ES2270565T3 - Tubo de interconexion para camaras de combustion de turbinas de gas. - Google Patents
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Abstract
Un sistema de combustión de motor de turbia de gas comprende una pluralidad de cámaras de combustión (100) interconectadas por tubos de interconexión adaptados para pasar una llama de encendido (110) de una cámara de combustión encendida a otra cámara de combustión par ala puesta en funcionamiento de la cámara de combustión. Cada tubo de interconexión comprende un chorro de aire de refrigeración (103, 105) para introducir aire en el conjunto para refrigerar sus superficie orientada hacia la llama de encendido, y una camisa de refrigeración (107) que envuelve el conjunto de tubos de interconexión en la región en la se abre dentro de la cámara de combustión. La camisa de refrigeración dirige el aire de refrigeración (109) para refrigerar la superficie externa del conjunto, el interior de la camisa y la superficie interior de la pared de la cámara de combustión (101) adyacente a la camisa de refrigeración.
Description
Tubo de interconexión para cámaras de combustión
de turbinas de gas.
Esta invención está relacionada con los sistemas
de las cámaras de combustión de los motores de turbinas de gas, y
en particular con los sistemas de combustión en los cuales las
cámaras de combustión están interconectadas mediante tubos de
interconexión del encendido para los fines del encendido.
En un motor de turbina de gas industrial típico,
se encuentran dispuestas varias cámaras de combustión (denominadas
de ahora en adelante como combustores) en paralelo alrededor del
motor para recibir el flujo de aire presurizado desde la etapa del
compresor como oxidante para el combustible gaseoso o líquido que se
quema en las mismas. Por ejemplo, pueden existir hasta ocho
combustores separados con un ángulo igual repartidos alrededor de la
línea central del motor en una distancia igual dada. Para evitar la
necesidad de dispositivos de encendido en cada combustor para
iniciar la combustión en el arranque, ha llegado a ser una práctica
común el interconectar los combustores con tubos, denominados como
tubos de interconexión, los cuales están adaptados para hacer pasar
la llama desde un combustor a otro combustor. Un problema que se ha
experimentado con este tipo de configuración es que los tubos de
interconexión de los combustores llegan a deteriorarse con el flujo
de gases calientes durante el funcionamiento normal después del
arranque. Una forma de reducir este problema es el expuesto y
reivindicado en nuestra patente europea número 0503018. En esta
configuración, el aire es introducido en el tubo de interconexión
de una forma tal que esté restringido en su flujo sobre la
superficie interior del tubo de interconexión adyacente a su
conexión con el combustor, enfriando por tanto el tubo de
interconexión sin afectar negativamente al rendimiento del
encendido transversal, y ampliando por tanto su vida útil de
trabajo.
Aunque esta configuración ha probado ser una
mejora significativa con respecto a los diseños de los tubos de
interconexión anteriores, se ha encontrado en la práctica que sigue
existiendo la posibilidad de sobrecalentamiento de la pared del
combustor adyacente a la posición en la que se introduce el tubo de
interconexión.
El documento
US-A-5001896 expone un conjunto de
tubos de interconexión para la interconexión de los combustores, en
el cual se utiliza un tubo de interconexión del encendido de doble
pared, estando la pared exterior perforada para la admisión de aire
de refrigeración en el espacio situado entre las paredes, y en donde
la pared interior está provista con aberturas para introducir aire
en el flujo de gas dentro del tubo de interconexión. La pared
exterior se acopla en un saliente de una brida anular que sobresale
a través de la pared del combustor y hacia dentro del combustor,
mientras que la pared interior del tubo de interconexión del
encendido sobresale más allá de su pared exterior dentro de la
brida. Aunque esta configuración mejora la refrigeración del tubo,
existe todavía el problema del calentamiento localizado en la brida
dirigida hacia dentro, así como también en la pared del combustor
que lo rodea, y en la pared interior del tubo de interconexión que
se proyecta dentro de la brida. En condiciones extremas, este
calentamiento localizado podría provocar el fallo de estos
componentes, dando lugar a que una serie de fragmentos de metal
fueran expulsados al interior de la turbina, provocando posiblemente
a su vez el fallo de la misma. Aunque los riesgos de dicho fallo son
muy bajos, la probabilidad de un fallo prematuro del combustor a
través del sobrecalentamiento alrededor de la brida podría ser
considerablemente mayor.
La presente invención intenta evitar estos
problemas y por tanto mejorar la vida útil de funcionamiento del
sistema de combustión.
De acuerdo con la invención, se proporciona un
sistema de combustión de un motor de turbina de gas, en el cual los
combustores adyacentes están conectados mediante un conjunto de
tubos de interconexión del encendido, adaptado para hacer pasar una
llama de encendido desde un combustor encendido hasta otro
combustor, en el cual cada conjunto de tubos de interconexión
comprende medios de admisión para la introducción de aire para
enfriar de forma laminar una superficie interna enfrentada a la
llama de encendido del conjunto del tubo de interconexión,
caracterizado porque tiene medios de refrigeración alrededor del
conjunto del tubo de interconexión del encendido en su conexión a
un combustor, y adaptado para enfriar de forma laminar una
superficie exterior del conjunto del tubo de interconexión del
encendido, creando por tanto una refrigeración laminar a través de
ambas superficies interior y exterior del conjunto del tubo de
interconexión del encendido.
De acuerdo también con la invención, se
proporciona un sistema de combustión de un motor de turbina de gas,
que comprende:
una pluralidad de combustores,
un conjunto de tubo de interconexión del
encendido para hacer pasar una llama de encendido entre los
combustores adyacentes, en el que cada conjunto del tubo de
interconexión del encendido incluye un tubo extremo para hacer
pasar la llama de encendido al interior y exterior del combustor,
teniendo el tubo extremo una superficie interior y una superficie
exterior, y
medios para alimentar el aire de refrigeración
al interior del conjunto del tubo de interconexión del encendido
para refrigerar de forma laminar la superficie interna del tubo
terminal,
caracterizado porque el tubo terminal está
conectado al combustor a través de un manguito que se extiende
desde una pared del combustor para rodear y solapar el tubo terminal
sobre una parte de su longitud adyacente al combustor, para definir
por tanto un espacio libre anular entre la superficie exterior del
tubo terminal y una superficie interior del manguito, teniendo el
manguito medios de entrada para introducir el aire de refrigeración
dentro del espacio libre anular, para enfriar de forma laminar tanto
la superficie exterior del tubo terminal adyacente a la pared del
combustor como la superficie interior del manguito.
Preferiblemente, el manguito está provisto con
una pluralidad de abertura a su alrededor, adyacentes a un punto en
el cual el manguito está conectado al tubo terminal, de forma que el
aire sea introducido para enfriar de forma laminar la superficie
exterior del tubo terminal.
Preferiblemente, cada tubo terminal está
dispuesto de forma que no se extienda más allá del manguito en el
interior del combustor. Más preferiblemente, el solapado entre el
manguito y el tubo terminal no se extiende sobre la extensión de la
longitud completa del manguito, por lo que existe un espacio libre
entre la superficie interna de la pared del combustor y el tubo
terminal. Se ha encontrado que se obtiene un excelente rendimiento
si el espacio libre que se extiende a lo largo de la longitud medido
entre el tubo terminal y la superficie interior de la pared del
combustor es de aproximadamente el doble del espacio anular entre la
superficie interior del manguito y la superficie exterior del tubo
terminal.
El manguito está dispuesto también
preferiblemente para no extenderse dentro del combustor, por lo que
el aire de refrigeración saldrá del manguito a través de una
superficie interna de la pared del combustor que envuelva al
manguito.
El conjunto del tubo de interconexión del
encendido comprende preferiblemente una configuración del tipo
expuesto en el documento EP-0503018, en el cual la
configuración del tubo de interconexión de encendido completo que
se extiende entre el primer y segundo combustores comprende una
parte del tubo de interconexión del encendido central y el primer y
segundo tubos terminales que se extienden desde el primer y segundo
combustores respectivamente, en donde un prime extremo de la parte
del tubo de interconexión central está soldado dentro del primer
tubo terminal y en el que un segundo extremo de la parte del tubo
de interconexión central está encajado a presión dentro del segundo
tubo terminal, en el que el aire de refrigeración está siendo
dirigido al interior del espacio libre anular formado entre una
superficie exterior de la parte del tubo de interconexión central y
una superficie interior de cada tubo terminal, para enfriar de forma
laminar los extremos de la parte del tubo de interconexión central
y las superficies interiores de los tubos terminales.
La presente invención incluye también una
turbina de gas que incorpora el anterior sistema de combustión.
La figura 1 reproduce la figura 2 del documento
EP-A-0503018 como arte previo, y
la figura 2 ilustra una mitad de la sección
transversal esquemática del conjunto del tubo de interconexión de
encendido de acuerdo con una realización a modo de ejemplo de la
invención.
La figura 1 muestra una vista en sección de un
sistema de combustión de una turbina de gas, de acuerdo con la
invención del documento EP-0503018. El conjunto del
tubo de interconexión se extiende entre las paredes 11 y 12 del
combustor adyacente, y comprende una parte 16 del tubo del
interconexión central, el cual en su extremo izquierdo está soldado
dentro de un tubo terminal 15 que se extiende desde la pared del
combustor 11, y en el que su extremo derecho está encajado a
presión dentro de un tubo terminal 17, que se extiende desde una
pared 12 del combustor adyacente. El aire de refrigeración 18 se
extiende a través de los agujeros 19 al interior de un espacio
libre anular o conducto 13, formado entre la superficie exterior de
cada extremo de la parte 16 del tubo de interconexión del encendido
central y la superficie interna de una parte abocinada 22 de cada
tubo terminal, para enfriar de forma laminar los extremos 20 de la
parte 16 del tubo de interconexión central y las superficies
internas de los tubos terminales 15, 17.
Para consultar los detalles adicionales de esta
invención del arte previo, se consultará la especificación
publicada, y estando incorporada aquí como referencia.
La figura 2 muestra la mitad de un conjunto de
un tubo de interconexión del encendido en un lado de un combustor
100, que se extiende desde la pared del combustor 101 hacia un
combustor adyacente (no mostrado). Se observará en la figura 1 que
cada combustor tiene un conjunto parcial macho en un lado y un
conjunto parcial hembra en el lado opuesto, en el que los dos
conjuntos parciales se acoplan conjuntamente para formar el conjunto
completo. El tubo central 102 se muestra solo en parte; su conexión
al conjunto parcial siguiente es esencialmente la misma que en el
documento EP-0503018.
El tubo central 102 está soldado en una parte
abocinada 103 del tubo terminal 104. Las aberturas 105 alrededor de
la parte abocinada adyacente a la soldadura admite un flujo de aire
de enfriamiento 106. Una boquilla anular, formada entre la parte
abocinada 103 y el extremo libre del tubo central 102, dirige el
flujo 106 a lo largo de la superficie interna del tubo terminal
104, para enfriar la superficie, y protegerla en su funcionamiento
del efecto de sobrecalentamiento de la llama en el tubo. El tubo
del refrigerante exterior está formado como un conector o manguito
107 dentro del cual se suelda el tubo terminal 104, de una forma
tal que el espacio libre anular 112 esté presente en el solape
situado entre la superficie interna del manguito 107 y la
superficie exterior del tubo terminal 104. El manguito de
refrigeración exterior 107 está fijado a la pared 101 del combustor
100, mediante soldadura, con el fin de que convierta en una
extensión integral de la pared del combustor, o por medio de una
brida con pernos o cualesquiera medios de fijación adecuados.
Se encuentra formada una pluralidad de agujeros
de entrada 108 alrededor y adyacentes a la conexión soldada entre
el manguito exterior 107 y el tubo terminal 104 para la admisión de
aire de refrigeración 109 dentro del espacio libre anular 112
intermedio. El aire de refrigeración 109 fluye a través de la
superficie exterior del tubo terminal 104, refrigerándola por tanto
y entrando en el combustor 100 para fluir hacia dentro sobre la
superficie interior de la pared del combustor 101, creando por tanto
un efecto de refrigeración en la conexión entre la pared del
combustor y el manguito 107 del refrigerante exterior, así como
también en el extremo 114 del tubo terminal 104.
Se observará que el solapado entre el manguito y
el tubo terminal no se extiende sobre la extensión de la longitud
total del manguito, en el que el extremo 114 del tubo terminal 104
está localizado a una distancia D hacia fuera de la superficie
interior de la pared de combustión 101. Hemos encontrado que esta
distancia libre D es aproximadamente el doble de la distancia del
espacio libre anular G entre la superficie interior del manguito
107 y la superficie exterior del tubo terminal 104. Esto evita la
exposición del extremo 114 del tubo terminal 104 a un
sobrecalentamiento del proceso de combustión en el interior del
combustor 100.
Adicionalmente, la llama de encendido 110 que
pasa a través del conjunto del tubo de interconexión en el arranque
para el encendido del siguiente combustor se separa de la superficie
enfrentada a la llama de encendido del tubo de metal mediante una
película de aire de refrigeración interna, la cual no interfiere con
el paso de la llama. El flujo de refrigeración se dirige siempre
hacia el combustor, y por tanto hacia las zonas de temperaturas más
altas. Como resultado de ello, la temperatura del conjunto de
interconexión se reduce, ampliando por tanto su vida útil,
reduciendo substancialmente el riesgo de daños por calor del extremo
del conjunto del tubo de interconexión en la parte más cercana al
combustor.
Claims (9)
1. Un sistema de combustión de un motor de
turbina de gas, en el cual los combustores adyacentes están
conectados por un conjunto de un tubo de interconexión del
encendido, adaptado para hacer pasar la llama de encendido (110)
desde un combustor encendido a otro combustor, en el que cada
conjunto del tubo de interconexión comprende medios de admisión
(105) para introducir aire (106) para enfriar de forma pelicular una
superficie enfrentada a la llama de encendido del conjunto del tubo
de interconexión del encendido, caracterizado porque tiene
medios de enfriamiento (107) que rodean el conjunto del tubo de
interconexión en su conexión con un combustor (100) y adaptado para
enfriar de forma pelicular la superficie exterior del conjunto del
tubo de interconexión, creando por tanto un enfriamiento pelicular
sobre ambas superficies interna y externa del conjunto del tubo de
interconexión del encendido.
2. Un sistema de combustión de un motor de
turbina de gas, según la reivindicación 1, en el cual
- \bullet
- el conjunto del tubo de interconexión incluye un tubo terminal (104), para hacer pasar la llama de encendido dentro y fuera de un combustor (100), teniendo el tubo terminal (104) una superficie interior y una superficie exterior,
- \bullet
- el conjunto del tubo de interconexión de encendido incluye además unos medios (103, 105) para suministrar aire de refrigeración (106) al interior del conjunto del tubo de interconexión, con el fin de enfriar de forma pelicular la superficie interna del tubo termina (104),
- \bullet
- el tubo terminal (104) está conectado al combustor a través de un manguito (107), que se extiende desde una pared (101) del combustor (100) para envolver y solapar el tubo terminal (104) sobre una parte de su longitud adyacente al combustor, para definir por tanto un espacio libre anular (G) entre la superficie exterior del tubo terminal (104) y la superficie interior del manguito (107),
- \bullet
- los medios de enfriamiento incluyen el manguito (107) y medios de admisión (108) para introducir el aire de refrigeración (109) dentro del espacio libre anular (G), para enfriar laminarmente tanto la superficie exterior del tubo terminal (104) adyacente a la pared del combustor (101), como la superficie interna del manguito (107).
3. Un sistema de combustión de un motor de
turbina de gas, de acuerdo con la reivindicación 2, en el cual el
manguito (107) está provisto con una pluralidad de aberturas (108) a
su alrededor, adyacente a un punto en el cual está conectado el
manguito al tubo terminal (104), de forma que el aire (109) sea
introducido para enfriar de forma laminar la superficie exterior
del tubo terminal.
4. Un sistema de combustión de un motor de
turbina de gas de acuerdo con la reivindicación 2 ó 3, en el cual
el tubo terminal (104) está dispuesto de forma que no se extienda
más allá del manguito (107) en el interior del combustor (100).
5. Un sistema de combustión de un motor de
turbina de gas de acuerdo con la reivindicación 2, en el cual el
solapado entre el manguito y el tubo terminal no se extiende a
través de la extensión de la longitud completa del manguito, por lo
que existe un espacio libre (D) entre una superficie interna de la
pared del combustor (101) y el tubo terminal (104).
6. Un sistema de combustión de un motor de
turbina de gas, de acuerdo con la reivindicación 5, en el cual el
espacio libre (D) medido entre el tubo terminal (104) y una
superficie interna de la pared del combustor (101) es de
aproximadamente el doble del espacio libre anular (G) entre la
superficie interior del manguito y la superficie exterior del tubo
terminal.
7. Un sistema de combustión de un motor de
turbina de gas, de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2
a 6, en el cual el manguito (107) está configurado de forma tal que
el aire salga del manguito a través de una superficie interna de la
pared del combustor (101) que envuelve al manguito.
8. Un sistema de combustión de un motor de
turbina de gas de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en
el cual la configuración del tubo de interconexión del encendido
completo que se extiende entre el primer y segundo combustores
comprende una parte (102) del tubo de interconexión central y un
primer y segundo tubos terminales (104) que se extienden desde el
primer y segundo combustores respectivamente, en el que un primer
extremo de la parte del tubo de interconexión central está soldado
dentro del primer tubo terminal, y en el que un segundo extremo del
tubo de interconexión central está encajado a presión en el segundo
tubo terminal, en el que el aire de refrigeración (106) está
dirigido al interior de un espacio libre anular formado entre una
superficie exterior de la parte (104) del tubo de interconexión
central y una superficie interior de cada tubo terminal (104) para
refrigerar de forma laminar los extremos de la parte del tubo de
interconexión central y las superficies internas de los tubos
terminales.
9. Un motor de turbina de gas que tiene un
sistema de combustión de acuerdo con cualquier reivindicación
anterior.
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