ITFI20080211A1

ITFI20080211A1 - TURBOGAS WITH SINGLE-CHANNEL COMBUSTOR AND TWO-FACED SMOKE CONVEYOR WITH DIFFERENTIATED DILUTION AIR FLOW

Info

Publication number: ITFI20080211A1
Application number: IT000211A
Authority: IT
Inventors: Stefano Tiribuzi
Original assignee: Enel Produzione Spa
Priority date: 2008-11-05
Filing date: 2008-11-05
Publication date: 2010-05-05
Also published as: WO2010052662A2; WO2010052662A3; EP2342499B1; IT1391548B1; EP2342499A2

Description

TURBOGAS CON COMBUSTORE MONOCANNA E CONVOGLIATORE DEI FUMI TURBOGAS WITH SINGLE-CANE COMBUSTOR AND SMOKE CONVEYOR

BIFORCATO A FLUSSO DIFFERENZIATO DELL?ARIA DI DILUIZIONE BIFURCED WITH DIFFERENTIATED FLOW OF THE DILUTION AIR

DESCRIZIONE DESCRIPTION

L?invenzione si riferisce in generale al settore delle turbine a gas, o turbogas, e pi? precisamente alle sezioni combustive dei turbogas. In particolare l'invenzione riguarda una sezione combustiva di un turbogas costituita da un combustore monocanna abbinato ad un convogliatore dei fumi di tipo biforcato. The invention refers in general to the sector of gas turbines, or turbogas, and more? precisely to the combustion sections of the turbogas. In particular, the invention relates to a combustion section of a gas turbine consisting of a single barrel combustor combined with a bifurcated type of fumes conveyor.

Le turbine a gas, largamente impiegate in numerosi settori industriali, sono costituite essenzialmente da tre parti: il compressore, la sezione combustiva e la turbina vera e propria, detta anche espansore. Il compressore aspira l?aria esterna e la comprime. L?aria compressa passa nella sezione combustiva, dove viene iniettato il combustibile e avviene la reazione di combustione. I fumi cos? prodotti passano nell?espansore dove azionano la girante della turbina generando pi? potenza meccanica di quella spesa per la compressione dell?aria, rendendo cos? disponibile della potenza utile per azionamenti esterni. Gas turbines, widely used in numerous industrial sectors, essentially consist of three parts: the compressor, the combustion section and the actual turbine, also known as the expander. The compressor sucks in the outside air and compresses it. The compressed air passes into the combustion section, where the fuel is injected and the combustion reaction takes place. The fumes cos? products pass in the expander where they drive the turbine impeller generating more? mechanical power of that expense for the compression of the air, making cos? available power for external drives.

Le giranti del compressore e della turbina sono calettate solitamente su un unico albero il cui asse costituisce l?asse principale della macchina (asse macchina). The impellers of the compressor and turbine are usually keyed onto a single shaft whose axis constitutes the main axis of the machine (machine axis).

La sezione combustiva, indipendentemente dalle varie tipologie corrispondenti a diverse configurazioni geometriche, pu? essere suddivisa in quattro parti principali: il plenum, in cui confluisce l?aria compressa proveniente dal compressore, uno o pi? bruciatori, una o pi? camere di combustione e uno o pi? convogliatori. Ciascun bruciatore provvede all?iniezione del combustibile e ad assicurare l?ancoraggio e la stabilit? della fiamma. Nella camera di combustione, dove sboccano i condotti dei bruciatori, si sviluppa la reazione di combustione e il flusso dei fumi cos? generati viene predisposto alle migliori condizioni per l?ingresso in turbina. Infine il convogliatore serve a guidare verso l?ingresso in turbina i fumi caldi sviluppati nella camera di combustione, raccordando la sezione terminale della camera con la sezione di ingresso, di forma anulare, della turbina. Il tutto ? contenuto in una cassa d?aria di forma appropriata che ha la funzione di assicurare la tenuta in pressione dei fluidi e la resistenza meccanica del componente. The combustion section, regardless of the various types corresponding to different geometric configurations, can? be divided into four main parts: the plenum, into which the compressed air coming from the compressor flows, one or more? burners, one or more? combustion chambers and one or more? conveyors. Each burner provides for the injection of fuel and to ensure anchoring and stability. of the flame. In the combustion chamber, where the burner ducts open, the combustion reaction develops and the flue gas flow is thus produced. generated is prepared at the best conditions for entry into the turbine. Finally, the conveyor serves to guide the hot fumes developed in the combustion chamber towards the entrance to the turbine, connecting the terminal section of the chamber with the annular inlet section of the turbine. The whole ? contained in an appropriately shaped air box which has the function of ensuring the pressure seal of the fluids and the mechanical resistance of the component.

L?insieme dei bruciatori, delle camere di combustione e delle parti della cassa d?aria che li contengono costituisce il combustore. L?insieme delle camere di combustione e del/dei convogliatore/i formano un unico condotto chiamato tubo di fiamma. Il tubo di fiamma pu? avere diverse configurazioni le quali caratterizzano la tipologia del combustore. The set of burners, combustion chambers and parts of the air box containing them constitute the combustor. The combination of combustion chambers and conveyor (s) form a single conduit called the flame tube. The flame tube can? have different configurations which characterize the type of combustor.

La configurazione di interesse per la presente invenzione ? quella di un tubo di fiamma costituito da un?unica camera di combustione (combustore monocanna) abbinata ad un convogliatore biforcato. La camera di combustione ? costituita solitamente da un cestello metallico di forma cilindrica, delimitato lateralmente da una camicia cilindrica e chiuso ad una delle sue estremit? da un cappello conico. Al centro del cappello ? alloggiato l?unico bruciatore che equipaggia questo tipo di combustore. Il cestello ? racchiuso a sua volta in un involucro esterno di contenimento detto cassa d?aria, costituito da un cilindro esterno e da un coperchio di tenuta. I due cilindri metallici, ossia quello della camicia della camera di combustione e quello della cassa d?aria, sono coassiali. Nel volume anulare compreso tra i due cilindri (anulo di risalita), risale l?aria comburente che va ad alimentare la fiamma generata dal bruciatore. The configuration of interest for the present invention? that of a flame tube consisting of a single combustion chamber (single barrel combustor) combined with a bifurcated conveyor. The combustion chamber? usually consisting of a cylindrical metal basket, laterally delimited by a cylindrical jacket and closed at one of its ends? from a conical hat. In the center of the hat? the only burner that equips this type of combustor is housed. The basket? in turn enclosed in an external containment casing called air box, consisting of an external cylinder and a sealing cover. The two metal cylinders, namely the one in the combustion chamber jacket and the one in the air chamber, are coaxial. In the annular volume between the two cylinders (rising annulus), the combustion air rises and feeds the flame generated by the burner.

La fiamma generata nel combustore di interesse ? del tipo a diffusione, in cui solo una piccola aliquota deN'aria comburente viene introdotta in camera di combustione attraverso il bruciatore, mentre il grosso deN'aria comburente passa dall'anulo alla camera di combustione attraverso diverse aperture ricavate sulla parete laterale cilindrica del cestello. A partire dall'estremit? in cui si trova il bruciatore, questi passaggi comprendono inizialmente alcune schiere di fori in cui passa l?aria necessaria a completare la combustione del combustibile (fori primari) e alla fine, verso l?uscita del cestello, una schiera di fori che serve a stemperare e a omogeneizzare la temperatura dei fumi (fori di diluizione). Oltre a questi fori la superficie del cestello ? cosparsa da una fitta distribuzione di fessure di varia forma dove passa l?aria necessaria a raffreddarne il metallo. Pertanto, solo una piccola aliquota dell?aria comburente che risale l?anulo giunge fino al bruciatore, cosicch? la miscela nella zona iniziale della camera di combustione (duomo) ? sovrastechiometrica, cio? ricca in combustibile e carente di aria. The flame generated in the combustor of interest? of the diffusion type, in which only a small portion of the combustion air is introduced into the combustion chamber through the burner, while the bulk of the combustion air passes from the annulus to the combustion chamber through various openings made on the cylindrical side wall of the basket . Starting from the end? where the burner is located, these passages initially include some rows of holes in which the air necessary to complete the combustion of the fuel passes (primary holes) and at the end, towards the exit of the basket, a row of holes which serves to dilute and homogenize the temperature of the fumes (dilution holes). In addition to these holes, the surface of the basket? sprinkled with a dense distribution of cracks of various shapes where the air necessary to cool the metal passes. Therefore, only a small portion of the combustion air that goes up the ring reaches the burner, so that the mixture in the initial area of the combustion chamber (dome)? suprastichiometric, that is? rich in fuel and lacking in air.

Per il campo di applicazione della presente invenzione, il combustore ? collocato a lato dell?asse macchina, con l?asse del cestello (asse combustore) orientato preferenzialmente in modo perpendicolare rispetto all?asse macchina. Viene quindi a determinarsi una configurazione non assialsimmetrica dell?intera turbina a gas. Questo si riflette nella non assialsimmetricit? del flusso dei fluidi principali all?interno della turbomacchina, dove per fluidi principali si intendono l?aria comburente a monte della fiamma e i fumi di combustione a valle di questa. L?aria comburente fluisce infatti lungo il compressore con una distribuzione assialsimmetrica attorno al suo asse e con una direzione essenzialmente parallela all?asse macchina, poi deve essere deviata e convogliata verso il lato della macchina in cui ? collocato il combustore. L?aria risale l?anulo che circonda la camera di combustione, con una direzione parallela all?asse del combustore, e pertanto trasversale rispetto all?asse macchina, fino a raggiungere il bruciatore posto in posizione distale rispetto all?asse macchina. Successivamente i fumi, il cui flusso ? inizialmente orientato parallelamente all?asse del combustore, ma diretto stavolta verso l?asse macchina, devono essere nuovamente riorientati nella direzione assiale della macchina e distribuiti in maniera assialsimmetrica attorno all?asse principale per espandersi infine lungo la turbina. For the scope of the present invention, the combustor? placed on the side of the machine axis, with the basket axis (combustor axis) preferentially oriented perpendicular to the machine axis. A non-axisymmetric configuration of the entire gas turbine is therefore determined. Is this reflected in the non-axisymmetry? of the flow of the main fluids inside the turbomachine, where by main fluids we mean the combustion air upstream of the flame and the combustion fumes downstream of this. In fact, the combustion air flows along the compressor with an axial symmetrical distribution around its axis and with a direction essentially parallel to the machine axis, then it must be diverted and conveyed towards the side of the machine where? placed the combustor. The air goes up the annulus surrounding the combustion chamber, with a direction parallel to the axis of the combustor, and therefore transversal with respect to the machine axis, until it reaches the burner located distal to the machine axis. Subsequently the fumes, whose flow? initially oriented parallel to the axis of the combustor, but directed this time towards the machine axis, they must be reoriented in the axial direction of the machine and distributed axially symmetrically around the main axis to finally expand along the turbine.

Il raccordo dei flussi dei fluidi principali tra le varie sezioni della turbomacchina e il riorientamento di tali flussi avviene in un componente della sezione combustiva, inserito tra il corpo compressore e il corpo turbina, nel seguito denominato "innesto", in quanto consente di innestare il combustore nel corpo principale della macchina. L'innesto comprende due componenti, detti esterno e interno, che delimitano due volumi posti uno dentro l'altro. Nel volume delimitato dal componente esterno di forma sferoidale, e pertanto denominato bulbo, confluisce l?aria compressa proveniente dal combustore che poi, dopo aver cambiato direzione, ne esce per risalire lungo il condotto anulare del combustore. Il secondo volume, alloggiato all?interno dell'innesto, ? quello delimitato dal convogliatore biforcato. The connection of the flows of the main fluids between the various sections of the turbomachinery and the reorientation of these flows takes place in a component of the combustion section, inserted between the compressor body and the turbine body, hereinafter referred to as "coupling", as it allows the combustor in the main body of the machine. The graft includes two components, called external and internal, which delimit two volumes placed one inside the other. The compressed air coming from the combustor flows into the volume delimited by the external spheroidal component, and therefore called the bulb, which then, after changing direction, exits it to go up along the annular duct of the combustor. The second volume, housed inside the graft,? that delimited by the bifurcated conveyor.

Il convogliatore biforcato comprende due parti: una cilindrica che si raccorda allo sbocco cilindrico della camera di combustione, e l?altra costituita da due rami, di sezione trasversale solitamente decrescente, che si biforcano aggirando ai due lati l?albero del turbogas e ricongiungendosi all?estremo opposto, assumendo cos? una configurazione complessiva toroidale. Il toroide ? orientato in modo che uno dei suoi lati ? rivolto verso l'ingresso anulare della turbina. Questo lato del toroide ? aperto a sua volta con un anulo di sbocco raccordato con quello della turbina, in modo che il flusso dei fumi venga distribuito lungo tutto il perimetro dell?anulo del primo stadio di turbina. Ciascuno dei due rami del convogliatore distribuisce i fumi lungo un semiperimetro dell?anello di ingresso in turbina. The bifurcated conveyor comprises two parts: a cylindrical one that connects to the cylindrical outlet of the combustion chamber, and the other made up of two branches, of usually decreasing cross-section, which forks bypassing the turbine gas shaft on both sides and rejoining the gas turbine shaft. opposite extreme, assuming cos? an overall toroidal configuration. The toroid? oriented so that one of its sides? facing the annular inlet of the turbine. This side of the torus? open in turn with an outlet annulus connected to that of the turbine, so that the flue gas flow is distributed along the entire perimeter of the annulus of the first stage of the turbine. Each of the two branches of the conveyor distributes the fumes along a semi-perimeter of the turbine entrance ring.

Con questo tipo di combustore ? difficile raggiungere una buona uniformit? della temperatura dei fumi entranti in turbina. Infatti la distribuzione di temperatura lungo l'anulo di sbocco dipende da quella che si ha nella sezione circolare di ingresso nel convogliatore e dal tragitto che i singoli filetti fluidi dei fumi percorrono tra queste due sezioni. La distribuzione della temperatura dei fumi nella sezione di ingresso nel convogliatore coincide con quella di sbocco della camera di combustione. Quest'ultima risulta solitamente maggiore al centro, a causa dei numerosi ingressi di aria che confluiscono verso la fiamma attraverso i getti laterali presenti lungo la camicia del cestello. Questi passaggi laterali sono distribuiti in modo mediamente uniforme attorno al perimetro della camera di combustione e ci? determina una zona centrale circolare di fumi molto pi? caldi rispetto ad una zona periferica di fumi, che risultano pi? freddi a causa della loro maggiore diluizione. Per la particolare conformazione del convogliatore biforcato, la parte centrale pi? calda del flusso dei fumi impatta la superficie interna del distributore toroidale del convogliatore e quindi viene deviata verso la turbina andando a concentrarsi nel settore ristretto dell?anello di ingresso in turbina rivolto verso il lato di innesto del combustore. With this type of combustor? difficult to achieve good uniformity? the temperature of the fumes entering the turbine. In fact, the temperature distribution along the outlet annulus depends on that which occurs in the circular inlet section of the conveyor and on the path that the single fluid threads of the fumes travel between these two sections. The temperature distribution of the fumes in the inlet section of the conveyor coincides with that of the combustion chamber outlet. The latter is usually greater in the center, due to the numerous air inlets that flow towards the flame through the side jets present along the liner of the basket. These lateral passages are distributed in an average uniform way around the perimeter of the combustion chamber and there determines a central circular area of fumes much more? hot compared to a peripheral area of fumes, which are more? cold due to their greater dilution. Due to the particular conformation of the bifurcated conveyor, the central part more? hot flue gas flow impacts the internal surface of the toroidal distributor of the conveyor and is therefore diverted towards the turbine, concentrating in the restricted sector of the turbine inlet ring facing the coupling side of the combustor.

Il ciclo termodinamico dei turbogas ? del tipo aperto a combustione interna, detto di Bryton-Joule. Il fluido principale del ciclo ? gassoso ed ? costituito all'inizio dall?aria ambiente, a monte della sezione combustiva, e successivamente dai fumi di combustione, a valle della fiamma. Il ciclo ? aperto, in quanto si chiude attraverso l?atmosfera ambiente da cui viene prelevata l?aria comburente e in cui vengono scaricati i fumi. La potenza sviluppata da un turbogas ? tanto maggiore quanto maggiori sono la portata dei fumi e la loro temperatura media. Il rendimento aumenta con l?aumentare del rapporto tra i valori massimo e minimo assunti dalla temperatura del fluido principale lungo il ciclo. La temperatura minima del ciclo ? quella dell?aria prelevata dall?ambiente esterno e non dipende dalla macchina, mentre la temperatura massima del ciclo ? quella media raggiunta dai fumi nella sezione in cui inizia la loro espansione in turbina. La temperatura dei fumi in questa sezione non ? perfettamente omogenea, ma presenta delle differenze tra punto e punto ed il valore che conta ai fini del rendimento del turbogas ? quello medio pesato sulla portata massica locale. Esso dipende da vari fattori e principalmente dal rapporto tra il potere calorifico del combustibile iniettato e la portata massica dell?aria comburente, ovverosia dal tasso di arricchimento medio della miscela. The thermodynamic cycle of turbogas? of the open type with internal combustion, called Bryton-Joule. The main fluid of the cycle? gaseous and? constituted at the beginning by the ambient air, upstream of the combustion section, and subsequently by the combustion fumes, downstream of the flame. The cycle ? open, as it closes through the ambient atmosphere from which the combustion air is taken and the fumes are discharged. The power developed by a gas turbine? the greater the greater the flow rate of the fumes and their average temperature. The efficiency increases with the increase of the ratio between the maximum and minimum values assumed by the temperature of the main fluid along the cycle. The minimum cycle temperature? that of the air taken from the external environment and does not depend on the machine, while the maximum temperature of the cycle? the average reached by the fumes in the section where their expansion in the turbine begins. The temperature of the fumes in this section is not? perfectly homogeneous, but does it have differences between point and point and the value that counts for the purposes of the turbogas efficiency? the average weighted on the local mass flow. It depends on various factors and mainly on the ratio between the calorific value of the injected fuel and the mass flow rate of the combustion air, ie on the average enrichment rate of the mixture.

L?incremento della potenza e della resa energetica legato al valore medio della temperatura dei gas combusti rende conveniente innalzare quanto pi? possibile tale valore. Tuttavia tale innalzamento ? limitato da esigenze tecnologiche dovute alla resistenza dei materiali investiti dal flusso dei gas caldi. I materiali pi? sollecitati termicamente sono quelli che costituiscono le pareti del tubo di fiamma e le palette dei primi stadi di turbina, per i quali si adottano dei sistemi di raffreddamento localizzato che riducono il valore della temperatura raggiunto dai materiali pi? esposti. Nonostante tali espedienti ? necessario limitare l'arricchimento complessivo di miscela, in modo che la temperatura massima dei fumi non superi i limiti tecnologici dei materiali. I limiti pi? stringenti si riferiscono ai materiali maggiormente soggetti a sollecitazioni meccaniche, cio? quelli delle palette delle prime schiere di turbina. Il tasso globale di arricchimento della miscela viene quindi stabilito in modo che la temperatura massima dei fumi non superi i limiti tecnologici dei materiali che li costituiscono. The increase in power and energy yield linked to the average value of the temperature of the flue gases makes it convenient to increase as much as possible. this value is possible. However such a rise? limited by technological requirements due to the resistance of the materials hit by the flow of hot gases. The materials pi? thermally stressed are those that make up the walls of the flame tube and the blades of the first turbine stages, for which localized cooling systems are adopted which reduce the value of the temperature reached by the materials more? exposed. Despite such expedients? It is necessary to limit the overall enrichment of the mixture, so that the maximum temperature of the fumes does not exceed the technological limits of the materials. The limits more? stringent refer to the materials most subject to mechanical stress, that is? those of the blades of the first turbine rows. The overall enrichment rate of the mixture is therefore established so that the maximum temperature of the fumes does not exceed the technological limits of the materials that constitute them.

La temperatura dei fumi determina quindi, mediante il suo valore medio, le prestazioni della macchina, mentre, attraverso il suo valore massimo, influisce sugli aspetti tecnologici di resistenza dei materiali e quindi di durata dei componenti ed affidabilit? di esercizio. La distribuzione di temperatura pi? favorevole, che minimizza le sollecitazioni termiche e massimizza la resa energetica, ? quella perfettamente omogenea in cui i due valori massimo e medio coincidono. Tale distribuzione ideale non ? conseguibile, e tutti i combustori presentano una disomogeneit? pi? o meno marcata della temperatura dei fumi allo sbocco. La differenza tra il valore massimo e quello medio, rapportata all'incremento medio della temperatura del fluido principale attraverso il combustore, viene espressa da un parametro PF chiamato fattore di forma (in inglese pattern factor) dato da: The temperature of the fumes therefore determines, through its average value, the performance of the machine, while, through its maximum value, it affects the technological aspects of resistance of the materials and therefore of the duration of the components and reliability. of exercise. The distribution of temperature pi? favorable, which minimizes thermal stresses and maximizes energy yield,? the perfectly homogeneous one in which the two maximum and average values coincide. Such an ideal distribution is not? achievable, and all the combustors present an inhomogeneity? pi? or less marked of the temperature of the fumes at the outlet. The difference between the maximum and the average value, compared to the average increase in the temperature of the main fluid through the combustor, is expressed by a parameter PF called the form factor (in English pattern factor) given by:

La temperatura media Tmed dei fumi dipende dalla quantit? dell?aria comburente, mentre il valore massimo Tmx dipende dalla sua distribuzione, cio? dal modo in cui viene immessa nel tubo di fiamma. La Taria indica infine la temperatura dell'aria compressa all'ingresso nella sezione combustiva. The average temperature Tmed of the fumes depends on the quantity? of the combustion air, while the maximum value Tmx depends on its distribution, that is? by the way it is fed into the flame tube. Finally, the Taria indicates the temperature of the compressed air entering the combustion section.

E' quindi utile ridurre il pi? possibile il PF, cosa che viene realizzata mediante un'opportuna ripartizione deN'aria attraverso i fori laterali del cestello. Nel primo tratto del tubo di fiamma dei combustori a diffusione viene immessa, attraverso sia il bruciatore sia i fori dell?aria primaria, una quantit? di aria grossomodo equivalente a quella necessaria per il completamento della combustione del combustibile. Un?altra quota parte dell?aria viene utilizzata per raffreddare le pareti del tubo di fiamma. La parte residua di aria, necessaria a raggiungere il valore del tasso di miscela in grado di abbassare la temperatura al di sotto del limite tecnologico, viene immessa attraverso una schiera di fori predisposti sul perimetro del cestello a valle dei fori dell?aria primaria. I getti di aria provenienti da tali fori, detti fori di diluizione, hanno anche lo scopo di omogeneizzare quanto pi? possibile la temperatura del flusso dei fumi. It is therefore useful to reduce the pi? PF is possible, which is achieved by appropriately distributing the air through the side holes of the basket. In the first section of the flame tube of the diffusion combustors, a quantity of water is introduced through both the burner and the primary air holes. of air roughly equivalent to that required to complete the combustion of the fuel. Another part of the air is used to cool the walls of the flame tube. The residual part of air, necessary to reach the mixing rate value capable of lowering the temperature below the technological limit, is introduced through a series of holes arranged on the perimeter of the basket downstream of the primary air holes. The jets of air coming from these holes, called dilution holes, also have the purpose of homogenizing as much as possible. the temperature of the flue gas flow is possible.

Di regola le camere di combustione dei combustori cannulari, multicanna o monocanna, sono cilindriche. L?uniformizzazione della temperatura, che si realizza mediante dei getti di aria laterali che entrano trasversalmente al flusso dei fumi, deve essere perseguita in entrambe le direzioni radiale ed azimutale. As a rule, the combustion chambers of cannular, multi-barrel or single barrel combustors are cylindrical. The uniformization of the temperature, which is achieved by means of lateral air jets that enter transversely to the flue gas flow, must be pursued in both the radial and azimuth directions.

L?omogeneizzazione radiale consiste nel ridurre il gradiente di temperatura tra centro e periferia ed a tal fine ? necessario che i getti penetrino quanto pi? possibile in profondit? in modo da raggiungere gli strati pi? caldi dei fumi, diluendoli anche mediante l'induzione di vortici interni al flusso dei fumi che coinvolgono anche gli strati periferici pi? freddi dei fumi stessi. La penetrazione di un singolo getto dipende dalla sua quantit? di moto, che a sua volta dipende dalla sua portata e dalla sua velocit?. Does radial homogenization consist in reducing the temperature gradient between center and periphery and to this end? it is necessary that the jets penetrate as much as possible possible in depth? in order to reach the layers pi? hot fumes, also diluting them through the induction of vortices inside the flue gas flow which also involve the most peripheral layers? cold of the fumes themselves. The penetration of a single jet depends on its quantity? of motion, which in turn depends on its range and speed.

La portata del getto dipende a sua volta dall'area del foro. Dato un certo valore dell?aliquota di aria combustiva a disposizione per la diluizione, conviene che i fori siano il minor numero possibile in modo da aumentare portata attraverso il singolo foro e quindi la forza penetrante del singolo getto. Tuttavia ? necessario anche evitare forti disuniformit? azimutali. Pertanto il caso limite di un singolo getto, o anche di due getti contrapposti, non viene adottato in quanto creerebbe forti disuniformit? azimutali. La soluzione di compromesso tra forza penetrante e distribuzione uniforme dei getti di diluizione si ha solitamente con quattro fori complanari, cio? ubicati sulla stessa sezione trasversale del cestello, e ortogonali tra loro. The flow rate of the jet depends in turn on the area of the hole. Given a certain amount of combustion air available for dilution, it is advisable for the holes to be as few as possible in order to increase the flow rate through the single hole and therefore the penetrating force of the single jet. However ? It is also necessary to avoid strong unevenness? azimuth. Therefore the limiting case of a single jet, or even of two opposing jets, is not adopted as it would create strong non-uniformities. azimuth. The compromise solution between penetrating force and uniform distribution of the dilution jets is usually obtained with four coplanar holes, that is? located on the same cross section of the basket, and orthogonal to each other.

La penetrazione dei getti di aria laterali pu? anche essere incrementata, a parit? di portata in massa, incrementandone la quantit? di moto, mediante l'aumento della velocit? di passaggio nei fori di diluizione. Quest'ultima dipende a sua volta dalla caduta di pressione a cavallo del cestello, che potrebbe essere aumentata mediante una riduzione uniforme di tutte le aperture presenti nel cestello in modo da preservare la ripartizione dell?aria comburente tra i vari passaggi. Tuttavia questa soluzione ? sconsigliata in quanto l'incremento della caduta di pressione attraverso il cestello si traduce in una perdita di potenza e di efficienza della macchina. The penetration of the lateral air jets can? also be increased, at par? of mass flow, increasing the quantity? of motion, by increasing the speed? passing through the dilution holes. The latter in turn depends on the pressure drop across the basket, which could be increased by uniformly reducing all the openings in the basket so as to preserve the distribution of combustion air between the various passages. However this solution? not recommended as the increase in the pressure drop across the basket results in a loss of power and efficiency of the machine.

La problematica suesposta non si presenta in un combustore a configurazione anulare, quale ad esempio quello illustrato in US6260359 o in US2004182085. In questo tipo di combustore la camera di combustione ? ancora costituita da un unico volume, ma in questo caso ? di forma toroidale e disposto in modo da avvolgere l?asse principale del turbogas. Pertanto il flusso dei fluidi principali, aria e fumi, si sviluppa sempre in modo mediamente assialsimmetrico attorno all?asse principale di macchina, anche nella sezione combustiva, conseguendo cos? un?ottima uniformit? azimutale della temperatura di ingresso in turbina. The aforementioned problem does not arise in a combustor with an annular configuration, such as for example the one illustrated in US6260359 or in US2004182085. In this type of combustor the combustion chamber? still consisting of a single volume, but in this case? toroidal in shape and arranged so as to wrap around the main axis of the turbogas. Therefore the flow of the main fluids, air and fumes, always develops in an average axisymmetrical way around the main axis of the machine, also in the combustion section, thus achieving an? excellent uniformity? azimuth of the turbine inlet temperature.

II problema tecnico a cui si rivolge la presente invenzione ? pertanto quello della elevata disuniformit? della temperatura dei fumi entranti in turbina, che ? tipica dei combustori monocanna a convogliatore biforcato. Tale disuniformit? comporta che in alcune zone il materiale sia soggetto ad un?eccessiva sollecitazione termica, per ridurre la quale ? attualmente necessario imporre delle limitazioni alle condizioni di esercizio, che influenzano negativamente il livello di potenza e la resa energetica del turbogas. The technical problem addressed by the present invention? therefore that of the high non-uniformity? the temperature of the fumes entering the turbine, which? typical of single-barrel combustors with bifurcated conveyor. Such a lack of uniformity? implies that in some areas the material is subjected to excessive thermal stress, to reduce which? currently it is necessary to impose limitations on the operating conditions, which negatively affect the power level and energy yield of the turbogas.

In una configurazione di combustore simile a quella sopra descritta, illustrata ad esempio in US7000400, ? presente ugualmente una camera di combustione monocanna orientata perpendicolarmente all?asse principale della turbomacchina, ma la forma del convogliatore ? differente. Infatti in questo caso il convogliatore, invece di essere biforcato, ha una forma a chiocciola con un?unica voluta di sezione trasversale decrescente che distribuisce i fumi lungo l?intero perimetro dell?anulo di ingresso alla turbina. In a combustor configuration similar to the one described above, illustrated for example in US7000400,? there is also a single barrel combustion chamber oriented perpendicular to the main axis of the turbomachine, but the shape of the conveyor? different. In fact, in this case the conveyor, instead of being bifurcated, has a spiral shape with a single volute of decreasing cross-section that distributes the fumes along the entire perimeter of the turbine entrance ring.

Per migliorare il miscelamento deN?aria di diluizione e quindi l'uniformit? della temperatura dei fumi, nel citato documento viene proposta una differenziazione del diametro tra i fori di diluizione in modo che il flusso entrante da quelli a diametro maggiore penetri maggiormente all'interno del flusso dei fumi. Tuttavia, nel turbogas secondo US7000400 essendo in presenza di un convogliatore di tipo a chiocciola, costituito cio? da una singola voluta che si avvolge, con sezione decrescente, attorno all'intero anulo di ingresso in turbina, il flusso dei fumi ? unico, e non esistono delle direzioni privilegiate lungo le quali incrementare il flusso dell?aria di diluizione. To improve the mixing of the dilution air and therefore the uniformity? temperature of the fumes, in the aforementioned document a differentiation of the diameter between the dilution holes is proposed so that the flow entering from those with a larger diameter penetrates further into the flow of fumes. However, in the turbogas according to US7000400 being in the presence of a scroll type conveyor, which is constituted by from a single volute that wraps, with a decreasing section, around the entire turbine entrance ring, the flow of fumes? unique, and there are no privileged directions along which to increase the flow of dilution air.

Lo scopo generale della presente invenzione ? di migliorare l?uniformit? della temperatura nella sezione di ingresso dei fumi in turbina, per combustori monocanna con convogliatore biforcato. The general purpose of the present invention? to improve the uniformity? of the temperature in the inlet section of the fumes in the turbine, for single-barrel combustors with bifurcated conveyor.

Uno scopo particolare della presente invenzione ? di fornire un turbogas con una sezione combustiva costituita da un combustore monocanna abbinato ad un convogliatore dei fumi di tipo biforcato in cui le due correnti in cui si divide il flusso dei fumi nel convogliatore presentino una uniformit? di temperatura maggiore di quanto ottenibile nei convogliatori biforcati noti. A particular object of the present invention? to supply a turbogas with a combustion section consisting of a single-barrel combustor combined with a bifurcated fume conveyor in which the two streams into which the flue gas flow is divided in the conveyor present a uniformity? temperature higher than that obtainable in known bifurcated conveyors.

Questi scopi vengono raggiunti con la sezione combustiva di un turbogas secondo la presente invenzione le cui caratteristiche essenziali sono riportate nella rivendicazione 1. Ulteriori importanti caratteristiche sono riportate nelle rivendicazioni dipendenti. These objects are achieved with the combustion section of a turbogas according to the present invention, the essential characteristics of which are reported in claim 1. Further important characteristics are reported in the dependent claims.

Le caratteristiche e i vantaggi della sezione combustiva per turbogas con combustore monocanna e convogliatore dei fumi biforcato risulteranno chiare dalla descrizione che segue di una sua forma realizzativa fatta a titolo esemplificativo e non limitativo con riferimento ai disegni annessi in cui: The characteristics and advantages of the combustion section for turbogas with single-barrel combustor and bifurcated flue gas conveyor will be clear from the following description of an embodiment thereof made by way of non-limiting example with reference to the attached drawings in which:

la figura 1 ? una vista prospettica d'assieme di un turbogas con combustore monocanna e convogliatore dei fumi biforcato secondo la presente invenzione; figure 1? an overall perspective view of a turbogas with single-barrel combustor and bifurcated flue gas conveyor according to the present invention;

la figura 2 ? una vista schematica in sezione longitudinale del turbogas secondo l'invenzione; figure 2? a schematic longitudinal section view of the turbogas according to the invention;

la figura 3 ? uno spaccato prospettico schematico in sezione del combustore del turbogas secondo l'invenzione. figure 3? a schematic perspective cross-section of the combustor of the turbogas according to the invention.

Con riferimento alle figure 1 e 2, si ? indicato genericamente con 1 un turbogas composto, come noto, da un compressore 2, una sezione combustiva 3 e una turbina o espansore 4. Le giranti del compressore e della turbina sono calettate su un unico albero, il cui asse costituisce l'asse principale della macchina indicato con X, mentre la sezione combustiva si estende lateralmente all'asse macchina. With reference to Figures 1 and 2, yes? 1 generally indicates a turbogas composed, as known, of a compressor 2, a combustion section 3 and a turbine or expander 4. The impellers of the compressor and of the turbine are keyed onto a single shaft, whose axis constitutes the main axis of the machine indicated with X, while the combustion section extends laterally to the machine axis.

La sezione combustiva 3 comprende un combustore 5 di forma sostanzialmente cilindrica disposto secondo un asse Y perpendicolare all'asse macchina X e una sezione di convogliamento 6, o innesto, estendentesi da una estremit? del combustore e disposta coassialmente all'asse macchina X. The combustion section 3 comprises a substantially cylindrical combustor 5 arranged along an axis Y perpendicular to the machine axis X and a conveying section 6, or coupling, extending from one end. of the combustor and arranged coaxially to the machine axis X.

Come mostrato in figura 2, il combustore 5 comprende una camera di combustione 7 costituita da un cestello 8 di forma cilindrica, delimitato lateralmente da una camicia cilindrica 9 e chiuso ad un'estremit? da un cappello conico 10, al cui centro ? montato un bruciatore 11. Il cestello ? alloggiato in un involucro esterno di contenimento, detto cassa d'aria e indicato con 12, costituito da un cilindro esterno 13 e da un coperchio di tenuta 14. La camicia 9, delimitante la camera di combustione 7, e il cilindro esterno 13 delimitante la cassa d'aria 12, sono coassiali e nel volume anulare 22 (anulo di risalita) compreso tra di essi risale l'aria comburente che va ad alimentare la fiamma generata del bruciatore. As shown in Figure 2, the combustor 5 comprises a combustion chamber 7 consisting of a cylindrical basket 8, laterally delimited by a cylindrical jacket 9 and closed at one end. from a conical hat 10, in the center of which? mounted a burner 11. The basket? housed in an external containment casing, said air box and indicated with 12, consisting of an external cylinder 13 and a sealing cover 14. The jacket 9, delimiting the combustion chamber 7, and the external cylinder 13 delimiting the air box 12, are coaxial and in the annular volume 22 (rising annulus) between them rises the combustion air which feeds the flame generated by the burner.

Come mostrato in particolare nella figura 3, sulla parete laterale della camicia 9, immediatamente a valle del bruciatore 11, sono ricavate alcune schiere di fori primari 15 attraverso cui passa l'aria necessaria al completamento della combustione, mentre in prossimit? dell'uscita dalla camera di combustione ? prevista una schiera di fori di diluizione 16a, 16b. As shown in particular in Figure 3, on the side wall of the jacket 9, immediately downstream of the burner 11, there are some arrays of primary holes 15 through which the air necessary to complete the combustion passes, while in the vicinity of the burner 11. of the exit from the combustion chamber? an array of dilution holes 16a, 16b is provided.

La sezione di convogliamento o di innesto 6 definisce al suo interno due camere sostanzialmente toroidali coassiali all'asse macchina X, delle quali la camera esterna o plenum 17 ? destinata al convogliamento dell'aria compressa proveniente dal compressore 2 verso l'anulo di risalita 22, mentre la camera interna, indicata con 18, ? destinata al convogliamento verso la turbina 4 dei fumi provenienti dalla camera di combustione 7. In particolare, la sezione di convogliamento 6 comprende una parete esterna 19 a sviluppo sostanzialmente sferoidale che racchiude la camera esterna 17 dell'aria compressa ed una parete interna 20 a sviluppo principalmente toroidale che racchiude la camera interna 18 che forma in tal modo il convogliatore biforcato dei fumi. The conveying or grafting section 6 defines internally two substantially toroidal chambers coaxial to the machine axis X, of which the external chamber or plenum 17? intended for conveying the compressed air coming from the compressor 2 towards the rising ring 22, while the internal chamber, indicated with 18,? intended for conveying the fumes coming from the combustion chamber 7 towards the turbine 4. mainly toroidal which encloses the internal chamber 18 which thus forms the bifurcated fumes conveyor.

La parete esterna 19 presenta una porzione di raccordo 19a cilindrica connessa assialmente a tenuta al cilindro esterno 13 del combustore 5. Similmente la parete interna 20 presenta una porzione di raccordo 20a, coassiale alla porzione di raccordo 19a, imboccata all'estremit? aperta del cestello 8 delimitante la camera di combustione 7. La camera esterna 17 ? inoltre in comunicazione con la sezione di uscita del compressore 2, per cui l'aria compressa entra nella camera esterna 17 e in essa cambia direzione per risalire nell'anulo 22 fino al bruciatore. La camera interna 18 comunica invece con l'imbocco della turbina 4. Dopo essere transitati nella porzione di raccordo cilindrica 20a, i fumi generati nella camera di combustione 7 si dividono in due flussi in corrispondenza di una biforcazione 18a della camera interna 18. I due flussi percorrono i due rami della camera interna 18, confluendo nella turbina 4 attraverso una sezione anulare di sbocco 21, completando cos? il riorientamento dei fumi da una direzione perpendicolare a una parallela all'asse macchina X. The outer wall 19 has a cylindrical connecting portion 19a axially connected in a tight manner to the outer cylinder 13 of the combustor 5. Similarly, the inner wall 20 has a connecting portion 20a, coaxial with the connecting portion 19a, entered at the end. open of the basket 8 delimiting the combustion chamber 7. The external chamber 17? moreover in communication with the outlet section of the compressor 2, whereby the compressed air enters the external chamber 17 and changes direction in it to go up in the annulus 22 up to the burner. The internal chamber 18, on the other hand, communicates with the inlet of the turbine 4. After passing through the cylindrical connection portion 20a, the fumes generated in the combustion chamber 7 divide into two flows at a bifurcation 18a of the internal chamber 18. The two flows run through the two branches of the internal chamber 18, flowing into the turbine 4 through an annular outlet section 21, thus completing the reorientation of the fumes from a direction perpendicular to one parallel to the machine axis X.

Secondo l'invenzione, l'area di passaggio attraverso i vari fori appartenenti alla schiera dei fori di diluizione 16a, 16b viene differenziata in modo da aumentare il flusso d'aria per quelli collocati sostanzialmente in corrispondenza del piano di simmetria X-Y del combustore complanare all'asse macchina X (flusso di diluizione principale), rispetto a quello passante dagli altri fori allineati su un asse trasversale Z perpendicolare al suddetto piano (flusso di diluizione secondario). Questo accorgimento consente di modificare la distribuzione della temperatura nelle sezioni trasversali del tubo di fiamma comprese tra il piano di diluizione e la biforcazione 18a del convogliatore dei fumi 18, in modo che l?area di massima temperatura risulti allungata nella direzione trasversale Z rispetto all?asse macchina. Tale elongazione, la cui entit? dipende dal rapporto tra il flusso di diluizione principale e quello secondario, pu? essere spinta fino a determinare una configurazione bilobata di tale area di massima temperatura. Questa distribuzione consente di ridurre la temperatura dei fumi nella parte centrale del getto e conseguire una migliore uniformit? azimutale, lungo il perimetro dell?anello di ingresso, dei fumi entranti in turbina. According to the invention, the passage area through the various holes belonging to the array of dilution holes 16a, 16b is differentiated so as to increase the air flow for those located substantially in correspondence with the X-Y symmetry plane of the combustor coplanar to the 'machine axis X (main dilution flow), with respect to the one passing through the other holes aligned on a transversal axis Z perpendicular to the aforementioned plane (secondary dilution flow). This expedient allows to modify the temperature distribution in the cross sections of the flame tube between the dilution plane and the bifurcation 18a of the fumes conveyor 18, so that the area of maximum temperature is elongated in the transverse direction Z with respect to? machine axis. This elongation, the extent of which? depends on the ratio between the primary and secondary dilution flow, pu? be pushed until a bilobed configuration of this area of maximum temperature is determined. This distribution allows to reduce the temperature of the fumes in the central part of the jet and to achieve a better uniformity. azimuth, along the perimeter of the entrance ring, of the fumes entering the turbine.

Nel caso particolare, ma molto frequente, in cui la schiera dei fori di diluizione sia formata da quattro fori equispaziati angolarmente ed allineati agli assi principali della turbomacchina, la modifica prevede di maggiorare l?area della coppia di fori orientati lungo l'asse macchina X, indicati con 16a in figura 3, rispetto a quella della coppia di fori orientati nella direzione trasversale Z a detto asse, indicati con 16b. In the particular, but very frequent case, in which the array of dilution holes is formed by four equally spaced holes angularly aligned with the main axes of the turbomachine, the modification involves increasing the area of the pair of holes oriented along the machine axis X , indicated with 16a in Figure 3, with respect to that of the pair of holes oriented in the direction transverse Z to said axis, indicated with 16b.

Anche se la configurazione a quattro fori ? quella generalmente preferita, possono anche essere previste configurazioni con pi? di quattro fori in cui vengono maggiorati quelli pi? prossimi al piano di simmetria longitudinale X-Y della macchina rispetto a quelli situati in prossimit? del piano trasversale Z-Y. Even if the four-hole configuration? the generally preferred one, configurations with pi? of four holes in which the pi? close to the longitudinal X-Y symmetry plane of the machine with respect to those located in the vicinity? of the transverse plane Z-Y.

In una forma realizzativa particolarmente preferita dell'invenzione il rapporto tra le sezioni dei fori 16a di diluizione principale e le sezioni dei fori 16b di diluizione secondaria ? compreso tra 2 e 4. In a particularly preferred embodiment of the invention, the ratio between the sections of the main dilution holes 16a and the sections of the secondary dilution holes 16b? between 2 and 4.

Pu? naturalmente risultare vantaggiosa l?adozione, in specifiche circostanze, di fori 16a di diluizione di sezione diversa tra loro. In particolare potrebbe essere conveniente allargare in maggior misura o, al limite, solamente il foro di diluizione lato turbina rispetto a quello lato compressore. Pu? obviously, the adoption, in specific circumstances, of dilution holes 16a with different cross-sections is advantageous. In particular, it could be convenient to enlarge to a greater extent or, at the limit, only the dilution hole on the turbine side with respect to that on the compressor side.

L?efficacia della configurazione proposta ? stata verificata numericamente mediante tecnica CFD, simulando la distribuzione della temperatura dei fumi sia con fori di diluizione uniformi, sia con fori differenziati, adottando opportuni valori del rapporto tra la portata del flusso di diluizione principale e quella del flusso di diluizione secondario. Un valore del suddetto rapporto, che, dalla simulazione CFD di verifica, ? risultato particolarmente utile, ? 3:1. The effectiveness of the proposed configuration? was numerically verified by CFD technique, simulating the temperature distribution of the fumes both with uniform dilution holes and with differentiated holes, adopting appropriate values of the ratio between the flow rate of the main dilution flow and that of the secondary dilution flow. A value of the aforementioned ratio, which, from the verification CFD simulation,? particularly useful result,? 3: 1.

La configurazione innovativa ha permesso di migliorare la penetrazione dei due getti corrispondenti ai getti di diluizione principali. La distribuzione della temperatura dei fumi nella sezione trasversale del tubo di fiamma a monte della biforcazione ? passata da una conformazione grossomodo concentrica, con un solo valore massimo centrale, ad una bilobata con due massimi allineati lungo la direzione Z trasversale all?asse macchina. Questi due lobi corrispondono a due lingue di fumi caldi che si inoltrano nei due rami del convogliatore biforcato originando due zone di massimo relativo della temperatura di ingresso fumi in turbina ubicate ai lati opposti dell'anulo di sbocco nella direzione trasversale Z. Tuttavia, l'entit? di questi due nuovi massimi risulta minore rispetto all?unico massimo che si origina nella configurazione secondo la tecnica attuale, migliorando cos? il fattore di forma della distribuzione di temperatura dei fumi. The innovative configuration made it possible to improve the penetration of the two jets corresponding to the main dilution jets. The temperature distribution of the fumes in the cross section of the flame tube upstream of the bifurcation? passed from a roughly concentric conformation, with a single central maximum value, to a bilobed one with two maximums aligned along the Z direction transversal to the machine axis. These two lobes correspond to two tongues of hot fumes that enter the two branches of the bifurcated conveyor, originating two zones of relative maximum temperature of the inlet fumes in the turbine located on opposite sides of the outlet anule in the transverse direction Z. However, the entity of these two new maximums is less than the only maximum that originates in the configuration according to the current technique, thus improving? the form factor of the temperature distribution of the fumes.

La ridotta differenza tra temperatura media e temperatura massima dei fumi cos? conseguita consente di incrementare la temperatura media del getto dei fumi, mediante un aumento della portata del combustibile a parit? di portata di aria comburente (in genere fissa per una data macchina), e quindi la potenza e il rendimento della macchina. Oppure consente di ridurre la temperatura massima e con essa la sollecitazione termica dei materiali, migliorando l?affidabilit? della macchina o riducendo le esigenze di ispezione e sostituzione periodica di parti calde. The small difference between average temperature and maximum temperature of the fumes cos? achieved, it allows to increase the average temperature of the fume jet, through an increase in the fuel flow rate. of combustion air flow rate (generally fixed for a given machine), and therefore the power and efficiency of the machine. Or it allows to reduce the maximum temperature and with it the thermal stress of the materials, improving the reliability? machine or reducing the need for periodic inspection and replacement of hot parts.

Varianti e/o modifiche potranno essere apportate alla sezione combustiva di un turbogas con combustore monocanna a convogliatore biforcato secondo la presente invenzione senza per questo uscire daN?ambito protettivo dell'invenzione medesima come definita nelle seguenti rivendicazioni. Variations and / or modifications may be made to the combustion section of a turbogas with single-barrel combustor with bifurcated conveyor according to the present invention without thereby departing from the protective scope of the invention itself as defined in the following claims.

Claims

CLAIMS 1. Gas turbine with single-barrel combustor and bifurcated smoke conveyor, in which the combustor (5) comprises a combustion chamber (7) with an axis substantially orthogonal to the main axis of the machine (X) and bounded by a wall (9) on which are made primary holes (15), through which the combustion air coming from a compressor (2) passes, and holes for the dilution air (16a, 16b) in the vicinity? of the outlet section of said combustion chamber into which the latter enters said bifurcated flue gas conveyor (18,20) whose average storage plane? substantially orthogonal to the main axis (X), characterized by the fact that said dilution air holes are obtained around the direction of the main axis (X) and around the direction (Z) orthogonal to said main axis ( X) and the dilution air holes (16a) obtained around the direction of the main axis (X) have a larger section than the dilution air holes (16b) obtained around the orthogonal direction (Z) to said main axis (X).

2. Gas turbine according to claim 1, wherein the ratio between the section of said dilution air holes (16a) obtained in the neighborhood of the direction of the main axis (X) and those (16b) obtained in the neighborhood direction (Z) orthogonal to said main axis (X)? between 2 and 4.

3. Gas turbine according to claim 1 or 2, wherein? provided a first pair of dilution air holes (16a) obtained from diametrically opposite parts in the direction of the main axis (X) and a second pair of dilution air holes (16b) obtained in orthogonal direction (Z) to said main axis (X), said first pair of dilution air holes (16a) having a larger section than said second pair of dilution air holes (16b).

4. Gas turbine according to any one of the preceding claims, in which the dilution air holes (16a) of increased cross-section have differentiated sections.

5. Gas turbine according to claim 4, in which the dilution air holes (16a) obtained around the main axis towards the turbine side have a greater section than the dilution holes (16a) obtained in the same direction towards the compressor side.