LANZA PARA QUEMADOR HIBRIDO Campo de la Invención La invención se refiere a una lanza para un quemador híbrido de un combustor de una turbina de gas, en particular una turbina de gas para una central eléctrica. Antecedentes de la Invención Por medio de tal lanza, un combustible líquido, por ejemplo un aceite adecuado, y un combustible gaseoso, por ejemplo un gas natural, pueden ser rociados alternativamente o de una manera acumulativa en un quemador híbrido. La lanza es provista normalmente con el combustible gaseoso por medio de una tubería en la cual prevalece una presión predeterminada del gas por el sistema de suministro de gas. Sin embargo, en una multiplicidad de aplicaciones, por ejemplo en un combustor que tiene un quemador de presión baja y un quemador de presión elevada corriente abajo, esta presión del sistema presente en la tubería es demasiado baja para que sea capaz de rociar el combustible gaseoso con una diferencia de la presión suficiente a través de la lanza hacia el combustor. En consecuencia, es una práctica convencional colocar un compresor adicional corriente arriba de la lanza para elevar el combustible gaseoso hasta el nivel de la presión requerido. Sin embargo, el equipamiento de tal compresor adicional incrementa los costos de instalación del combustor o de la turbina de gas equipada con el mismo. Ref .179666
Además, el compresor adicional, para su operación, requiere energía la cual, en una aplicación preferida de la turbina de gas en una central eléctrica para la generación de electricidad, reduce la eficiencia de la central eléctrica. Breve Descripción de la Invención La invención está propuesta para proporcionar una solución aquí. La invención como está caracterizada en las reivindicaciones, trata el problema de especificar una modalidad mejorada para una lanza del tipo mencionado al inicio, tal modalidad mejorada, en particular, hace posible que el quemador híbrido equipado con la lanza sea operado a una presión comparativamente baja en el combustible gaseoso. Este problema es resuelto por la materia objeto de la reivindicación independiente. Las modalidades ventajosas son la materia objeto de las reivindicaciones dependientes. La invención está basada en la idea general de reducir la resistencia al flujo de la lanza por las mejoras aerodinámicas en la ruta del gas de la lanza para reducir así la caída de presión que ocurre durante el flujo a través de la lanza. En efecto, esta presión en el combustible gaseoso que es requerida corriente arriba de la lanza, puede ser reducida como un resultado. El objeto en este caso es reducir la resistencia al flujo en la ruta de gas de la lanza si es posible a tal grado que la caída de presión restante permita la operación apropiada del quemador justo con la presión del
sistema prevaleciente en la tubería. Esto significa que un compresor adicional corriente arriba de la lanza puede ser eliminado . En la invención, la resistencia al flujo en la ruta de gas de la lanza está marcadamente reducida en particular en virtud del hecho de que, en una sección del distribuidor que está colocada corriente arriba de las boquillas externas en el pasaje externo y que tiene una pluralidad de aberturas de paso que se extienden axialmente, colocadas de manera semejante a una estrella, para el combustible gaseoso, las aberturas de paso están dimensionadas de tal manera que ellas tengan cada una un ancho de la abertura que es más grande en la dirección circunferencial que en la dirección radial. Debido a este tipo de construcción, esta sección transversal en la sección del distribuidor a través de la cual puede presentarse el flujo, es incrementada considerablemente, lo cual reduce correspondientemente su resistencia al flujo. En este caso, la invención hace uso del conocimiento de que, durante el flujo a través de la sección del distribuidor, una caída de presión especialmente pronunciada es producida dentro de la lanza, de modo que existe un potencial especialmente elevado allí para reducir la resistencia al flujo. De acuerdo con una modalidad ventajosa, el pasaje externo puede ser definido axialmente en la región de las
boquillas externas por una pared extrema externa, como resultado de lo cual el pasaje externo es cerrado axialmente. En cada boquilla externa, un rebajo axial es formado entonces en la pared extrema externa sobre un lado alejado de la sección del distribuidor. Por medio de tal rebajo, el flujo alrededor de las boquillas internas que se extiende coaxialmente dentro de las boquillas externas puede llevarse a cabo de una manera considerablemente más efectiva, lo cual simplifica considerablemente el flujo del combustible gaseoso desde el tubo externo hacia las boquillas externas, en particular sobre su lado alejado de la sección del distribuidor. En consecuencia, la resistencia al flujo también es marcadamente reducida en la región de transición entre el tubo externo y las boquillas externas. Al mismo tiempo, en tal modalidad, la homogeneidad del flujo a través de las boquillas externas y por consiguiente la calidad del rociado del combustible gaseoso, pueden ser mejoradas. Una reducción adicional en la caída de presión en la ruta del gas de la lanza puede ser realizada en otra modalidad en virtud del hecho de que, en cada boquilla externa, una transición desde el pasaje externo hasta un pasaje de la boquilla externa formado en el interior de la boquilla externa respectiva, está provista con una zona de entrada que se estrecha en la dirección de flujo. Tal zona de entrada reduce la resistencia al flujo durante el desvío del
flujo de gas, un factor que reduce de manera semejante la resistencia total de la lanza. Las características y ventajas importantes adicionales de la lanza de acuerdo con la invención pueden ser deducidas de las sub-reivindicaciones, las figuras y la descripción asociada con referencia a las figuras. Breve Descripción de las Figuras Las modalidades ejemplares preferidas son mostradas en las figuras y son descritas con mayor detalle posteriormente, las mismas designaciones hacen referencia a los mismos componentes o componentes semejantes o funcionalmente idénticos. En las figuras, en cada caso esquemáticamente : la figura 1 muestra una ilustración diagramática simplificada de una lanza de acuerdo con la invención en el estado equipado, la figura 2 muestra una vista parcialmente seccionada, en perspectiva, de la cabeza de la lanza, la figura 3 muestra una vista en perspectiva, parcialmente seccionada, de la cabeza de la lanza de acuerdo con la figura 2 en una dirección diferente de la vista identificada por III, la figura 4 muestra una sección longitudinal intermedia de la cabeza de la lanza en una región de la boquilla.
Descripción Detallada de la Invención De acuerdo con la figura 1, un combustor 1 indicado sólo parcialmente aquí, comprende al menos un quemador híbrido 2 que esté equipado con una lanza 3. El combustor 1 preferentemente es una parte integral de una turbina de gas (no mostrada aquí) , en particular para la generación de electricidad dentro de una central eléctrica. El quemador híbrido 2 puede quemar tanto combustibles gaseosos, tales como gas natural por ejemplo, como combustibles líquidos, tales como un aceite adecuado por ejemplo. En consecuencia, la lanza 3 está conectada a una línea de suministro 4 del combustible líquido por una parte y a una línea de suministro 5 del combustible gaseoso por otra parte. Una bomba 6 está colocada normalmente en la línea de suministro 4 del combustible líquido para que sea capaz de presurizar el combustible líquido hasta la presión de suministro requerida. En contraste con esto, la línea de suministro 5 del combustible gaseoso está conectada esencialmente de manera directa a una tubería (no mostrada aquí) que proporciona el combustible gaseoso a una presión de la tubería comparativamente baja. La configuración de la lanza 3 de acuerdo con la invención hace posible que un compresor en la línea de suministro 5 del combustible gaseoso corriente arriba de la lanza 3, sea distribuido con la misma.
El aire comprimido es alimentado al quemador 2 desde un compresor (no mostrado) de acuerdo con la flecha 7. Con respecto a la dirección de flujo del aire 7, la lanza 3 es llevada esencialmente de manera radial hacia arriba hasta el quemador 2 y tiene una cabeza 8 de la lanza que se proyecta hacia el quemador 2 y colocada esencialmente a ángulos rectos. Con respecto a su eje central longitudinal 9, la cabeza 8 de la lanza está orientada por lo tanto paralela con respecto a la dirección del flujo principal del aire alimentado 7. La cabeza 8 de la lanza está configurada de tal manera que, con relación a su eje central longitudinal 9, es decir con relación a la dirección del flujo principal, prevaleciente en el quemador 2, del aire 7, pueda rociar el combustible líquido y/o gaseoso radialmente hacia el quemador 2. Las explicaciones que se dan posteriormente se refieren en particular a la cabeza 8 de la lanza. De acuerdo con las figuras 2 y 3 , la lanza 3 , en su cabeza 8, contiene un pasaje interno 10 para el combustible líquido y un pasaje externo 11 para el combustible gaseoso. Los dos pasajes 10, 11 están arreglados coaxialmente entre sí, de modo que el pasaje externo 11 encierre el pasaje interno 10. En consecuencia, el pasaje externo 11 tiene una sección transversal anular, mientras que el pasaje interno 10 tiene una sección transversal completa. El pasaje interno 10
y el pasaje externo 11 están separados entre sí por un tubo interno 16 y están encerrados por un tubo externo 17 colocado coaxialmente con respecto a los mismos. Para rociar el combustible gaseoso, la lanza 3 está provista en su cabeza 8 con una pluralidad de boquillas externas 12 que están arregladas de manera semejante a una estrella con relación al eje central longitudinal 9 y empiezan radialmente desde el pasaje externo 11. Las boquillas externas 12 cada una contienen un pasaje 13 de la boquilla externa que se ramifica totalmente de manera radial desde el pasaje externo 11 y comunica con este último. En consecuencia, el combustible gaseoso puede ser rociado en el quemador 2 por medio de las boquillas externas 12. De una manera correspondiente, la lanza 3 también está provista en su cabeza 8 con boquillas internas 14 las cuales están arregladas de una manera semejante a una estrella con respecto al eje central longitudinal 9 y al mismo tiempo se ramifican totalmente de manera radial desde el pasaje interno 10. En este caso, una boquilla interna respectiva 14 está arreglada coaxialmente dentro de una boquilla externa 12, las boquillas internas 14 y las boquillas externas 12 cada una finalizan aproximadamente niveladas radialmente sobre el lado externo. Cada boquilla interna 14 contiene un pasaje 15 de la boquilla interna que
comunica con el pasaje interno 10. En consecuencia, el combustible líquido puede ser rociado sobre el quemador 2 por medio de las boquillas internas 15. El arreglo coaxial de las boquillas 12, 14 conduce a una sección transversal anular para el pasaje 13 de la boquilla externa, mientras que el pasaje 15 de la boquilla interna tiene una sección transversal total. Colocada en el pasaje externo 11 corriente arriba de las boquillas externas 12 está una sección 18 del distribuidor, la cual en la figura 2 es identificada por un tirante. La sección distribuidora 18 forma una sección axial, cerrada en una forma anular, de la lanza 3 o de la cabeza 8 de la lanza y puede ser diseñada en particular de una pieza con el tubo externo 17. La sección distribuidora 18 por lo tanto está colocada en la sección transversal, a través de la cual puede ocurrir el flujo, del pasaje externo 11. De modo que el combustible gaseoso pueda alcanzar no obstante las boquillas externas 12, la sección distribuidora 18 está provista con una pluralidad de aberturas de paso 19 las cuales están arregladas de manera semejante a una estrella y se extienden axialmente a través de la sección distribuidora 18. Tal sección distribuidora 18 es requerida para que sea capaz de asegurar una cierta diferencia de la presión con respecto a la ruta del gas en el caso de daño durante el cual la cabeza 8 de la lanza, por ejemplo, ha llegado a tener
fugas debido al sobrecalentamiento, de modo que el frente de la flama no pueda ser arrastrado hacia la ruta del gas contra la dirección del flujo de gas o de modo que una cantidad excesiva del combustible no pueda fluir hacia el quemador 2 de una manera no controlada. De modo que la sección distribuidora 18 para el combustible gaseoso tenga una resistencia tan baja al flujo como sea posible, las aberturas de paso 19 están diseñadas cada una de tal manera que puedan tener un ancho de la abertura que sea más grande en la dirección circunferencial que en la dirección radial. En la figura 3, el ancho de la abertura circunferencial orientada en la dirección circunferencial está marcado por una flecha 20, mientras que el ancho de la abertura radial orientada en la dirección radial está indicado por una flecha 21. Se puede observar claramente que el ancho de la abertura circunferencial 20 es seleccionado para que sea mayor que dos veces tan grande como el ancho 21 de la abertura radial. En particular, el ancho 20 de la abertura circunferencial es de aproximadamente tres a cinco veces más grande, preferentemente de manera aproximada de cuatro veces más grande que el ancho 21 de la abertura radial. El diseño seleccionado para las aberturas de paso 19 conduce a una resistencia comparativamente baja al flujo para las aberturas de paso 19, de modo que la caída de la presión que ocurre durante el flujo a través de la sección 18 del
distribuidor sea correspondientemente baja. En consecuencia, una resistencia al flujo comparativamente baja también es obtenida para la lanza 3 . En la modalidad preferida mostrada aquí, las aberturas de paso 19 cada una se extienden en la dirección circunferencial a lo largo de un segmento del arco de un círculo, como resultado de lo cual una sección transversal especialmente grande a través de la cual puede ocurrir el flujo, puede ser lograda para la abertura de paso 19 respectiva. En un principio, también se pueden utilizar otras geometrías de sección transversal, por ejemplo secciones transversales elípticas. Sin restricción para la universalidad, cuatro aberturas de paso 19 están provistas en la modalidad mostrada aquí. Las aberturas de paso 19 individuales están separadas entre sí en la dirección circunferencial por los cuerpos 22 . En este caso, los cuerpos 22 se extienden radial y axialmente con relación al eje central longitudinal 9. Comparados con las aberturas de paso 19, estos cuerpos 22 tienen solamente una sección transversal comparativamente pequeña. El ancho 20 de la abertura circunferencial de las aberturas de paso 19 en cada caso es al menos tres veces más grande que un espesor 23 de la pared, medido en la dirección circunferencial, de los cuerpos 22 . En particular, los cuerpos 22 están dimensionados de tal modo que el ancho 20 de la abertura circunferencial de
las aberturas de paso 19 sea de aproximadamente cuatro a ocho veces más grande que el espesor 23 de la pared de los cuerpos 22. Con referencia a la figura 4, se puede observar de manera especialmente clara que el pasaje externo 11 en la región de las boquillas externas 12 está cerrado axialmente por una pared extrema externa 24. Puesto que las boquillas externas 12 o los pasajes 13 de la boquilla externa están orientados radialmente con relación al pasaje externo 11, ocurre un desvío de flujo relativamente pronunciado en una transición 25 entre el pasaje externo 11 y el pasaje 13 de la boquilla externa, un factor que está indicado en la figura 4 por flechas. De acuerdo con una configuración ventajosa, para reducir la caída de la presión que acompaña el desvío del flujo, un rebajo axial 26 puede ser cortado en la pared extrema externa 24 en cada boquilla externa 12 sobre un lado alejado de la sección distribuidora 18. Este rebajo 26 hace más fácil que el flujo de gas en el pasaje interno 11 fluya alrededor de la boquilla interna 14 respectiva. Como resultado, el desvío del flujo de gas puede ser mejorado con la boquilla externa 12 sobre el lado alejado de la sección distribuidora 18. Esto conduce a la distribución de la presión dentro de la transición 25 que se hace de manera más uniforme, con la consecuencia de que, en primer lugar, la resistencia al flujo en la región de la transición 25 es
reducida y, en segundo lugar, la homogeneidad de la distribución de flujo dentro del pasaje 13 de la boquilla externa es mejorada. Como se muestra aquí en la figura 4, el rebajo 26 puede ser provisto separadamente para cada una de las boquillas externas 12, una configuración es preferida entonces en la cual el rebajo 26 está diseñado en la forma de un segmento del arco de un círculo con relación a un eje central longitudinal 27 de las boquillas 12, 14. Como resultado, las "zonas de reactivación" pueden ser reducidas y la resistencia al flujo puede ser reducida. Alternativamente, también es posible en un principio proporcionar un rebajo común 26 para todas las boquillas externas 11. Tal rebajo común 26 forma entonces una muesca anular circundante, encerrada en la dirección circunferencial, en la pared extrema externa 24. Tal modalidad es especialmente simple de producir . Los valores especialmente favorables para la caída de la presión en la transición 2 pueden ser logrados si el dimensionamiento del rebajo 26 es igualado con las dimensiones del pasaje 13 de la boquilla externa de una manera especial. Por ejemplo, una modalidad es favorable en la cual una profundidad radial 28 medida con relación al eje central longitudinal 27 de la boquilla externa 12 es de aproximadamente dos veces o al menos dos veces más grande que
una distancia radial 29 entre una pared interna (no designada con mayor detalle) de la boquilla externa 12 y una pared externa (no diseñada con algún detalle adicional) de la boquilla interna 14 colocada allí. Una medida adicional para reducir la pérdida de la presión dentro de la lanza 3 es observada en la optimización aerodinámica de la transición 25. Para este propósito, la transición 25 de acuerdo con la figura 4 puede ser provista con una zona de entrada 30 que se estrecha en la dirección de flujo. Como resultado, la resistencia al flujo en la transición desde el pasaje externo 11 hacia el pasaje 13 de la boquilla externa respectivo es reducida. El estrechamiento de la zona de entrada 30 puede ser logrado por biselado simple. De manera semejante es posible para el estrechamiento que sea de un diseño totalmente redondeado. Como se puede observar de las figuras 2 a 4, un separador 31 está colocado convenientemente en el pasaje interno 10 en la región de las boquillas internas 14. El separador 31 comprende un núcleo 32 que se extiende concéntricamente dentro del pasaje interno 10. Formadas en este núcleo 32 están las paredes divisoras 33 que se extienden radial y axialmente y en una forma semejante a una estrella del proyecto de proceso desde el núcleo 32 de tal manera que las mismas puedan tocar el tubo interno 16. En este caso, el núcleo 32 y las paredes divisoras 33 están
diseñadas ventajosamente para ser deslizadas hacia atrás en la dirección de flujo incidente hacia el eje central longitudinal 9. Por medio de tal divisor 31, el desvío del flujo del líquido en el pasaje interno 10 hasta las boquillas internas 14 puede ser mejorado. Entonces, es especialmente ventajosa una modalidad que es mostrada en las figuras 2 y 3 y en las cuales una distancia 34 entre el núcleo 32 y el tubo interno 16 es al menos dos veces tan grande como un diámetro 35 del núcleo. En tal tipo de construcción, el tubo interno 16 en la región del divisor 31 no necesita ser ensanchado o solamente necesita ser ensanchado ligeramente para que sea capaz de asegurar una sección transversal de flujo tan constante como sea posible hasta las boquillas internas 14. El resultado de esto es que el pasaje externo 11 pueda tener una sección transversal de flujo más grande en la región de las boquillas externas 12, de modo que una sección transversal de flujo tan constante como sea posible también puede ser lograda en el pasaje externo 11 hasta las boquillas externas 12. Esta medida también conduce por último a una reducción en la resistencia al flujo en la ruta de gas de la lanza 3. Una característica especial adicional también puede ser observada de las figuras 2 y 3, puesto que el núcleo 32 se proyecta axialmente allí desde una pared extrema interna 36 la cual cierra axialmente el pasaje interno 10 en la
región de las boquillas internas 14. Para mejorar el desvío hasta las boquillas internas 14, una transición 37 desde el núcleo 32 hasta la pared extrema interna 36 puede ser diseñada en la forma de un reborde. Como resultado, es posible para el separador 31 que sea de una construcción axialmente más corta. Por ejemplo, una longitud axial 38 que es de aproximadamente el mismo tamaño que o que puede ser aún más pequeña que una sección transversal 39 de la abertura del pasaje interno 10 en la región de las boquillas internas 14, es preferida para el núcleo 32. Este separador 31 relativamente corto permite a su vez un ensanchamiento en el pasaje externo 11 y conduce allí a una resistencia reducida al flujo. Lista de designaciones 1 Combustor 2 Quemador híbrido 3 Lanza . 4 Línea de suministro del combustible líquido 5 Línea de suministro del combustible gaseoso 6 Bomba 7 Aire 8 Cabeza de la lanza 9 Eje central longitudinal de 8 10 Pasaje interno 11 Pasaje externo
12 Boquilla externa 13 Pasaje de la boquilla externa 14 Boquilla interna 15 Pasaje de la boquilla interna 16 Tubo interno 17 Tubo externo 18 Sección del distribuidor 19 Abertura de paso 20 Ancho de la abertura circunferencial 21 Ancho de la abertura radial 22 Cuerpo 23 Espesor de la pared del cuerpo 24 Pared extrema externa 25 Transición 26 Rebajo 27 Eje central longitudinal de 12 y 14
28 Profundidad de 26 29 Distancia entre 12 y 14 30 Zona de entrada 31 Separador 32 Núcleo 33 Pared divisora 34 Distancia entre 32 y 16 35 Diámetro del núcleo 36 Pared extrema interna
37 Transición con forma de reborde 38 Longitud del núcleo 39 Diámetro del pasaje interno Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.