ES2263434T3 - Camara de combustion. - Google Patents
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Abstract
Una cámara de combustión para turbinas de gas que comprende una camisa interior (12), una camisa exterior (11) y una pluralidad de quemadores, en la cual la citada camisa interior (12) es sustancialmente concéntrica con respecto a la citada camisa exterior (11), de manera que definen un espacio interior anular (30), y en la cual un escudo (13) que tiene un desarrollo longitudinal está situado a la salida de cada uno de los quemadores, caracterizada porque cada uno de los citados escudos (13) comprende una única pieza de chapa metálica, y porque al menos una de las citadas camisas (11, 12) tiene una pluralidad de orificios (20, 21), en secciones adyacentes al desarrollo longitudinal del citado escudo (13).
Description
Cámara de combustión.
La presente invención está relacionada con una
cámara de combustión para turbinas de gas.
Como es sabido, las turbinas de gas son máquinas
que consisten en un compresor y una turbina con una o más etapas,
en las cuales estos componentes están conectados entre sí por un eje
rotativo, y en las cuales se provee una cámara de combustión entre
el compresor y la turbina.
Para presurizar el compresor, se le alimenta con
aire obtenido del ambiente exterior.
El aire comprimido pasa a través de una serie de
cámaras de pre-mezcla, que terminan en una tobera o
parte convergente, en cada una de las cuales un inyector suministra
combustible que se mezcla con el aire para formar una mezcla de
aire y combustible que deberá quemarse.
Mediante uno o más quemadores, alimentados por
un circuito a presión, se admite en la cámara de combustión el
combustible necesario para producir la combustión, que está diseñada
para que dé lugar a un aumento de la temperatura y de la entalpía
del gas.
Los quemadores conocidos tienen una estructura
compleja, dentro de la cual existe también un inyector para el
combustible líquido, que a su vez está contenido dentro de un cuerpo
apropiadamente convergente, que en el lenguaje técnico común es
conocido generalmente por cubierta, y está conectada a un
correspondiente acoplamiento que permite la conexión con la cámara
de combustión.
Aguas abajo del inyector se crea una adecuada
turbulencia en el flujo de aire comprimido procedente del compresor
asociando a cada quemador un elemento que según la técnica es
conocido generalmente por turbulenciador, que intercepta el flujo
de aire procedente del compresor, y tiene una forma compleja
consistente en dos series de alabes orientados en direcciones
opuestas, todo lo cual está diseñado para producir esta
turbulencia.
La turbulencia así creada permite entre otras
cosas mezclar satisfactoriamente en la cámara de combustión el aire
propiamente dicho y el combustible.
Para mejorar las características de estabilidad
de la llama, en el caso de usar combustible gaseoso, generalmente
se proporciona también un sistema paralelo de alimentación de
combustible, que puede generar llamas piloto en las cercanías de la
salida del
quemador.
quemador.
Finalmente, mediante los correspondientes
conductos, el gas a alta temperatura y alta presión llega a las
diversas etapas de la turbina, que transforma la entalpía del gas en
energía mecánica que puede utilizar un usuario.
Si se observa con mayor detalle el área en la
cual se produce la combustión, puede apreciarse que, típicamente,
el combustible se quema en una cámara de combustión que está
delimitada por lo que se conoce generalmente en la técnica como
camisa exterior y camisa interior.
La camisa interior es concéntrica con respecto a
la camisa exterior, y coopera con esta última para definir un
espacio anular que constituye la auténtica cámara de combustión.
Como es sabido, en el diseño de las cámaras de
combustión para turbinas de gas prevalecen las consideraciones de
estabilidad de la llama y control de exceso de aire para crear las
condiciones ideales para la combustión.
Un segundo factor que afecta al diseño de las
cámaras de combustión de las turbinas de gas es la tendencia a
hacer que la combustión tenga lugar lo más cerca posible del domo de
la cámara de combustión.
Así, con el fin de proteger la cámara de
combustión frente a las altas temperaturas existentes durante la
combustión, es sabido como proporcionar un escudo en las cercanías
de la salida del quemador, véase, por ejemplo, el documento
US-A-4567730.
Sin embargo, debido a las altas temperaturas que
debe soportar el escudo, es necesario proporcionar una estructura
que pueda dispersar el calor eficientemente.
Una estructura conocida para los escudos de este
tipo comprende un par de piezas de chapa metálica, que son
adyacentes entre sí y están separadas por una pluralidad de
elementos de contacto, que definen unos espacios internos que
permiten una buena dispersión del calor.
Sin embargo, es sabido que aunque esta
estructura cumple satisfactoriamente su propia función técnica,
tiene una forma compleja, consistente en varias piezas componentes,
que deben ser ensambladas entre sí.
La presente invención busca por lo tanto
proporcionar una cámara de combustión para turbinas de gas, que
tenga unos escudos que se fabriquen simple y económicamente, y que
pueda a la vez proporcionar las propiedades requeridas de
protección frente al calor de la llama.
La invención busca también proporcionar una
cámara de combustión para turbinas de gas que pueda fabricarse a
bajo coste y que tenga un número reducido de piezas componentes.
La invención busca adicionalmente proporcionar
una cámara de combustión para turbinas de gas que no requiera
costosas modificaciones en el diseño de las cámaras
convencionales.
Según la invención, una cámara de combustión
para turbinas de gas comprende una camisa interior, una camisa
exterior y una pluralidad de quemadores, en la cual la camisa
interior es sustancialmente concéntrica con respecto a la camisa
exterior, de manera que definen un espacio interior anular, y en la
cual un escudo que tiene un desarrollo longitudinal está situado a
la salida de cada uno de los quemadores, con lo cual cada uno de
los citados escudos comprende una única pieza de chapa metálica, y
al menos una de las citadas camisas tiene una pluralidad de
orificios en secciones adyacentes al desarrollo longitudinal de
dicho escudo.
Más particularmente, en la cámara de combustión
para turbinas de gas según la presente invención, tanto la camisa
exterior como la camisa interior tienen una pluralidad de orificios,
en secciones adyacentes al desarrollo longitudinal del escudo, de
manera que se definen unos correspondientes huelgos para la
circulación de aire.
Según una realización preferida de la presente
invención, cada uno de los escudos consiste en un cuerpo que tiene
una pared superior situada adyacente a la porción perforada de la
camisa exterior, y una pared inferior situada adyacente a la
porción perforada de la camisa interior.
La pared superior de cada escudo es ligeramente
convexa, y tiene una superficie mayor que la correspondiente pared
inferior del escudo, la cual es a su vez ligeramente cóncava.
Adicionalmente, cada escudo está provisto de una
porción sustancialmente cilíndrica que tiene un diámetro
ligeramente superior al diámetro de una correspondiente porción
elevada para el extremo convergente de salida del correspondiente
quemador, de modo que ayude a una perfecta conexión entre
estos
elementos.
elementos.
Según otra realización preferida de la presente
invención, cada escudo tiene una pluralidad de proyecciones, que
están dispuestas tanto en la pared superior como en la pared
inferior y pueden entrar en contacto respectivamente con la camisa
exterior y con la camisa interior.
Según otra realización preferida de la presente
invención, existe un domo sustancialmente anular en la parte de
aguas arriba de la cámara de combustión, en donde tiene una
pluralidad de aberturas, cada una de las cuales está provista de
una parte elevada para el extremo convergente del correspondiente
quemador.
Adicionalmente, la superficie del domo tiene una
pluralidad de orificios pasantes, con el fin de aumentar la
circulación de aire sobre el escudo.
Finalmente, cada escudo tiene una pared frontal
que une la pared superior y la pared inferior del escudo y es
adyacente a la superficie perforada del domo.
La cámara de combustión para turbinas de gas
según la presente invención permite en primer lugar proteger el
domo, y las secciones de las camisas exterior e interior que están
más afectadas por los efectos de la combustión, evitando a la vez
el excesivo calentamiento del escudo.
Este resultado se obtiene con costes enormemente
bajos, ya que el escudo propiamente dicho se fabrica de un modo
extremadamente sencillo mediante una única pieza de chapa
metálica.
Adicionalmente, para fabricar conductos para la
circulación del aire de refrigeración para el escudo es suficiente
proporcionar una pluralidad de orificios a lo largo de las
superficies de la camisa interior y de la camisa exterior, cuya
operación no requiere claramente costes adicionales
particulares.
A continuación se describirá la invención con
mayor detalle, a título de ejemplo, con referencia a los dibujos,
en los cuales:
- la Figura 1 es una vista en sección
transversal de un detalle de una turbina de gas, mostrando una
cámara de combustión anular según la presente invención, a la cual
está asociado un correspondiente quemador;
- la Figura 2 es una vista en sección
transversal de una cámara de combustión según la presente invención;
y
- la Figura 3 es una vista frontal, parcialmente
seccionada, de un juego de escudos térmicos que pertenecen a la
cámara de combustión según la invención.
Con particular referencia a las figuras en
cuestión, la cámara de combustión para turbinas de gas según la
presente invención está identificada como conjunto por el número de
referencia 10.
En la Figura 1 puede verse en sección
transversal un detalle de una turbina de gas que muestra la cámara
de combustión 10 a la cual está asociado el correspondiente
quemador 50.
Alimentado por un circuito a presión, cada uno
de los quemadores 50 recibe el combustible gaseoso necesario para
producir la combustión, la cual da lugar a un aumento de la
temperatura y la entalpía del gas.
Más particularmente, el combustible pasa a
través de una tubería 51, sale por unos correspondientes orificios
(no representados), y se mezcla con la mezcla de
aire-combustible procedente del turbulenciador y con
el aire procedente del propio inyector 53.
Desde el quemador 50, y en particular desde la
propia cámara de pre-mezcla, la mezcla de aire y
combustible, formada según se ha descrito, pasa a través de la
porción convergente del quemador 50 hasta la cámara de combustión
10, que está situada aguas abajo del quemador 50.
Incidentalmente, deberá observarse que también
se provee una tubería 52, alimentada también con más combustible
gaseoso, que puede generar las llamas piloto utilizadas para
estabilizar la llama principal.
Por lo tanto la llama se genera dentro de la
cámara de combustión 10, y se mantiene preferiblemente en las
cercanías del domo 17 de la cámara de combustión 10.
La cámara de combustión 10 tiene una porción
anular 30 que define la autentica cámara de combustión, y que está
limitada radialmente por una camisa interior 12 y una camisa
exterior 11.
De hecho, la camisa interior 12 es
sustancialmente concéntrica con respecto a la camisa exterior 11 y,
consecuentemente, juntas definen un espacio interior de desarrollo
anular, indicado en las figuras por el número de referencia 30.
Como puede apreciarse en la Figura 2, parte de
la cámara de combustión 10 está provista de un domo 17,
sustancialmente circular, interpuesto entre los quemadores 50 y el
espacio anular 30, y provisto de una pluralidad de aberturas a todo
lo largo de su propia circunferencia.
Cada una de estas aberturas está asociada a una
porción elevada 16 para alojar el extremo convergente de un
correspondiente quemador 50.
La superficie del domo 17 tiene también una
pluralidad de orificios pasantes 33, existentes en ambos lados de
las aberturas para los quemadores 50.
La camisa exterior 11 tiene una porción extrema
34, provista de unos correspondientes orificios que, mediante un
tornillo 14 que encaja con una correspondiente tuerca autoblocante
15, se utilizan para unir la camisa exterior 11 a un elemento 36
que contribuye a definir una porción elevada 16 para el extremo
convergente del correspondiente quemador 50.
Similarmente, la camisa interior 12 tiene una
porción extrema 35, provista de unos correspondientes orificios
que, para unir la camisa exterior 12, mediante un tornillo 14 que
encaja con una correspondiente tuerca autoblocante 15, a un
correspondiente elemento 36 que define la porción elevada 16.
También está unido al elemento 36 el domo 17,
que por su exterior toca la camisa exterior 11 y la camisa interior
12, y en su interior tiene una abertura circular que permite alojar
el extremo de un escudo 13 adecuadamente conformado.
Más particularmente, el escudo 13 comprende una
única pieza de chapa metálica y está provisto de un cuerpo que
tiene una pared superior 42, situada adyacente a una sección de la
camisa exterior 11, y una pared inferior 43 situada adyacente a una
sección del escudo interior 12.
Cada uno de los escudos 13 está provisto de una
parte 40 sustancialmente cilíndrica que tiene un diámetro
ligeramente superior al diámetro de la correspondiente porción
elevada 16 para el extremo convergente de salida del
correspondiente quemador 50.
Adicionalmente, cada uno de los escudos 13 tiene
una pluralidad de proyecciones 18 y 19, que están situadas tanto en
la pared superior 42 como en la pared inferior 43 del escudo 13 y
pueden entrar en contacto respectivamente con la camisa exterior 11
y la camisa interior 12.
Cada uno de los escudos 13 tiene una pared
frontal 41 que une entre sí la pared superior 42 y la pared inferior
43.
Esta pared frontal 41 es adyacente a la
superficie perforada del domo 17.
La Figura 3 muestra además el hecho de que la
pared superior 42 de cada uno de los escudos 13 es ligeramente
convexa, y tiene una superficie mayor que la correspondiente pared
inferior 43, que a su vez es ligeramente cóncava.
Una característica particularmente importante de
la presente invención consiste en el hecho de que en la sección
adyacente al desarrollo longitudinal del escudo 13, definida por la
pared 42, la camisa exterior 11 tiene una pluralidad de los
denominados orificios de choque 20.
Similarmente, en la sección adyacente al
desarrollo longitudinal del escudo 13, definida por la pared 43, la
camisa exterior 11 tiene una pluralidad de orificios de choque
21.
Esta disposición de las camisas 11 y 12 y de las
paredes 42 y 43 del escudo 13 permite definir respectivamente un
huelgo 60, contenido entre la camisa exterior 11 y la pared 42, y un
huelgo 61, contenido entre la camisa interior 12 y la pared 43, que
permiten ambos una adecuada circulación de aire.
Deberá observarse que el número, dimensiones y
separación recíproca de los agujeros de choque 20 y 21 puede
variar, según los requisitos de diseño, sin salirse del alcance de
la presente invención.
A continuación se describe brevemente el
funcionamiento y las propiedades de la cámara de combustión para
turbinas de gas según la presente invención.
Cuando la turbina de gas está funcionando, el
compresor comprime el aire tomado del ambiente exterior que, además
de llegar a los quemadores 50, también circula por fuera de la
cámara de combustión 10.
En su recorrido, este aire comprimido puede
pasar también a través de los orificios 20 y 21, que pertenecen
respectivamente a la camisa exterior 11 y a la camisa interior 12, y
entrar así en contacto con la pared superior 42 y la pared inferior
43 del escudo 13.
El contacto del aire con estas paredes 42 y 43
contribuye así a mantener la temperatura del escudo 17 dentro de un
intervalo aceptable, a pesar de las elevadas temperaturas que
alcanzan los gases en la cámara de combustión 10.
Este efecto aumenta por el hecho de que la pared
superior 42 y la pared inferior 43 del escudo 13 están dispuestas
adyacentes a las respectivas porciones perforadas de las camisas 11
y 12, y por ello a una distancia mínima de los orificios de choque
20 y 21.
La presencia de las proyecciones 18 y 19 permite
que el escudo 13 mantenga el contacto con la camisa exterior 11 y
la camisa interior 12, en todas las condiciones de funcionamiento de
la turbina, mientras mantiene las paredes 42 y 43 a una distancia
apropiada de las camisas 11 y 12 para permitir la circulación de
aire por el interior de los huelgos 60 y 61.
Adicionalmente, existe una determinada
circulación de aire debido a la presencia de los orificios pasantes
33 practicados en la superficie del domo 17.
La descripción proporcionada hace aparentes las
características y ventajas de la cámara de combustión para turbinas
de gas que constituye el asunto de la presente invención.
Claims (10)
1. Una cámara de combustión para
turbinas de gas que comprende una camisa interior (12), una camisa
exterior (11) y una pluralidad de quemadores, en la cual la citada
camisa interior (12) es sustancialmente concéntrica con respecto a
la citada camisa exterior (11), de manera que definen un espacio
interior anular (30), y en la cual un escudo (13) que tiene un
desarrollo longitudinal está situado a la salida de cada uno de los
quemadores, caracterizada porque cada uno de los citados
escudos (13) comprende una única pieza de chapa metálica, y porque
al menos una de las citadas camisas (11, 12) tiene una pluralidad de
orificios (20, 21), en secciones adyacentes al desarrollo
longitudinal del citado escudo (13).
2. Una cámara de combustión para
turbinas de gas, según la reivindicación 1, caracterizada
porque tanto la citada camisa exterior (11) como la citada camisa
interior (12) tienen una pluralidad de orificios (20, 21), en
secciones adyacentes al desarrollo longitudinal del citado escudo
(13), de manera que se definen unos huelgos (60, 61) para la
circulación de aire que permiten refrigerar el escudo mediante el
impacto y la convección de aire.
3. Una cámara de combustión para
turbinas de gas, según la reivindicación 2, caracterizada
porque cada uno de los citados escudos (13) consiste en un cuerpo
que tiene una pared superior (42) situada adyacente a la porción
perforada de la citada camisa exterior (11), y una pared inferior
(43) situada adyacente a la porción perforada de la citada camisa
interior (12).
4. Una cámara de combustión para
turbinas de gas, según la reivindicación 3, caracterizada
porque la pared superior (42) de cada uno de los citados escudos
(13) es ligeramente convexa, y tiene una superficie mayor que la
correspondiente pared inferior (43) que a su vez es ligeramente
cóncava.
5. Una cámara de combustión para
turbinas de gas, según la reivindicación 4, caracterizada
porque cada uno de los citados escudos (13) está provisto de una
porción (40) sustancialmente cilíndrica que tiene un diámetro
ligeramente superior al diámetro de una correspondiente porción
elevada (16) para el extremo convergente de salida del
correspondiente quemador (50).
6. Una cámara de combustión para
turbinas de gas, según la reivindicación 5, caracterizada
porque cada uno de los citados escudos (13) tiene una pluralidad de
proyecciones (18) y (19), que están dispuestas tanto en la pared
superior (42) como en la pared inferior (43) y pueden entrar en
contacto respectivamente con la citada camisa exterior (11) y con
la citada camisa interior (12).
7. Una cámara de combustión para
turbinas de gas, según la reivindicación 1, caracterizada
porque existe un domo (17) sustancialmente anular en la parte de
aguas arriba de la cámara de combustión (10), cuyo domo (17) tiene
una pluralidad de aberturas provistas cada una de una parte elevada
(16) para alojar el extremo convergente del correspondiente
quemador (50).
8. Una cámara de combustión para
turbinas de gas, según la reivindicación 7, caracterizada
porque la superficie del domo (17) tiene una pluralidad de
orificios pasantes (33).
9. Una cámara de combustión para
turbinas de gas, según la reivindicación 7 o la reivindicación 8,
caracterizada porque cada uno de los citados escudos (13)
tiene una pared frontal (41) que une la citada pared superior (42)
y la citada pared inferior (43), cuya pared frontal (41) es
adyacente a la superficie perforada del citado domo (17).
10. Una cámara de combustión para turbinas
de gas, según la reivindicación 1, caracterizada porque tanto
la citada camisa exterior (11) como la citada camisa interior (12)
tienen una porciones extremas (34, 35) provistas de unos orificios
(36, 37) que, mediante un tornillo (14) que encaja con una
correspondiente tuerca auto-blocante (15), se
utilizan para unir la citada camisa exterior (11) y la citada camisa
interior (12) a unas correspondientes porciones que pertenecen al
elemento (36), que acomoda la citada parte elevada (16) para el
extremo convergente del correspondiente quemador (50).
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