ES2287082T3 - Procedimientos y aparato para disminuir las emisiones de un combustor con un mezclador estabilizado de turbina. - Google Patents
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Abstract
Un combustor para una turbina de gas que comprende: un sistema de combustible (306) que comprende al menos dos fases de combustible (140, 230, 142, 360); al menos una cavidad de vórtice atrapado (70, 202), estando configurada una primera de dichas dos fases de combustible para suministrar combustible a dicha cavidad de vórtice atrapado; y caracterizado por: al menos dos montajes de mezcladora (308, 310) radialmente hacia dentro desde dicha cavidad de vórtice atrapado, estando configurada una segunda de dichas dos fases de combustible para suministrar combustible a dichos al menos dos montajes de mezcladora; un difusor (44) corriente arriba respecto a dichos al menos dos montajes de mezcladora.
Description
Procedimientos y aparato para disminuir las
emisiones de un combustor con un mezclador estabilizado de
turbina.
Esta solicitud se refiere de forma general a
combustores y, más en particular, a combustores de turbina de
gas.
Las preocupaciones sobre la contaminación del
aire en todo el mundo han conducido a niveles de emisión más
estrictos tanto nacional como internacionalmente. Los aviones se
rigen por las normas de la Agencia de Protección Medioambiental
(EPA) y de la Organización de Aviación Civil Internacional (ICAO).
Estas normas regulan la emisión de óxidos de nitrógeno (NOx),
hidrocarburos no quemados (HC), y monóxido de carbono (CO) de los
aviones en las cercanías de aeropuertos, donde contribuyen a los
problemas de smog (niebla mezclada con humo) fotoquímico urbano. La
mayoría de motores de avión pueden satisfacer los niveles actuales
de emisión usando tecnologías y teorías de combustor probadas en
los últimos 50 años de desarrollo de motores. Sin embargo, con el
advenimiento de una mayor preocupación medioambiental en todo el
mundo, no hay garantía de que los niveles de emisión futuros estén
dentro de la capacidad de las actuales tecnologías de combustor.
En general, las emisiones de motor se dividen en
dos clases: aquellas formadas debido a las altas temperaturas de
llama (NOx), y aquellas formadas debido a bajas temperaturas de
llama que no permiten que la reacción
combustible-aire transcurra hasta completarse (HC y
CO). Existe una pequeña opción en la que ambos contaminantes se
minimizan. Para que esta opción sea eficaz, sin embargo, los
reactivos deben mezclarse bien, de manera que la combustión ocurra
eficazmente mediante la mezcla sin puntos calientes, en los que se
produce NOx, o puntos fríos, en los que se producen CO y HC. Los
puntos calientes se producen cuando la mezcla de combustible y aire
es casi una proporción específica cuando todo el combustible y el
aire reaccionan (es decir no hay combustible no quemado o aire
presente en los productos). Esta mezcla se denomina estequiométrica.
Los puntos fríos pueden ocurrir si está presente un exceso de aire
(denominada combustión pobre), o si está presente un exceso de
combustible (denominada combustión rica).
Los combustores de turbina de gas modernos están
compuestos por entre 10 y 30 mezcladoras, que mezclan aire a alta
velocidad con una pulverización fina de combustible. Estas
mezcladoras normalmente están compuestas por un único inyector de
combustible localizado en el centro de un elemento para crear
turbulencias para crear turbulencias en el aire entrante para
potenciar la estabilización de llama y la mezcla. Tanto el inyector
de combustible como la mezcladora se localizan en una bóveda del
combustor.
En general, la proporción de combustible a aire
en la mezcladora es rica. Como la proporción de combustible a aire
global del combustor de combustores de turbina de gas es pobre, se
añade aire adicional a través de orificios de dilución discretos
antes de salir del combustor. Pueden ocurrir mezcla pobre y puntos
calientes en la bóveda, donde el combustible inyectado debe
vaporizarse y mezclarse antes de quemarse, y en las proximidades de
los orificios de dilución, donde se añade aire a la mezcla rica de
la bóveda.
Diseñados apropiadamente, los combustores de
bóveda rica son dispositivos muy estables con amplios límites de
inflamabilidad y pueden producir bajas emisiones de HC y CO, y
emisiones aceptables de NOx. Sin embargo, existe una limitación
fundamental sobre los combustores de bóveda rica, ya que la mezcla
de bóveda rica debe pasar a través de regiones estequiométricas o
de máxima producción de NOx antes de salir del combustor. Esto es
en particular importante porque según aumenta la proporción de
presión de operación (OPR) de las turbinas de gas modernas para
eficacias del ciclo y compacidad mejoradas, las temperaturas y
presiones de entrada al combustor aumentan drásticamente la
velocidad de producción de NOx. Como los niveles de emisión cada vez
son más estrictos y la OPR aumenta, parece improbable que los
combustores de bóveda rica tradicionales puedan satisfacer el
desafío.
desafío.
Un combustor de bóveda pobre del estado de la
técnica se denomina combustor anular doble (DAC) porque incluye dos
mezcladoras apiladas radialmente en cada boquilla de combustible que
aparecen como dos anillos anulares cuando se observan desde la
parte delantera de un combustor. La fila de mezcladoras adicionales
permite sintonizar el funcionamiento en diferentes condiciones. Al
ralentí, se aprovisiona de combustible la mezcladora externa, que
está diseñada para funcionar eficazmente en condiciones al ralentí.
A mayores potencias, se aprovisionan de combustible ambas
mezcladoras suministrando la mayoría de combustible y aire al anillo
interno, que está diseñado para funcionar más eficazmente y con
pocas emisiones a mayores potencias.
Aunque las mezcladoras se han sintonizado para
un funcionamiento óptimo con cada bóveda, el límite entre las
bóvedas interrumpe la reacción de CO en una gran región, que hace al
CO de estos diseños mayor que el de combustores anulares sencillos
(SAC) de bóveda rica similares. Dicho combustor es un compromiso
entre emisiones de baja potencia y NOx de alta potencia.
El documento US 5.791.148 describe un
revestimiento para un combustor con motor de turbina de gas que
tiene una sección de cavidad no lineal, en la que el aire y el
combustible inyectados en su interior forman un vórtice atrapado
para encender y estabilizar una llama en el combustor.
El documento US 4.374.466 describe un motor de
turbina de gas que comprende una cámara de combustión anular
destinada para una baja emisión de óxido de nitrógeno.
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Otros diseños conocidos mitigan los problemas
analizados anteriormente con el uso de un combustor de bóveda
pobre. En lugar de separar las etapas auxiliar y principal en
diferentes bóvedas y crear una zona de inactivación de CO
significativa en la interfaz, la mezcladora incorpora corrientes de
aire auxiliar y principal concéntricas, pero distintas, dentro del
dispositivo. Sin embargo, el control simultáneo de CO/HC de baja
potencia y emisión de humo es difícil con dichos diseños porque al
aumentar la mezcla combustible/aire a menudo se obtiene como
resultado emisiones altas de CO/HC. El aire principal con
turbulencias tiende de forma natural a introducirse en la llama
auxiliar y apagarla. Para evitar que el pulverizador de combustible
quede atrapado en el aire principal, el auxiliar establece un
ángulo estrecho de pulverización. Esto da como resultado llamas de
llamarada larga características de un flujo de número bajo de
turbulencia. Dichas llamas auxiliares producen grandes emisiones de
humo, monóxido de carbono, e hidrocarburo y tienen una mala
estabilidad.
En una realización ejemplar de la invención, un
combustor para un motor de turbina de gas funciona con alta
eficacia de combustión y bajas emisiones de monóxido de carbono,
óxido nitroso, y humo durante el funcionamiento del motor a
potencia baja, intermedia y alta. El combustor incluye un sistema de
suministro de combustible que incluye al menos dos fases de
combustible, al menos una cavidad de vórtice atrapado, y al menos un
montaje de mezcladora radialmente hacia dentro desde la cavidad de
vórtice atrapado. Las dos fases de combustible incluyen un circuito
de combustible auxiliar que suministra combustible a la cavidad de
vórtice atrapado a través de un montaje de inyector de combustible
y un circuito de combustible principal que también suministra
combustible al montaje de mezcladora con el montaje de inyector de
combustible.
Durante el funcionamiento de baja potencia, el
combustor funciona usando únicamente el circuito de combustible
auxiliar y el combustible se suministra a la cavidad de vórtice
atrapado. Los gases de combustión generados dentro de la cavidad de
vórtice atrapado crean turbulencia y estabilizan la mezcla antes de
que la mezcla entre en una cámara de combustión. Como la mezcla se
estabiliza durante el funcionamiento de baja potencia, la eficacia
de funcionamiento del combustor se mantiene y las emisiones se
controlan. Durante el funcionamiento a mayor potencia, el combustor
funciona usando el circuito de combustible principal y el
combustible se suministra a la cavidad de vórtice atrapado y el
montaje de mezcladora. El montaje de mezcladora dispersa combustible
uniformemente por todo el combustor para aumentar la mezcla de
combustible y aire, reduciendo de esta manera las temperaturas de
llama dentro de la cámara de combustión. Como resultado, se
proporciona un combustor que funciona con una alta eficacia de
combustión mientras que controla y mantiene unas bajas emisiones de
monóxido de carbono, óxido nitroso, y de humo durante un
funcionamiento del motor de potencia baja, intermedia y alta.
Ahora se describirán las realizaciones de la
invención, a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos,
en los que:
La Figura 1 es una ilustración esquemática de un
motor de turbina de gas que incluye un combustor;
La Figura 2 es una vista de sección transversal
de un combustor usado con el motor de turbina de gas mostrado en la
Figura 1;
La Figura 3 es una vista de sección transversal
de una realización alternativa del combustor mostrado en la Figura
2; y
La Figura 4 es una vista de sección transversal
de una segunda realización alternativa del combustor mostrado en la
Figura 2.
La Figura 1 es una ilustración esquemática de un
motor de turbina de gas 10 que incluye un compresor de baja presión
12, un compresor de alta presión 14, y un combustor 16. El motor 10
incluye también una turbina de alta presión 18 y una turbina de
baja presión 20.
Durante el funcionamiento, el aire fluye 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. El aire altamente comprimido se suministra al
combustor 16. El flujo de aire (no mostrado en la Figura 1) desde el
combustor 16 acciona las turbinas 18 y 20.
La Figura 2 es una vista de sección transversal
de un combustor 30 para usar con un motor de turbina de gas,
similar al motor 10 mostrado en la Figura 1. En una realización, el
motor de turbina de gas es un motor GE F414 disponible en General
Electric Company, Cincinnati, Ohio. El combustor 30 incluye un
revestimiento externo anular 40, un revestimiento interno anular
42, y un extremo de entrada abovedado 44 que se extiende entre los
revestimientos externo e interno 40 y 42, respectivamente. El
extremo de entrada abovedado 44 tiene la forma de un difusor de
baja proporción de área.
El revestimiento externo 40 y el revestimiento
interno 42 están separados radialmente hacia dentro desde una
cubierta del combustor 46 y definen una cámara de combustión 48. La
cubierta del combustor 46 generalmente es anular y se extiende
corriente abajo desde una salida 50 de un compresor, tal como el
compresor 14 mostrado en la Figura 1. La cámara de combustión 48
generalmente es de forma anular y se dispone radialmente hacia
dentro desde los revestimientos 40 y 42. El revestimiento externo 40
y la cubierta del combustor 46 definen un pasaje externo 52 y el
revestimiento interno 42 y la cubierta del combustor 46 definen un
pasaje interno 54. Los revestimientos externo e interno 40 y 42,
respectivamente, se extienden hacia una boquilla de entrada a la
turbina 58 dispuesta corriente abajo desde el difusor 48.
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Una cavidad de vórtice atrapado 70 se incorpora
en una parte 72 de revestimiento externo 40 inmediatamente
corriente abajo del extremo de entrada abovedado 44. La cavidad de
vórtice atrapado 70 tiene un perfil de sección transversal
rectangular y como la cavidad de vórtice atrapado 70 se abre en una
cámara de combustión 48, la cavidad 70 solo incluye una pared
posterior 74, una pared corriente arriba 76, y una pared externa 78
que se extiende entre la pared posterior 74 y la pared corriente
arriba 76. En una realización alternativa, la cavidad de vórtice
atrapado 70 tiene un perfil de sección transversal no rectangular.
En otra realización alternativa, la cavidad de vórtice atrapado 70
incluye esquinas redondeadas. La pared externa 78 es sustancialmente
paralela al revestimiento externo 40 y está radialmente hacia fuera
una distancia 80 desde el revestimiento externo 40. Una escuadra 82
se extiende entre la pared posterior 74 de la cavidad de vórtice
atrapado y el revestimiento externo 40 del combustor y asegura la
pared posterior 74 al revestimiento externo 40. Cada una de la
pared corriente arriba 76, la pared posterior 74, y la pared externa
78 de la cavidad de vórtice atrapado incluye una pluralidad de
pasos (no mostrados) y aberturas (no mostradas) para permitir que el
aire entre en la cavidad de vórtice atrapado 70.
La pared corriente arriba de la cavidad de
vórtice atrapado 76 incluye también una abertura 86 dimensionada
para recibir un montaje de inyector de combustible 90. El montaje de
inyector de combustible 90 se extiende radialmente hacia dentro a
través de la cubierta del combustor 46 corriente arriba de una pared
corriente arriba 92 de la cámara de combustión que define la cámara
de combustión 48. La pared corriente arriba 92 de la cámara de
combustión se extiende entre el revestimiento interno 42 del
combustor y la pared corriente arriba 76 de la cavidad de vórtice
atrapado e incluye una abertura 94. La pared corriente arriba 92 de
la de la cámara de combustión es sustancialmente
co-planar con la pared corriente arriba 76 de la
cavidad de vórtice atrapado, y sustancialmente perpendicular al
revestimiento interno 42 del combustor.
La abertura 94 de la pared corriente arriba del
combustor se dimensiona para recibir un montaje de mezcladora 96.
El montaje de mezcladora 96 está unido a la pared corriente arriba
92 de la cámara de combustión de manera que un eje de simetría 98
del montaje de mezcladora es sustancialmente
co-axial con un eje de simetría 99 para la cámara
de combustión 48. El montaje de mezcladora 96 es generalmente de
forma cilíndrica con un perfil de sección transversal anular (no
mostrado) e incluye una pared externa 100 que incluye una parte
corriente arriba 102 y una parte corriente abajo 104.
La parte de pared externa corriente arriba 102
del montaje de mezcladora es sustancialmente cilíndrica y tiene un
diámetro 106 dimensionado para recibir un montaje de inyector de
combustible 90. La parte de pared externa corriente abajo 104 del
montaje de mezcladora se extiende desde una parte corriente arriba
102 hasta la abertura 94 de la pared corriente arriba del combustor
y converge hacia el eje de simetría 98 del montaje de mezcladora.
Por consiguiente, un diámetro 110 de la abertura 94 de la pared
corriente arriba es menor que el diámetro 106 de la parte
corriente
arriba.
arriba.
El montaje de mezcladora 96 incluye también un
elemento para crear turbulencias 112 que se extiende
circunferencialmente dentro del montaje de mezcladora 96. El
elemento para crear turbulencias 112 incluye un lado de admisión 114
y un lado de escape 116. El elemento para crear turbulencias 112
está situado adyacente a una superficie interna 118 de la parte
corriente arriba 102 de la pared externa de un montaje de mezcladora
de manera que el lado de admisión 114 del elemento para crear
turbulencias es sustancialmente co-planar con un
borde principal 120 de la parte corriente arriba 102 de la pared
externa de un montaje de mezcladora. El elemento para crear
turbulencias 112 tiene un diámetro interno 122 dimensionado para
recibir el montaje de inyector de combustible 90. En una
realización, los elementos para crear turbulencias 112 son elementos
para crear turbulencias axiales sencillos. En una realización
alternativa, los elementos para crear turbulencias 112 son elementos
para crear turbulencias radiales.
El montaje de inyector de combustible 90 se
extiende radialmente hacia dentro hacia el combustor 16 a través de
una abertura 130 en la cubierta del combustor 46. El montaje de
inyector de combustible 90 está situado entre el extremo de entrada
abovedado 44 y el montaje de mezcladora 96 e incluye un inyector de
combustible auxiliar 140 y un inyector de combustible principal
142. El inyector de combustible principal 142 está radialmente
hacia dentro desde el inyector de combustible auxiliar 140 y está
situado dentro del montaje de mezcladora 96 de manera que un eje de
simetría 144 del inyector de combustible principal es
sustancialmente co-axial con el eje de simetría 98
del montaje de mezcladora. Específicamente, el inyector de
combustible principal 142 está situado de manera que un lado de
admisión 146 del inyector de combustible principal 142 está
corriente arriba desde el montaje de mezcladora 96 y un extremo
posterior 148 del inyector de combustible principal 142 se extiende
a través del montaje de mezcladora 96 radialmente hacia dentro desde
el elemento para crear turbulencias 112 y hacia la abertura 94 de
la pared corriente arriba del combustor. Por consiguiente, el
inyector de combustible principal 142 tiene un diámetro 150 que es
ligeramente menor que el diámetro interno 122 del elemento para
crear turbulencias.
El inyector de combustible auxiliar 140 está
radialmente hacia fuera desde el inyector de combustible principal
142 y está situado corriente arriba desde la abertura 86 de la pared
corriente arriba de la cavidad de vórtice atrapado.
Específicamente, el inyector de combustible auxiliar 140 está
situado de manera que un extremo posterior 154 del inyector de
combustible auxiliar 140 está muy próximo a la abertura 86.
Un sistema de suministro de combustible 160
suministra combustible al combustor 30 e incluye un circuito de
combustible auxiliar 162 y un circuito de combustible principal 164
para controlar las emisiones de óxido nitroso generadas dentro del
combustor 30. El circuito de combustible auxiliar 162 suministra
combustible a la cavidad de vórtice atrapado 70 a través del
montaje de inyector de combustible 90 y el circuito de combustible
principal 164 suministra combustible al montaje de mezcladora 96 a
través del montaje de inyector de combustible 90. Durante el
funcionamiento, como el motor de turbina de gas 10 se arranca y se
hace funcionar en condiciones de operación al ralentí, el
combustible y el aire se suministran al combustor 30. Durante las
condiciones de operación al ralentí de la turbina de gas, el
combustor 30 sólo usa la fase de combustible auxiliar para
funcionar. El circuito de combustible auxiliar 162 inyecta
combustible a la cavidad de vórtice atrapado 70 del combustor a
través del inyector de combustible auxiliar 140. Simultáneamente, el
flujo de aire entra en la cavidad de vórtice atrapado 70 a través
de los pasos de aire de las paredes posterior, corriente arriba, y
externa y entra en el montaje de mezcladora 96 a través de los
elementos para crear turbulencias 112. Los pasos de aire de la
cavidad de vórtice atrapado forman una lámina colectiva de aire que
se mezcla rápidamente con el combustible inyectado y evita que el
combustible forme una capa límite a lo largo de la pared posterior
74, la pared corriente arriba 76, o la pared externa 78.
Los gases de combustión 180 generados dentro de
la cavidad de vórtice atrapado 70 giran en un movimiento contrario
a las agujas del reloj y proporcionan una ignición y fuente de
estabilización continuas para la mezcla combustible/aire que entra
en la cámara de combustión 48. El flujo de aire 182 que entra en la
cámara de combustión 48 a través del elemento para crear
turbulencias 112 del montaje de mezcladora aumenta la proporción de
mezcla combustible/aire para permitir que las zonas de llama
sustancialmente casi estequiométricas (no mostradas) se propaguen
con tiempos de residencia cortos dentro de la cámara de combustión
48. Como resultado de la mezcla potenciada y de los cortos tiempos
de residencia a granel dentro de la cámara de combustión 48, se
reducen las emisiones de óxido nitroso generadas dentro de la
cámara de combustión 48.
La utilización únicamente de la fase de
combustible auxiliar permite al combustor 30 mantener una eficacia
operativa de baja potencia y controlar y minimizar las emisiones que
salen del combustor 30 durante las operaciones de baja potencia del
motor. La llama auxiliar es una llama de difusión por pulverización
que se combuste completamente a partir de las condiciones de
arranque de la turbina de gas. Según el motor de turbina de gas 10
se acelera desde las condiciones de operación al ralentí a
condiciones de operación de mayor potencia, el combustible y aire
adicionales se dirigen hacia el combustor 30. Además de la fase de
combustible auxiliar, durante las condiciones de operación de mayor
potencia, al montaje de mezcladora 96 se suministra combustible con
la fase de combustible principal mediante el montaje de inyector de
combustible 90 y el circuito de combustible principal 164.
El flujo de aire 182 que entra en la cámara de
combustión 48 desde el elemento para crear turbulencias 112 del
montaje de mezcladora se arremolina alrededor del combustible
inyectado en la cámara de combustión 48 para permitir que la mezcla
combustible/aire se mezcle minuciosamente. El flujo de aire 182 con
turbulencias aumenta la velocidad de mezcla de combustible/aire del
combustible y el aire que entran en la cámara de combustión 48 a
través del montaje de mezcladora 96 y del combustible y el aire que
entran en la cámara de combustión 48 a través de la cavidad de
vórtice atrapado 70. Como resultado del aumento de las velocidades
de la mezcla combustible/aire, mejora la combustión y el combustor
30 puede hacerse funcionar usando menos montajes de inyector de
combustible 90 en comparación con otros combustores conocidos.
Adicionalmente, como la combustión mejora y el
montaje de mezcladora 96 distribuye el combustible uniformemente
por todo el combustor 16, las temperaturas de llama dentro de la
cámara de combustión 48 se reducen, reduciéndose de esta manera la
cantidad de óxido nitroso producido dentro del combustor 30. Una
llama de la cavidad de vórtice atrapado actúa también para encender
y estabilizar una llama de la mezcladora. De esta manera, el
montaje de mezcladora 96 puede funcionar a proporciones
combustible/aire pobres. Como resultado, las temperaturas de llama
y la generación de óxido nitroso dentro del montaje de mezcladora 96
se reducen y el montaje de mezcladora 96 puede aprovisionarse de
combustible como un dispositivo de proporción combustible/aire
pobre.
La Figura 3 es una vista de sección transversal
de una realización alternativa de un combustor 200 que puede usarse
con un motor de turbina de gas, tal como el motor 10 mostrado en la
Figura 1. El combustor 200 es sustancialmente similar al combustor
30 mostrado en la Figura 2 y los componentes del combustor 200 que
son idénticos a los componentes del combustor 30 se identifican en
la Figura 3 usando los mismos números de referencia usados en la
Figura 2. Por consiguiente, el combustor 30 incluye revestimientos
40 y 42, extremo de entrada abovedado 44, cavidad de vórtice
atrapado 70, y montaje de mezcladora 96. El combustor 200 incluye
también una segunda cavidad de vórtice atrapado 202, un montaje de
inyector de combustible 204, y un sistema de suministro de
combustible 206.
La cavidad de vórtice atrapado 202 se incorpora
en una parte de revestimiento interno 42 inmediatamente corriente
abajo del extremo de entrada abovedado 44. La cavidad de vórtice
atrapado 202 es sustancialmente similar a la cavidad de vórtice
atrapado 70 y tiene un perfil de sección transversal rectangular. En
una realización alternativa, la cavidad de vórtice atrapado 202
tiene un perfil de sección transversal no rectangular. En otra
realización alternativa, la cavidad de vórtice atrapado 202 incluye
esquinas redondeadas. Como la cavidad de vórtice atrapado 202 se
abre en la cámara de combustión 48, la cavidad 202 solo incluye una
pared posterior 212, una pared corriente arriba 214, y una pared
externa 216 que se extiende entre la pared posterior 212 y la pared
corriente arriba 214. La pared externa 216 es sustancialmente
paralela al revestimiento interno 42 y está radialmente hacia fuera
una distancia 220 desde el revestimiento interno 42. Una escuadra
222 se extiende entre la pared posterior 212 de la cavidad de
vórtice atrapado y el revestimiento externo del 214 combustor y
asegura la pared posterior 212 al revestimiento externo 40. Cada una
de la pared corriente arriba 214, la pared posterior 212, y la
pared externa 216 de la cavidad de vórtice atrapado incluye una
pluralidad de pasos (no mostrados) y aberturas (no mostradas) para
permitir que el aire entre en la cavidad de vórtice atrapado
202.
La pared corriente arriba 214 de la cavidad de
vórtice atrapado incluye también una abertura 224 dimensionada para
recibir el montaje de inyector de combustible 204. El montaje de
inyector de combustible 204 es sustancialmente similar al montaje
de inyector de combustible 90 (mostrado en la Figura 2) e incluye un
inyector de combustible auxiliar 140 y un inyector de combustible
principal 142. El montaje de inyector de combustible 204 incluye
también un segundo inyector de combustible auxiliar 230 radialmente
hacia dentro desde el inyector de combustible principal 142. El
segundo inyector de combustible auxiliar 230 es sustancialmente
similar al primer inyector de combustible auxiliar 140 y está
situado corriente arriba desde la pared corriente arriba abertura
224 de la cavidad de vórtice atrapado. Específicamente, el segundo
inyector de combustible auxiliar 230 está situado de manera que el
lado de admisión 152 del segundo inyector de combustible auxiliar
230 está corriente arriba respecto al montaje de mezcladora 96 y el
extremo posterior 154 del segundo inyector de combustible auxiliar
230 está muy próximo a la abertu-
ra 224.
ra 224.
El sistema de suministro de combustible 206
suministra combustible al combustor 200 e incluye un circuito de
combustible auxiliar 240 y un circuito de combustible principal 242.
El circuito de combustible auxiliar 240 suministra combustible a
las cavidades de vórtice atrapado 70 y 202 a través del montaje de
inyector de combustible 204 y el circuito de combustible principal
242 suministra combustible al montaje de mezcladora 96 a través del
montaje de inyector de combustible 204. El sistema de suministro de
combustible 206 incluye también una fase de combustible auxiliar y
una fase de combustible principal usada para controlar las emisiones
de óxido nitroso generadas dentro del combustor 200.
Durante el funcionamiento, como el motor de
turbina de gas 10 se arranca y se hace funcionar en condiciones de
operación al ralentí, el combustible y el aire se suministran al
combustor 200. Durante las condiciones de operación al ralentí de
la turbina de gas, el combustor 200 usa sólo la fase de combustible
auxiliar para funcionar. El circuito de combustible auxiliar 240
inyecta combustible a las cavidades de vórtice atrapado 70 y 202
del combustor a través de los inyectores de combustible auxiliar 140
y 230, respectivamente. Simultáneamente, el flujo de aire entra en
las cavidades de vórtice atrapado 70 y 202 a través de los pasos de
aire de la pared posterior, corriente arriba, y externa y entra en
el montaje de mezcladora 96 mediante los elementos para crear
turbulencias 112. Los pasos de aire de la cavidad de vórtice
atrapado forman una lámina colectiva de aire que se mezcla
rápidamente con el combustible inyectado y evita que el combustible
formen una capa límite dentro de las cavidades de vórtice atrapado
70
y 202.
y 202.
Los gases de combustión 180 generados dentro de
las cavidades de vórtice atrapado 70 y 202 giran en un movimiento
contrario a las agujas del reloj y proporcionan una ignición y una
fuente de estabilización continuas para la mezcla combustible/aire
que entra en la cámara de combustión 48. El flujo de aire 182 que
entra en la cámara de combustión 48 mediante el elemento para crear
turbulencias 112 del montaje de mezcladora aumenta la velocidad de
mezcla de combustible/aire para permitir que las zonas de llama
sustancialmente casi estequiométricas (no mostradas) se propaguen
con tiempos de residencia cortos dentro de la cámara de combustión
48. Como resultado de la mezcla potenciada y de los cortos tiempos
de residencia a granel dentro de la cámara de combustión 48, se
reducen las emisiones de óxido nitroso generadas dentro de la cámara
de combustión 48.
La utilización únicamente de la fase de
combustible auxiliar permite al combustor 200 mantener una eficacia
operativa de baja potencia y controlar y minimizar las emisiones que
salen del combustor 200 durante las operaciones de baja potencia
del motor. La llama auxiliar es una llama de difusión por
pulverización que se combuste completamente a partir de las
condiciones de arranque de la turbina de gas. Según el motor de
turbina de gas 10 se acelera desde las condiciones de operación al
ralentí a condiciones de operación de mayor potencia, el combustible
y aire adicionales se dirigen hacia el combustor 16. Además de la
fase de combustible auxiliar, durante las condiciones de operación
de mayor potencia, al montaje de mezcladora 96 se suministra
combustible con la fase de combustible principal mediante el
montaje de inyector de combustible 204 y el circuito de combustible
principal 242.
El flujo de aire 182 que entra en la cámara de
combustión 48 desde el elemento para crear turbulencias 112 del
montaje de mezcladora se arremolina alrededor del combustible
inyectado en la cámara de combustión 48 para permitir que la mezcla
combustible/aire se mezcle minuciosamente. El flujo de aire 182 con
turbulencias aumenta la velocidad de mezcla de combustible/aire de
combustible y del aire que entra en la cámara de combustión 48 a
través del montaje de mezcladora 96 y del combustible y el aire que
entran en la cámara de combustión 48 a través de las cavidades de
vórtice atrapado 70 y 202. Como resultado del aumento de las
velocidades de la mezcla combustible/aire, mejora la combustión y
el combustor 200 puede hacerse funcionar usando menos montajes de
inyector de combustible 204 en comparación con otros combustores
conocidos. Adicionalmente, como la combustión mejora y el montaje
de mezcladora 96 distribuye el combustible uniformemente por todo el
combustor 200, las temperaturas de llama dentro de la cámara de
combustión 48 se reducen, reduciéndose de esta manera la cantidad
de óxido nitroso producido dentro del combustor 200. Una llama de la
cavidad de vórtice atrapado actúa también para encender y
estabilizar una llama de la mezcladora. De esta manera, el montaje
de mezcladora 96 puede funcionar a proporciones combustible/aire
pobres. Como resultado, las temperaturas de llama y la generación
de óxido nitroso dentro del montaje de mezcladora 96 se reducen y el
montaje de mezcladora 96 puede aprovisionarse de combustible como
un dispositivo de proporción combustible/aire pobre.
La Figura 4 es una vista de sección transversal
de una realización alternativa de un combustor 300 que puede usarse
con un motor de turbina de gas, tal como el motor 10 mostrado en la
Figura 1. El combustor 300 es sustancialmente similar al combustor
200 mostrado en la Figura 3 y los componentes del combustor 300 que
son idénticos a los componentes del combustor 200 se identifican en
la Figura 4 usando los mismos números de referencia usados en la
Figura 3. Por consiguiente, el combustor 30 incluye revestimientos
40 y 42, extremo de entrada abovedado 44, y cavidad de vórtice
atrapado 70. El combustor 300 incluye también una segunda cavidad de
vórtice atrapado 202, un montaje de inyector de combustible 304, un
sistema de suministro de combustible 306, un primer montaje de
mezcladora 308, y un segundo montaje de mezcladora 310.
La abertura 94 de la pared corriente arriba del
combustor se dimensiona para recibir los montajes de mezcladora 308
y 310. Los montajes de mezcladora 308 y 310 son sustancialmente
similares al montaje de mezcladora 96 (mostrado en las Figuras 2 y
3) y cada uno incluye un borde principal 320, un borde posterior
322, y un eje de simetría 324. Los montajes de mezcladora 308 y 310
están situados de manera que los bordes principales 320 son
sustancialmente co-planares y de manera que los
bordes posteriores 322 son también sustancialmente
co-planares. Además, los montajes de mezcladora 308
y 310 están unidos a la pared corriente arriba 92 de la cámara de
combustión de manera que los montajes de mezcladora 308 y 310 son
simétricos alrededor del eje de simetría 99 de la cámara de
combus-
tión.
tión.
Cada montaje de mezcladora 308 y 310 incluye
también un elemento para crear turbulencias 330 y un venturi 332.
Los elementos para crear turbulencias 330 son sustancialmente
similares a los elementos para crear turbulencias 112 (mostrados en
las Figuras 2 y 3) y tienen un diámetro interno 334 dimensionado
para recibir el montaje de inyector de combustible 304. Los
elementos para crear turbulencias 330 están situados adyacentes a
los venturis 332 del montaje de mezcladora. En una realización, los
elementos para crear turbulencias 330 son elementos para crear
turbulencias axiales sencillos. En una realización alternativa, los
elementos para crear turbulencias 330 son elementos para crear
turbulencias radiales. Los elementos para crear turbulencias 330
provocan que el aire que fluye a través de los montajes de
mezcladora 308 y 310 se arremoline para provocar que el combustible
y el aire se mezclen minuciosamente antes de entrar en la cámara de
combustión 48. En una realización, los elementos para crear
turbulencias 330 inducen que el flujo de aire gire en una dirección
contraria a las agujas del reloj. En otra realización, los elementos
para crear turbulencias 330 inducen que el flujo de aire gire en la
dirección de las agujas del reloj. En otra realización más, los
elementos para crear turbulencias 330 inducen que el flujo de aire
gire en las direcciones contraria a las agujas del reloj y de las
agujas del reloj.
Los venturis 332 son anulares y están
radialmente hacia fuera desde los elementos para crear turbulencias
330. Los venturis 332 incluyen una sección plana 340, una sección
convergente 342, y una sección divergente 344. La sección plana 340
está radialmente hacia fuera desde y adyacente a los elementos para
crear turbulencias 330. La sección convergente 342 se extiende
radialmente hacia dentro desde la sección plana 340 hasta un vértice
del venturi 346. La sección divergente 344 se extiende radialmente
hacia fuera desde el vértice del venturi 346 hasta un borde
posterior 350 del venturi 332. En una realización alternativa, el
venturi 332 incluye únicamente la sección convergente 342 y no
incluye la sección divergente 344.
El montaje de inyector de combustible 304 es
sustancialmente similar al montaje de inyector de combustible 204
(mostrado en la Figura 3) e incluye inyector de combustible auxiliar
140, inyector de combustible principal 142, y segundo inyector de
combustible auxiliar 230. El montaje de inyector de combustible 304
incluye también un segundo inyector de combustible principal 360
radialmente hacia dentro desde el inyector de combustible principal
142 entre el inyector de combustible principal 142 y el segundo
inyector de combustible auxiliar 230.
El segundo inyector de combustible principal 360
es idéntico al primer inyector de combustible principal 142 y está
situado corriente arriba respecto a la abertura 94 de la pared
corriente arriba del combustor de manera que el segundo inyector de
combustible principal 360 es sustancialmente
co-axial con el eje de simetría 324 del montaje de
mezcladora. Específicamente, el segundo inyector de combustible
principal 360 está situado de manera que el lado de admisión 147
del segundo inyector de combustible principal 360 está corriente
arriba respecto al montaje de mezcladora 310 y el extremo posterior
148 del segundo inyector de combustible principal 360 se extiende a
través de montaje de mezcladora 310 radialmente hacia dentro desde
el elemento para crear turbulencias 330 y hacia la abertura 94 de
la pared corriente arriba del combustor.
El primer inyector de combustible principal 142
está situado corriente arriba respecto a la abertura 94 de la pared
corriente arriba del combustor de manera que el primer inyector de
combustible principal 142 es sustancialmente
co-axial con el eje de simetría 324 del montaje de
mezcladora. Específicamente, el primer inyector de combustible
principal 142 está situado de manera que el lado de admisión 146 del
primer inyector de combustible principal 142 está corriente arriba
respecto al montaje de mezcladora 308 y el extremo posterior 148 del
primer inyector de combustible principal 142 se extiende a través
del montaje de mezcladora 308 radialmente hacia dentro desde el
elemento para crear turbulencias 330 y hacia la abertura 94 de la
pared corriente arriba del combustor.
El sistema de suministro de combustible 306
suministra combustible al combustor 300 e incluye un circuito de
combustible auxiliar 370 y un circuito de combustible principal 372.
El circuito de combustible auxiliar 370 suministra combustible a
las cavidades de vórtice atrapado 70 y 202 mediante el montaje de
inyector de combustible 304 y el circuito de combustible principal
372 suministra combustible a los montajes de mezcladora 308 y 310
mediante el montaje de inyector de combustible 304. El sistema de
suministro de combustible 306 incluye también una fase de
combustible auxiliar y una fase de combustible principal usadas para
controlar las emisiones de óxido nitroso generadas dentro del
combustor 300.
El combustor descrito anteriormente es eficaz
respecto a costes y muy fiable. El combustor incluye al menos un
montaje de mezcladora, al menos una cavidad de vórtice atrapado, y
un sistema de suministro de combustible que incluye al menos dos
circuitos de combustible. Durante las condiciones de operación de
potencia al ralentí, el combustor funciona sólo con un circuito de
combustible que suministra combustible a la cavidad de vórtice
atrapado. La fase de combustible auxiliar permite al combustor
mantener una eficacia operativa de baja potencia minimizando las
emisiones. Durante las condiciones de operación de mayor potencia,
el combustor usa ambos circuitos de combustible y el combustible se
dispersa uniformemente por todo el combustor. Como resultado, las
temperaturas de llama se reducen y la combustión se mejora. De esta
manera, el combustor alcanza una alta eficacia de combustión con
bajas emisiones de monóxido de carbono, óxido nitroso, y humo.
Claims (14)
1. Un combustor para una turbina de gas que
comprende:
un sistema de combustible (306) que comprende al
menos dos fases de combustible (140, 230, 142, 360);
al menos una cavidad de vórtice atrapado (70,
202), estando configurada una primera de dichas dos fases de
combustible para suministrar combustible a dicha cavidad de vórtice
atrapado; y caracterizado por:
al menos dos montajes de mezcladora (308,310)
radialmente hacia dentro desde dicha cavidad de vórtice atrapado,
estando configurada una segunda de dichas dos fases de combustible
para suministrar combustible a dichos al menos dos montajes de
mezcladora;
un difusor (44) corriente arriba respecto a
dichos al menos dos montajes de mezcladora.
2. Un combustor de acuerdo con la reivindicación
1 que comprende adicionalmente al menos un montaje de inyector de
combustible (304) en comunicación fluida con dicho sistema de
combustible, estando configurado dicho inyector de combustible para
suministrar combustible a dicha cavidad de vórtice atrapado y dichos
al menos dos montajes de mezcladora.
3. Un combustor de acuerdo con la reivindicación
1 en el que la turbina de gas tiene una potencia fijada pudiendo
funcionar dicho combustor con el combustible suministrado a dicha
cavidad de vórtice atrapado cuando el motor de turbina de gas
funciona por debajo de un porcentaje predefinido de potencia fijada
del motor.
4. Un combustor de acuerdo con la reivindicación
3 en el que dicho combustor puede funcionar adicionalmente con
combustible suministrado a dichos al menos dos montajes de
mezcladora y dicha cavidad de vórtice atrapado cuando el motor de
turbina de gas funciona por encima de un porcentaje predefinido de
potencia fijada del motor.
5. Un combustor de acuerdo con la reivindicación
1, que comprende adicionalmente al menos dos cavidades de vórtice
atrapado, estando configurada una primera de dichas dos fases de
combustible para suministrar combustible a dichas dos cavidades de
vórtice atrapado.
6. Un combustor de acuerdo con la reivindicación
1 que comprende adicionalmente al menos dos cavidades de vórtice
atrapado, estando dichos al menos dos montajes de mezcladora
radialmente hacia dentro desde dichas dos cavidades de vórtice.
7. Un combustor de acuerdo con la reivindicación
1 que comprende adicionalmente un revestimiento del combustor
radialmente hacia fuera desde dichos al menos dos montajes de
mezcladora, comprendiendo dicho revestimiento del combustor un
revestimiento externo (40) y un revestimiento interno (42).
8. Un combustor de acuerdo con la reivindicación
7 en el que dicha al menos una cavidad de vórtice atrapado está
definida por una parte de dicho revestimiento externo del
combustor.
9. Un procedimiento para reducir una cantidad de
emisiones desde un motor de turbina de gas usando un combustor que
incluye al menos un vórtice atrapado (70, 202), comprendiendo dicho
procedimiento las etapas de:
inyectar combustible en el combustor usando un
sistema de combustible (306) que incluye al menos dos fases de
combustible (140, 230, 142, 360); y caracterizado por:
dirigir el flujo de aire en el combustor de
manera que una parte del flujo de aire se suministra corriente
abajo respecto a un difusor a al menos dos montajes de mezcladora
(308, 310) y una parte del flujo de aire se suministra al vórtice
atrapado.
10. Un procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 9 en el que el sistema de combustible (306) incluye
una fase de combustible auxiliar, una fase de combustible principal,
y un inyector de combustible en comunicación fluida con la fase de
combustible auxiliar y la fase de combustible principal, estando la
fase de combustible auxiliar radialmente hacia dentro respecto a la
fase de combustible principal, comprendiendo adicionalmente dicha
etapa de inyección de combustible la etapa de inyectar combustible
en el combustor usando solo la fase de combustible
auxiliar.
auxiliar.
11. Un procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 9 en el que las dos fases de combustible incluyen una
fase de combustible auxiliar, una fase de combustible principal, y
un inyector de combustible en comunicación fluida con la fase de
combustible auxiliar y la fase de combustible principal, estando la
fase de combustible auxiliar radialmente hacia dentro respecto a la
fase de combustible principal, comprendiendo adicionalmente dicha
etapa de inyección de combustible la etapa de inyectar combustible
en el combustor usando la fase de combustible auxiliar y la fase de
combustible principal.
12. Un procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 9 en el que el combustor incluye al menos dos
cavidades de vórtice atrapado, comprendiendo adicionalmente dicha
etapa de inyección de combustible las etapas de:
inyectar combustible solo en las dos cavidades
de vórtice atrapado durante condiciones de operación de potencia al
ralentí del motor; e
inyectar combustible en el montaje de mezcladora
y las dos cavidades de vórtice atrapado durante condiciones de
operación de mayor potencia del motor.
13. Un procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 9 en el que el combustor incluye al menos dos
cavidades de vórtice atrapado, estando las dos cavidades de vórtice
atrapado radialmente hacia fuera respecto a los dos montajes de
mezcladora (308, 310), comprendiendo adicionalmente dicha etapa de
inyectar combustible la etapa de inyectar combustible en las dos
cavidades de vórtice atrapado durante operaciones de potencia al
ralentí del motor.
14. Un procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 13 en el que dicha etapa de inyectar combustible en
el combustor que comprende adicionalmente la etapa de inyectar
combustible en los dos montajes de mezcladora (308, 310) y las dos
cavidades de vórtice atrapado.
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