CAPITULO VII 1

INTRODUCCION

Esta sección incluye:

Cámara de Combustión

Cestos Combustores

Tubos Cruzallamas

Piezas de Transición

Toberas de Combustible

Bujías de Encendido

Detectores de llamas

Sección

Combustión

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Cámara de Combustión

La cámara de combustión se envuelve empernando la sección del cilindro de la turbina a la sección del cilindro del combustor del compresor para formar un plenum de baja velocidad en la cual el compresor descarga el flujo de aire. Los componentes de la combustión son parte del ensamblaje del cilindro del combustor del compresor.

La combustión que suministra la energía a la turbina, tiene lugar en un sistema que consta de 14 combustores colocados circunferencialmente alrededor del eje de la maquina. Cada combustor consta, a su vez, de un combustor tipo cesta cilíndrico y una pieza de transición unida por una abrazadera cilíndrica.

Están fabricados con láminas de aleación de níquel con base de cromo laminadas en frío, un material caracterizado por sus altas calidades de resistencia a esfuerzos ante los efectos de la alta temperatura. Cada cesta de combustor esta anclada, en su extremo aguas arriba, a la pared de la caja exterior. Los combustores están numerados en la dirección de las agujas del reloj empezando en la posición de la una en el reloj, cuando se ve desde el frente de la turbina.

La pieza de transición esta soportada aguas arriba por un yugo en forma de Y que tiene una pata anclada a la caja del difusor del compresor y brazos divergentes que colocan a ambos lados la transición. Cada uno de los brazos tiene un miembro tipo horquilla que soporta una guía de horquilla

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asociada en la transición que tiene libertad de deslizamiento. Este ensamblaje restringe el movimiento contra la transición en un plano normal al eje longitudinal (centerline), pero permite el movimiento axial. La holgura del arreglo de la horquilla permite un desplazamiento radial limitado debido a la respuesta térmica. El soporte aguas abajo para la transición esta dado por un montaje tipo placa flexible, que restringe el movimiento axial, pero que permitirá la rotación térmica normal del eje de la máquina.

El combustible pasa a la cesta del combustor a través de una boquilla ubicada en el extremo aguas arriba de cada cesta. Se mezcla con el aire comprimido que fluye a través de los orificios de aire de la cesta. Las cestas están perforadas y diseñadas para inducir una mezcla turbulenta del combustible y el aire. En las cestas 5 y 6 hay encendedores de bujía para encender la mezcla durante el ciclo de arranque. Unos tubos de llama cruzada establecen la conexión con las cestas adyacentes para asegurar un encendido uniforme. Para impedir que se quemen, los electrodos de las bujías se retractan del área de llama caliente después de la ignición debido a la presión que hay en la cámara de combustión. Al apagarse, el resorte del encendedor vuelve a llevar las bujías a la posición original en la cesta del combustor para encender el combustible en el siguiente arranque.

En las cestas 12 y 13 se emplean sensores ultravioleta para confirmar el encendido durante el arranque. El gas caliente de la combustión fluye desde las cestas, a través de las piezas de transición, hasta la turbina. Los sellos superior e inferior de las salidas de las piezas de transición tienen aberturas para que el aire del compresor pase a través de ellas y de una protección del perfil cuando el aire caliente entre a la primera corona de las paletas estacionarias de la turbina.

La orientación de las piezas del sistema de combustión alrededor de la periferia del compresor se muestra en la ilustración que se encuentra al final de esta sección. En el sentido de las agujas del reloj y empezando en la posición que adopta la aguja cuando marca la una, se numeran catorce cestas a partir del extremo de admisión. En la ilustración se muestra también la ubicación de la bujía de encendido y del detector de llamas del combustor.

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Cestos Combustores

Las cestas del combustor están formadas por una pieza cilíndrica. El aire entra a la sección primaria de los cestos combustores a través de unos huecos diseñados para una apropiada mezcla con el combustible. Los gases calientes de la sección primaria pasan a la sección secundaria donde aire adicional es mezclado para diluir la temperatura de los gases. A En toda la longitud de las cestas combustoras se encuentran unas bandas espaciadoras las cuales cumplen la función de proveer aire de enfriamiento para las paredes de la misma.

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Piezas de Transición

Las piezas de transición son el camino de gases calientes entre las cámaras de combustión y la primera etapa de toberas. Ellas están montadas sobre el lado delantero del conjunto tobera y el mismo esta sellado a ambos lados interior y exterior de la periferia para prevenir la pérdida de gases calientes.

En la superficie exterior de la tobera, el espacio de transición es sellado por las zapatas de la rueda de turbina a los cuales el conjunto de toberas está fijado. La periferia es sellada por medio de segmentos llaves instalados entre la pared interna de la tobera, el conjunto soporte de la tobera de primera etapa, el conjunto de la tobera y su aparato de soporte sostiene todo el conjunto en alineamiento adecuado en el trayecto del gas y permite cambios para los efectos del crecimiento termal. Antes de que la descarga de aire del compresor fluya dentro de la cámara de combustión debe primero pasar alrededor de las piezas de transición y de este modo enfriarlas

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Tubos Cruzallamas

Para garantizar un buen encendido en todos los combustores, se encuentran provistos unos tubos interconectores en la sección primaria de las cestas del combustor. Cuando se enciende un combustor, la diferencia de presión que se produce entre el combustor encendido y el que no lo esta es suficiente para hacer pasar la llama momentánea por los tubos interconectores (cross-flame) de modo de que se encienda inmediatamente a los otros combustores. La llama se propaga a todos los combustores prácticamente en forma instantánea.

Toberas de Combustible

El combustible se mide y se introduce en el extremo aguas arriba de cada cesta del combustor por medio de una boquilla de combustible. Las boquillas de combustible son accesibles desde afuera y fáciles de remover.

La boquilla de gas consiste en un pasaje de flujo anular desde el cual el combustible gaseoso se distribuye a través de orificios cuidadosamente maquinados dispuestos en forma circular alrededor del eje longitudinal 7 (centerline) de la boquilla, y posteriormente se inyecta a la cesta del combustor.

La boquilla de inyección gas/vapor esta compuesta por un sub-ensamblaje de boquilla de gas con una cámara de vapor que pasa por el centro. El vapor y el gas se pueden inyectar simultáneamente a la cesta del combustor.

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Tobera de Combustible Convencional

Tobera de Combustible Dry Low NOx

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El combustible controlado se introduce en el extremo aguas arriba de cada cesta del combustor por medio de unas toberas o boquillas. La función de las toberas de combustible es dispersar y mezclar el combustible con una cantidad apropiada de aire para la combustión. Las toberas son sumamente accesibles desde afuera y fáciles de remover.

El ensamblaje de la tobera Dry Low NOx es mostrado en la figura anterior, este reduce la temperatura de llama a través de un mecanismo de premezclado “premixing” del combustible con el aire antes de la ignición en los cestos combustores. Este tipo de combustión tiene la ventaja de una baja temperatura de llama por medio de una relación homogénea de la mezcla. El suministro por etapas del combustible es usado para controlar la mezcla desde la ignición hasta máxima carga.

Cada uno de estos ensamblajes de toberas de combustible consisten de varios subensamblajes separados. Estos subensamblajes están colocados juntos formando una sola unidad. La tobera central, el Pilot o piloto, se encuentra colocado en la parte central del cuerpo de toberas. Luego alrededor de este se encuentran ocho (8) toberas dispuestas circunferencialmente y alternativamente, cuatro (4) de estas pertenecen a la etapa Stage “A” y las otras cuatro (4) a la Stage “B”. Algunas unidades tienen una etapa “C” o un anillo de dispersión. Esto no es más que un tubo circular colocado alrededor de la base de la tobera piloto. Este anillo contiene muchos huecos por los cuales el gas es dispersado en el combustor.

El flujo de gas es controlado a cada etapa independientemente de las otras. El flujo y rata de cada etapa es una función de la carga de la unidad y los modos de operación, este es controlado por el sistema de control.

Bujías de Encendido

En las cestas numero 5 y 6 se encuentran instaladas unas bujías cuya función es iniciar la combustión de la mezcla de aire y combustible. Sobre la caja del compresor-combustor se encuentra una manga hueca que permite alinearla con una abertura que se halla ubicada en las dos cestas del combustor mencionadas. Por cada manga se introduce un encendedor que permanece en esa ubicación. Dicho encendedor consta de una bujía que va montada sobre un embolo de resorte.

El resorte permite mantener el electrodo de la bujía en la mejor posición de encendido hasta que el encendido se lleve a cabo. Luego, la presión de la cámara de combustión aumenta hasta vencer la presión del resorte, sacando la bujía del área de calor para evitar que se queme. La bujía esta construida con un electrodo de tierra tubular para controlar la resonancia por vibración.

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La pared del tubo posee unas aberturas que evitan la acumulación de carbono. La bujía recibe un suministro de 7500 voltios de corriente alterna de un transformador de encendido. El encendido ocurre cuando se establece una descarga continua de alta tensión durante un tiempo predeterminado. Transcurrido dicho tiempo, las bujías se desenergiza hallase producido o no el encendido. A la hora de instalar, la unidad de encendido ofrece buena visibilidad para su colocación al igual que libertad de movimiento.

Detectores de llama

Este sistema sirve para monitorear el sistema de combustión. Se producirá una señal de alarma si alguno de los detectores de llama falla y no logra detectar la llama.

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El detector de llamas es un dispositivo que revisa el área del combustor para detectar la presencia de cualquier radiación ultravioleta que ocurra dentro de un rango de longitudes de onda de 1900-2900 amstroms. Este tipo de radiación es producida en cantidades variables por todas las llamas corrientes pero no en cantidades significativas por el resto de la actividad que tiene lugar dentro de la cámara de combustión. Dos combustores están provistos de detectores de llamas. Cada detector esta constituido por una envoltura de vidrio especial que contiene electrodos de metal puro y un gas purificado. A estos electrodos se aplica una tensión de corriente alterna. Cuando los electrodos son golpeados por un número suficiente de fotones ultravioleta de la longitud de onda apropiada, se produce un impulso de corriente de corta duración que fluye entre ellos. Estos impulsos de corriente ocurren repetidamente siempre y cuando se produzca la estipulación fotonica requerida. Cuando la radiación es fuerte, el número de impulsos por segundo queda regido al máximo por la frecuencia de la tensión CA suministrada. A menor radiación, la frecuencia del impulso varía en forma aleatoria pero con un promedio proporcional al promedio de la intensidad ultravioleta. Los impulsos de la señal se transmiten al amplificador a través de los cables que transfieren energía al explorador (scanner). En el amplificador se filtran, integran y amplifican. La señal amplificada es la fuente de energización del relé de llamas.

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Caja de Sello del Tubo de Torsión

A través de cuatro tubos que atraviesan la cámara de combustión se suministra aire de enfriamiento filtrado a la caja de sello del tubo de torsión. Parte del aire de enfriamiento es utilizado por el sistema de sellado del tubo de torsión que separa el ambiente del compresor del de la sección de la turbina. El resto del aire se canaliza, mediante toberas, al rotor de la turbina y emplea para enfriar la base de los alabes rotativos, los dientes de los discos y las áreas circundantes del rotor de la turbina.

Sellos del Tubo de Torsión (Torque tube)

El aire de enfriamiento filtrado se suministra a la caja del sello del tubo de torsión por medio de cuatro tuberías que pasan a través de la cámara de combustión. Una parte es utilizada por el sistema de sello del tubo de torsión que separa los ambientes del compresor y la turbina, mientras que el resto esta canalizado hacia el rotor de la turbina y se emplea para enfriar las raíces de los alabes rotatorios, las serraciones de los discos y las áreas adyacentes del rotor de la turbina. La temperatura del aire de enfriamiento esta monitoreada por un termopar en la línea de suministro desde el enfriador.

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Tecnologia Mitsubishi en Combustores Dry Low NOx

Las regulaciones de emisiones alrededor del mundo son cada vez mas estrictas y la temperatura de los gases a la turbina en las avanzadas turbinas de gas son incrementadas cada dia por razones de eficiencia y performance. Para cumplir con ambas tendencias Mitsubishi se ha enfocado en el desarrollo del combustor. Tecnologías avanzadas del combustor reunen estos requerimientos y estan operando actualmente comercialmente en las series de turbinas a gas “F” y “G”.

Combustores Low pre-mix desarrollados por Mitsubishi para las turbinas de gas clase “F”, producen 25 ppm de NOx a 1400ºC (2552ºF) de temperatura de entrada a la turbina y producción de 15 ppm de NOx están siendo obtenidas durante pruebas de combustión en 2002. Mitsubishi tambien ha estado desarrollando combustores DLN pre-mix con enfriamiento de vapor para turbinas de gas series “G” y “H” que operan con temperaturas de entrada a la turbina de 1500ºC (2732ºF).

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Diseño Básico DLN

El gas natural es indiscutiblemente el combustible mas popular para aplicaciones en las turbinas de gas de uso industrial, y esto no es una sorpresa por eso que la industria se ha enfocado en desarrollar nuevos combustores usando gas natural como combustible. Debido a que mayor cantidad de emisiones de NOx son producidas en la cámara de combustión cuanto mas alta es la temperatura de la llama, es necesario mantener baja esta temperatura con el fin de bajar la cantidad de NOx producido.

Una distribución inusual de combustible y aire en la cámara de combustión resulta de puntos calientes los cuales acarrean una alta cantidad de emisiones de NOx. Las siguientes tecnologías son típicamente usadas para controlar la condición de puntos calientes.

1. Método de reacción usando catalizador

2. Método de inyección de agua o vapor

3. Método de pre-mezclado (pre-mixed)

El tercer método usa el pre-mezclado de combustible y aire antes de entrar en la cámara de combustión, es el mas comúnmente usado en la industria.

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El sistema de combustión DLN de Mitsubishi consiste en lo siguiente:

• Ocho (8) toberas pre-mixed principales

• Tobera piloto y cono

• Válvula de bypass

• Enfriamiento hibrido MTFIN y PLATEFIN (series F)

• Circuito cerrado de enfriamiento con vapor (series G)

Cada tobera principal esta compuesta de un “air swirlers” arremolinador de aire y una tobera de combustible. El “swirlers” introduce el flujo de aire con una alta turbulencia, de esta manera se produce una mejor mezcla del aire con el combustible. Según se muestra en la figura siguiente a través del pre-mezclado se reducen las emisiones de NOx, la region estable de la llama es relativamente mas pequeña en comparación con el método convencional de difusión que era el método comúnmente usado en las turbinas de gas. Con el fin de mantener estable la llama y el gas de encendido el control de una adecuada relación aire-combustible es esencial para las diferentes condiciones de operación. En el caso de la tecnología de combustión de Mitsubishi la tobera piloto y la válvula de aire de bypass hacen esto posible. La tobera piloto permite la estabilización de la combustión por un premezclado del gas por difusión de llama y un cono que la mantiene estable por recirculación del flujo de gas. La válvula de bypass de aire esta instalada en la pieza de transición con el fin de mantener constante la relación aire-combustible para varias condiciones de operación, tales como la ignición, aceleración y cargas parciales por medio del paso de aire directamente a la pieza de transición (bypaseando el aire de la tobera piloto y principal).

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Con el fin de mantener bajo los niveles de NOx, se hace necesario el paso de mucho aire para la combustión en la región de la llama, mientras mantenemos bajo el aire de enfriamiento. Con el fin de lograr este objetivo Mitsubishi ha desarrollado avanzados sistemas de enfriamiento usando una estructura de doble pared conocido como MTFIN (Mitsubishi Takasago FIN) y PLATEFIN. La estructura de enfriamiento de doble pared provee un enfriamiento efectivo uniforme a lo largo de la estructura del combustor con una reducida cantidad de aire.

La siguiente figura muestra los combustores de Mitsubishi consistentes de cinco (5) componentes principales: la tobera piloto, ocho (8) toberas principales pre-mixed localizadas circunferencialmente alrededor de la tobera piloto, el cesto combustor, la pieza de transición y la válvula de bypass. Como mencionamos previamente el sistema de enfriamiento en las turbinas de gas serie F usan parra los cestos combustores el sistema PLATEFIN y para las piezas de transición el MTFIN. Cerca del 10% del aire disponible es usado para enfriamiento y el resto es usado para la combustión.

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Evolucion del Sistema de Combustión en las Turbinas de Gas Serie G

Las turbinas de gas Mitsubishi serie G operan a 1500ºC (2732ºF) de temperatura de entrada a la turbina, como mencionamos anteriormente un circuito cerrado de vapor de enfriamiento es usado tanto en las series G y H. Las siguientes figuras muestran el combustor.

Con el fin de aumentar la temperatura de entrada a la turbina, mas aire del compresor es requerido para la combustión, este es incrementado usando un sistema de enfriamiento por circuito cerrado de vapor en el combustor y la pieza de transición, por lo cual el aire que antes se usaba para enfriamiento puede ser usado en la combustión. La pieza de transición y el cesto combustor se integraron en una sola pieza, conocida esta esta estructura como “combustor liner”, y la superficie entera de esta es enfriada con vapor.

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Control

La serie F y G aplica la misma filosofía de control. Las siguientes figuras muestran una representación esquemática de la alimentación y control del flujo de aire y combustible. El control del flujo de combustible es mantenido por válvulas individuales, que estan localizadas en las lineas de combustible piloto y principal. La válvula de bypass y IGV (Inlet Guide Vane) hacen posible el control del flujo de aire y mantienen constante la relación aire-combustible para varias condiciones de operación.