin la pulverización. Específicamente, el agua pulverizada extrae calor del aire caliente que circula en y a través del compresor de alta presión, y al extraer dicho calor del flujo de aire, se reducen las temperaturas T3 y T41 y se reduce la potencia de compresión. El calor se elimina cuando el agua se evaporiza. La reducción de las temperaturas T3 y T41 proporciona la ventaja de que el motor no está limitado por T3 y T41, y por lo tanto, el motor puede funcionar con niveles de producción mas elevados que lo que serían posibles sin tal agua pulverizada. Esto es, con la inyección de vapor de agua que se ha descrito mas arriba y utilizando el mismo límite de control de temperatura de descarga del compresor de alta presión, el compresor de alta presión puede bombear más aire, lo cual produce una relación de presión más elevada y una producción mas elevada.

Breve descripción de los dibujos

la figura 1 es una ilustración esquemática de un motor de turbina de gas que incluye una inyección de agua en el compresor, de acuerdo con una realización de la presente invención;

la figura 2 es una ilustración esquemática de un motor de turbina de gas que incluye inyección de agua en el compresor e interenfriamiento, de acuerdo con otra realización de la presente invención;

la figura 3 es una ilustración esquemática de un motor de turbina de gas que incluye inyección de agua en el sobrealimentador, de acuerdo con una realización de la presente invención;

la figura 4 es una ilustración esquemática de un motor de turbina de gas de rotor único, que incluye inyección de agua en el compresor, de acuerdo con otra realización de la presente invención;

la figura 5 es una ilustración esquemática de un motor de turbina de gas que incluye inyección de agua en el sobrealimentador y en el compresor, de acuerdo con todavía otra realización de la presente invención;

la figura 6 es una ilustración esquemática de un motor de turbina de gas que incluye inyección de agua en el compresor, de acuerdo con todavía otra realización de la presente invención;

la figura 7 es una ilustración esquemática de un motor de turbina de gas que se muestra en la figura 6, acoplado a un generador eléctrico;

la figura 8 es una vista lateral de un motor LM6000 de la General Electric Company, modificado para incluir inyección de pulverización;

la figura 9 es una vista en perspectiva de un conectador para conectar la purga de la octava etapa del motor que se muestra en la figura 8 a un colector de aire;

la figura 10 es una vista en corte transversal del motor que se muestra en la figura 8, y que ilustra una configuración de boquilla;

la figura 11 es una vista lateral de una boquilla;

la figura 12 es una vista superior de la boquilla que se muestra en la figura 11;

la figura 13 es un diagrama esquemático de un circuito de control para controlar el suministro de agua y de aire a las boquillas en el motor que se muestra en la figura 8;

la figura 14 es un gráfico que ilustra un programa ejemplar de agua para la disposición de motor que se ilustra en la figura 8;

la figura 15 es un gráfico que ilustra la producción, relación térmica, flujo y agua que se suministran al motor que se ilustra en la figura 8, con distintas temperaturas ambientales;

la figura 16 es un gráfico que ilustra la relación de flujo de cavidad de turbina de alta presión respecto a la velocidad corregida de escape del compresor de alta presión del motor que se ilustra en la figura 8;

la figura 17 es una tabla que muestra los resultados de presión y del funcionamiento de la boquilla de aire atomizado;

\newpage

la figura 18 es una representación gráfica del flujo de agua respecto a la evaporación del compresor de alta presión; y

La figura 19 es una tabla que muestra el efecto del funcionamiento de la boquilla en la evaporación en el compresor de alta presión.

Descripción detallada

Más adelante se establecen configuraciones ejemplares de la inyección de agua pulverizada, de acuerdo con varias realizaciones de la presente invención. Inicialmente, se debe entender que, aunque se ilustran y se describen implementaciones específicas, la inyección de agua pulverizada puede ser practicada utilizando muchas estructuras alternativas y en una amplia variedad de motores. Además, y como se describe mas abajo con mas detalles, la inyección de agua pulverizada se puede efectuar en la admisión del compresor de alta presión, en una admisión del sobrealimentador, o en ambas posiciones.

La inyección de agua pulverizada proporciona muchas de las mismas ventajas del interenfriamiento, pero al mismo tiempo soluciona algunos inconvenientes del interenfriamiento. Por ejemplo, y con interenfriamiento, se retira el agua (o aire) calentada y la retirada de dicha agua (o aire) calentada reduce la eficiencia térmica del ciclo, así como produce problemas ambientales. El significativo incremento de potencia proporcionado por el interenfriamiento típicamente soluciona los inconvenientes asociados con el interenfriamiento, y como resultado, a menudo se utiliza el interenfriamiento cuando se requiere una potencia extra utilizando un sobrealimentador de flujo de aire diferente o mayor, y una función de flujo de turbina a alta presión mas elevada. La inyección de agua pulverizada, como se describirá mas adelante, proporciona un incremento de potencia que puede ser algo menor que el incremento de potencia máximo proporcionado en un interenfriador similarmente situado. Sin embargo, con la inyección de agua pulverizada, se utiliza mucha menos agua y el agua sale del ciclo como vapor de agua, a la temperatura de escape del gas.

Haciendo referencia a continuación específicamente a los dibujos, la figura 1 es una ilustración esquemática de un motor 10 de turbina de gas, el cual, como es bien conocido, incluye un compresor de baja presión 12, un compresor de alta presión 14 y una cámara de combustión 16. El motor 10 también incluye una turbina de alta presión 18, una turbina de baja presión 20 y una turbina de potencia 22. El motor 10 incluye, además, un aparato 24 de inyección de agua para inyectar agua en una admisión 26 de un compresor de alta presión 14. Los detalles adicionales referentes al aparato 22 de inyección de agua se establecen mas abajo. Sin embargo, con la finalidad de la figura 1, se debe entender que el aparato 24 se encuentra en comunicación hidráulica con un suministro de agua (no mostrado) y se suministra agua desde este suministro por medio del aparato 24 a la admisión 26 del compresor 14. El aparato 24 aspira aire utilizando una fuente de purga del compresor 14 para proporcionar una nube de pulverización más fina. Las calderas 28, 30 y 32 de calor residual se encuentran situadas aguas abajo de la turbina de potencia 22. Como es conocido en la técnica, se suministra agua de alimentación a las calderas 28, 30 y 32 por medio de una tubería 34 de alimentación de agua, y el agua en forma de vapor se comunica desde las calderas 28, 30 y 32 a varios componentes situados aguas arriba. En particular, se proporciona vapor de la caldera 28 a una admisión 36 de la cámara de combustión 16, se proporciona vapor de la caldera 30 a una admisión de una turbina de baja presión 20 y a una admisión de la turbina de potencia 22, y se proporciona vapor de la caldera 32 a la última etapa de la turbina de potencia 22. Excepto por el aparato 24 de inyección de agua pulverizada, los distintos componentes de la turbina 10 son conocidos en la técnica.

En funcionamiento, el aire circula a través del compresor de baja presión 12 y se suministra aire comprimido desde el compresor de baja presión 12 al compresor de alta presión 14. Además, se suministra agua pulverizada a la admisión 26 del compresor de alta presión 14, y el agua pulverizada entra en el compresor 14 a través de la admisión 26. Debido al ambiente de alta temperatura en la posición en la cual se inyecta el agua pulverizada, el agua pulverizada se evapora parcialmente antes de entrar en el compresor de alta presión 14. el agua pulverizada enfría el flujo de aire en el compresor de alta presión 14 en, al menos, cada etapa del compresor 14 a través de la cual circula dicha pulverización, es decir, hasta que se evapora. Normalmente, en la sexta etapa del compresión 14, el agua pulverizada estará totalmente evaporada.

El aire se comprime adicionalmente en el compresor de alta presión 14, y se suministra aire altamente comprimido a la cámara de combustión 16. El flujo de aire desde la cámara de combustión 16 acciona la turbina de alta presión 18, la turbina de baja presión 20 y la turbina de potencia 22. El calor residual es capturado por las calderas 28, 30 y 32 y se suministra vapor de calor residual a componentes aguas arriba acoplados a las calderas 28, 30 y 32, como se ha descrito mas arriba.

Las partículas de agua del aparato 24 de inyección de agua proporcionan la ventaja de que la temperatura del flujo de aire en el escape del compresor de alta presión 14 (temperatura T3) y la temperatura del flujo de aire en el escape de la cámara de combustión 16 (temperatura T41) son reducidas en comparación con tales temperaturas sin la pulverización. Específicamente, el agua pulverizada extrae calor del aire caliente que circula en y a través del compresor 14, y al extraer dicho calor del flujo de aire, se reducen las temperaturas T3 y T41 junto con la potencia requerida del compresor. Al reducir las temperaturas T3 y T41 se proporciona la ventaja de que el motor 10 no está limitado por T3 y T41, y por lo tanto, el motor 10 puede funcionar con niveles de producción más elevados por el empuje por obturación que es posible sin un agua pulverizada de este tipo. Además del incremento de producción de potencia, la inyección de agua pulverizada como se ha descrito con anterioridad proporciona la ventaja de un menor consumo de agua en comparación con el interenfriamiento bajo las mismas condiciones.

La figura 2 es una ilustración esquemática de otra realización de un motor 50 de turbina de gas, incluyendo inyección de agua pulverizada. El motor 50 incluye un compresor de baja presión 52, un compresor de alta presión 54 y una cámara de combustión 56. El motor 50 también incluye una turbina de alta presión 58, una turbina de baja presión 60 y una turbina de potencia 62. El motor 50 incluye, además, un aparato 64 de inyección de agua para inyectar agua en una admisión 66 del compresor de alta presión 54. Con los propósitos de la figura 2, se debe entender que el aparato se encuentra en comunicación de fluido con un suministro de agua (no mostrado) y se suministra agua de dicho suministro por medio del aparato 64 a la admisión 66 del compresor 54. También se sitúa un interenfriador 68 en relación de flujo en serie con un sobrealimentador 52 para recibir, al menos, una porción de, o toda, la producción de flujo de aire del sobrealimentador 52, y el escape del interenfriador 68 se acopla a la admisión 66 del compresor 54. Por supuesto, se suministra agua de enfriamiento al interenfriador 68, como se ilustra, o se podrían utilizar ventiladores de soplado para el enfriamiento del aire. Por ejemplo, el interenfriador 68 podría ser uno de los interenfriadores descritos en la patente norteamericana número 4.949.544.

Las calderas de calor residual 70, 72 y 74 se encuentran situadas aguas debajo de la turbina de potencia 62. Como es conocido en la técnica, se suministra agua de alimentación a las calderas 70, 72 y 74 por medio de una tubería 76 de agua de alimentación que se extiende a través de una primera etapa 78A del interenfriador 78, y se comunica vapor desde las calderas 70, 72 y 74 a varios componentes situados aguas arriba. En particular, se proporciona vapor de la caldera 70 a una admisión 80 de la cámara de combustión 56, se proporciona vapor de la caldera 72 a una admisión de una turbina de baja presión 60 y una admisión de la turbina de potencia 62, y se proporciona vapor de la caldera 74 a la última etapa de la turbina de potencia 62. Excepto por el aparato 64 de inyección de agua pulverizada, los distintos componentes de la turbina 50 son conocidos en la técnica.

En funcionamiento, el aire circula a través del compresor de baja presión 52, y se suministra aire comprimido desde el compresor de baja presión 52 al compresor de alta presión 54. Al menos algo del aire comprimido, o todo, del compresor de baja presión 52 se desvía para circular a través de una segunda etapa 78B del interenfriador 68, y dicho aire desviado se enfría y se suministra a la admisión 66 del compresor de alta presión 54. Además, se suministra agua pulverizada a la admisión 66 del compresor de alta presión 54, y el agua pulverizada entra en el compresor 54 a través de la admisión 66. Debido al ambiente de temperatura más elevada en la posición en la cual se inyecta el agua pulverizada, el agua pulverizada se evapora parcialmente antes de entrar en el compresor de alta presión 54. El agua pulverizada enfría el flujo de aire en el compresor de alta presión 54 durante, al menos, cada etapa del compresor 54 a través de la cual circula dicha pulverización, es decir, hasta que se evapora. Normalmente, el agua pulverizada se habrá evaporado en la sexta etapa del compresor 54.

El aire es comprimido adicionalmente por el compresor de alta presión 54, y se suministra aire altamente comprimido a la cámara de combustión 56. El flujo de aire de la cámara de combustión 56 acciona la turbina de alta presión 58, la turbina de baja presión 60 y la turbina de potencia 62. El calor residual es capturado por las calderas 70, 72 y 74, y se suministra el calor residual como vapor a componentes situados aguas arriba, acoplados a las calderas 70. 72 y 74, como se ha descrito mas arriba.

Se cree que, al proporcionar una combinación de interenfriamiento e inyección de agua pulverizada, se consigue una producción de potencia incrementada por el motor 50, en comparación con el motor 10. El interenfriador 68 podría llevar el flujo al compresor bajándolo de temperatura hasta que apareciese condensado por la humedad del ambiente. A continuación, el agua pulverizada se añadiría en el compresor 54 para reducir adicionalmente T3 en su salida, junto con la reducción de la potencia requerida para funcionar. Sin embargo, el motor 50 requiere mas agua en comparación con el motor 10, y el motor 50 disipa algo de agua al ambiente, debido al funcionamiento del interenfriador 68 junto con el agua pulverizada adicional que sale de la pila como vapor a la temperatura de escape de la pila. Por lo tanto, en comparación con los resultados obtenidos si solamente se utilizase interenfriamiento para alcanzar una producción de energía del motor 10, la combinación de inyección de agua pulverizada y de interenfriamiento produce un consumo de agua superior.

Aunque no se muestra en la configuración ejemplar establecida en la figura 2, se contempla que en lugar de, o además de la inyección de pulverización de agua en la admisión 66 del compresor de alta presión 54, tal inyección se podría efectuar en la admisión del compresor de baja presión, o sobrealimentador 52 (la inyección de agua pulverizada en el sobrealimentador se ilustra en la figura 3). Se pueden alcanzar ventajas similares en la disminución de las temperaturas disminuidas por medio de dicha inyección.

Una configuración ejemplar de un motor 82, incluyendo una inyección de agua pulverizada en el sobrealimentador, se establece en la figura 3. La configuración del motor 82 es sustancialmente similar a la del motor 10 que se muestra en la figura 1, con la excepción de que el aparato 24 de inyección de agua pulverizada se encuentra situado en la admisión 38 del compresor de baja presión, o sobrealimentador 12. En el motor 82, se inyecta agua en el sobrealimentador 12 y la misma enfría el aire que circula a través del sobrealimentador 12. El enfriamiento del aire que circula a través del sobrealimentador 12 proporciona la ventaja de disminuir las temperaturas T3 y T41, como se ha descrito mas arriba. Solamente aproximadamente el 1% del agua pulverizada se puede inyectar en el sobrealimentador 12 y dicha agua se evaporará al final del sobrealimentador.

La figura 4 es una ilustración esquemática de un motor 84 de turbina de gas de rotor único, que incluye una inyección de agua en el compresor de acuerdo con otra realización de la presente invención. El motor 84 incluye un compresor de alta presión 86, una cámara de combustión 88 y una turbina de alta presión 90. Un árbol 92 está acoplado al compresor de alta presión 86 y a la turbina de alta presión 90. Una turbina de potencia 94 se encuentra aguas abajo de la turbina de alta presión 90 y un árbol 96 se acopla y se extiende desde la turbina de potencia 94. El aparato 98 de inyección de pulverización se encuentra situado en una admisión 100 del compresor de alta presión 86.

En la figura 5 se muestra esquemáticamente un motor 10 de turbina de gas de rotor doble. El motor 160 incluye un sobrealimentador 162 y una turbina de potencia 164 conectada a un primer árbol 166, un compresor de alta presión 168 y una turbina de alta presión 170 conectados a un segundo árbol 172, y una cámara de combustión 174. El motor 160 incluye, además, un aparato 176 de inyección de agua pulverizada en el pre-sobrealimentador y un aparato 178 de inyección de agua pulverizada en el precompresor.

La figura 6 es una ilustración esquemática de un motor 200 de turbina de gas que incluye inyección de agua en el compresor de acuerdo con todavía otra realización de la presente invención. El motor 200 incluye un compresor de baja presión 202 y un compresor de alta presión 204. En esta realización, el compresor de baja presión 202 es un compresor de 5 etapas, y el compresor de alta presión 204 es un compresor de 14 etapas. Hay una cámara de combustión (no mostrada) aguas abajo del compresor 204. El motor 200 también incluye una turbina de alta presión (no mostrada) y una turbina de baja presión (no mostrada). La turbina de alta presión es una turbina de 2 etapas, y la turbina de baja presión es una turbina de 5 etapas.

El motor 200 incluye, además, un aparato 206 de inyección de agua para inyectar agua en una admisión 208 del compresor de alta presión 204. El aparato de inyección de agua 206 incluye una válvula 210 de medición de agua en comunicación de fluido con un colector 212 de agua. Se suministra agua a la válvula de medición 210 desde una fuente de agua o depósito. Se suministra aire a un colector de aire 213 desde una purga 214 de la octava etapa del compresor de alta presión 204. La purga 214 sirve como fuente de aire calentado. Se acopla un intercambiador de calor 216 al tubo de circulación o tubo 218 que se extiende desde la purga 214 de la octava etapa a un colector de aire 213. Los tubos de alimentación 220 y 221 se extienden desde el colector de aire 213 y del colector de agua 212, a veinticuatro boquillas de pulverización 222 y 223, separadas radialmente y que se extienden a través del bastidor exterior 224. Las boquillas 222 a veces son denominadas en la presente memoria boquillas cortas 222, y las boquillas 223 a veces son denominadas en la presente memoria boquillas largas 223. Las boquillas 222 y 223 están separadas radialmente alrededor de la circunferencia del bastidor 224 en una disposición alternativa a la que se describe mas abajo con mayor detalle.

Veinticuatro tubos alimentadores de agua 221 se extienden desde el colector 212 de agua, y veinticuatro tubos alimentadores de aire 220 se extienden desde el colector de aire 213. Cada boquilla 222 está acoplada a un tubo alimentador de agua 221 del colector de agua 212 y a un tubo alimentador de aire 220 del colector de aire 213. En general, el agua que circula a cada boquilla 222 y 223 se pulveriza utilizando la elevada presión de aire (por ejemplo, a aproximadamente 1034,2 kPa), extraído en la purga 214 de la octava etapa del compresor de alta presión 204. El diámetro de las gotitas, en esta realización, se debería mantener en aproximadamente 20 micrómetros. Se mantiene tal diámetro de gotitas controlando el flujo de agua a través de la válvula 210, utilizando la programación de agua que se describe más abajo en más detalle y utilizando la presión de aire elevada de la purga 214. Excepto por el aparato 206 de inyección de agua pulverizada, los distintos componentes del motor 200 son conocidos en la técnica.

En funcionamiento, el motor 200 funciona a su máxima producción de energía sin inyección de pulverización, es decir, la válvula de agua 210 está cerrada. En este modo de funcionamiento, el aire circula por el tubo de aire 218 a las boquillas 222 y 223. El aire se enfría en el intercambiador de calor 216. Sin embargo, puesto que no se permite agua a través de la válvula 210, no se inyectará agua en el flujo del compresor de alta presión 204.

Una vez se haya alcanzado la producción máxima de energía, se activa el aparato de inyección de agua y el agua circula a las boquillas 222 y 223. El intercambiador de calor 216 continúa funcionando para reducir la temperatura del aire suministrado a las boquillas 222 y 223. En particular, el aire de la purga 214 de la octava etapa típicamente se encontrará aproximadamente a 315,6 -344,3ºC. Para reducir la diferencia térmica, o falta de emparejamiento, entre el aire caliente de la purga y el agua del depósito de agua, la temperatura del aire desde la purga 214 de la octava etapa se reduce hasta aproximadamente 121,1ºC por medio del intercambiador de calor 216, mientras se mantiene la presión del aire a, aproximadamente, 1034,2 kPa. Manteniendo la presión a aproximadamente 1034,2 kPa el aire tiene suficiente presión para atomizar el agua.

Las boquillas 222 y 223 inyectan agua pulverizada 226 y 227 (ilustradas esquemáticamente en la figura 6) en el flujo en la admisión 208 del compresor de alta presión 204, y el agua pulverizada entra en el compresor 204 a través de la admisión 208. Debido al ambiente a alta temperatura en la posición en la cual se inyecta el agua pulverizada, el agua pulverizada se evapora parcialmente antes de entrar en el compresor de alta presión 204. El agua pulverizada enfría el flujo de aire en el compresor de alta presión 204, por lo menos en cada etapa del compresor 204 a través de la que fluye la pulverización, es decir, hasta que se evapore. Normalmente, en la sexta etapa del compresor 204 el agua pulverizada se habrá evaporado totalmente. El aire se comprime adicionalmente en el compresor de alta presión 204 y se suministra aire altamente comprimido a la cámara de combustión. El flujo de aire de la cámara de combustión acciona la turbina de alta presión y la turbina de baja presión.

Las partículas de agua del aparato de agua pulverizada 206 proporcionan la ventaja de que la temperatura del flujo de aire en el escape del compresor de alta presión 204 (temperatura T3) y la temperatura del flujo de aire en el escape de la cámara de combustión (temperatura T41) son reducidas en comparación con tales temperaturas sin la pulverización. De manera específica, el agua pulverizada extrae calor del aire caliente que circula en y a través del compresor 204, y al extraer dicho calor del flujo de aire, las temperaturas T3 y T42 se reducen, junto con la potencia requerida del compresor. La reducción de las temperaturas T3 y T41 proporciona la ventaja de que el motor 200 no está limitado por T3 ni T41, y por lo tanto, el motor 200 puede funcionar con niveles de producción más elevados por empuje por obturación, de lo que sería posible sin tal agua pulverizada.

Esto es, al inyectar agua pulverizada atomizada antes del compresor de alta presión 204, la temperatura de admisión del compresor de alta presión 204 se reduce significativamente. Por lo tanto, utilizando el mismo límite de control de la temperatura de descarga del compresor, el compresor de alta presión 204 puede bombear más aire, alcanzando una relación superior de presión. Esto resulta en una producción más elevada y en una eficiencia mejorada. Además del incremento de producción de potencia, la inyección de agua pulverizada como se ha descrito mas arriba proporciona la ventaja de un menor consumo de agua en comparación con el interenfriador bajo las mismas condiciones. En lugar de los límites por las temperaturas T3 y T41, se debe entender que con la configuración de agua pulverizada, los límites del motor ya no pueden ser tales temperaturas, por ejemplo, los límites pueden ser la temperatura T48 de admisión a la turbina de la turbina de alta presión y la velocidad del núcleo.

El aparato de inyección de agua 206 que se ha descrito mas arriba también se puede utilizar en relación con la inyección de agua pulverizada en el compresor de presión pre-baja. Se cree que tal inyección de agua pulverizada en el compresor de presión pre-baja proporciona, al menos, muchas de las mismas ventajas de la inyección de agua pulverizada en el compresor de presión pre- alta, en referencia a la figura 9.

La figura 7 es una ilustración esquemática de un motor 200 de turbina de gas acoplado a un generador eléctrico 228. Como se muestra en la figura 10, el motor 200 incluye una turbina de alta presión 230 y una turbina de baja presión 232, situada aguas abajo del compresor de alta presión 204. El compresor de alta presión 204 y la turbina de alta presión 230 se acoplan por medio de un primer árbol 234, y el compresor de baja presión 202 y la turbina de baja presión se acoplan por medio de un segundo árbol 236. El segundo árbol 236 también se acopla al generador 228. El motor 200 puede ser, por ejemplo, el Gas Turbine Engine LM6000, disponible comercialmente en la General Electric Company, Cincinnati, Ohio, 45215, EE.UU, modificado para incluir un aparato 206 de inyección de agua pulverizada (figura 9).

En lugar de ser fabricado originalmente para incluir el aparato de inyección 206, es posible instalar el aparato 206 para actualizar motores existentes. El aparato de inyección 206 se debería proporcionar en forma de conjunto e incluir las tuberías 218 y 220, junto con colectores de agua y aire 212 y 213 y válvula de medición de agua 210. También se deberían incluir las boquillas 222 y 223. Cuando se desea proporcionar inyección de agua pulverizada, las boquillas 222 y 223 se instalan en el bastidor exterior 224 y el tubo de flujo 218 se instala y se extiende desde la purga 214 de la octava etapa al colector de aire 213. La válvula 210 se acopla entre una fuente de agua y el colector de agua 212, y el colector de agua 212 se acopla al colector de aire 213.

La figura 8 es una vista lateral de un motor LM6000 250 de la General Electric Company, modificado para incluir inyección de pulverización. El motor 250 incluye una admisión 252, un compresor de baja presión 254, y un bastidor delantero 256, y un compresor de alta presión 258. El motor 250 está modificado para incluir un aparato de inyección de agua pulverizada 260, que incluye un colector de aire 262 y un colector de agua 264 acoplado a veinticuatro boquillas radialmente separadas 266 montadas en un bastidor exterior del motor 268. Las boquillas 266 pulverizan agua en el motor 250 en una posición situada entre el compresor de baja presión 254 y el compresor de alta presión 258. El aparato de inyección 260 también incluye un conectador 270 para conectarse a una purga 272 de la octava etapa del compresor de alta presión 258, y un tubo 274 que se extiende desde el conectador 270 al colector de aire 262. Aunque no se muestra en la figura 8, se puede acoplar un intercambiador de calor (aire a aire o agua a aire) al tubo 274 para reducir la temperatura del aire suministrado al colector de aire 262. Con propósitos ilustrativos, las boquillas 276 se muestran aseguradas a la admisión 252 del compresor de baja presión 254. Los colectores de aire y agua también se pueden acoplar a las boquillas 276 para proporcionar una inyección de agua pulverizada al compresor de presión pre-baja. Los componentes del aparato de inyección 260 descritos mas arribas se fabrican de acero inoxidable.

El compresor de alta presión 258 incluye álabes de estator que típicamente no están conectadas a tierra en el bastidor 268. Cuando se utiliza en combinación con la inyección de agua pulverizada, se ha encontrado que puede ser necesario conectar a tierra, al menos, algunos de estos álabes que entran en contacto con el agua pulverizada. Con la extensión requerida y utilizando, por ejemplo, grasa de grafito, tales álabes se pueden conectar a tierra en el bastidor 268. Esto es, la grasa de grafito se puede aplicar al área de los rodamientos de tales álabes. Por ejemplo, se puede usar grasa de grafito en la admisión del álabe de guiado y en cada álabe aguas abajo en la segunda etapa. En funcionamiento, una porción de la grasa se calienta y se disipa, y el grafito permanece para proporcionar un trayecto conductor desde el álabe al bastidor 268.

También se debe entender que si se puede suministrar agua con presión suficiente a las boquillas de inyección de agua pulverizada, puede que no sea necesario suministrar aire a alta presión a las boquillas. Por lo tanto, se contempla que se puede eliminar la purga en la octava etapa si se encuentra disponible dicha agua a alta presión.

La figura 9 es una vista en perspectiva del conectador 270 para conectar la purga 272 de la octava etapa del motor 250. El conectador 270 se configura para roscarse en aplicación al bastidor 268 del motor, e incluye una abertura 274 normalmente cerrada por un perno 276. Cuando se desea proporcionar aire de purga al colector de aire 262, se retira el perno 266 y se acopla el tubo 274 al conectador 270 utilizando una brida correspondiente en el extremo del tubo 274 que se acopla a la superficie 278 del conectador 270. Las aberturas 280 de pernos permiten que la brida correspondiente del tubo se atornille al conectador 270.

La figura 10 es una vista en corte transversal del motor 250 e ilustra boquillas 266. Las boquillas 266 se configuran de manera que el agua inyectada en el flujo de en un compresor de alta presión 258 proporcione unas reducciones de temperatura radial y circunferencial sustancialmente uniformes en el escape del compresor de alta presión 258. Las boquillas 266 incluyen un conjunto 282 de boquillas largas y un conjunto 284 de boquillas cortas. En la configuración que se muestra en la figura 10, se sitúa al menos una boquilla corta 284 en una posición radialmente intermedia entre dos boquillas largas 282 alineadas radialmente. Las boquillas cortas 284 están aproximadamente a ras con la circunferencia del trayecto de flujo y las boquillas largas 282 se extienden aproximadamente 10,16 cm en el trayecto del flujo. Por supuesto, se pueden utilizar otras longitudes de boquillas dependiendo de los resultados de funcionamiento deseados. En una implantación específica, la boquilla 284 se extiende aproximadamente 1,1 cm en el trayecto de flujo, y la boquilla 282 se extiende 9,36 cm en el trayecto de flujo. La relación de agua entre las boquillas cortas 284 y las boquillas largas 282 (por ejemplo, 50/50) también se puede seleccionar para controlar el enfriamiento resultante en el escape del compresor.

El detector de temperatura para obtener la temperatura en la admisión del compresor de alta presión (es decir, la temperatura T25) está alineado con una boquilla larga 282. Al alinear tales detectores de temperatura con una boquilla larga 282, se obtiene una medición de temperatura mas precisa que cuando se tiene alineado dicho detector con una boquilla corta 284.

Las figuras 11 y 12 ilustran una de las boquillas 266. Las boquillas largas y cortas 282 y 284 solamente se diferencian en longitud. La boquilla 266 incluye un cabezal 286 que tiene una boquilla de aire 288 y una boquilla de agua 290. La boquilla de aire 288 se acopla a un tubo de aire (no mostrado) que se extiende desde la boquilla 288 al colector de agua 262. La boquilla de agua 290 se acopla a un tubo de agua (no mostrado) que se extiende desde la boquilla 290 al colector de agua 264. La boquilla 266 también incluye un vástago 292 y una brida de montaje 294 para montar la boquilla 266 a la bastidor 262. Una porción de montaje 296 del vástago 292 facilita la aplicación de la boquilla 266 al bastidor 262.

El vástago 292 está formado por un conducto tubular exterior 298 y un conducto tubular interior 300 situado en el interior del conducto 298. El aire fluye en la boquilla 288 y a través del conducto exterior 298 y el conducto interior 300. El agua circula en la boquilla 290 y a través del conducto interior 300. La mezcla de aire y agua se produce en la porción de vástago 302 formada por un único conducto 304. En el extremo 306 de la boquilla 266 está abierto de manera que el agua y la mezcla de aire puedan circular saliendo de dicho extremo 306 y al trayecto de flujo.

La figura 13 es un diagrama esquemático de un circuito de control 350 para controlar el suministro de agua y aire a las boquillas 282 y 284 en el motor 250 para la inyección de agua en el bastidor (en la parte trasera mirando hacia delante) así como la inyección de agua en la admisión (parte trasera mirando hacia delante). Como se muestra en la figura 13, el agua desmineralizada se bombea por medio de la bomba de agua accionada por motor. Los detectores 354 se acoplan a la tubería de suministro de agua, tal como un transformador lineal diferencial variable, un sensor de presión y una válvula de medición de agua. Se conecta una válvula de alivio 356 en paralelo con la bomba 352, y se acopla un medidor de flujo 358 en serie con la bomba 352. También se acopla una tubería 360 de purga de aire a la tubería de suministro de agua. Hay controles 362 para una válvula solenoide normalmente cerrada para el funcionamiento de la purga de aire. También se proporciona un filtro 366 en la tubería de suministro de agua y se acoplan sensores 368 con válvulas 370 (válvula manual de bloqueo) de característica normalmente abierta, en paralelo con el filtro 366.

Las válvulas normalmente abiertas 372, acopladas a los controles 374, están dispuestas para permitir que el agua drene de la tubería de suministro de agua al sistema de drenaje principal de agua. El agua en la tubería de suministro de agua circula a través de un intercambiador de calor 376 que recibe aire desde la purga de la octava etapa del compresor de alta presión 258.

Para la inyección de agua de cuadro, hay múltiples sensores 378 y válvulas de control 380 para controlar el suministro de agua a las boquillas 282 y 284. El circuito 350 también incluye un acumulador de agua 382. Para la inyección de agua en la admisión, los sensores 378 y la válvula de control 384 controlan el suministro de agua a las boquillas 282.

Las letras de designación en la figura 13 tienen el siguiente significado

T = posición de la medición de temperatura

P = posición de la medición de presión

PI = Indicador de presión

N/C = normalmente cerrado

N/O = normalmente abierto

PDSW = conmutador de presión diferencial

PDI = indicador de presión diferencial

DRN = drenaje

ZS = conmutador de posición

WMV = válvula de medición de agua

PRG = purga

LVDT = transformador lineal diferencial variable

En la figura 13, una línea continua es una tubería de suministro de agua, una línea de trazos dobles es una tubería de drenaje y una línea continua que tiene marcas es una tubería eléctrica. Las cajas identifican las interfases entre el sistema de suministro de agua y el motor. Las válvulas de medición de agua 286 y otras válvulas de control/medición 288, y un orificio 290 (para la inyección de agua en la admisión) de utilizan en conexión con el control del flujo de agua por medio del circuito 350.

Más adelante se establecen los controles para varios modos de operación del circuito 350 en conexión con el motor 250. En la descripción que sigue, las designaciones Z_SPRINTON, Z_SPRINT y Z_RAISE tienen los siguientes significados.

Z_SPRINTON = activación del suministrador del sistema/control de secuencia para interrupción del suministro de H_{2}O al motor.

Z_SPRINT= Secuencia límite de programación de lógica de control del núcleo que sigue a la purga del intercambiador de calor utilizado para la inyección de agua, apagado y funciones de protección.

Z_RAISE = Z_SPRINT más temporizador de llenado del colector completo utilizado para las funciones de alarma.

Además, un * indica que la variable seleccionada se puede sintonizar.

Autorización de preinyección/activación de purga (AUTO O MANUAL)

1.: T2 >30F* = ON T2 < 27F* = OFF.

2.: Presión de carga del acumulador > 275,6 kPa *.

3.: Operador establece Z_SRINTON en TRUE purga del intercambiador de calor para iniciar la derivación.

: AUTO en cualquier momento consistente con el tiempo de purga requerido.

: MANUAL en la iniciación del punto de inyección de agua.

4.: Válvulas de drenaje cerradas.

Autorizaciones de Inyección (autorizaciones de preinyección 1-4 satisfechas)

1.: PS3 344,5 kPa * o menor del límite programado.

2.: Regulador T2 no activo (solamente MANUAL).

3.: Presión del aire de la octava etapa > (PS3/4).

4.: Temporizador de purga de intercambiador de calor completado.

5.: Temperatura del aire de la octava etapa menor de 148,89ºC*.

6.: Temperatura del agua menor de 121,11ºC *.

Secuencia de Modo MANUAL

1.: Operador establece potencia para satisfacer Autorizaciones de inyección 1-2 anteriores y establece Z_SPRINTON = T (TRUE = ON).

2.: Bomba de agua conectada y válvula de purga de intercambiador de calor en derivación (flujo de agua mínimo).

3.: Purga de intercambiador de calor de agua reducido a la temperatura de aire de la octava etapa < 148,89ºC (5 min. *).

4.: Z_SPRINT= T (TRUE = ON) SPRINT válvula de cierre se abre (derivación del intercambiador de calor desviado a motor), mínimo flujo programado al motor.

5.: Flujo llena el colector con el flujo de agua programado mínimo durante 60 seg. *.

: Z_RAISE = T (TRUE = ON).

6.: Operador eleva flujo SPRINT (1,89 l/s) al nivel máximo programado.

7.: Operador eleva potencia al nivel deseado o como esté limitado por MW, T3, T48, Ps3, XN25R3 o XN25R.

8.: Potencia y agua disminuidos como se desee entre límites programados.

9.: En PS3 413,4 kPa debajo del límite programado base se establece Z_SPRINT = F y SPRINT en rampa hacia abajo (- 7,57 l/s) al flujo mínimo programado y apagado.

10.: Activar Z_SPRINTON a OFF (FALSE = OFF) SPRINT válvula de cierre desconectada desvía agua del motor a la derivación, bomba agua desconectada, válvula de purga del intercambiador de calor en derivación, se abren los drenajes de sistema y se purga la tubería hasta que drene limpio y se cierra el drenaje.

Modo AUTO (autorizaciones satisfechas)

1.: Operador establece Z_SPRINTON en ON (TRUE = ON) a tiempo para completar la purga del intercambiador de calor antes de la activación de las autorizaciones SPRINT.

2.: Z_SPRINT = T se iniciará automáticamente cuando se alcance el punto de autorización.

3.: Válvula de cierre SPRINT se abre (desvía agua al motor desde la derivación).

4.: Colector se llena con programación mínima (retraso de 60 segundos *) Z_RAISE = T, a continuación el agua entra en rampa (1,89 l/s) hasta el flujo programado máximo.

5.: Rampa de potencia al nivel deseado y limitado por MW resp. T2 Limiter, T3, T48, Ps3, XN25R3 o XN25R.

6.: Potencia disminuida como se desee a 413,4 kPa * por debajo del límite programado base (T_P3BNVG) antes de bajada de rampa SPRINT (- 7,57 l/s) a programación de flujo mínimo y se produce el apagado.

7.: Activar Z_SPRINTON a OFF (FALSE = OFF) SPRINT válvula desconectada, válvula de purga de intercambiador de calor a derivación, bomba de agua desconectada y drenajes del sistema abiertos y tubería de purga hasta limpia.

Requisitos de alarma

Z_RAISE = TRUE (TRUE = ON) Temporizador de llenado del colector satisfecho y SPRINT circulando para ALARMS.

1.: Error de flujo (Idemand - metered) > 11,35 l * durante 5 seg * - alarma.

2.: Temperatura de aire de etapa octava > 121,11ºC * durante 5 segundos * - alarma.

Requisitos de cerrado del agua

Z_SPRINT = F inicia el cerrado del agua por medio de la rampa de los límites de control y activa el cerrado del agua.

1.: Error de flujo (demanda - medición) > 22,71 l/m * durante 10 segundos * - establecer Z_SPRINT = F.

2.: Pérdida de presión debajo de 165,35 kPa * con demanda de agua > 22,71 l/m* establecer Z_SPRINT = F.

3.: Pérdida de presión debajo de 344,5 kPa * con demanda de agua > 37,85 l/m * establecer Z_SPRINT = F.

\newpage

4.: Temperatura aire en 8ª etapa mayor de 148,89ºC *.

: establecer Z_SPRINT = F.

5.: Presión del aire de la octava etapa < (PS3/4).

: establecer Z_SPRINT = F.

6.: T2 < 27F - - - establecer Z_SPRINT = F.

7.: PS3 no en 413,4 mPa * de programación de límite Ps3

: establecer Z_SPRINT = F.

8.: Cualquier apagado de turbina de gas, pérdida de carga o trabajado en vacío - - establecer Z_SPRINT = F (control de rampa de agua de derivación).

9.: Interruptor del circuito no cerrado - - establecer Z_SPRINT = F (control de rampa de agua de derivación).

La figura 14 es un gráfico que ilustra una programación de agua ejemplar para la disposición de motor que se ilustra en la figura 8, y la figura 15 es un gráfico que ilustra la producción, relación de calor, flujo y agua suministrada al motor que se ilustra en la figura 8, a distintas temperaturas ambientales. La cantidad de agua suministrada a las boquillas varía dependiendo, por ejemplo, de la temperatura ambiente así como en el tamaño de las gotitas deseadas. Se ha encontrado que, al menos en una aplicación, un tamaño de gotita de 20 micrómetros proporciona resultados aceptables. Por supuesto, los parámetros de funcionamiento del motor en el cual se utiliza la inyección de agua pulverizada, los parámetros de funcionamiento deseados y otros factores conocidos por los especialistas en la técnica, afectan a la cantidad de inyección de agua pulverizada.

La figura 16 es un gráfico que ilustra el flujo de cavidad de la turbina de alta presión respecto a la velocidad corregida del escape del compresor de alta presión del motor que se ilustra en la figura 8. Se utiliza un límite adicional de control del motor con el motor que se ilustra en la figura 8, para hacer que las temperaturas de las cavidades internas de la turbina de alta presión no sean demasiado elevadas como resultado de la ingestión de aire del trayecto de gas de la turbina de alta presión. Las cavidades de la turbina de alta presión se enfrían con aire del compresor de alta presión con un flujo y un nivel de presión adecuados, de manera que siempre exista un flujo de aire positivo desde la cavidad interna al trayecto de gas de la turbina de alta presión, con lo cual se elimina la posibilidad de ingestión. Puesto que el objetivo de la inyección de agua en los componentes de compresión es enfriar la temperatura T3 de manera que el motor se pueda empujar por obturación para incrementar la potencia, el sistema de alta presión funciona mas rápido de lo que sería normal sin la inyección de agua. Sin embargo, se reduce el aire parásito proporcionado por el compresor para enfriar las cavidades de la turbina. La curva ilustrada en la figura 16 muestra la relación del flujo de aire de enfriamiento del compresor de alta presión en función de la velocidad de compresor de alta presión corregida a la temperatura de escape del compresor de alta presión.

La temperatura corregida de escape del compresor de alta presión está definida por:

Velocidad física HP * raíz cuadrada (temperatura estándar internacional/temperatura de escape HPC) o

XN25R3 = XN25*(T_{STD}/T3)^{1/2}

en donde T_{STD} = 15ºC

Como se muestra en la curva ilustrada en la figura 16, hay un flujo mínimo de cavidad de turbina de alta presión que se requiere para asegurar que no existe ingestión en la cavidad de la turbina de alta presión. Este nivel de flujo y su relación con la velocidad corregida de escape del compresor de alta presión definen el XN25R3 con el que se debe controlar el motor como límite máximo.

Con respecto al tamaño de las gotitas, en cada caudal se debe producir un tamaño mínimo de gota para reducir el tiempo de resistencia para la evaporación completa, así como para mantener los tamaños de gota los suficientemente pequeños para impedir la erosión de los álabes. Más adelante se establece una manera para analizar el tamaño de las gotitas. Más específicamente, y para un análisis preliminar, se utiliza un modelo de 3D de un sector de 30º del conducto sobrealimentador LM-6000 para determinar la velocidad y el campo de temperaturas en el conducto. No se considera ningún torbellino en la admisión del conducto y las puntas de las boquillas se encuentran situadas en el bastidor exterior, en la conexión de admisión del conducto sobrealimentador orientada radialmente hacia dentro. El eje de la boquilla era ortogonal a la superficie del alojamiento exterior y el punto de inyección estaba aproximadamente a 0,508 cm, radialmente hacia dentro, desde la superficie del bastidor. Se tomaron los valores del tamaño de las gotas generadas por la boquilla para que fuesen los valores más pequeños del tamaño de gota RR, proporcionado por la ecuación 1. También se aceptaron dos valores menores (es decir, 10,5 micrómetros y 7,5 micrómetros) para determinar los efectos de tamaño de gotas menores de aquellos típicamente generados por las boquillas pulverizadoras de aire. Los resultados se establecen en la figura 17. Se aceptó la utilización de 36 boquillas de 1,89 l/m cada una, es decir, 3 en cada sector de 30º.

(1)Fracción \ de \ volumen \ superior \ al \ diámetro \ d \ = \ exp \ - \ (d/d_{RR})^{N}

La relación entre el flujo de agua en la admisión del compresor de alta presión y la etapa para completar la evaporación se muestra en la figura 18.

Los datos en la figura 18 se pueden utilizar para determinar el tamaño de gota máximo aproximado que tiene que estar presente en la admisión del compresor de HP con el fin de permitir la evaporación completa en la etapa indicada. Los tamaños de gota obtenidos también se muestran en la figura 18. Este cálculo asume que el tamaño de gota medio obtenido del rearrastre en la superficie mojada es el mismo que el tamaño de gota depositado. Debido a una densidad creciente del aire y a una menor cantidad de líquido presente en el compresor, el tamaño real de rearrastre de gota será menor que los que se muestran en la figura 18. Aunque puede parecer innecesario generar gotas menores con boquillas de pulverización que las que se generan en el compresor por medio del rearrastre, esto no es así puesto que cuanto menor sea las gotas generadas por las boquillas menor será la fracción del caudal de admisión del compresor que se deposita en los álabes de guiado de la admisión de alta presión. Además, la fracción del área mojada en las etapas en las cuales estaba indicada el mojado no se puede determinar con ninguna precisión. Por lo tanto, es posible que se encontrase presente menos agua en el compresor de alta presión que la que se implica por las temperaturas de bastidor "mojado".

La posición de la evaporación completa se muestra en la figura 19. Los datos que se muestran que se puede evaporar aproximadamente un 20% más de inyección de agua en una etapa dada que la que se calculó en los análisis preliminares.

Se dispusieron los mismos caudales de boquillas y tamaños iniciales de gota que los que se proporcionan en la figura 19 en la conexión de admisión del compresor de baja presión, para evaluar la posición de la evaporación completa en el compresor de alta presión. Los tamaños de gota menores generados por las boquillas producen solamente una fracción del flujo de las boquillas que se deposita en los álabes de guiado de admisión del compresor de baja presión. Aunque el flujo depositado actúa de la misma manera, la fracción que no se deposita se evapora más rápidamente en el compresor de baja presión y en el conducto sobrealimentador.

El procedimiento para calcular la evaporación del agua inicialmente depositada en el compresor de baja presión es el mismo que el que se ha discutido previamente. Se calculó la evaporación de la fracción en forma de gotas utilizando un modelo que determina la posición de la evaporación completa de las gotas. Esta última se situó en el compresor de baja presión debido al pequeño tamaño recortado del flujo no depositado. Se calculó que este tamaño recortado era 13 micrómetros en la conexión de admisión a la baja presión, utilizando un análisis de trayectoria. Los resultados de las primeras cuatro boquillas en la figura 19 se muestran en la figura 20, en la cual se inyecta de nuevo un total de 68,3 l/m inicialmente a 1, 89 l/m por boquilla.

Si se utiliza 13 micrómetros en lugar de un tamaño recortado de 10 micrómetros en la boquilla 3 en la figura 20 como calibración para el efecto del tamaño recortado de gotas en la deposición inicial, entonces la evaporación completa se efectuaría en la etapa 11 en lugar de en la etapa 9-10 del compresor de alta presión. En comparación con la inyección en la admisión del conducto sobrealimentador, se realiza una evaporación algo menor en el conducto sobrealimentador debido a un incremento en el tamaño de gota media en el conducto sobrealimentador con la inyección en la admisión de baja presión, mientras que la evaporación en el compresor de baja presión produce una evaporación anterior en el compresor de alta presión.

Con respecto a la selección de boquillas y al rendimiento, el funcionamiento de la presión seleccionada y de las boquillas de pulverización de aire y su efecto en la evaporación en el compresor de alta presión requiere conocimiento de la distribución temporal del tamaño de gotas generadas por las boquillas en el ambiente en las cuales se van a utilizar. La distribución temporal de tamaño tiene que medirse en la densidad de aire de interés. Hay que medir la distribución espacial de tamaño de gotas, fracción de volumen de líquido y perfil de velocidad de gota para calcular el tamaño de gota temporal.

Se puede utilizar un túnel de pulverización para medir la eficiencia de las boquillas. En una prueba ejemplar, se suministra al túnel hasta 3,17 kg/s de aire con presiones suficientes para que se correspondan con la densidad del aire del conducto sobrealimentador de 2,08 Kg/m^{3}. Se varió la velocidad de aire en el túnel de 13,7 - 22,8 m/s para eliminar la circulación inversa de la pulverización en el límite de pulverización exterior y mantener el diámetro de pulverización lo suficientemente pequeño para evitar choques de gotas en las ventana de cuarzo. Se mantuvo la temperatura por debajo de 33ºC para eliminar la necesidad de tener en cuenta la evaporación entre la boquilla y las posiciones de la medida.

Se obtuvo La distribución radial de las velocidades de gotas en la dirección axial de las mediciones a partir de las velocidades de aire de los caudales de flujo de aire de pulverización respectivos, pero sin flujo de agua. Los valores radiales del tamaño de gota RR se multiplican por los valores radiales de la fracción de volumen líquido y las velocidades de gota axiales con el producto resultante que a continuación se integra en el radio de pulverización. Después de dividir la fracción de volumen de líquido medio integrado y la velocidad axial respecto a la sección axial de la pulverización, se obtiene el tamaño de gota RR circulante medio.

La eficiencia de la boquilla de aire atomizado es mejor que la que la de la boquilla de pulverización a presión. A 930,8 kPag, 24 boquillas de pulverización de aire con una inyección total de 40,85 l/m permiten la evaporación en el compresor de alta presión, mientras que las boquillas de pulverización por presión a 20684, 3 kpa producen 18,9 l/m de los 90,85 l/m para que se rompan a través del compresor de alta presión. Con el fin de evaporar 90,15 l/m en el compresor de alta presión con las boquillas de pulverización por presión a 7,78 l/m por boquilla, al menos algunas de las configuraciones de boquilla tendrían que funcionar a 34473,8 kPa. Con caudales menores por boquilla, el rendimiento de la boquilla de pulverización de aire mejora mientras el rendimiento de las boquillas de pulverización por presión disminuye si la configuración de las boquillas no se cambia. Las boquillas se encuentran comercialmente disponibles en FST Woodward, Zeeland; Michigan 49464, EE.UU.

De nuevo, y en sumario, la inyección de agua pulverizada que se ha descrito más arriba proporciona el resultado importante de que se puede obtener una producción de potencia incrementada utilizando el mismo límite de control de temperatura de descarga del compresor. Esto es, inyectando agua pulverizada atomizada delante del sobrealimentador y/o del compresor de alta presión, la temperatura en la admisión del compresor de alta presión se reduce significativamente. Por lo tanto, utilizando el mismo límite de control de temperatura de descarga del compresor, el compresor de alta presión puede bombear más aire, alcanzando una relación de presión superior. Esto resulta en una producción más alta y en una eficiencia mejorada. Además de la producción de potencia incrementada, la inyección de agua pulverizada que se ha descrito más arriba proporciona la ventaja de un menor consumo de agua en comparación con el interenfriamiento bajo las mismas condiciones.

Aunque la invención se ha descrito en términos de realizaciones especificas, los especialistas en la técnica reconocerán que la invención se puede practicar con modificaciones que se encuentran dentro del espíritu y en el alcance de las reivindicaciones.

Claims

1. Un motor de turbina (10, 50, 82, 84, 200) que comprende:

un compresor de baja presión (12, 52, 202) que comprende una admisión y un escape.

un compresor de alta presión (14, 54, 86, 204) que comprende una admisión y un escape, estando el citado compresor de alta presión (14, 54, 86, 204) en relación de flujo axial y aguas abajo del citado compresor de baja presión (12, 52, 202);

una cámara de combustión (16, 56, 88) situada aguas abajo del citado compresor de alta presión (14, 54, 86, 204);

una turbina de alta presión (18, 58, 90) situada aguas abajo de la citada cámara de combustión (16, 56, 88);

una turbina de baja presión (20, 60) en relación de flujo axial y aguas debajo de la citada turbina de alta presión (18, 58, 90);

un sistema de inyección de agua (24, 64, 98, 206) que comprende:

una pluralidad de boquillas (222, 223) para inyectar agua en un flujo de gas que pasa por el citado motor;

una fuente de agua;

un colector de agua (212);

una tubería de suministro de agua que se extiende desde la citada fuente de agua al citado colector de agua (212);

una válvula de medición de agua (210) para controlar el flujo a través de la citada tubería de suministro de agua;

un colector de aire (213);

un tubo de flujo de aire (218) acoplado al citado compresor de alta presión (14, 54, 86, 204) y al citado colector de aire (213):

una pluralidad de tubos de alimentación de aire (220) que se extienden desde el citado colector de aire (213) a las citadas boquillas (222, 223) ; y

una pluralidad de tubos de alimentación de agua (221) que se extienden desde el citado colector de agua (212) a las citadas boquillas (222, 223);

estando caracterizado el citado sistema de inyección de agua porque la citada pluralidad de boquillas (222, 223) comprenden una pluralidad de boquillas largas (223) y de boquillas cortas (222), estando dispuestas las citadas boquillas (222, 223) en una configuración alternada de manera que al menos una de las citadas boquillas cortas (222) se encuentra en posición circunferencialmente intermedia entre cada pareja de boquillas largas (223), lo que produce una reducción sustancialmente uniforme de la temperatura del flujo de gas en el escape del compresor de alta presión.

2. Un motor (10, 50, 82, 84, 200) de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el citado compresor de baja presión (12, 52, 202) es un compresor de cinco etapas y el citado compresor de alta presión (14, 54, 86, 204) es un compresor de catorce etapas.

3. Un motor (10, 50, 82, 84, 200) de acuerdo con la reivindicación 2, que comprende, además, una válvula (214) de purga de aire en una octava etapa del citado compresor de alta presión (14, 54, 86, 204), estando situada la citada válvula de purga (214) para controlar el flujo de aire al citado colector de aire (213).

4. Un motor (10, 50, 82, 84, 200) de acuerdo con la reivindicaciones 1, 2 ó 3, que comprende, además, un intercambiador de calor (216) acoplado al citado tubo de flujo de aire (218).

5. Un motor (10, 50, 82, 84, 200) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el flujo de agua y aire a las citadas boquillas (222, 223) está controlado para que el agua se atomice en gotitas.

6. Un motor (10, 50, 82, 84, 200) de acuerdo con la reivindicación 5, en el que las gotitas tienen un diámetro de, aproximadamente, 20 micrómetros.

7. Un motor (10, 50, 82, 84, 200) de acuerdo con la reivindicación 1, en el que las citadas boquillas (222, 223) se encuentran aguas arriba respecto a la citada admisión del compresor de alta presión.

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8. Un motor (10, 50, 82, 84, 200) de acuerdo con la reivindicación 1, en el que las citadas boquillas (222, 223) se encuentran en la citada admisión del compresor de alta presión.

9. Un motor (10, 50, 82, 84, 200) de acuerdo con la reivindicación 1, en el que las citadas boquillas (222, 223) se encuentran aguas arriba respecto a la citada admisión del compresor de baja presión.

10. Un motor (10, 50, 82, 84, 200) de acuerdo con la reivindicación 1, en el que las citadas boquillas (222, 223) se encuentran en la citada admisión del compresor de baja presión.

11. Un motor (10, 50, 82, 84, 200) de acuerdo con la reivindicación 1, en el que las citadas boquillas (222, 223) son intermedias entre el citado escape del compresor de baja presión y la citada admisión del compresor de alta presión.

12. Un motor (10, 50, 82, 84, 200) de acuerdo con la reivindicación 1, en el que las citadas boquillas (222, 223) están situadas aguas arriba respecto a la citada admisión del compresor de baja presión.

13. Un motor (10, 50, 82, 84, 200) de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende, además, un interenfriador en relación de flujo en serie con el citado compresor de baja presión (12, 52, 212) y el citado compresor de alta presión (14, 54, 86, 204), comprendiendo el citado interenfriador una admisión acoplada al escape citado del compresor de baja presión, para recibir al menos una porción de gas que circula desde el citado escape del compresor de baja presión y un escape acoplado a la citada admisión del compresor de alta presión.

14. Un motor (10, 50, 82, 84, 200) de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el citado compresor de alta presión (14, 54, 86, 204) y la citada turbina de alta presión (18, 58, 90) se acoplan por medio de un primer árbol, y el citado compresor de baja de presión (12, 52, 202) y la citada turbina de baja presión (20, 60) se acoplan por medio de un segundo árbol.

15. Un motor (10, 50, 82, 84, 200) de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el citado compresor de alta presión (14, 54, 86, 204) comprende una pluralidad de estatores, estando conectados a tierra eléctricamente los citados estatores.

16. Un motor (10, 50, 82, 84, 200) de acuerdo con la reivindicación 15, que comprende un bastidor conectado a tierra y el citado compresor de alta presión (14, 54, 86, 204) comprende una pluralidad de álabes de estator variables, estando acoplados eléctricamente a tierra al menos algunos de los citados álabes de estator al citado bastidor conectado a tierra.

17. Un motor (10, 50, 82, 84, 200) de acuerdo con la reivindicación 16, que comprende, además, un aparato de inyección de agua (24, 64, 98, 206) para inyectar agua dentro del flujo de gas en una posición situada aguas arriba respecto al citado compresor de alta presión (14, 54, 86, 204).