Camaras de Combustion

 

CAMARA DE COMBUSTION

CAMARA DE COMBUSTION  Centrales Eléctricas 

Gabriel Lopez Rocha 15180715  15180715  21 de marzo de 2019  2019 

 

Índice Introducción

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Cámara de combustión

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Componentes de la cámara de combustión

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Aire de utilización en el proceso de combustión

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  Aire primario   Aire secundario   Aire terciario

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  Aportación de combustible

Tipos de cámara de combustión • • •

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Proceso de combustión •

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  Cámaras de combustor can (multican) o tubulares   Cámaras de combustor anular   Cámaras de combustor can-anular o tuboanulares

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Conclusión

Bibliografía

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Introducción La turbina de gas es un elemento fundamental para la producción de energía eléctrica en una planta generadora Una turbina de gas industrial es un motor de combustión interna que utiliza un proceso de combustión continua. Las turbinas de gas pueden dividirse en seis grandes partes principales: • • • •

       

Compresor Cámara de combustión Turbina de expansión Carcasa

Además, cuenta con una seria de sistemas auxiliares necesarios para su funcionamiento, como son la casa de filtros, cojinetes, sistema de lubricación, recinto acústico, bancada, virador, etc.

Ilustración 1 Partes de una Turbina de gas

La cámara de combustión se alimenta del aire a alta presión del sistema de compresión, suministra combustible y enciende y quema la mezcla. El aire comprimido caliente generado en la cámara de combustión pasa a la turbina, donde se expande. La función de la turbina consiste en extraer energía de la corriente de aire caliente.

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Cámara de combustión

Ilustración 2 Cámara de combustión en turbina de gas

La cámara de combustión es el lugar donde se realiza la combustión del combustible del  combustible con el comburente, generalmente aire. La cámara de combustión es fundamental en el funcionamiento de la turbina. El inyector introduce en ella el combustible pulverizado, el cual se mezcla con el aire; de ahí que la forma de la cámara de combustión deba facilitar esta mezcla del combustible con el aire. Tanto la mezcla como la combustión deben realizarse en un tiempo mínimo lo más cerca posible al punto muerto superior. El objetivo de la cámara de combustión es contener la mezcla de aire   combustible y extraer el máximo poder calorífico con una presión constante.   – 

La sección caliente de una turbina de gas comienza con la sección de combustión e incluye la turbina y los componentes del

Ilustración 3 Diagrama de bloques de una cámara de combustión

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sistema de escape. La sección caliente está sujeta a los más severos esfuerzos del motor y requiere una cuidadosa inspección y mantenimiento. Un tipo de daño considerable son las grietas originadas por el calor extremo al cual estas piezas están expuestas.

Componentes del combustor (cámara de combustión) Las cámaras de combustión en las turbinas a gas son equipos donde ocurre la combustión del aire proveniente del compresor. El aire entra con presión elevada y se mezcla con un combustible gaseoso en forma continua. Las cámaras de combustión están diseñadas para tener la mínima pérdida de carga, una combustión estable, lograr un flujo con temperatura homogénea a la salida, bajos niveles de contaminantes NOx, CO logrando una máxima eficiencia de combustión. Los componentes de un combustor se muestran en la ilustración 3 y se describen a continuación: •

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  Difusor: Convierte la presión cinética del fluido que sale del compresor, en presión estática.   Snout o domo: Divide los flujos de aire en aire primario y secundario,

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permite el ingreso del aire primario al liner y la circulación del aire secundario alrededor del liner Liner: Contiene la combustión y permite completarla mediante la alimentación de aire en diferentes etapas Inyector de combustible: ingresa el combustible a la primera sección del liner. Igniter (sistema de ignición): Enciende la mezcla Casing (carcasa): Es la carcasa exterior de la cámara de combustión

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Ilustración 4 Componentes básicos de una cámara de combustión

 AireUtilizadoEnElProcesoDe  AireUtilizadoEn ElProcesoDe Combustión El aire procedente del compresor del motor entra en la cámara de combustión a una velocidad de hasta 500 pies por segundo (150 m/s o 540 Km./h), pero dado que esta velocidad es demasiado alta para la combustión, lo primero que la cámara debe hacer es difundirla (dispersarla), es decir desacelerarla y elevar su presión estática. Para que la combustión tenga lugar totalmente dentro de la cámara de combustión, es necesario que todos los procesos se realicen con suficiente rapidez, ya que se tienen que efectuar en una corriente de aire a una velocidad determinada. En el proceso de inyección de aire se pueden distinguir tres fases que dan lugar a lo que se conoce como:   aire primario   aire secundario   aire terciario

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Ilustración 5 Distribución de flujo de aire

Aire Primario Se corresponde aproximadamente con un 25% del aire total y se introduce alrededor del chorro de combustible creando una mezcla de aire-combustible aire -combustible relativamente rica con el objeto de obtener una temperatura elevada, necesaria para una combustión rápida. El 25% del aire se utiliza en la combustión, mezclado con combustible. Propósito combustión.

Aire Secundario El 30% del aire entra por unos agujeros que entran en la cámara, creando unos torbellinos al mezclarse con el aire primario y el combustible hacen que explosione mejor. Propósito formación de vórtices (mejorar combustión); es decir, se corresponde aproximadamente con un 30% del aire total; se introduce a través de orificios practicados en el tubo de llama para completar y refrigerar la combustión (eliminación de NOx); para que el rendimiento sea elevado, hay que inyectar el aire en los puntos adecuados a fin de evitar que la llama se enfríe localmente dando lugar a una drástica disminución de la velocidad de combustión en esa zona.

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Aire Terciario El aire restante, 45%, se conoce también como aire de dilución y se mezcla con los productos de la combustión en la zona de dilución, con el objeto de reducir su temperatura hasta la requerida a la entrada de la turbina, por las condiciones impuestas por el punto metalúrgico a la entrada de los álabes de la turbina. Hay que procurar una turbulencia suficiente para que las corrientes caliente y fría se mezclen a fondo y así conseguir una distribución de temperaturas a la salida acorde con el punto metalúrgico. El resto del aire que no entra por los agujeros, se mezcla con el aire que sale a 2000ºC para enfriarlo hasta 1000  1500ºC.  1500ºC.  – 

Proceso de combustión El proceso de la combustión ha de tener lugar, en su totalidad, dentro de la cámara de combustión, a fin de evitar que los álabes de la turbina estén sometidos a las elevadas temperaturas de las llamas. Las turbinas de gas funcionan con un elevado aire exceso para que la temperatura de los productos de combustión al incidir en los álabes no sea excesiva y no se produzcan problemas de corrosión o fatiga en los mismos, y mantener los efectos derivados de la deformación plástica dentro de límites aceptables (límite metalúrgico). Aproximadamente el 18 por ciento de la masa de flujo de aire entra en la boca o sección de entrada de la cámara. Inmediatamente corriente abajo de la boca están los pequeños álabes fijos generadores de torbellino y una campana perforada que actúa de estabilizador o deflector, a través de la cual el aire pasa dentro de la zona de combustión primaria. El aire turbillonario induce un flujo hacia el centro del tubo de llama y promueve la recirculación deseada. El aire que no entra por la boca de entrada de la cámara fluye dentro del espacio anular entre el tubo de llama y el cárter de refrigeración. A lo largo de la pared del cuerpo del tubo de llamas, adyacente a la zona de combustión, existe un determinado número de orificios a través de los cuales fluye entre un 10 y un 15 por ciento del flujo principal de aire que pasa dentro de la zona primaria. El aire procedente del generador de torbellinos y el que 21 de marzo de 2019  

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procede de los orificios de aire primario actúan entre si y crean una región de recirculación de baja velocidad. Esta toma la forma de un torbellino toroidal similar a un anillo de humo, y tiene el efecto de estabilizar y fijar la llama. Los gases de recirculación aceleran la combustión del combustible fresco inyectado elevándole a la temperatura de ignición. Está así dispuesto que la pulverización cónica del combustible procedente del inyector incida al torbellino de recirculación en su centro. Esta acción, junto con la turbulencia general en la zona primaria, ayuda bastante a difundir el combustible y mezclarlo con el aire que entra. La temperatura de los gases de la combustión liberada en la zona de combustión es aproximadamente de 1.800 a 2000 grados centígrados, la cual es demasiado caliente para entrar en los álabes guías de entrada en turbina. El aire que no se usa para la combustión, que supone aproximadamente del 60 al 75 por ciento del flujo total de aire, se introduce progresivamente dentro del tubo de llama. Aproximadamente la mitad de este aire se usa para bajar la temperatura del gas antes de que entre en la turbina, y la otra mitad se usa para refrigerar las paredes del tubo de llama. La combustión debería estar completa antes de que el aire de dilución entre en el tubo de llama, de lo contrario el aire que llega enfriará la llama resultando en una combustión incompleta. 

Ilustración 5 Estabilización de la llama y diseño del flujo de aire

Una chispa eléctrica procedente de una bujía inicia la combustión, luego la llama se auto mantiene. El diseño de una cámara de combustión y el método de adición del combustible puede variar considerablemente, pero la

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distribución del flujo de aire usada para efectuar y mantener la combustión es siempre muy similar a la descrita.

Ilustración 6 una típica cámara de combustión

Aportación del combustible Se ha dicho poco de la l a forma en que el combustible se suministra a la corriente de aire. En general, no obstante, se usan dos principios, uno basado en la inyección de una pulverización finamente atomizada en una corriente de aire de recirculación, y el otro basado en la prevaporización del combustible antes de que entre la zona de combustión.

Ilustración 7 cámara de combustión de combustible vaporizado

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Aunque la inyección del combustible por medio de chorros atomizadores es el método más común, algunos motores usan el principio de vaporización del combustible. En este ejemplo, el tubo de llama es de la misma forma general que para la atomización, pero no tiene generador de torbellino ni campana perforada. El flujo de aire primario pasa a través de los orificios en una placa deflectora que soporta al tubo de alimentación de combustible. El combustible es pulverizado desde el tubo de alimentación dentro de los tubos de vaporización que están situados dentro del tubo de llama. Estos tubos están curvados 180º, y a medida que se calientan por la combustión, el combustible se vaporiza antes de pasar hacia delante dentro del tubo de llama. El flujo de aire primario pasa por los tubos de vaporización con el combustible y también a través de toberas grandes de aire secundario, que proporcionan cañones de aire para barrer a la llama hacia atrás. El aire de refrigeración y de dilución se dosifica dentro del tubo de llama de una manera similar al tubo de llama con atomizador. 

Tipos de Cámaras de Combustión En la actualidad existen tres tipos principales de cámaras de combustión en uso para los motores de turbina de gas. Estas son: • • •

  Cámaras de combustor can (multican) o tubulares   Cámaras de combustor anular   Cámaras de combustor can-anular o tuboanulares

Cámaras de combustión tubulares, CAN y MULTICAN. Las cámaras de combustión individuales (can), ilustración 8, o independientes en número variable de 5 a 10 (multican), ilustración 9, se emplearon en los primeros motores de aviación y, en la actualidad, en pequeñas turbinas turb inas de gas industriales y marinas, siendo las más empleadas en turbinas de gas de compresor centrífugo y en algunos axiales. Van situadas alrededor del eje que 21 de marzo de 2019  

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une el compresor y la turbina; constan cada una de ellas (can) de su propio inyector procedente de una línea de suministro común, de una doble pared o tubo, de los cuales el interior se denomina tubo de llama por estar en contacto directo con la combustión, alrededor del cual hay una carcasa de aire. El aire pasa a través de la boca de entrada del tubo de llama y también entre el tubo y la carcasa exterior. Dos de las cámaras de combustión van dotadas de bujía de encendido; la razón de llevar dos bujías es exclusivamente por seguridad, pues con una sola sería suficiente. El motor de reacción, no necesita encendido continuo una vez que el motor ha arrancado, dado que al haber un foco encendido e inyectar permanentemente combustible, la combustión se mantiene sin necesidad de llevar conectado el sistema. Se conectará en despegue, toma de tierra y ciertas condiciones anormales de turbulencia, ingestión de agua volando en lluvia fuerte, etc. Para que la combustión alcance todas las cámaras de combustión independientes, los tubos de llama van unidos por unos tubos de propagación de la llama denominados interconectores de llama. 

Ilustración 8 Esquemas de cámara de combustión tubular  

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El aire de descarga del compresor al entrar en la cámara se divide en dos: •

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  El aire de combustión o aire  primario, 25% del total, entra por el centro de la cámara para realizar la combustión. La mezcla combustible aire en peso es, aproximadamente, de 15 partes de aire por 1 de combustible.   El 75% restante del aire, pasa entre el tubo de llama y la carcasa exterior de la cámara.

Ilustración 9 Esquemas de cámara de combustión tubulares "Multican"

El tubo de llama lleva una serie de orificios por los cuales penetra el aire secundario que reduce la temperatura de los gases desde 1800ºC que alcanza en la zona de combustión, a unos 1000ºC que puede permitir la turbina, formando una capa de aire de refrigeración entre la cámara y el exterior. Estas cámaras de combustión, tienen una buena resistencia estructural y ligereza de peso, además de un mantenimiento y sustitución más sencillo, pero su rendimiento es inferior a las anulares. Puede ocurrir, si se presentan averías en algunos inyectores, que los álabes del primer escalón de la turbina estén sometidos a diferencias de temperatura que produzcan deformaciones en dichos álabes. Este tipo de cámara se presta muy bien para turbinas turb inas de gas que trabajan con compresores centrífugos, en los que el flujo de aire es dividido por los álabes del difusor en corrientes separadas, alimentando cada una de ellas la cámara tubular correspondiente.

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Cámaras de combustión anulares   Estos tipos de cámaras de combustión constan de un solo tubo de llama completamentee de forma anular, ilustración 10, que está contenido entre dos completament carcasas, una interior y otra exterior, alrededor del conjunto de la turbina; el número de inyectores oscila entre 12 y 20. El flujo de aire comprimido a través del tubo de llama es similar al descrito anteriormente, siendo la cámara de combustión abierta a la salida del compresor y en la parte posterior a la salida de los álabes guía de entrada en la turbina; el aire primario se mezcla con el combustible para la combustión, y el aire de refrigeración y dilución reduce la temperatura de los gases calientes que llegan a los álabes guía en la primera etapa de entrada en la turbina. La cámara de combustión anular proporciona un volumen de combustión más grande por unidad de área de metal expuesto y, por lo tanto, de peso de metal. Su principal ventaja es que, para la misma potencia de salida, la longitud de la cámara es sólo el 75% de la de un sistema tubo-anular del mismo diámetro, lo que origina un considerable ahorro de peso y coste de producción. Otra ventaja es la eliminación de problemas de propagación de la combustión de una cámara a otra. En comparación con el sistema de combustión tubo-anular, tienen un rendimiento más alto, ya que el área de la pared de la cámara anular es mucho menor, por lo que la cantidad de aire de refrigeración requerido para evitar que la pared del tubo de llama se queme es menor, del orden de un 15%; esta reducción del aire de refrigeración eleva la eficiencia de la combustión eliminando prácticamente el combustible inquemado, y oxidando el CO a CO2, reduciendo así la contaminación del aire. Por lo tanto, relacionan mejor la mezcla aire-combustible y presentan menores pérdidas de presión. La introducción de una boquilla de pulverización de combustible mejora en gran medida la preparación del combustible para la combustión, aireando las bolsas más ricas de vapor de combustible próximas a la boquilla de pulverización, lo que redunda en una gran reducción en la formación inicial de carbonilla.

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Ilustración 10 Cámara de Combustión Anular

Este modelo de cámara de combustión presenta los siguientes inconvenientes: •

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  Resulta muy difícil obtener una distribución uniforme de la relación combustible-aire a pesar de utilizar un gran número de inyectores   Como consecuencia de lo anterior, se presentan problemas a la salida de la cámara para conseguir una distribución uniforme de temperatura   Estructuralmente es más débil, por lo que es difícil impedir que se produzcan deformaciones en las paredes calientes del tubo de llama, problema que es preocupante en motores de gran diámetro   No se puede quitar normalmente el tubo de llama sin desmontar el motor del avión, lo que implica mayores problemas de costos y tiempo de mantenimiento.

Cámaras de combustión tubo-anulares o CAN-ANULAR 21 de marzo de 2019  

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Los inconvenientes anteriores han permitido desarrollar un tipo de cámara mixta, que consiste en una serie de tubos de llama tubulares espaciados uniformemente y dispuestos en el interior y alrededor de una carcasa anular común, lo que implica una reducción de peso y facilidad de construcción. El suministro de aire secundario a los tubos de llama se hace a través de la carcasa común, mientras que el aire primario para la combustión se suministra a través de tomas de aire individuales. Este sistema es también conocido como cámara de combustión can-anular. Se utiliza en los grandes motores de aviación; en la ilustración 11 se representa un esquema de cámara tubo-anular.

Ilustración 11 Esquema de una cámara de combustión tuboanular

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Conclusión Se puede decir que una turbina es un aparato de conversión de energía que convierte la energía almacenada en el combustible en energía mecánica útil en forma de energía rotacional. El término "gas" se refiere al aire ambiente que es absorbido y pasa al interior de la turbina y es utilizado como medio de trabajo en el proceso de conversión de la energía. El aire es absorbido en primer lugar hacia el interior de la turbina, donde se comprime, se mezcla con el combustible y se enciende. El gas caliente resultante se expande a gran velocidad a través de una serie de álabes de forma aerodinámica transfiriendo la energía creada en la combustión para hacer girar un eje de salida. En esta investigación se redactó el funcionamiento, tipos y características de la cámara de combustión lo cual, de manera personal no se tenía conocimiento, pero si se puede relacionar o tener un poco de semejanza con la cámara de combustión en un motor de combustión interna. También se introduce en la información de los tipos de caras que existen, que de tal forma nos sirve para comprender los diferentes tipos de turbinas que hay. Se puede decir que la cámara de combustión es una de las partes fundamentales de la turbina ya que por su nombre lo dice es donde se lleva a cabo la combustión para lo cual hacer girar nuestra turbina.

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Bibliografía https://conceptodefinicion.de/combustion/    https://conceptodefinicion.de/combustion/  file:///C:/Users/Samuel/Downloads/turbinasagas-131010152920-phpapp02.pd wnloads/turbinasagas-131010152920-phpapp02.pdf  f     file:///C:/Users/Samuel/Do https://www.ecured.cu/C%C3%A1mara_d cu/C%C3%A1mara_de_combusti%C3%B3n e_combusti%C3%B3n     https://www.ecured.

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