ITMI20001241A1 - Dispositivo passafiamma per camere di combustione di turbine a gas non anulari - Google Patents

Description

DESCRIZIONE del brevetto per invenzione industriale:

La presente invenzione ha come oggetto un dispositivo passafiamma per camere di combustione di turbine a gas non anulari.

La costante ricerca di incrementi del rendimento di turbine a gas, dell'intervallo .tra le varie fermate,per la manutenzione e la pressante necessità di ridurre al minimo le emissioni inquinanti, impone l'ottimizzazione di tutti i componenti-inseriti nella cosiddetta hot gas path.

In particolar modo, il sistema di combustione, avendo . funzione energizzatrice del fluido termovettore, è il vero e proprio cuore del turbomotore, e ne definisce quindi il livello di emissione, ed in funzione della durata dei propri componenti, gli intervalli di funzionamento tra fermi macchina per effettuare ispezioni alle camere di combustione.

La richiesta di potenziamenti delle macchine in esercizio con innalzamento dei rapporti di compressione e delle temperature di fuoco sono un ulteriore fonte di esaltazione della criticità dei componenti caldi.

Ridurre le emissioni aumentando la vita dei componenti ed eventualmente anche l'efficienza del sistema, rappresenta inoltre un target complessivo di indubbio impatto presso la clientela di macchine heavy duty, ed una stimolante sfida tecnologica per i progettisti.

In particolare modo, per macchine con una certa anzianità di servizio, è possibile raccogliere una popolazione statistica di dati sufficiente a stabilire i parametri e i particolari che·risultano critici nel raggiungimento di migliorie complessive, tali da giustificarne il costo dello studio e della successiva commercializzazione, eventualmente in pacchetti di uprates per aftermarket.

Un importante problema tecnico consiste quindi, in buona sostanza, nell'individuare soluzioni che permettano il raggiungimento della massima soddisfazione del cliente per i tre aspetti sopra elencati, il tutto con delle realizzazioni innovative economicamente accettabili.

Per meglio comprendere i problemi tecnici coinvolti nella presente invenzione si faccia, a questo punto, riferimento al seguente stato della tecnica.

Le soluzioni correntemente utilizzate per il raggiungimento dei tre scopi sopra riportati (maggiore efficienza, maggiore durata della macchina e minori emissioni inquinanti-) non risultano in generale cumulate in un unico prodotto, ma sono invece implementate in gamme di componenti alternativi.

Per l'incremento della durata e quindi degli intervalli ispettivi delle camere di combustione, si fa ricorso a riporti di materiali, quali la stellite 6, su elementi che possono esibire usure per moto relativo vibrazionale , superlighe a base nichel/cobalto con elevate caratteristiche meccaniche e di resistenza alla corrosione ad alte temperature, riporti di -tipo ceramico per la riduzione delle temperature metallo (a parità di flussi di raffreddamento), ottimizzazione del disegno dei componenti in base al bagaglio di esperienze accumulato.

Una precedente soluzione di sei camere di combustione disposte in due file di tre camere di combustione parallele impilate ai due lati della macchina, con -disposizione ortogonale all'asse macchina previa interposizione di gomiti a 90° di collegamento tra liners e transition pieces, è stata quindi sostituita con una disposizione caratterizzata da camere inclinate di soli pochi gradi rispetto all'asse macchina ed inserimento dei liners direttamente nei transition piece, senza quindi la necessità di ulteriori elementi di collegamento.

Particolari problemi della tecnica nota si evidenziano anche prendendo in considerazione le operazioni di montaggio e di smontaggio dei vari componenti.

Nel caso convenzionale, la procedura seguita è quella di aprire i coperchi delle camere comprensivi di bruciatori, sfilare uno dei liners delle camere collegate alle adiacenti con un solo tubo passafiamma, sfilare quindi il passafiamma interno dal condotto flangiato collegante i due cases delle camere suddette, ritrovandosi quindi con il case della camera suddetta svuotata del suo liner e la camera successiva anch'essa vincolata, a questo punto, solo dal tubo passafiamma di collegamento con la camera successiva.

La procedura procede iterativamente sfilando tutti i liners ed i corrispettivi crossfires.

Essendo a tal punto asportati i crossfires, i condotti flangiati esterni agli stessi risultano liberi di essere divincolati, 'consentendo quindi anche l'asportazione dei singoli cases.

Si nota, tuttavia, la complessità e la macchinosità di tale successione di operazioni di smontaggio.

In particolare, la disposizione delle camere di combustione nell'interspazio compreso tra la flangiatura alla cassa turbine .ed il condotto di adduzione aria all'aspirazione' del compressore (ulteriormente limitato nella zona inferiore dalla presenza della forcella di supporto anteriore della macchina), comporta l'impossibilità di montaggio e smontaggio delle camere di combustione secondo il metodo correntemente impiegato per tutte le applicazioni multi canned.

Scopo della presente invenzione è, di conseguenza, quello di realizzare un dispositivo passafiamma per camere di combustione di turbine a gas non anulari che configuri un sistema di combustione innovativo, sia dal punto di vista dell'arrangiamento globale, sia dal punto di vista dei suoi elementi costitutivi.

Un altro scopo dell'invenzione è quello di realizzare un dispositivo passafiamma per camere di combustione di turbine a gas non anulari, particolarmente studiato per l'aftermarket, che risulti pertanto di facile montabilità e smontabilità.

Un altro scopo dell'invenzione è quello di realizzare -un dispositivo passafiamma per camere di combustione di turbine a gas non anulari, che presenti elevata efficienza ed affidabilità meccanica.

Questi ed altri scopi sono raggiunti da un dispositivo passafiamma per camere di combustione di turbine,a gas non anulari, del tipo comprendente un corpo tubolare, dotato di una pluralità di fori di raffreddamento, per il raffreddamento di tipo "swirl cooling", dove il suddetto corpo tubolare è inserito in un condotto flangiato che collega i cases di due successive camere di combustione, caratterizzato dal fatto di presentare una prima estremità, avente forma cilindrica, ed una seconda estremità, avente forma ovale, dove la suddetta seconda estremità ovale è dotata di tre anelli per l'ancoraggio al case della relativa camera di combustione.

Secondo una realizzazione preferita della presente invenzione, in corrispondenza della suddetta prima estremità cilindrica del suddetto corpo tubolare è applicabile un collare cilindrico ed in corrispondenza della suddetta seconda estremità ovale del suddetto corpo tubolare è applicabile un collare ovale.

Secondo un'altra realizzazione preferita della presente invenzione, i case appartenenti ad ogni camera di combustione presentano ciascuno un foro circolare, per l'accoppiamento con l'estremità cilindrica del suddetto tubo passafiamma, che avviene tramite interposizione del suddetto collare cilindrico, e i case di ogni camera di combustione presentano un foro ovale, per l'accoppiamento con l'estremità ovale del suddetto tubo passafiamma, accoppiamento che avviene tramite interposizione del suddetto collare ovale.

Secondo ancora un'altra realizzazione preferita della presente invenzione i tre anelli, presenti in corrispondenza della suddetta seconda estremità ovale permettono l'ancoraggio al case della relativa camera di combustione, mediante impiego di una apposita forchetta.

Secondo un'ulteriore realizzazione preferita della presente invenzione, sulle estremità del suddetto tubo passafiamma viene realizzato un riporto antiusura in stellite 6 o altro materiale duro a coprire la superficie di contatto nell'interfaccia con i suddetti collari dei liners.

Inoltre, il tubo passafiamma può essere traslato per la quasi completa lunghezza all'interno di un corpo liner, rendendo quindi immediatamente svincolate le flangiature di collegamento tra i vari cases delle camere di combustione.

Ulteriori caratteristiche dell'invenzione sono definite nelle rivendicazioni allegate alla presente domanda di brevetto.

Gli ulteriori scopi e vantaggi della presente invenzione, nonché le sue caratteristiche strutturali e funzionali, risulteranno chiari dall'esame della descrizione che segue e dei disegni ad essa allegati, che sono forniti a puro titolo di esempio esplicativo e non limitativo, e nei quali:

la figura 1 rappresenta, in vista laterale, un tubo passafiamma per camere di combustione di turbine a gas non anulari, secondo la presente invenzione;

la figura 2 rappresenta una vista, in pianta, del tubo passafiamma di figura 1;

la figura 3 rappresenta una vista, in pianta, di un collare ovale da applicarsi al tubo passafiamma di figura 1;

la figura A rappresenta una vista, in sezione secondo il piano IV-IV, del collare ovale di figura 3;

la figura 5 rappresenta una vista, in pianta, di un collare cilindrico da applicarsi al tubo passafiamma di figura 1;

la figura 6 rappresenta una vista, in sezione secondo il piano VI-VI, del collare cilindrico di figura 5;

la figura 7 rappresenta una vista, in pianta, di alcune camere di combustione appartenenti a una turbina a gas non anulare e connesse dal dispositivo passafiamma dell'invenzione;

la figura 8 rappresenta lo sviluppo del liner di una delle camere di combustione della figura 7; la figura 9 rappresenta una delle camere di combustione della figura 7, in sezione; e

la figura 10 rappresenta, infine, una vista, parzialmente in sezione secondo il piano X-X, del dispositivo passafiamma per camere di combustione di turbine a gas non anulari, secondo la presente invenzione.

Con particolare riferimento alle figure menzionate, il dispositivo passafiamma per camere di combustione di turbine a gas non anulari, secondo la presente invenzione, è indicato globalmente con il riferimento numerico 10.

Il dispositivo passafiamma 10 è costituito da un corpo tubolare 11, dotato di una pluralità di fori di raffreddamento 12, per il raffreddamento di tipo "swirl cooling".

Il tubo passafiamma 10 presenta una prima estremità 13, avente forma cilindrica, ed una seconda estremità 14, avente forma ovale.

In.corrispondenza di tale prima estremità 13, è applicabile un collare cilindrico 15, rappresentato nelle figure 3-4, mentre in corrispondenza della suddetta seconda estremità 14 è applicabile un collare ovale 16, rappresentato nelle figure 5-6.

In figura 7 sono visibili alcune camere di combustione 17, 18, e 19, appartenenti ad una turbina a gas non anulare, ciascuna delle quali è connessa alla successiva da uno dei dispositivi passafiamma 10 dell ' invenzione.

Il dispositivo 10 rispetta pertanto i vincoli di integrazione con gli altri elementi del sistema di combustione.

Il tubo passafiamma 10 può essere traslato per la propria quasi completa lunghezza all'interno di un corpo liner, rendendo quindi immediatamente svincolate le flangiature di collegamento 22 tra i differenti cases 31, 32 relativi alle camere di combustione 17, 18, e 19.

In figura 8 è rappresentato lo sviluppo del liner 28 di una delle camere di combustione della figura 7, quest'ultima essendo indicata con il riferimento numerico 17.

Tale liner 28 presenta un foro circolare 20, per l'accoppiamento con l'estremità cilindrica 13 del tubo passafiamma 10, tramite interposizione del collare cilindrico 15.

Analogamente, il case 31 presenta un foro ovale 21, per l'accoppiamento con l'estremità ellittica 14 del tubo passafiamma 10, tramite interposizione del collare ovale 16.

La particolare conformazione del corpo del tubo passafiamma 11 è tale che, coadiuvata da riporti superficiali duri antiusura, permette una drastica riduzione dei moti relativi causa di usura nei corrispondenti collari 15, 16 di ancoraggio facenti parte dei liners 28, 29.

Chiaramente anche tali collari 15, 16 sono stati disegnati con geometrie complementari.

Il dispositivo passafiamma 10 è quindi costituito da un tubo metallico 11, opportunamente forato per ottenere il corretto raffreddamento di tipo swirl cooling, e presenta una estremità ovale 14.

L'estremità ovale 14 del tubo passafiamma 11 è dotata di tre anelli, rispettivamente indicati con 23, 24 e 25, per l'ancoraggio al case 31 della relativa camera di combustione 17.

Il dispositivo passafiamma 10 presenta anche un'estremità libera 13, di forma cilindrica.

L'ancoraggio del dispositivo passafiamma 10 al case 31 della relativa camera di combustione 17 avviene mediante impiego di una apposita forchetta 26, come illustrato in figura 10.

Inoltre, in- configurazione montata, il tubo passafiamma 11 si trova all'interno del condotto flangiato 27.

Su ambedue le estremità 13, 14 del tubo passafiamma viene realizzato un riporto antiusura in stellite 6 o in altro materiale duro a coprire la superficie di contatto nell'interfaccia con i collari 15 e 16 dei liners 28, 29, anch'essi dotati di tale riporto.

I tre anelli 23, 24, e 25 sull'estremità ovale 14 del tubo passafiamma llpermettono l'ancoraggio con un solo dispositivo a forchetta 26 dell'intero tubo passafiamma 11, evitando l'utilizzo dei due dispositivi a forchetta, necessari nelle realizzazioni convenzionali.

La sezione ovale permette di evitare che, per effetti vibratori combinati alla tendenza alla rotazione indotta dallo swirl cooling, si inneschi uno spin del tubo passafiamma 11 nei collari 15, 16 con conseguenti usure, così come da riscontro effettuato su macchine in revisione.

Una volta inserito in macchina, il suddetto tubo passafiamma 11 risulta quindi collegante un collare ovale 16 di un liner 28 con un colare cilindrico 15 del liner 29 contiguo (ogni liner 28, 29 possiede quindi un collare cilindrico ed uno ovale di-tipo splash-cooled), mentre risulta vincolato con forchetta di ritenzione 26 solo dal lato dell'estremità ovale 14.

Tale forchetta di ritenzione 26 risulta sfilabile solo in direzione del coperchio 30, coperchio 30 che, in condizioni operative, la chiude a battuta.

Per lo smontaggio della camera di combustione è quindi chiaro che una volta rimosso il coperchio di una delle camere (quelle più in alto, ad esempio il coperchio 30, in figura 10), rimuovendo la forchetta 26 si fa scorrere il tubo passafiamma 11 nell'interno del liner 29 della camera inferiore 18 fino a che vada in battuta con gli anelli 23, 24 e- 25 sul collare cilindrico 15.

Ciò consente di liberare completamente la flangiatura dei cases esterni, i quali quindi possono essere rimossi agevolmente.

Il dispositivo passafiamma 10, secondo la presente invenzione, risulta quindi essere complessivamente costituto da:

un tubo passafiamma 11 con una estremità cilindrica 13 ed una ellittica 14, dotata di tre anelli 23, 24 e 25, con riporto antiusura sia sulle superfici di appoggio ai collari 15, 16, sia su quelle degli anelli 23, 24 e 25;

una coppia di collari 15, 16 di cui uno cilindrico ed uno ovale, complementari alle geometrie del tubo passafiamma 11 e dotati di riporto antiusura;

una forchetta di ritenzione 26 con geometria idonea all'ancoraggio con i suddetti tre anelli 23, 24 e 25.

Dalla descrizione effettuata risultano chiare le caratteristiche del dispositivo passafiamma per camere di combustione di turbine a gas non anulari, che è oggetto della presente invenzione, così come chiari ne risultano i vantaggi.

Si vogliono qui esporre le seguenti considerazioni ed osservazioni conclusive, in modo tale da definire con maggiore precisione e chiarezza i suddetti vantaggi.

In primo luogo, nel caso della macchina con i dispositivi della tecnica nota, non vi è la possibilità di estrarre in tempi successivi liners ed i rispettivi cases.

Si è quindi concepito un tubo passafiamma di nuova concezione, che sia estraibile semplicemente smontando i coperchi.

Con riferimento alla semplificazione delle procedure di montaggio e smontaggio, si è poi voluto soddisfare alle esigenze di capitolato del progetto complessivo, e cioè dare al componente progettato caratteristiche di longevità ed efficacia funzionale nettamente superiori ai componenti attualmente noti nella tecnica.

In tale realizzazione inventiva sono quindi state implementate tutte le soluzioni attualmente relative all'attuale stato della tecnica per i tre obiettivi sopra esposti, (maggiore efficienza, maggiore durata della macchina e minori emissioni inquinanti) in modo da ottenere un dispositivo unitario che riassuma in sé i vantaggi in tal modo cumulati.

Essendo tale applicazione studiata per l'aftermarket, e quindi con vincoli di geometrie e parametri funzionali prefediniti, lo studio degli elementi costitutivi e della loro integrazione nel sistema ha portato allo sviluppo di dettagli innovativi per concezione e funzionalità.

In definitiva, si è realizzato un dispositivo passafiamma che consente di ottenere gli importanti vantaggi di facile montabilità e smontabilità, nonché una migliorata efficienza ed affidabilità meccanica della macchina.

E' chiaro che numerose varianti possono essere apportate al dispositivo passafiamma per camere di combustione di turbine a gas non anulari, oggetto della presente invenzione, senza per questo uscire dai princìpi di novità ìnsiti nell'idea inventiva illustrata .

E' chiaro infine che, nella pratica attuazione dell'invenzione, i materiali, le forme e le dimensioni dei dettagli illustrati potranno essere qualsiasi, a seconda delle esigenze, e gli stessi potranno essere sostituiti con altri equivalenti dal punto di vista tecnico.

L'ambito dell'invenzione è definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo passafiamma (10) per camere di combustione di turbine a gas non anulari, del tipo comprendente un corpo tubolare (11), dotato di una pluralità di fori di raffreddamento (12), per il raffreddamento di tipo "swirl cooling", dove il suddetto corpo tubolare (11) è inserito in un condotto flangiato (27) che collega i cases (31, 32) di due successive camere di combustione (17, 18), caratterizzato dal fatto di presentare una prima estremità (13), avente forma cilindrica, ed una seconda estremità (14), avente forma ovale, dove la suddetta seconda estremità ovale (14) è dotata di tre anelli, (23, 24, 25), per l'ancoraggio al case (31) della relativa camera di combustione (17).
2. 2. Dispositivo passafiamma (10), come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che in corrispondenza della suddetta prima estremità cilindrica (13) del suddetto corpo tubolare (11) è applicabile un collare cilindrico (15).
3. 3. Dispositivo passafiamma (10), come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che in corrispondenza della suddetta seconda estremità ovale (14) del suddetto corpo tubolare (11) è applicabile un collare ovale (16).
4. 4. Dispositivo passafiamma (10), come alla rivendicazione 1 e 2, caratterizzato dal fatto che i case (31, 32) appartenenti ad ogni camera di combustione (17, 18, 19) presentano ciascuno un foro circolare (20), per l'accoppiamento con l'estremità cilindrica (13) del suddetto tubo passafiamma (10), che avviene tramite interposizione del suddetto collare cilindrico (15).
5. 5. Dispositivo passafiamma (10), come alla rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che i case appartenenti ad ogni camera di combustione (17, 18, 19) presentano un foro ovale (21), per l'accoppiamento con la suddetta estremità ovale (14) del suddetto tubo passafiamma (10), che avviene tramite interposizione del suddetto collare ovale (16).
6. 6. Dispositivo passafiamma (10), come alle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che i suddetti tre anelli (23, 24, 25), presenti in corrispondenza della suddetta estremità ovale (14) permettono l'ancoraggio al case (31) della relativa camera di combustione (17), mediante impiego di una apposita forchetta (26).
7. 7. Dispositivo passafiamma (10), come alle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che su ambedue le estremità (13, 14} del suddetto tubo passafiamma (11) viene realizzato un riporto antiusura in stellìte 6 o altro materiale duro a coprire la superficie di contatto nell'interfaccia con i suddetti collari (15, 16) dei liners (28, 29).
8. 8. Dispositivo (10), come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i suddetti collari (15, 16) dei liners (28, 29), sono dotati di riporto antiusura.
9. 9.· Dispositivo passafiamma (10), come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di poter essere traslato per la quasi completa lunghezza all'interno di un corpo liner (28, 29), rendendo quindi immediatamente svincolate le flangiature di collegamento (22) tra i vari cases (31, -32) delle camere di combustione (17, 18, 19).
10. 10. Dispositivo passafiamma per camere di combustione di turbine a gas non anulari, il tutto come sostanzialmente descritto ed illustrato nei disegni allegati.