ITMI991980A1

ITMI991980A1 - Camera di premiscelamento per turbine a gas

Info

Publication number: ITMI991980A1
Application number: IT1999MI001980A
Authority: IT
Inventors: Anthony Dean; Luciano Mei; Alessio Miliani
Original assignee: Nuovo Pignone Spa
Priority date: 1999-09-23
Filing date: 1999-09-23
Publication date: 2001-03-23
Also published as: CA2320611A1; ITMI991980A0; DE60016345T2; JP4610708B2; ATE284006T1; DE60016345D1; EP1087178A1; KR20010050570A; EP1087178B1; IT1313547B1; RU2262638C2; JP2001116257A; KR100722533B1; US6363725B1; CA2320611C

Description

DESCRIZIONE del brevetto per invenzione industriale

La presente invenzione ha come oggetto una camera di premiscelamento per turbine a gas.

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 una camera di combustione.

Al compressore viene alimentata aria dall'ambiente esterno per portarla in pressione.

L'aria in pressione passa attraverso una serie di camere di premiscelamento, terminanti con un ugello od una porzione convergente, in ognuna delle quali viene alimentato del combustibile, che nel caso di combustibile gassoso, si miscela all'aria per formare una miscela aria - combustibile da bruciare.

All'interno della camera di combustione viene pertanto immesso, tramite uno o più bruciatori, alimentati da una rete in pressione, il combustibile necessario a produrre la combustione, la quale è finalizzata a provocare un aumento di temperatura e di entalpia del gas.

I gruppi bruciatori noti prevedono una struttura complessa, all'interno della quale è presente nel caso di combustibile gassoso, un elemento ad ogiva, a sua volta contenuto all'interno di un corpo terminante con una porzione convergente, che nel linguaggio tecnico corrente è denominato generalmente "shroud", e che è connesso ad un opportuno imbocco che ne consente l'aggancio alla camera di combustione.

Opportune turbolenze nel flusso di aria in pressione, proveniente dal compressore, vengono create a valle dell'elemento ad ogiva, associando ad ogni bruciatore un elemento, generalmente denominato nella tecnica "swirler", che intercetta il flusso di aria proveniente dal compressore e che è dotato di una conformazione complessa, costituita da due insiemi di palette, orientate in senso opposto, il tutto finalizzato a produrre tali turbolenze.

Le turbolenze così create consentono, tra l'altro, una opportuna miscelazione dell'aria stessa con il combustibile nella camera di combustione.

Per migliorare le caratteristiche di stabilità della fiamma è inoltre generalmente previsto, nel caso di utilizzo di combustibile gassoso, un sistema di alimentazione parallelo di combustibile, atto a generare fiamme pilota in prossimità dell'uscita del bruciatore .

Il complesso di tali elementi consente di creare una fiamma, avente conformazione sostanzialmente anulare, e posizionata all'interno della camera di combustione, in prossimità del duomo della stessa.

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.

Osservando più in dettaglio la zona in cui avviene la combustione si nota che, tipicamente, in posizione frontale rispetto alla camera di premiscelamento si viene a creare un equilibrio dinamico che consente di posizionare la fiamma ad opportuna distanza dalla porzione convergente della camera di premiscelamento.

Tale equilibrio dinamico dipende da vari parametri, tra i quali riveste particolare importanza il rapporto aria/combustibile caratteristico della miscela da bruciare.

Infatti, se la miscela è troppo ricca si ha una maggiore velocità di reazione, la quale tuttavia può causare un ritorno di fiamma che può provocare distruzione o danneggiamento degli organi della turbina a gas.

Inoltre, una miscela ricca causa un indesiderato aumento di sottoprodotti inquinanti della combustione, in particolare un aumento degli ossidi di azoto (NOJ .

Tuttavia, non è generalmente possibile aumentare il rapporto aria/combustibile al di sopra di una certa soglia perché, in tal modo, si diminuisce la velocità di reazione e la fiamma si allontana dal bruciatore, fino a provocare un indesiderato spegnimento della miscela.

Scopo della presente invenzione è, pertanto, quello di ovviare agli inconvenienti dell'arte nota, realizzando una camera di premiscelamento per turbine a gas, che consenta di ridurre drasticamente il combustibile addizionale richiesto, rendendo minime le emissioni inquinanti, e, al contempo, mantenga stabile nel tempo la fiamma principale.

Altro scopo della presente invenzione è quello di indicare una camera di premiscelamento per turbine a gas sicura ed affidabile, e progettata in modo tale da ottenere ulteriormente un sostanziale risparmio energetico rispetto all'arte nota.

Non ultimo scopo della presente invenzione è quello di indicare una camera di premiscelamento per turbine a gas che risulti di realizzazione relativamente semplice ed economica in virtù dei vantaggi conseguiti.

Tali scopi vengono conseguiti da una camera di premiscelamento per turbine a gas, dove la suddetta turbina a gas è del tipo comprendente almeno un compressore, connesso alla turbina, e comprendente una camera di combustione, dove la suddetta camera di premiscelamento presenta una porzione convergente, posizionata in modo tale da far avvenire la combustione all'interno della suddetta camera di combustione, e dove la suddetta camera di premiscelamento presenta una pluralità di condotti, dotati di fori che si aprono nella camera di combustione, ricavati su una porzione frontale della suddetta camera di premiscelamento, per generare una serie di fiamme pilota, regolate opportunamente al fine di stabilizzare una fiamma principale che si innesca all'interno di suddetta camera di combustione, caratterizzata dal fatto che un'area frontale della suddetta porzione convergente della camera di premiscelamento, presenta almeno una scanalatura circolare, ricavata in corrispondenza dei suddetti fori appartenenti ai suddetti condotti.

Secondo una realizzazione preferita della presente invenzione, la scanalatura circolare presenta una sezione sostanzialmente a V.

Secondo un'altra realizzazione preferita della presente invenzione, almeno una prima superficie appartenente alla porzione convergente prevede un rivestimento protettivo parziale, mentre una seconda superficie della porzione convergente, che interessa anche la scanalatura a V, è trattata mediante un rivestimento protettivo completo.

Secondo ancora un'altra realizzazione preferita della presente invenzione, i fori, appartenenti ai condotti, sono disposti equidistanziati in senso anulare rispetto ad una carcassa della camera di premiscelamento.

Secondo un'ulteriore realizzazione preferita della presente invenzione, la porzione convergente della camera di premiscelamento è connessa, in modo smontabile, alla carcassa della camera di premiscelamento stessa.

Ulteriori caratteristiche alternative e preferite sono riportate in rivendicazioni dipendenti, allegate alla presente domanda di brevetto, alle quali si rimanda per brevità.

Le caratteristiche ed i vantaggi della camera di premiscelamento per turbine a gas, secondo la presente invenzione, risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione seguente di una sua tipica realizzazione, esemplificativa ma non limitativa, riferita ai disegni schematici allegati nei quali:

la figura 1 mostra una vista, in alzata frontale, di un gruppo di premiscelamento comprendente una camera di premiscelamento secondo la presente invenzione;

la figura 2 mostra, in sezione, il gruppo di premiscelamento della figura 1;

la figura 3 mostra una vista laterale, parzialmente in sezione, della porzione convergente appartenente al gruppo di premiscelamento rappresentato in figura 1; e

la figura 4 mostra, in sezione, un particolare appartenente alla porzione convergente del gruppo di premiscelamento dell'invenzione.

Con particolare riferimento alle figure menzionate, è indicata globalmente con il riferimento numerico 10, la camera di premiscelamento della presente invenzione.

La camera di premiscelamento 10 è composta da una carcassa 11, la quale è a sua volta connessa ad una porzione convergente 12 che è rivolta verso la camera dì combustione {non rappresentata per semplicità) della turbina a gas.

La camera di premiscelamento 10 è sostenuta da un supporto a colonna 29, nel quale è inoltre presente un primo canale 22 per l'immissione di combustibile gassoso nella camera di premiscelamento 10.

Più in dettaglio, la porzione convergente 12 è connessa alla carcassa 11, mediante una flangia 13 che, da una parte abbraccia e trattiene in maniera inamovibile la porzione convergente 12 e che, dall'altra parte, è connessa in modo smontabile alla carcassa 11 della camera di premiscelamento 10, il tutto in modo da rendere solidali la porzione convergente 12 alla carcassa 11.

La flangia 13 è realizzata mediante un elemento a bussola in cui è inserita la porzione convergente 12, con le estremità dell'elemento a bussola connesse da una parte alla porzione convergente 12 e dall'altra alla carcassa il.

Una prima estremità dell'elemento a bussola della flangia 13 è provvista di un bordo 14, sporgente verso l'interno dello stesso elemento a bussola, in modo da individuare uno spailamento contro il quale va a battuta una porzione in risalto 15 della porzione convergente 12.

Inoltre, una seconda estremità dell'elemento a bussola porta un'estensione a piastra 16, che è sporgente verso l'esterno dell'elemento a bussola ed è posta a battuta contro una porzione frontale della carcassa 11.

Sopra l'elemento a bussola 13 sono ricavati tre fori passanti, allineati con altrettanti fori passanti ricavati sulla carcassa 11, in cui sono inserite delle viti 17, come elementi di bloccaggio filettati, in modo da realizzare una connessione smontabile tra la porzione convergente 12 e la carcassa 11 della camera di premiscelamento 10.

La porzione convergente 12 presenta anche una cavità anulare, sulla quale è sovrapposto l'elemento a bussola 13.

La cavità anulare, chiusa in tal modo dall'elemento a bussola 13, individua una camera di distribuzione 27 in comunicazione con un secondo canale 18, ricavato in un supporto a colonna 29 della camera di premiscelamento 10.

La camera di distribuzione 27 è anche in comunicazione con ulteriori condotti 19, realizzati all'interno del corpo stesso della porzione convergente 12.

I condotti 19 terminano con fori 20 disposti in modo da aprirsi nella camera di combustione su una porzione frontale del corpo della camera di premiscelamento 10.

Il canale 18 alimenta combustibile all'interno della camera di distribuzione 27, da qui il combustibile viene erogato attraverso i condotti 19 nella camera di combustione, in modo da alimentare una fiamma pilota che, di solito, assume una configurazione anulare e circonda una fiamma principale formata dalla combustione del combustibile.

Nella forma di realizzazione mostrata, esemplificativa e non limitativa, i condotti 19 sono in numero di otto, e sono realizzati all'interno del corpo della porzione convergente 12, lungo una circonferenza e su questa sono tra loro equidistanziati.

Sono tuttavia possibili altre configurazioni per i fori 20 ed i condotti 19, senza per questo uscire dall'ambito dell'invenzione.

La smontabilità della porzione convergente 12 permette, tra l'altro, di sostituire tale porzione convergente 12 con un'altra porzione convergente diversamente configurata.

Il canale 18 presenta due porzioni: una prima porzione è ricavata nel supporto a colonna 29, mentre, l'estremità opposta termina con un allargamento che va a costituire una sede in cui alloggiare un "elicoflex" di tenuta 21 tra la prima porzione del canale 18 ed una seconda porzione, ricavata sull'elemento a bussola 13.

Alla camera di premiscelamento 10 è anche associato un elemento o girante 23, generalmente denominato nella tecnica "swirler", che serve per intercettare il flusso di aria proveniente dal compressore e che è dotato di una conformazione complessa, costituita da due insiemi di palette, orientate in senso opposto, finalizzata a produrre un flusso turbolento dell'aria per consentire una opportuna miscelazione dell'aria stessa con il combustibile gassoso proveniente attraverso il canale 22.

La camera di premiscelamento 10 presenta, al suo interno, un primo tratto 24, sostanzialmente cilindrico, ed un secondo tratto convergente 25, in corrispondenza della porzione convergente 12.

Internamente alla camera di premiscelamento 10 è inoltre presente un'ogiva 26 fissata in corrispondenza dello swirler 23.

Osservando frontalmente la porzione convergente 12 della camera di premiscelamento 10, come nella vista di figura 1, si nota la presenza di una scanalatura circolare 28, ricavata in corrispondenza dei fori 20 dei condotti 19, ed avente una sezione sostanzialmente a V.

Un particolare di tale sezione a V della scanalatura 28 è meglio visibile in figura 4, dove è visibile anche uno dei condotti 19 ed il relativo foro 20.

Tuttavia, la scanalatura circolare 28 può anche avere forme differenti per la propria sezione, ad esempio, una sezione ad U, una sezione semicircolare o a C, ecc.

Più in particolare, la scanalatura 28 presenta una zona di connessione ai condotti 19, sostanzialmente inclinata, ovvero conformata a cono ed avente almeno un angolo al vertice T.

L'angolo al vertice T può variare entro un intervallo preferito, ma non limitativo, di valori e specificatamente compreso tra 115 gradi sessagesimali e 85 gradi sessagesimali.

In tale figura 4, si nota anche che una prima superficie 30 appartenente alla porzione convergente 12 prevede un rivestimento protettivo parziale, mentre una seconda superficie appartenente alla porzione convergente 12, che interessa anche la scanalatura 28, è trattata mediante un rivestimento protettivo completo 31.

Tali rivestimenti protettivi 30 e 31 sono costituiti da un materiale particolarmente duro con funzioni antiusura e antierosione a caldo.

Il funzionamento·della camera di premiscelamento 10 per turbine a gas, secondo la presente invenzione, viene ora illustrato in dettaglio.

La porzione convergente 12 della camera di premiscelamento 10 è posizionata in modo tale da far avvenire la combustione all'interno della camera di combustione (non rappresentata)..

La camera di premiscelamento 10, alimentata da una rete in pressione, riceve il combustibile gassoso necessario a produrre la combustione, la quale provoca un aumento di temperatura e di entalpia del gas.

Più in particolare, il combustibile che viene fatto passare attraverso il canale 22, fuoriesce attraverso opportuni fori (non rappresentati), e si miscela per formare una miscela aria - combustibile con l'aria in arrivo dal compressore e passante attraverso lo "swirler" 23.

Dalla camera di premiscelamento 10, la miscela aria - combustibile formatasi come descritto passa, attraverso la porzione convergente 12, nella camera di combustione posta a valle.

Attraverso il canale 18 viene alimentato altro combustibile gassoso, in modo da generare fiamme pilota che servono per stabilizzare la fiamma principale.

La fiamma viene così generata all'interno della camera di combustione e, preferibilmente, viene mantenuta in prossimità del duomo della camera di combustione stessa.

La presenza della scanalatura circolare 28, ricavata in corrispondenza dei fori 20 dei condotti 19, frontalmente alla porzione convergente 12, consente una migliore stabilità della fiamma, a parità di tutte le altre condizioni.

Si noti in particolare che, con la previsione di tale scanalatura circolare 28, è possibile spostare il limite di spegnimento della turbina in condizioni nelle quali la miscela è decisamente più magra rispetto a ciò che era possibile ottenere con la tecnica nota.

Tale fenomeno consente anche di ridurre sensibilmente le emissioni di sottoprodotti inquinanti della combustione, in particolare le emissioni degli ossidi di azoto (N0X) .

Ciò significa che le proprietà offerte dalla scanalatura circolare 28 consentono un sensibile aumento della operabilità della macchina, soprattutto nei transitori e nel funzionamento a bassi carichi. Si ritiene che la scanalatura circolare 28, tra le sue funzioni, permetta di creare una ricircolazione delle particelle combuste o della miscela e del gas combusto, funzionando da punto di ancoraggio che ha un effetto simile all'autoaccensione della miscela.

La realizzazione descritta è relativa ad una turbina alimentata con combustibile gassoso, naturalmente la camera dì premiscelamento, corredata della scanalatura a V 28, secondo la presente invenzione, può essere vantaggiosamente adoperata anche con una turbina alimentata con combustibile liquido.

In tale realizzazione, l'elemento ogivale sagomato 22 deve essere sostituito con un iniettore di combustibile liquido, alimentato mediante un opportuno condotto.

Modifiche e varianti della presente invenzione, oltre a quelle di cui si è già detto, sono naturalmente possibili, così, ad esempio, è possibile ricavare la scanalatura V 28 in una camera di premiscelamento 10 nella quale la carcassa 11 e la porzione convergente siano realizzati in un unico pezzo.

Inoltre, come precedentemente anticipato, la scanalatura circolare 28 può anche avere forme differenti per la propria sezione prevedendo, ad esempio, una sezione ad U, una sezione semicircolare o a C, ecc .

Un'altra importante variante della presente invenzione deriva dalla possibilità di applicare i concetti precedentemente esposti non solo ad una turbina a combustibile gassoso, o ad una turbina di tipo "dual-fuel", ma anche ad una turbina a combustibile liquido .

In tal caso, al posto dell'ogiva 26 è presente un iniettore di combustibile liquido (non rappresentato), alimentato da un opportuno condotto e non sono presenti i condotti 19 ed i relativi fori 20.

Tuttavia, anche in questo caso e per le finalità esposte, è possibile ricavare una scanalatura circolare 28 sull'area frontale della porzione convergente 12 della camera di premiscelamento 10.

Dalla descrizione effettuata risultano chiare le caratteristiche della camera di premiscelamento, che è oggetto della presente invenzione, così come chiari ne risultano i vantaggi.

In particolare, essi sono rappresentati dalla possibilità di stabilizzare la fiamma nella camera di combustione anche in condizioni non prima possibili, evitando instabilità della stessa, turbolenze gravi o ritorni di fiamma che possono creare seri inconvenienti al funzionamento generale della macchina, nonché guasti, fermate, ritardi, riparazioni, manutenzione straordinaria e costi aggiuntivi, che sarebbe auspicabile ridurre.

E' chiaro, tuttavia, che numerose varianti possono essere apportate alla camera di premiscelamento, oggetto dell'invenzione senza per questo uscire dai princìpi di novità insiti nell'idea inventiva.

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 tecnicamente equivalenti.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Camera di premiscelamento (10) per turbine a gas, dove la suddetta turbina a gas è del tipo comprendente almeno un compressore, connesso alla turbina, e comprendente una camera di combustione, dove la suddetta camera di premiscelamento (10) presenta una porzione convergente (12), posizionata in modo tale da far avvenire la combustione all'interno della suddetta camera di combustione, e dove la suddetta camera di premiscelamento (10) presenta una pluralità di condotti (19), dotati di fori (20) che si aprono nella camera di combustione, ricavati su una porzione frontale della suddetta camera di premiscelamento (10), per generare una serie di fiamme pilota, regolate opportunamente al fine di stabilizzare una fiamma principale che si innesca all'interno di suddetta camera di combustione, caratterizzata dal fatto che un'area frontale della suddetta porzione convergente (12) della camera di premiscelamento (10), presenta almeno una scanalatura circolare (28), ricavata in corrispondenza dei suddetti fori (20) appartenenti ai suddetti condotti (19).
2. Camera di premiscelamento (10), come alla rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che la suddetta scanalatura circolare (28) presenta una sezione sostanzialmente a V.
3. Camera di premiscelamento (10), come alla rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che ognuno dei suddetti condotti (19) termina in corrispondenza di una zona che include la punta della suddetta sezione a V.
4. Camera di premiscelamento (10), come alla rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che almeno una prima superficie (30) della suddetta porzione convergente (12) prevede un rivestimento protettivo parziale, mentre una seconda superficie (31) della suddetta porzione convergente (12), che interessa sinché la suddetta scanalatura (28), è trattata mediante un rivestimento protettivo completo.
5. Camera di premiscelamento (10), come alla rivendicazione 4, caratterizzata dal fatto che la suddetta prima superficie (30) è posizionata relativamente a distanza dalla suddetta scanalatura (28).
6. Camera di premiscelamento (10), come alla rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che la suddetta porzione convergente (12) è connessa, in modo smontabile, alla carcassa (il) della suddetta camera di premiscelamento (10).
7. Camera di premiscelamento (10), come alla rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto di prevedere un supporto a colonna (29), all'interno del quale è presente un canale (22) per l'immissione di combustibile gassoso nella suddetta camera di premiscelamento (10).
8. Camera di premiscelamento (10), come alla rivendicazione 7, caratterizzata dal fatto che all'interno del suddetto supporto a colonna (29) è presente un secondo canale (18) per l'immissione di combustibile pilota, terminante con una camera di distribuzione (27), a sua volta in comunicazione con i suddetti condotti (19).
9. Camera di premiscelamento (10), come alla rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che all'interno della suddetta porzione convergente (12) si produce un flusso di miscela ottimale per una successiva combustione, detto flusso di miscela essendo prodotto da almeno una girante (23), atta ad impartire alla suddetta miscela fluida una opportuna turbolenza.
10. Camera di premiscelamento (10), come alla rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che i suddetti fori (20), appartenenti ai suddetti condotti (19), sono disposti equidistanziati in senso anulare rispetto ad una carcassa (11) della camera di premiscelamento (10).
11. Camera di premiscelamento (10), come alle rivendicazioni 1 e 2, caratterizzata dal fatto che la suddetta scanalatura (28) presenta una zona di connessione ai suddetti condotti (19) sostanzialmente inclinata, ovvero conformata a cono ed avente almeno un angolo al vertice (T) scelto entro un intervallo di valori prestabilito e, specificatamente, tra 115 gradi sessagesimali e 85 gradi sessagesimali.
12. Camera di premiscelamento (10) per turbine a gas, dove la suddetta turbina a gas è del tipo comprendente almeno un compressore, connesso alla turbina, e comprendente una camera di combustione, dove la suddetta camera di premiscelamento (10) presenta una porzione convergente (12), posizionata in modo tale da far avvenire la combustione all'interno della suddetta camera di combustione, e dove alla suddetta camera di premiscelamento (10) è associato un iniettore di combustibile liquido, alimentato da un rispettivo condotto, caratterizzata dal fatto che un'area frontale della suddetta porzione convergente (12) della camera di premiscelamento (10) presenta almeno una scanalatura circolare (28).
13. Camera di pre-miscelamento per turbine a gas, come sostanzialmente descritta ed illustrata e per gli scopi specificati.