BRPI0901605A2 - combustor para turbina a gás e venturi - Google Patents
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Abstract
Patente de Invenção: COMBUSTOR PARA TURBINA A GáS E VENTURI. A presente invenção refere-se a um combustor (10) para uma turbina a gás que é proporcionado, tendo um conjunto de bocal localizado em uma extremidade, e uma câmara de combustão (34), definindo uma segunda extremidade do combustor. Um venturi (30) é posicionado dentro do combustor (10), entre o bocal (18, 20) e a câmara de combustão (34). O venturi (30) define uma passagem nele, tendo um primeiro lado (40, 140, 240) voltado para o bocal (18, 20) e um segundo lado (42, 142, 242) voltado para a câmara de combustão (34). O ar comprimido é dirigido a uma entrada, em comunicação fluida com os primeiro (40, 140, 240) e segundo lados (42, 142, 242) da passagem do venturi. A passagem do venturi dirige o ar comprimido da entrada, em direções opostas dentro dos primeiro (40, 140, 240) e segundo lados (42, 142, 242) da passagem, para resfriamento do venturi (30).
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "COMBUSTOR PARA TURBINA A GÁS E VENTURI".
CAMPO TÉCNICO
A presente invenção refere-se a combustores, que podem serusados em turbinas de combustão. Mais especificamente, a presente inven-ção refere-se a um sistema para resfriamento da região de garganta de ven-turi, entre as câmaras de combustão primária e secundária.
ANTECEDENTES
As turbinas a gás desempenham um papel significativo em vá-rias aplicações, tais como na propulsão aérea, propulsão marinha, geraçãode energia, e em processos de acionamento, tais como de bombas e com-pressores. Tipicamente, uma turbina a gás inclui um compressor, um com-bustor e uma turbina. Em operação, o ar é alimentado ao sistema, no qual écomprimido pelo compressor e misturado com combustível no combustor. Oar comprimido e a mistura combustível são então queimados dentro do com-bustor, para provocar uma expansão do fluxo de ar, que é responsável peloacionamento da turbina.
As camisas de combustão definem o volume interno do combus-tor e servem para proteger o invólucro do combustor e as partes remanes-centes do motor das temperaturas extremas presentes dentro do combustor.Para reduzir as emissões de NOx e estender a longevidade dos componen-tes do motor, é desejável usar uma parte do ar comprimido, deixando ocompressor, para resfriamento de vários componentes do combustor, inclu-indo a camisa de combustão.
As camisas de combustão incluem, freqüentemente, uma regiãode garganta de venturi, que é usada para influenciar a localização da chamadentro do combustor e estabilizar a chama de combustão. Nessas disposi-ções, um abaixamento das emissões de NOx é obtida por abaixamento dastemperaturas de pico da chama por meio da queima de uma mistura unifor-me, pobre de combustível e ar. A uniformidade é tipicamente obtida por pré-mistura de combustível e ar no combustor, a montante do venturi, e depoisqueima da mistura a jusante da borda ou ápice do venturi na câmara decombustão secundária. A configuração de venturi, em virtude da aceleraçãodo fluxo precedente à parte de garganta, é intencionada para impedir que achama retorne para a região de pré-mistura ou câmara de combustão primá-ria, a montante da garganta de venturi. A região de retenção de chama, amontante do venturi, é também preciso ser resfriada, sob certas condiçõesoperacionais. Uma vez que as chamas podem residir em cada lado do ven-turi, ambos os lados precisam ser resfriados. No entanto, se o fluxo de ar deresfriamento, liberado a jusante do venturi, for muito grande ou for liberadomuito próximo ao venturi, pode afetar adversamente o desempenho da com-bustão.
A patente U.S. 5.117.636 mostra uma passagem de resfriamentodentro do venturi, que é estendida a jusante do ápice ou garganta do venturi,de modo que o ar de resfriamento não entra de novo na zona de retenção dachama dentro da câmara de combustão secundária. Intenciona-se que asfunções de retenção da chama e resfriamento do venturi sejam desacopla-das. A patente U.S. 6.430.932 mostra uma câmara de resfriamento dentrode um venturi, que direciona o fluxo de resfriamento contra o fluxo de com-bustão e descarrega ar de resfriamento a montante do venturi.
Determinou-se que a carga térmica nos lados a montante e ajusante do venturi são diferentes e a descarga de ar de resfriamento, próxi-ma do venturi em qualquer lado, tem um efeito na operação do combustor.
Nos projetos da técnica anterior, nos quais os resfriamentos de ambos oslados do venturi são ligados, não havia um equilíbrio da absorção de calordentro das paredes do venturi, nem havia uma acomodação feita para aqueda de pressão dentro da passagem de resfriamento.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
Um combustor é proporcionado para um motor de turbina a gás,do tipo tendo um conjunto de bocal localizado em uma primeira extremidadedo combustor e uma câmara de combustão definida em uma segunda ex-tremidade do combustor, a jusante do bocal. Um venturi é posicionado entreo bocal e a câmara de combustão. O venturi define uma transição entre aprimeira extremidade do combustor e a segunda extremidade do combustor.O venturi inclui uma passagem nele para receber um fluxo de ar de resfria-mento. A passagem tem um primeiro lado voltado para o bocal e um segun-do lado voltado para a câmara de combustão. Uma fonte de ar comprimido édirigida para a passagem, com a entrada de fluxo estando em comunicaçãocom os primeiro e segundo lados da passagem de venturi. A passagem deventuri dirige o ar comprimido da fonte em direções opostas dentro do ventu-ri. Desse modo, os fluxos de ar no primeiro lado e no segundo lado da pas-sagem ficam em direções opostas.
Um outro aspecto da invenção pode incluir uma passagem se-cundária, que se estende a montante do segundo lado da passagem de ven-turi. Ainda mais, a entrada do fluxo de resfriamento pode ser posicionadamais próxima ao bocal ou mais próxima ao lado a montante do ápice do venturi.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
Nos desenhos, ilustra-se várias concretizações que são atual-mente preferidas.
A Figura 1 mostra uma seção transversal simplificada de um sis-tema de combustão de turbina a gás, incorporando uma concretização dapresente invenção.
A Figura 2 é uma vista em seção transversal parcial da região degarganta do venturi do sistema de combustão ilustrado na Figura 1.
A Figura 3 é uma vista em seção transversal parcial de uma ou-tra concretização de um sistema de venturi, para uso em um sistema decombustão.
A Figura 4 é uma vista em seção transversal parcial de maisuma outra concretização de um sistema de venturi, para uso em um sistemade combustão.
DESCRIÇÃO DETALHADA
Nos desenhos, mostra-se uma representação gráfica de umcombustor típico e de várias concretizações da presente invenção. O com-bustor é designado genericamente pelo número 10 e considera-se comosendo incorporado em uma turbina a gás (não-mostrada). Na Figura 1, ocombustor 10 inclui uma camisa de combustão 12, que é circundada pelomenos parcialmente por uma blindagem térmica ou luva de fluxo 14. O arcomprimido é proporcionado de um compressor a montante (não-mostrado)e alimentado a um canal circundante 16, formado entre a blindagem térmica14 e a camisa de combustão 12.
Dentro dos limites da camisa de combustão 12, proporciona-seuma pluralidade de bocais de combustível primários 18 e um bocal de com-bustível secundário. Uma luva de escoamento de combustor 22 é proporcio-nada circundando o bocal de combustível secundário 20, separando o bocalsecundário 20 dos bocais primários 18. O combustível 24 é introduzido emum controlador 26 e alimentado aos bocais 18, 20. A área entre a camisa decombustão 12 e a luva de escoamento do combustor 22 define uma câmarade combustão a montante ou primária 28. A jusante do bocal secundário 20fica um venturi 30, definindo uma restrição anular dentro da área definidapela camisa de combustão 12. O venturi 30 inclui um ápice 32, que defineuma parte garganta de venturi. O ápice 32 é posicionado a jusante dos bo-cais 18, 20. Uma câmara de combustão a jusante ou secundária 34 é posi-cionada dentro do combustor a jusante do ápice do venturi 32.
Em operação, a chama pode residir em qualquer lado do venturi30, tanto na câmara de combustão a montante 28, quanto na câmara decombustão a jusante 34. Em uma operação primária, o combustível 24 éproporcionado aos bocais primários 18, com a combustão ocorrendo na câ-mara de combustão a montante, e dirigido a jusante pela garganta do venturi32. Em uma operação pobre - pobre, o combustível 24 é proporcionado aosbocais primários 18, bem como ao bocal secundário 20. A combustão ocorreem ambas a câmara de combustão a montante 28, quanto na câmara decombustão a jusante 34. Além disso, o combustor 10 pode operar com com-bustível 24 dirigido apenas ao bocal secundário 20, criando combustão nacâmara de combustão a jusante 34. Combustível 24 adicional pode ser pro-porcionado aos bocais primários 18, sem que chama seja criada na câmarade combustão 28 a montante. A pré-mistura de combustível e ar, passando amontante da câmara 28, é dirigida pelo venturi 30 para a câmara de combus-tão a jusante 34, criando uma operação de pré-mistura e uma chama signifi-cativa dentro da câmara a jusante 34.
Uma vez que a chama pode residir em qualquer lado do venturi30, ambos os lados das paredes do venturi necessitam, tipicamente, ser res-friados para operação adequada e para longevidade do equipamento. Comomostrado na Figura 1, o ar de resfriamento no canal 16 circundante é dirigidoao lado traseiro do venturi 30, e depois dirigido ao longo das paredes inter-nas do venturi 30. As cargas térmicas nos lados a montante e a jusante doventuri 30 são considerados como sendo diferentes. Além disso, o movimentodo ar de resfriamento de volta para as câmaras de combustão, em qualquerlado do venturi 30, tem também um efeito na operação do combustor 10.
Na Figura 2, mostra-se uma vista em seção transversal esque-mática ampliada de um lado do venturi 30 ilustrado na Figura 1. O ar com-primido 36 é dirigido a uma câmara de pressão positiva 38, no lado traseirodo venturi 30. Nessa concretização, a câmara de pressão positiva de entra-da 38 é posicionada diretamente atrás do ápice 32 do venturi 30. O ar deresfriamento dirigido ao venturi 30 pela câmara de pressão positiva de en-trada fica em comunicação fluida com os dois canais 40 e 42, que são ge-ralmente paralelos a um primeiro ou lado a montante 41 do venturi 30 e a umsegundo ou lado a jusante 43 do venturi 30. O ar de resfriamento 36 dirigidopara o canal 40 é virado em uma direção oposta daquela do ar de resfria-mento dirigido para o canal 42. O fluxo de ar pelo canal a montante 40, nolado a montante 41 do venturi 30, é dirigido por uma saída a montante 44 epara a câmara de combustão primária 28. O fluxo de resfriamento, passandopelo canal a jusante 42 e ao longo do lado a jusante 43, é dirigido pela saída46, posicionada adjacente à camisa de combustão 12, e para a câmara decombustão a jusante 34. Várias formas específicas de saídas de descargapara o ar do venturi são conhecidas na técnica anterior e podem ser incorpo-radas no venturi 30, como descrito no momento.
Na Figura 3, uma variação das estruturas da invenção é mostra-da. O ar de resfriamento 36 é dirigido do canal 16 para uma câmara de pres-são positiva de entrada 138, tendo uma saída que é posicionada adjacenteao lado a jusante 43 do venturi 30. A câmara de pressão positiva de entrada138 fica em comunicação fluida direta com o canal a jusante 142. O ar deresfriamento é dirigido em uma direção a jusante pelo canal 142, no sentidoda saída a jusante 46. Um fluxo adicional de ar de resfriamento é dirigidodentro da parte canal a jusante 142a, na direção oposta da saída a jusante46. A parte canal de resfriamento 142a se comunica com o canal a montante140, posicionado atrás do lado a montante 41 do venturi 30. O ar de resfria-mento dentro do canal a montante 140 é dirigido pela saída a montante 44 epara a câmara de combustão a montante 28. O posicionamento do canal deresfriamento na face a jusante do venturi, reduz-se o resfriamento necessá-rio para a parte a jusante do venturi. Alternativamente, a câmara de pressãopositiva de entrada 138 pode ser posicionada adjacente ao lado a montante41 do venturi 30.
Desse modo, o venturi define uma transição entre as primeira esegunda extremidades do combustor. A passagem interna dentro do venturiinclui um primeiro lado e um segundo lado nos lados opostos de um ápice doventuri. A entrada de resfriamento para o fluxo de ar comprimido fica emcomunicação fluida com os primeiro e segundo lados da passagem de ven-turi, e o ar comprimido da entrada de resfriamento é dirigido pela passagemdo venturi, nas direções opostas dentro dos primeiro lado e segundo lado. Aentrada de resfriamento pode comunicar-se com a passagem do venturi, emuma posição em linha com o, ou deslocada do, ápice do venturi. A entradade resfriamento pode ser formada como uma câmara de pressão positiva,posicionada atrás do venturi ou pode assumir quaisquer de várias outrasformas.
Na Figura 4, uma outra concretização de um sistema de resfria-mento de venturi é proporcionado. O ar de resfriamento 36 é dirigido do ca-nal 16 para uma câmara de pressão positiva de entrada 238. A câmara depressão positiva de entrada 238 dirige o ar de resfriamento para os canais240, 242 no lado traseiro do venturi 30. Como ilustrado, a câmara de pres-são positiva de entrada 238 é posicionada adjacente à parte posterior doápice 32 do venturi 30, com o canal a montante 240 dirigindo o ar de resfri-amento ao longo do lado a montante 41 e o canal a jusante 242 dirigindo arde resfriamento ao longo do lado a jusante 43. A extremidade a jusante docanal 242 fica em comunicação fluida com uma passagem secundária 248.O ar de resfriamento dentro do canal 242 volta à direção na qual entra napassagem secundária 248. A passagem secundária 248 se estende no sen-tido do lado a montante do combustor e se une com o canal a montante 240,adjacente a um canal de descarga 250. O fluxo combinado do canal a mon-tante 240 e passagem secundária 248 passa pelo canal de descarga 250 e édescarregado pela saída a montante 244 na câmara de combustão 28, nolado a montante do venturi 30.
Na concretização mostrada na Figura 4 (e nas concretizaçõesdescritas acima), considera-se que a câmara de pressão positiva de entrada238 pode compreender alguma coisa diferente de uma ranhura ou canalanular contínuo. A câmara de pressão positiva de entrada 238 e a passagemsecundária 248 podem ser formadas por uma série de tubos que se cruzamentre si. Desse modo, a câmara de pressão positiva de entrada 238 alimentao lado posterior do venturi 30, após cruzar a série de tubos que formam apassagem 248. O reposicionamento da câmara de pressão positiva de en-trada 238, com relação à posição axial do ápice 32 do venturi 30, pode sertambém utilizado para ajustar o efeito de resfriamento no venturi 30. Alémdisso, como em todas as concretizações discutidas no presente relatóriodescritivo, o tamanho e a formação relativos dos canais e das passagenspodem ser variados, de modo a ajustar o fluxo de ar e a queda de pressãodo ar de resfriamento, na medida em que ele se movimenta dentro das pa-redes do venturi e é depois dirigido para as câmaras de combustão.
Várias modificações nas concretizações descritas vão ser evi-dentes àqueles versados na técnica, mediante revisão da presente descri-ção. Desse modo, a invenção pode ser representada em outras formas es-pecíficas, sem que se afaste dos seus espírito ou atributos essenciais e,consequentemente, deve-se fazer referência às reivindicações em anexo,em vez de ao relatório descritivo precedente, como indicativas do âmbito dainvenção.
Claims (17)
1. Combustor (10) para uma turbina a gás, caracterizado pórcompreender:um conjunto de bocal localizado em uma primeira extremidadedo combustor (10);uma câmara de combustão (34) definida dentro do combustor(10), a jusante do bocal (18, 20);um venturi (30) posicionado dentro do combustor (10) e definin-do uma transição entre a primeira extremidade e a câmara de combustão(34), o venturi (30) tendo uma passagem interna nele, a passagem tendo umprimeiro lado (40, 140, 240) voltado para o bocal (18, 20) e um segundo lado(42, 142, 242) voltado para a câmara de combustão (34); euma fonte de ar comprimido dirigida para uma entrada de resfri-amento, a entrada de resfriamento em comunicação fluida com os primeiro(40, 140, 240) e segundo (42, 142, 242) lados da passagem de venturi,a passagem dirigindo o ar comprimido (36) da fonte em direçõesopostas dentro dos primeiro lado (40, 140, 240) e segundo lado (42, 142,-242), para resfriamento do venturi (30).
2. Combustor (10) de acordo com a reivindicação 1, caracteriza-do pelo fato de compreender ainda uma passagem secundária (248) em co-municação com uma extremidade a jusante do segundo lado (42, 142, 242)da passagem de venturi, em que o fluxo de ar movimentando-se pelo se-gundo lado (42, 142, 242) da passagem para a passagem secundária (248)é revertido em direção e dirigido no sentido do primeiro lado (40, 140, 240)do venturi (30).
3. Combustor (10) de acordo com a reivindicação 2, caracteriza-do pelo fato de compreender ainda uma saída de ar de resfriamento (44,-144), posicionada em uma extremidade do primeiro lado (40, 140, 240) dapassagem do venturi, para dirigir o ar de resfriamento (36) para a primeiraextremidade do combustor.
4. Combustor (10) de acordo com a reivindicação 3, caracteriza-do pelo fato de que a passagem secundária (248) e o primeiro lado (40, 140,- 240) da passagem ficam ambos em comunicação fluida com a saída de arde resfriamento (44, 144).
5. Combustor (10) de acordo com a reivindicação 4, caracteriza-do pelo fato de que a saída de ar de resfriamento (44, 144) dirige o fluxo dear da passagem secundária (248) e do primeiro lado (40, 140, 240) da pas-sagem do venturi para a primeira extremidade do combustor, a montante doventuri (30).
6. Combustor (10) de acordo com a reivindicação 1, caracteriza-do pelo fato de que a entrada de resfriamento se comunica com o primeirolado (40, 140, 240) da passagem do venturi, em uma posição atrás do lado ajusante (41) do venturi (30) dentro do combustor (10).
7. Combustor (10) de acordo com a reivindicação 1, caracteriza-do pelo fato de compreender ainda uma câmara de pressão positiva radial,posicionada atrás do venturi (30).
8. Combustor (10) para uma turbina a gás, caracterizado pelofato de compreender:um conjunto de bocal localizado em uma primeira extremidadedo combustor;uma câmara de combustão (34) definida dentro do combustor(10), a jusante do bocal (18, 20);um venturi (30) posicionado dentro do combustor (10) e definin-do uma transição entre a primeira extremidade e a câmara de combustão(34), o venturi (30) tendo uma passagem interna nele, a passagem tendo umprimeiro lado (40, 140, 240) e um segundo lado (42, 142, 242) em lados o-postos de um ápice (32) do venturi (30); euma entrada de resfriamento para um fluxo de ar comprimido, aentrada de resfriamento em comunicação fluida com os primeiro (40, 140,- 240) e segundo lados (42, 142, 242) da passagem do venturi, e o ar com-primido da entrada de resfriamento dirigido pela passagem do venturi, emdireções opostas dentro dos primeiro lado (40, 140, 240) e segundo lado (42,- 142, 242), para resfriamento do venturi (30).
9. Combustor (10) de acordo com a reivindicação 8, caracteriza-do pelo fato de que a entrada de resfriamento se comunica com o primeiro(40, 140, 240) ou segundo lado (42, 142, 242) da passagem do venturi, emuma posição deslocada do ápice (32) do venturi (30) dentro do combustor (10).
10. Combustor (10) de acordo com a reivindicação 8, caracteri-zado pelo fato de que a entrada de resfriamento compreende ainda umacâmara de pressão positiva radial, posicionada atrás do venturi (30).
11. Combustor (10) de acordo com a reivindicação 8, caracteri-zado pelo fato de compreender ainda uma passagem secundária (248) co-municando-se com uma extremidade a jusante do segundo lado (42, 142,-242) da passagem do venturi, em que o fluxo de ar movimentando-se pelosegundo lado (42, 142, 242) da passagem para a passagem secundária(248) é revertido em direção e dirigido no sentido do primeiro lado do venturi (30).
12. Combustor (10) de acordo com a reivindicação 11, caracteri-zado pelo fato de compreender ainda uma saída de ar de resfriamento (44,-144), posicionada em uma extremidade do primeiro lado (40, 140, 240) dapassagem do venturi, para dirigir o ar de resfriamento (36) para a primeiraextremidade do combustor.
13. Combustor (10) de acordo com a reivindicação 12, caracteri-zado pelo fato de que a passagem secundária (248) e o primeiro lado (40,-140, 240) da passagem ficam ambas em comunicação fluida com a saída dear de resfriamento (44, 244).
14. Combustor (10) de acordo com a reivindicação 13, caracteri-zado pelo fato de que a saída do ar de resfriamento (44, 244) dirige o fluxode ar da passagem secundária (248) e do primeiro lado (40, 140, 240) dapassagem do venturi para a primeira extremidade do combustor, a montantedo venturi (30).
15. Venturi (30) dentro de um combustor (10) de turbina a gás,caracterizado pelo fato de compreender:um lado angulado a montante (41), um lado angulado a jusante(43), um ápice (32) posicionado entre os lados a montante (41) e a jusante(43), e uma entrada de ar de resfriamento entre os lados angulados parasuprir ar de resfriamento (36) próximo ao ápice (32);uma primeira passagem (42, 142, 242) para dirigir ar de resfria-mento da entrada ao longo da superfície interna do lado angulado (43) a ju-sante e depois a montante dele ao longo de uma camisa (12);uma segunda passagem (40, 140, 240) para dirigir o ar de resfri-amento da entrada ao longo do lado angulado (41) a montante; euma descarga de resfriamento para dirigir o ar de resfriamento(36) do segundo canal (16) para o combustor (10), a montante do ápice (32)do venturi (30).
16. Venturi (30) de acordo com a reivindicação 15, caracterizadopelo fato de compreender ainda uma câmara de pressão positiva central,estendendo-se radialmente em torno do combustor (10), dentro do venturi(30).
17. Venturi (30) de acordo com a reivindicação 15, caracterizadopelo fato de que a descarga de resfriamento é posicionada a montante dolado angulado (41) a montante do venturi (30).
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