ES2303892T3 - Turbina de gas. - Google Patents

Abstract

Turbina de gas (51) con una cámara de combustión (55) y con un quemador (1), que desemboca en la cámara de combustión (55) sobre una desembocadura del quemador (4), en el que la desembocadura del quemador (4) está rodeada en forma anular por un resonador de Helmholtz (19), caracterizada porque el resonador de Helmholtz (19) está integrado en un inserto del quemador (2), estando conectado el quemador (1) con la cámara de combustión (55) a través del inserto del quemador (2).

Description

Turbina de gas.

La invención se refiere a una turbina de gas con un quemador, que desemboca en una cámara de combustión. De manera especial, la cámara de combustión está constituida en forma de cámara de combustión anular.

En los sistemas de combustión, tales como las turbinas de gas, los motores de aviación, los motores para cohetes y las instalaciones de calefacción, pueden producirse vibraciones por combustión inducidas por vía termoacústica. Éstas se forman debido a la interacción entre la llama de combustión y la liberación de calor, relacionada con la misma, con oscilaciones de presión acústicas. Debido a una excitación acústica puede oscilar la posición de la llama, la superficie frontal de la llama o la composición de la mezcla, lo cual conduce, a su vez, a oscilaciones en la liberación de calor. En la posición de fase constructiva puede producirse un reacoplamiento positivo y un reforzamiento. Una vibración de combustión reforzada de este modo puede conducir a molestias acústicas considerables y a deterioros producidos por las vibraciones.

Estas inestabilidades provocadas de manera termoacústica quedan influenciadas, de manera esencial, por las propiedades acústicas de la cámara de combustión y de las condiciones marco que se presentan en la entrada de la cámara de combustión y en la salida de la cámara de combustión así como sobre las paredes de la cámara de combustión. Las propiedades acústicas pueden modificarse mediante la incorporación de resonadores de Helmholtz.

La publicación WO 93/10401 A1 muestra una instalación para reprimir las vibraciones por combustión en una cámara de combustión de una instalación de turbina de gas. Un resonador de Helmholtz está conectado hidráulicamente con un conductor para la alimentación de combustible. Las propiedades acústicas del conducto de alimentación o bien del sistema acústico total se modifican en este caso de tal manera que son reprimidas las vibraciones por combustión. Desde luego se ha observado que esta medida no es suficiente en todos los estados de funcionamiento puesto que pueden presentarse vibraciones por combustión en el conducto del combustible también con ocasión de una represión de las vibraciones.

La publicación US-A-6 058 709 propone alimentar combustible en posiciones axialmente diferentes en el canal de combustión de un quemador para evitar las vibraciones por combustión. De este modo, se superponen de manera destructiva las posiciones de fase constructivas en la composición de la mezcla, en lo que se refiere a la formación de las vibraciones por combustión, de tal manera que se producen, en conjunto, oscilaciones más bajas y, por este motivo, representa una menor tendencia a la formación de vibraciones por combustión. Desde luego, esta medida es comparativamente costosa desde el punto de vista de la instalación en comparación con las medidas puramente pasivas consistentes en el empleo de resonadores de Helmholtz.

En la publicación EP 0 597 138 A1 se ha descrito una cámara de combustión para turbinas de gas, que presenta resonadores de Helmholtz barridos por aire en la región de la cámara. Los resonadores están dispuestos alternativamente sobre el lado frontal de la cámara de combustión entre los quemadores. La energía de vibración de las vibraciones por combustión, que aparecen en la cámara de combustión, es absorbida por estos resonadores y, de este modo, se atenúan las vibraciones por combustión.

Otra medida para la atenuación de las vibraciones por combustión ha sido mostrada en la publicación EP 1 004 823 A2. En este caso el resonador de Helmholtz está directamente conectado con la zona de mezcla del quemador. El resonador debe aplicarse aguas abajo de la alimentación del combustible puesto que deben ser absorbidas las vibraciones por combustión generadas por el resonador en el quemador y también provocadas por los conductos de alimentación.

En la publicación US 5,644,918 se ha divulgado una cámara de combustión con un resonador configurado en forma de un casquillo doble cilíndrico, que está dispuesto concéntricamente entre una carcasa de la cámara de combustión y un forro de la cámara de combustión. El casquillo doble está formado, entre otras cosas, por una brida anular y por la superficie interna de la carcasa de la cámara de combustión.

La tarea de la invención consiste en la presentación de una turbina de gas con una tendencia especialmente reducida a la formación de vibraciones por combustión, debiéndose evitar medidas de construcción sobre una pared de la cámara de combustión.

Esta tarea se resuelve mediante la presentación de una turbina de gas con una cámara de combustión y con un quemador que desemboca en la cámara de combustión en una embocadura del quemador, estando rodeada de manera anular la embocadura del quemador por un resonador de Helmholtz y estando previstos de conformidad con la invención, los rasgos caracterizantes de la reivindicación 1.

El resonador de Helmholtz se dispone alrededor de la embocadura de un quemador. La atenuación de las vibraciones por combustión por medio de un resonador puede conducir a diferencias de temperatura locales, cuando el resonador actúe de una manera irregular sobre el campo de combustión. Esto se evita mediante la disposición anular, simétrica, alrededor de la llama del quemador. La compensación de la temperatura, producida por este motivo, acrecienta el efecto atenuador y conduce, al mismo tiempo, a una disminución de la formación de óxido de nitrógeno. De igual manera, puede actuarse intensamente de manera directa sobre el punto de la liberación máxima de calor mediante la disposición del resonador directamente alrededor de la llama. De igual modo, este contacto mejorado con la fuente principal de las vibraciones por combustión aumenta el efecto del resonador.

De manera preferente, el resonador de Helmholtz presenta un volumen del resonador y desemboca sobre una embocadura del resonador en la cámara de combustión, estando prolongada la embocadura del resonador con un tubito en el volumen del resonador. Es preferente, además, que la embocadura del resonador esté constituida por varios orificios, que estén prolongados respectivamente por medio de un tubito hacia el interior del volumen del resonador. Los tubitos penetran por lo tanto en el volumen del resonador. Mediante esta configuración es posible mantener pequeño el tamaño constructivo del resonador. De manera usual, un resonador está constituido por un volumen V y por taladros con una longitud I así como por una sección transversal A determinados. Esta geometría determina, junto con la velocidad del sonido c, la frecuencia de resonancia según la fórmula simplificada

f_{res} = (c / (2\pi)) * \sqrt{[A / (V \text{*} 1)]}.

Para combatir las bajas frecuencias, se requiere, por lo tanto, un volumen muy grande. Desde luego, esto está relacionado con grandes dificultades en la práctica debido a la pequeña oferta de espacio que se encuentra disponible. En el dispositivo, aquí descrito, se aumenta ahora considerablemente la longitud de los taladros. Esto se consigue realizándose los taladros en forma de tubitos, que penetran en el volumen. En este caso apenas se modifica el volumen del resonador. Por lo tanto, pueden mantenerse pequeñas las dimensiones externas del resonador. En este caso los tubitos pueden realizarse alabeados para tener una distancia suficiente hasta las paredes. Mediante la modificación de la longitud de los tubitos puede ajustarse el dispositivo atenuador a cualquier frecuencia que se quiera, que se presente en el sistema de combustión. En este caso no tienen que modificarse las dimensiones externas del resonador y, por lo tanto, tampoco del inserto del quemador así como tampoco de la superficie en sección transversal total abierta. La ventaja principal: consiste en que para atenuar frecuencias bajas, puede desistirse, con ayuda de los tubitos que penetren una magnitud suficiente, al aumento del volumen del resonador.

De manera preferente el tubito o los tubitos están arqueados o están conformados de manera alabeada de tal manera que la longitud de los tubitos queda aumentada sin que por ello tenga que descenderse por debajo de una distancia mínima hasta la pared del resonador.

De manera preferente el volumen del resonador puede ser ajustable, por ejemplo por medio de un desplazamiento en forma de pistón de una pared del resonador. De este modo pueden adaptarse y ajustarse las propiedades acústicas, especialmente la impedancia.

Una configuración preferente consiste en configurar la cámara de combustión como cámara de combustión anular. Precisamente en el caso de las cámaras de combustión anulares pueden conducir las vibraciones por combustión a vibraciones por combustión, muy perturbadoras y dañinas, debido a un volumen comparativamente grande de la cámara de combustión y a los quemadores acoplados entre sí en la misma. De igual manera, apenas pueden ser calculadas las propiedades acústicas de una cámara de combustión de este tipo.

De conformidad con la invención el resonador de Helmholtz está integrado con un inserto del quemador, estando conectado el quemador con la cámara de combustión a través del inserto del quemador. El inserto del quemador puede ser un componente individual, que, por ejemplo, se enrosca con la pared de la cámara de combustión y en el que se inserta a continuación el quemador propiamente dicho. Sin embargo puede estar unido también con el quemador de tal manera, por ejemplo, que el inserto del quemador forme una brida sobre el quemador, con la cual se une el quemador con la pared de la cámara de combustión. Mediante la integración del resonador en el inserto del quemador no se requieren medidas de construcción sobre la pared de la cámara de combustión y el resonador puede montarse en caso necesario de manera sencilla.

De manera preferente, el resonador de Helmholtz está configurado de forma que puede ser recorrido por el aire. De este modo puede modificarse y adaptarse de manera sencilla la impedancia del resonador. De igual modo se consigue la refrigeración del resonador y, en el caso de la integración del resonador en el inserto del quemador, también una refrigeración del conjunto del inserto del quemador.

La invención se explica de manera ejemplificativa y parcialmente esquemática por medio del dibujo. Se muestra:

en la figura 1: una turbina de gas,

en la figura 2: un quemador dispuesto sobre una pared de la cámara de combustión.

Las mismas referencias tienen el mismo significado en las diversas figuras.

En la figura 1 se ha representado una turbina de gas 51. La turbina de gas 51 presenta un compresor 53, una cámara de combustión anular 55 y una sección de turbina 57. Se conduce aire 58 procedente del medio ambiente hasta el compresor 53 y en el mismo se comprime intensamente para formar el aire de combustión 9. A continuación se conduce el aire de combustión 9 hasta la cámara de combustión anular 55. El aire se quema por medio de quemadores 1 de la turbina de gas con el combustible 11 para dar un gas caliente 59. El gas caliente 59 propulsa la sección de turbina 57.

En la cámara de combustión anular 55 puede producirse la formación de vibraciones por combustión por los motivos que han sido descritos precedentemente, que pueden perjudicar considerablemente el funcionamiento de la turbina de gas 51. Para atenuar tales vibraciones por combustión pueden emplearse resonadores de Helmholtz, escribiéndose a continuación un tipo de construcción especialmente efectivo:

En la figura 2 se ha representado un quemador 1 de turbina de gas, que está conectado con una pared de la cámara de combustión 56 de una cámara de combustión 55 a través de un inserto del quemador 2 y que desemboca en una embocadura del quemador 4 en la cámara de combustión 55. Un canal del quemador 3 del quemador 1 de la turbina de gas rodea a modo de un canal anular 30 a un canal central 41. El canal anular 30 se ha configurado en forma de un canal de mezcla previa, en el que se mezclan intensamente el combustible 11 y el aire para la combustión 9 como paso previo a la combustión. Esto se denomina como combustión con mezcla previa. El combustible 11 se introduce en el canal anular 30 a través de paletas directrices de entrada 13, que se han realizado de manera hueca. El canal central 41 desemboca en la zona de combustión 27 junto con una lanza central de combustible 45, que alimenta combustible, especialmente aceite, a través de un inyector de vórtice 47. En este caso se mezclan el combustible 11 y el aire para la combustión 9 en primer lugar en la zona de combustión 27 y se habla de una combustión por difusión. Sin embargo, puede aportarse al canal central 41 combustible 11, especialmente gas natural, a través de una entrada para combustible 43 incluso aguas arriba de la zona de combustión 27.

En el inserto del quemador 2 se ha integrado un resonador de Helmholtz 19, que presenta un volumen del resonador 23 y que desemboca en la cámara de combustión 55 a través de una desembocadura del resonador 21 constituida por taladros. Cada uno de los taladros va seguido por un tubito 61 que penetra en el volumen del resonador 23, que está conformado de manera alabeada. El resonador de Helmholtz 19 rodea la desembocadura del quemador 4 en forma anular.

La circunvalación en forma anular de la desembocadura del quemador 4 por parte del resonador 19 conduce a un efecto uniforme sobre la zona de combustión 27. De este modo, no se producen desigualdades de la temperatura debido al resonador 19. De igual modo el resonador 19 actúa de una forma muy efectiva directamente sobre la zona con liberación de calor máxima.

Los tubitos 61 posibilitan un tamaño constructivo comparativamente pequeño para el resonador 19 de tal manera, que puede integrarse en el inserto del quemador 2. Mediante entradas de aire 63 se introduce aire en el resonador 19, con lo cual éste puede ser adaptado, por un lado, con respecto a su impedancia y, por otro lado, también puede ser refrigerado.

Claims (9)

1. Turbina de gas (51) con una cámara de combustión (55) y con un quemador (1), que desemboca en la cámara de combustión (55) sobre una desembocadura del quemador (4), en el que la desembocadura del quemador (4) está rodeada en forma anular por un resonador de Helmholtz (19), caracterizada porque el resonador de Helmholtz (19) está integrado en un inserto del quemador (2), estando conectado el quemador (1) con la cámara de combustión (55) a través del inserto del quemador (2).

2. Turbina de gas según la reivindicación 1, en la que el resonador de Helmholtz (19) presenta un volumen del resonador (23) y desemboca sobre una desembocadura del resonador (21) en la cámara de combustión (55), prolongándose la desembocadura del resonador (21) con un tubito (61) que penetra en el volumen del resonador (23).

3. Turbina de gas (51) según la reivindicación 2, en la que el tubito (61) está formado de manera arqueada o es de forma alabeada.

4. Turbina de gas (51) según la reivindicación 2 o 3, en la que puede ser ajustado el volumen del resonador (23).

5. Turbina de gas (51) según una de las reivindicaciones precedentes, en la que la cámara de combustión (55) está configurada en forma de cámara de combustión anular.

6. Turbina de gas (51) según una de las reivindicaciones 1 a 5, en la que el inserto del quemador (2) es un componente individual, en el que está insertado el quemador (1).

7. Turbina de gas (51) según la reivindicación 6, en la que el inserto del quemador (2) está enroscado con una pared de la cámara de combustión (56).

8. Turbina de gas (51) según las reivindicaciones 1 a 5, en la que el inserto del quemador (2) forma una brida sobre el quemador (1).

9. Turbina de gas (51) según una de las reivindicaciones precedentes, en la que el resonador de Helmholtz (19) se ha configurado de forma que puede ser recorrido por el aire.