ITMI20012780A1 - Dispositivo di iniezione principale di combustibile liquido per camera di combustione singola dotata di camera di pre-miscelamento di una tu - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE dell'invenzione indust
La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo di iniezione principale di combustibile liquido per camera di combustione singola, dotata di camera di pre-miscelamento, di una turbina a gas a basse emissioni inquinanti.
Com'è noto, le turbine a gas sono macchine costituite da un compressore e da una turbina ad uno o più stadi, dove tali componenti sono tra loro collegati da un albero rotante e dove tra il compressore e la turbina è prevista almeno una camera di combustione. In particolare, qui ci si riferisce al caso in cui esiste una camera di combustione singola.
Al compressore viene alimentata aria dall'ambiente esterno per portarla in pressione.
L'aria in pressione passa attraverso una camera di pre-miscelamento, terminante con un ugello od una porzione convergente. In tale camera almeno un iniettore alimenta del combustibile che si miscela all'aria per formare una miscela aria e combustibile da bruciare.
All'interno della camera di’combustione viene pertanto immesso il combustibile necessario a produrre la combustione mediante una rete in pressione: tale combustione è finalizzata a provocare un aumento di temperatura e di entalpia del gas.
Per migliorare le caratteristiche di stabilità della fiamma è inoltre generalmente previsto un sistema di alimentazione parallelo di combustibile, atto a generare fiamme pilota.
Infine, il gas ad. alta temperatura ed alta pressione raggiunge, attraverso opportuni condotti, i diversi stadi della turbina, la quale trasforma l'entalpia del gas in energia meccanica disponibile ad un utilizzatore.
Notoriamente, nel progetto di camere di combustione per turbine a gas prevalgono considerazioni di stabilità della fiamma e di controllo dell'eccesso di aria per portare la combustione in condizioni ideali.
Inoltre si tende ad operare, mediante la camera di pre-miscelamento , un mescolamento di aria e combustibile per realizzare una combustione con ridotte emissioni essenzialmente di ossidi di azoto e di monossido di carbonio. Questo viene ottenuto ottimizzando il fattore di eccesso d'aria di combustione.
Più specificatamente, la tecnica nota prevede una camera di pre-miscelamento immediatamente a monte della camera di combustione.
La camera di pre-miscelamento, unitamente alla camera di combustione, è avvolta da una intercapedine di aria in pressione circolante in controcorrente al flusso dei prodotti della combustione fuoriuscenti da tale camera di combustione.
La suddetta aria (proveniente dalla mandata del compressore assiale) viene impiegata come aria di combustione da miscelare al combustibile nella camera di pre-miscelamento e come aria di raffreddamento sia della camera di combustione che dei prodotti della combustione .
Al fine di avere basse emissioni inquinanti, soprattutto di ossidi di azoto, a tutti i livelli di carico della turbina, nell'assieme appena descritto il passaggio dell'aria di combustione dall'intercapedine alla camera di pre-miscelamento, attraverso finestre presenti sulla superficie esterna di quest'ultima, può essere parzializzato.
La parzializzazione avviene in funzione della quantità di combustibile utilizzato, in modo da mantenere sempre costante al valore ottimale il rapporto tra aria di combustione e'combustibile.
Per evitare qualsiasi spegnimento ed instabilità della fiamma, viene prevista una serie di bruciatori ad assi convergenti disposti circonferenzialmente attorno all'uscita della camera di pre-miscelamento, in modo da creare nella zona di combustione una corrispondente serie di fiamme addizionali.
Questi bruciatori vengono alimentati autonomamente con combustibile addizionale nonché con aria ad alta pressione derivata per successiva compressione dall'aria erogata dal compressore della turbina; tale aria viene inviata ai bruciatori attraverso palette svergolate per imprimere all'aria un moto sostanzialmente elicoidale.
In tal modo, infatti, con le fiamme addizionali dei bruciatori, che sono sostanzialmente fiamme pilota, non solo si stabilizza la fiamma principale centrale di combustione, precludendo qualsiasi spegnimento, ma, conoscendo così con precisione le quantità di combustibile e d'aria utilizzate autonomamente dai bruciatori, è possibile regolare il tutto per ottenere una accensione ottimale e controllata.
D'altra parte, la quantità richiesta di combustibile addizionale per la fiamma dei bruciatori è ora estremamente ridotta, e viene inoltre tutta bruciata in condizioni ottimali per cui le emissioni inquinanti di ossidi di azoto risultano drasticamente ridotte .
Per ridurre le emissioni inquinanti è comunque di fondamentale importanza che gli iniettori o il dispositivo di iniezione principale di combustibile liquido provveda ad una buona distribuzione della miscela aria e combustibile nella camera di premiscelamento .
Inoltre occorre che i canali di adduzione del combustibile si mantengano liberi, internamente ed esternamente, da depositi carboniosi che si formano per effetto della elevata temperatura delle pareti dei canali stessi.
Pertanto occorre raffreddare la temperatura delle pareti dei canali di adduzione del liquido, limitando la temperatura degli stessi ad una valore massimo: ad esempio General Electric generalmente prescrive che non si devono superare 120 °C.
Per questo l'iniettore del combustibile liquido è munito di passaggi interni per l'aria di raffreddamento che circondano tutti i canali di adduzione del combustibile liquido stesso. Quest'aria è poi iniettata in diversi punti del canale di premiscelamento aria e combustibile. -Scopo della presente invenzione è quindi quello di ovviare agli inconvenienti in precedenza menzionati ed in particolare quello di realizzare un dispositivo di .iniezione principale di combustibile liquido per camera di combustione singola, dotata di camera di pre-miscelamento, di una turbina a gas, che garantisca basse emissioni inquinanti.
Un altro scopo della presente invenzione è quello di realizzare un dispositivo di iniezione principale di combustibile liquido per camera di combustione singola, dotata di camera di premiscelamento, di una turbina a gas a basse emissioni inquinanti che consenta anche una buona stabilità di fiamma e ridotte oscillazioni di pressione in camera di combustione.
Un altro scopo ancora della presente invenzione è quello di realizzare un dispositivo di iniezione principale di combustibile liquido per camera di combustione singola, dotata di camera di premiscelamento, di una turbina a gas a basse emissioni inquinanti che garantisca un'alta efficienza della combustione .
Un ulteriore scopo della presente invenzione è quello di realizzare un dispositivo di iniezione principale di combustibile liquitio per camera di combustione singola, dotata di camera di premiscelamento, di una turbina a gas a basse emissioni inquinanti che consenta di incrementare la vita media dei componenti. soggetti ad alte temperature, riducendo la possibilità di formazione di depositi carboniosi .
Un ulteriore scopo ancora della presente invenzione è quello di realizzare un dispositivo di iniezione principale di combustibile liquido per camera di combustione singola, dotata di camera di pre-miscelamento, di una turbina a gas a basse emissioni inquinanti particolarmente affidabile, semplice, funzionale ed a costi di realizzazione e manutenzione relativamente contenuti.
Questi ed altri scopi secondo la presente invenzione sono raggiunti realizzando un dispositivo di iniezione principale di combustibile liquido per camera di combustione singola, dotata di camera di pre-miscelamento, di una turbina a gas a basse emissioni inquinanti come esposto nella rivendicazione 1.
Ulteriori caratteristiche sono previste nelle rivendicazioni successive.
Vantaggiosamente il dispositivo di iniezione principale di combustibile liquido per camera di combustione singola, dotata di camera di premiscelamento, di una turbina a gas a basse emissioni inquinanti inietta ed atomizza il combustibile liquido da miscelare con l'aria creando una buona distribuzione di miscela aria e carburante prima dell'ingresso nella camera di combustione.
Inoltre, il dispositivo di iniezione principale di combustibile liquido per camera di combustione singola, dotata di camera dì pre-miscelamento, di una turbina a gas a basse emissioni inquinanti, realizza anche 1'auto-raffreddamento delle pareti soggette a temperature elevate e permette anche di proteggere le superfici esterne ed i canali di iniezione del combustibile del dispositivo contro i danni derivanti dal deposito di residui carboniosi.
Le caratteristiche ed i vantaggi di un dispositivo di iniezione principale di combustibile liquido per camera di combustione singola, dotata di camera di pre-miscelamento, di una turbina a gas a basse emissioni inquinanti secondo la presente invenzione risulteranno maggiormente chiari ed evidenti dalla descrizione seguente, esemplificativa e non limitativa, riferita ai disegni schematici allegati nei quali:
la figura 1 è una sezione longitudinale di una camera di combustione singola, dotata di una camera di pre-miscelamento, di una turbina a gas a basse emissioni inquinanti, in cui è visibile la posizione del dispositivo di iniezione principale di combustibile liquido secondo la presente invenzione;
la figura 2 mostra una vista longitudinale, parzialmente sezionata, del dispositivo di iniezione principale di figura 1;
la figura 3 è una vista in pianta del dispositivo di iniezione principale di figura 2;
la figura 4 mostra una sezione di un particolare della figura 2, presa secondo il piano di traccia IV - IV della figura 4 stessa;
la figura 5 è una vista assonometrica ingrandita di un particolare della figura 2, ove viene mostrata una pala per iniezione di combustibile liquido e di aria di raffreddamento.
Con riferimento alla figura 1, viene mostrata una camera di combustione singola, complessivamente indicata con 10, di una turbina a gas a basse emissioni inquinanti, dotata di una camera di premiscelamento 12.
La camera di pre-miscelamento 12 presenta anche un dispositivo di iniezione principale 20 di combustibile liquido secondo la presente invenzione, meglio evidenziato nelle figure 2, 3, 4 e 5.
Il dispositivo di iniezione principale 20 comprende una struttura allungata a simmetria assiale, che si restringe nella direzione verso la zona di combustione all'interno della camera di premiscelamento 12.
Più precisamente, il dispositivo 20 ha un basamento 22, generalmente circolare, fissato sull'asse della camera di pre-miscelamento 12, ad esempio per bullonatura tramite una serie circonferenziale di fori 24.
Montato a monte del basamento 22 si trova una parte cilindrica 40 in cui trovano alloggiamento una presa 38 per l'ingresso di aria di raffreddamento, una presa 39 per l'ingresso di combustibile liquido ed ingressi 37 per il fissaggio di termocoppie di flashback ovvero di sicurezza per evidenziare ritorni di fiamma sul dispositivo di iniezione 20 stesso.
A partire dal basamento 22, il dispositivo di iniezione 20 si restringe, attraverso un raccordo 26 ad ampio raggio, in una porzione sostanzialmente cilindrica 28.
Dopo tale struttura cilindrica 28, il dispositivo 20 si restringe ancora fino ad arrivare ad una estremità arrotondata 30; che indicheremo anche con il termine di "naso".
In corrispondenza dell'apice del naso 30 l'iniettore presenta un foro per l'ingresso nella camera di pre-miscelamento 12 di parte dell'aria di raffreddamento. L'aria di raffreddamento serve a raffreddare canali per il passaggio di combustibile liquido evitando così la possibilità di formazione di residui carboniosi.
Attorno alla porzione cilindrica 28, è prevista una serie di pale 32, disposte radialmente rispetto all'asse del dispositivo 20, equidistanti le une rispetto alle altre e ad esempio in numero di otto.
Le pale 32 presentano un profilo alare neutro e si sviluppano lungo la direzione assiale. Ciascuna pala 32 presenta, su almeno una superficie laterale almeno un canale di iniezione 42 per il combustibile liquido ed almeno un punto di iniezione 43 di aria di raffreddamento.
Sul dispositivo 20 sono previste due termocoppie di flashback. Tali termocoppie vengono facilmente installate nella corretta posizione grazie alla guide 36, mostrate nella figura 4, che iniziano nell'ingresso 37 e terminano in prossimità del naso 30.
Secondo una realizzazione preferita, tali termocoppie sono previste sia in corrispondenza dell'estremità arrotondata 30, che sulle pareti della camera 12.
In una realizzazione esemplificativa e non limitativa, sono presenti due termocoppie sull'estremità arrotondata 30 e quattro sulle pareti della camera 12.
Il funzionamento del dispositivo di iniezione principale 20 di combustibile liquido per camera di combustione singola 10, dotata di camera di premiscelamento 12, di una turbina a gas a basse emissioni inquinanti secondo l'invenzione è chiaro da quanto sopra descritto con riferimento alle figure, ed in breve è il seguente.
Il combustibile liquido viene iniettato attraverso le pale 32 tangenzialmente, ovvero in direzione perpendicolare rispetto al flusso di aria che attraversa le pale 32.
Tali pale 32 si trovano nel condotto principale della camera di pre-miscelamento 12, ove perviene aria preriscaldata in seguito alla compressione operata dal compressore della turbina.
Viene così realizzata, prima dell'ingresso nella zona di combustione, una miscelazione ottimamente distribuita tra combustibile liquido e aria.
Contemporaneamente viene iniettata nella camera di pre-miscelamento 12, sia in corrispondenza di ciascuna pala 32 che all'apice del naso 30, l'aria di raffreddamento che serve a mantenere bassa la temperatura dei canali 42 di adduzione del combustibile liquido e quindi evita la formazione dei residui carboniosi.
L'aria di raffreddamento viene approvvigionata, all'ingresso della presa 38, a pressione e temperatura stabilite.
Le termocoppie, a cominciare da quelle poste sull'estremità arrotondata 30, servono a rilevare pericolosi ritorni di fiamma (flashback), ed in tali casi danno informazioni, tramite trasduttori, all'unità di controllo della turbina.
Viene qui evidenziato il fatto che nelle camere di combustione usate nella tecnica nota, per realizzare una distribuzione di miscelazione tra combustibile liquido e aria comparabile a quella ottenuta con il dispositivo di iniezione principale della presente invenzione, si ricorre a camere di combustione multiple o di forma anulare con più punti di iniezione, e non ad una camera di combustione singola come nel caso oggetto della presente domanda di brevetto.
Si sottolinea poi che per una camera di combustione singola la buona distribuzione di miscelazione tra combustibile liquido ed aria assume una importanza ancora più critica che nel caso di camere di combustione multiple o a forma anulare, e che il dispositivo di iniezione principale di combustibile liquido per camera di combustione singola, dotata di camera di pre-miscelamento, di una turbina a gas a basse emissioni inquinanti secondo l'invenzione permette di garantire la distribuzione di miscelazione richiesta.
Dalla descrizione effettuata sono chiare le caratteristiche del dispositivo di iniezione principale di combustibile liquido per camera di combustione singola, dotata di camera di premiscelamento, di una turbina a gas a basse emissioni inquinanti oggetto della presente invenzione, così come sono chiari i relativi vantaggi, fra i quali ricordiamo:
- ridotte oscillazioni di pressione in camera di combustione e buona stabilità di fiamma;
- elevata efficienza di combustione;
- incremento della vita media dei componenti soggetti ad alte temperature;
- utilizzazione semplice ed affidabile;
- protezione contro i danni derivanti dal deposito di residui carboniosi, prodotti in fase di combustione;
- riduzione costi, installazione e manutenzione semplificata rispetto ad una soluzione di una camera di combustione multipla o anulare, utilizzata nella tecnica nota per avere una distribuzione di miscelazione tra combustibile ed aria confrontabile a quella ottenuta realizzando un dispositivo secondo 1'invenzione.
Il dispositivo di iniezione principale di combustibile liquido per camera di combustione singola, dotata di camera di pre-miscelamento, di una turbina a gas a basse emissioni inquinanti, secondo la presente invenzione, ha fornito ottimi risultati alle prove di laboratorio, fornendo ottime distribuzioni di miscelazione aria e combustibile dopo il dispositivo, anche variando leggermente la posizione del dispositivo lungo l'asse.
Inoltre, dopo parecchie ore di funzionamento a pieno carico della turbina a gas, si è riscontrata l'assenza di depositi carboniosi sulle pale e tutti i canali di iniezione sono risultati aperti e puliti. È chiaro infine che il dispositivo di iniezione principale di combustibile liquido per camera di combustione singola, dotata di camera di premiscelamento, di una turbina a gas a basse emissioni inquinanti così concepito è suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell'invenzione.
Inoltre tutti i dettagli sono sostituibili da elementi tecnicamente equivalenti. In pratica i materiali utilizzati, nonché le forme e le dimensioni, potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze tecniche.
L'ambito di tutela dell'invenzione è pertanto delimitato dalle rivendicazioni allegate.
Ing. Barzanò & Zanardo Milano S.p.A.
Claims (15)
- RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo di iniezione principale (20) di combustibile liquido per camera di combustione singola (10), dotata di camera di pre-miscelamento (12), di una turbina a gas a basse emissioni inquinanti, comprendente una serie di canali di iniezione (42) per detto combustibile liquido distribuiti all'interno di detta camera di premiscelamento (12), caratterizzato dal fatto di prevedere una serie di pale (32) che si estendono radialmente rispetto all'asse di simmetria di detta camera di combustione (10), ciascuna delle quali è dotata di almeno uno di detti canali di iniezione (42).
- 2. Dispositivo di iniezione principale (20) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere una struttura allungata a simmetria assiale, che si restringe nella direzione verso la zona di combustione all'interno di detta camera di combustione (10).
- 3. Dispositivo di iniezione principale (20) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di prevedere un basamento (22) fissato sull'asse di detta camera di pre-miscelamento (12).
- 4. Dispositivo di iniezione principale (20) secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detto basamento (22) è circola-re e viene fissato per bullonatura tramite una serie circonferenziale di fori (24).
- 5. Dispositivo di iniezione principale (20) secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che, a partire da detto basamento (22), esso si restringe, attraverso un raccordo (26), in una porzione sostanzialmente cilindrica (28).
- 6. Dispositivo di iniezione principale (20) secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che, dopo detta struttura cilindrica (28), il dispositivo (20) si restringe ancora fino ad arrivare ad una estremità arrotondata (30).
- 7. Dispositivo di iniezione principale (20) secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che, attorno a detta porzione cilindrica (28), viene prevista detta serie di pale (32).
- 8. Dispositivo di iniezione principale (20) secondo la rivendicazione 1 o 7, caratterizzato dal fatto che dette pale (32) presentano un profilo alare neutro e si sviluppano lungo la direzione assiale, ciascuna pala 32 presentando, su almeno una superficie laterale, almeno un canale di iniezione (42) per il combustibile liquido ed almeno un punto di iniezione (43) per aria di raffreddamento.
- 9. Dispositivo di iniezione principale (20) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che sono previste termocoppie di sicurezza per evidenziare eventuali ritorni di fiamma sul dispositivo di iniezione (20) stesso.
- 10. Dispositivo di iniezione principale (20) secondo la rivendicazione 6 e 9, caratterizzato dal fatto che dette termocoppie sono previste in corrispondenza di detta estremità arrotondata (30).
- 11. Dispositivo di iniezione principale (20) secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che, sulla sommità di detta estremità arrotondata (30) viene previsto un foro di uscita per aria di raffreddamento.
- 12. Dispositivo di iniezione principale (20) secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che dette termocoppie sono inserite in guide (36) che presentano linea d'azione leggermente divergente rispetto all'asse del dispositivo (20).
- 13. Dispositivo di iniezione principale (20) secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che dette termocoppie danno informazioni, tramite trasduttori, ad una unità di controllo della turbina.
- 14. Dispositivo di iniezione principale (20) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che dette pale (32) sono disposte equidistanti e sono in numero di otto.
- 15. Dispositivo di iniezione principale (20) di combustibile liquido per camera di combustione singola (10), dotata di camera di pre-miscelamento (12), di una turbina a gas a basse emissioni inquinanti, come sostanzialmente descritto ed illustrato e per gli scopi specificati.
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