ITPD940157A1 - Combustore per turbina a gas con porzione formante il raccordo di col- legamento con un tubo a fiamma trasversale - Google Patents

Abstract

La presente invenzione riguarda un combustore avente un raccordo per un tubo a fiamma trasversale (cross - flame). Il raccordo ha manicotti interno ed esterno che formano un passaggio anulare fra di loro. Fori nel manicotto esterno pongono il passaggio anulare in comunicazione di flusso con l'aria di raffreddamento nella camera del sistema di combustione, facendo sì che l'aria di raffreddamento scorra sull'estremità prossimale del manicotto esterno. Un deflettore è formato sul manicotto esterno ed ha una configurazione di zone rialzate e depresse o abbassate. Le zone rialzate formano pieni che sono fissati alla parete del combustore. Le zone ribassate formano passaggi con la parete che dirigono l'aria di raffreddamento dal passaggio anulare in modo tale che questa scorre sulla superficie della parete interna del combustore, impedendo così il surriscaldamento della parete.

Description

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda combustori per turbine a gas. Più specificatamente, la presente invenzione riguarda la porzione del combustore per turbina a gas che forma il raccordo per collegare il combustore ad un tubo a fiamma trasversale (cross-flame).

Un combustore per turbina a gas è tipicamente composto da una pluralità di combustori approssimativamente cilindrici distribuiti circonferenzialmente entro un guscio o involucro del combustore e che circondano i rotore della turbina. I combustori sono collegati mediante tubi a fiamma trasversale. In aggiunta, due adiacenti dei combustori hanno dispositivi di iniezione elettrici ad alta energia. Al momento dell'avviamento, viene stabilita iniezione nelle miscele combustibile/aria nei combustori aventi dispositivi di iniezione, creando così una fiamma. I tubi a fiamma trasversale portano quindi questa fiamma da combustore a combustore attorno alla matrice finché si stabilisce una fiamma in tutti i combustori. Rivelatori di fiamma nei due combustori che sono opposti a quelli dotati di dispositivi di iniezione verificano che una fiamma sia stata stabilita in ciascuno dei combustori. Durante l'operazione, i tubi a fiamma trasversale agiscono per ristabilire la combustione in un qualsiasi combustore in cui si verifichi uno spegnimento della fiamma.

Tradizionalmente, i tubi a fiamma trasversale sono stati formati da un tubo flessibile di metallo avente flange in corrispondenza di ciascuna estremità. I tubi a fiamma trasversale erano fissati ai combustori mediante morsetti di compressione di tipo ad anello, comunemente denominati morsetti "marmon", che corrispondevano a raccordi che sporgevano dai combustori. Ciascun raccordo era formato da un tubo estendentesi sostanzialmente e radialmente che era fissato al combustore in corrispondenza dell'estremità prossimale del tubo e che aveva una flangia formata sulla sua estremità distale.

Tipicamente, i combustori sono formati da una pluralità di anelli concentrici uniti mediante corrugamenti. Questi anelli sono raffreddati da aria di raffreddamento che scorre lungo le pareti interne degli anelli fornendo così una barriera termica contro il calore emanato dalla zona di combustione all'interno del combustore. Questa aria di raffreddamento vie ne introdotta mediante passaggi anulari per l'aria di raffreddamento for mati fra anelli adiacenti che fanno sì che l'aria di raffreddamento entri nel combustore e scorra sopra la parete interna dell'anello a valle.

Sfortunatamente, la presenza del raccordo per i tubi a fiamma trasversale disturba il flusso dell'aria di raffreddamento lungo la parete interna dell'anello. Come risultato, questo schema di aria di raffreddamento si è dimostrato inefficace nella porzione dell'anello a valle del raccordo del tubo a fiamma trasversale e in corrispondenza dell'ingresso al tubo di raccordo. Una soluzione tentata in passato implicava fornire ulteriore aria di raffreddamento in vicinanza del raccordo praticando una pluralità di piccoli fori attorno alla circonferenza del raccordo in posizione adiacente all'anello o nell'anello stesso nella porzione che circonda il raccordo. Tuttavia, questo approccio non ha ottenuto successo completo.

Pertanto, uno scopo della presente invenzione è di fornire un combustore per turbina a gas avente un raccordo di tubo a fiamma trasversale in cui un flusso di aria di raffreddamento viene diretto verso l'estremità del tubo di raccordo e sulla parete del combustore adiacente al raccordo.

Alla luce di questo scopo, la presente invenzione consiste in una turbina avente un guscio o involucro che forma una camera in esso cont nente aria compressa, e una pluralità di combustori intercollegati dispo sti nella camera, ciascuno dei combustori avendo una parete che racchiude una camera di combustione con un raccordo di tubo a fiamma trasversale che si diparte da essa, in cui il raccordo di tubo a fiamma trasversale comprende un manicotto interno, un manicotto esterno che racchiude il manicotto interno formando un passaggio di conduttura fra di loro, e un mantello associato con il manicotto interno dotato di una pluralità di pieni e depressioni in modo tale che i pieni sono disposti in prossimità della parete e le depressioni sono formate in allontanamento dalla parete formando una pluralità di passaggi di combustore, in cui la pluralità di passaggi di combustore sono in comunicazione di flusso con il passaggio nella conduttura e il manicotto esterno ha un'apertura attraverso la quale l'aria compressa scorre attraverso l'apertura, il passaggio della conduttura e la pluralità di passaggi di combustore per raffreddare il manicotto esterno e detta parete.

L'invenzione risulterà più evidente dalla seguente descrizione di una forma di realizzazione preferita di essa mostrata, a titolo esemplificativo, nei disegni acclusi, in cui:

la figura 1 è una vista in sezione trasversale parzialmente schemati ca attraverso la sezione di combustione di una turbina a gas, che mostra i combustori secondo la presente invenzione;

la figura 2 è una vista dettagliata di due dei combustori mostrati in figura 1 secondo la presente invenzione;

la figura 3 è una vista laterale, parzialmente in spaccato, della porzione anteriore di uno dei combustori mostrati in figura 2;

la figura 4 è una sezione trasversale longitudinale attraverso porzione di raccordo del tubo a fiamma trasversale del combustore mostra' in figura 3;

la figura 5 è una vista isometrica della porzione di mantello del manicotto interno del raccordo di tubo a fiamma trasversale mostrato in figura 4, con il manicotto interno mostrato in trasparenza;

la figura 6 è una vista in esploso del raccordo per il tubo a fiamma trasversale mostrato in figura 4;

la figura 7 è una vista in pianta di una forma di realizzazione alternativa della porzione di raccordo del tubo a fiamma trasversale del combustore della presente invenzione;

la figura 8 è una sezione trasversale presa lungo la linea VIII-VIII mostrata in figura 7;

la figura 9 è una vista in sezione trasversale presa lungo la linea IX-IX mostrata in figura 7; e

la figura 10 è una vista isometrica dell'estremità prossimale del manicotto interno del raccordo di tubo a fiamma trasversale mostrato nelle figure 7-9.

Facendo riferimento ai disegni, si mostra in figura 1 la sezione di combustione 1 della turbina a gas. La sezione di combustione è composta da gusci interno ed esterno 2 e 3 rispettivamente, che formano una camera anulare 5 fra di loro attraverso la quale scorre aria compressa dalla sezione del compressore (non mostrata). Sezioni di compressore e combustione tipiche di turbina a gas sono mostrate nel brevetto statunitense 4.991.391 (Kosinski), qui incorporato a titolo di riferimento nella sua completezza Il guscio interno 2 racchiude un rotore 4 disposto centralmente.

Una pluralità di combustori cilindrici 6 sono disposti circonferen zialmente attorno alla camera 5. I dispositivi di accensione o iniezione 8, che possono essere del tipo a spinterometro, sono disposti in due combustori adiacenti 6'. Rivelatori di fiamma 9, che possono essere del tipo a rilevazione di luce ultravioletta, sono disposti in due combustori adiacenti 6" di fronte ai combustori 6' in cui sono disposti i dispositivi di iniezione 8. Tubi a fiamma trasversale 7 collegano ciascuno dei combustori 6.

Al momento dell'accensione o iniezione, la miscela combustibile/aria in ciascuno dei combustori 6' viene accesa da una scintilla creata dai dispositivi di iniezione 8, creando così una fiamma entro una zona di combustione 10, mostrata in figura 2, formata all'interno di ciascuno dei combustori 6. I tubi a fiamma trasversale 7 consentono alla fiamma di propagarsi da combustore a combustore attorno al complesso finché le miscele combustibili/aria in tutti i combustori sono state accese. La rivelazione della fiamma nei combustori 6" mediante i rivelatori di fiamma 9 verifica che tutti i combustori siano stati accesi.

Come è mostrato in figura 2, ciascun tubo a fiamma trasversale 7 è composto da un tubo metallico flessìbile 12 avente flange su ciascuna delle sue estremità. Un morsetto marmon 14 unisce ciascuna delle flange del tubo a fiamma trasversale con una flangia corrispondente 18, meglio illustrato in figura 4, formata su un raccordo 16 di tubo a fiamma trasversale che si estende approssimativamente e radialmente verso l'esterno combustore 6.

Come è mostrato in figura 3, la porzione anteriore di ciascun store 6 è formata da anelli concentrici 20-22 che si estendono

mente da una cupola 19 collegata all'ingresso 41 del combustore. Il combustibile 28 e aria compressa 29 vengono introdotti nell'ingresso 41 del combustore e subiscono iniezione nella zona di combustione 10. Ulteriore aria compressa 44 dalla camera 5 scorre entro il combustore 6 attraverso fori 24 negli anelli 20 e 21 del combustore e si miscela con e raffredda il gas di combustione 46 in una zona secondaria 43.

Come è meglio illustrato in figura 4, una striscia ondulata 23 è disposta fra il bordo posteriore del primo anello 19 e il bordo anteriore del secondo anello 20. L'intercapedine anulare fra gli anelli creati dalla striscia 23 consente influsso di uno strato dì aria di raffreddamento 26 della camera 5 sulla parete interna 48 dell'anello 20, fornendo così una barriera termica contro il gas di combustione caldo 46.

Il raccordo 16 di tubo a fiamma trasversale comprende un manicotto esterno 42 fissato all'anello 20 in corrispondenza della sua estremità prossimale in modo tale da circondare un foro 50 formato nell'anello, come è mostrato in figura 4. Sebbene il manicotto esterno 42 possa essere fissato all'anello 20 in una pluralità di modi, nella forma di realizzazione illustrata in figura 4 il manicotto è fissato mediante una saldatura ad angolo 39. Una flangia 18, per il morsetto marmon 14 è fissata all'estremità distale del manicotto esterno 42 e consente di fissare al combustore 6 il tubo a fiamma trasversale 7.

Come discusso in precedenza, la presenza del raccordo 16 disturba il flusso dello strato di aria di raffreddamento 26 sulla parete interna 48 dell'anello. In passato, questo disturbo si traduceva in surriscaldamento dell'anello 20 a valle del raccordo 16, nonché nel suo riscaldamento manicotto esterno 42 in prossimità del foro 50.

Secondo la presente invenzione, il problema di surriscaldamento vi risolto impiegando un manicotto interno 40 che si estende attraverso il foro 50 nell'anello 20, come è illustrato in figura 4. Il manicotto interno 40 è disposto concentricamente entro e racchiuso dal manicotto esterno 42 in modo tale che i manicotti formano un passaggio anulare 34 fra di loro. Una pluralità di fori 30 sono distribuiti attorno alla circonferenza del manicotto esterno 42, come è meglio illustrato in figura 6. Questi fori consentono ad aria di raffreddamento 28 dalla camera 5 di entrare nel passaggio 34 come è illustrato in figura 4. Ulteriore aria di raffreddamento entra nel passaggio 34 attraverso una pluralità di fori più piccoli 32 appena sotto la flangia 18. Il diametro esterno del manicotto interno è minore del diametro del foro 50 in modo tale che l'aria di raffreddamento 28 dal passaggio 34 scorre radialmente verso l'interno ed attraverso il passaggio anulare fra il manicotto interno 40 e il diametro interno del foro 50, raffreddando così il manicotto esterno 42 in prossimità del foro.

Secondo un aspetto importante della presente invenzione, al manicotto interno 40 in corrispondenza della sua estremità prossimale è fissato un deflettore 36. Il deflettore 36 si estende sostanzialmente radialmente rispetto all'asse del manicotto interno 40. Sebbene il deflettore possa essere fissato al manicotto interno 40 in una pluralità di modi, nella forma di realizzazione mostrata nelle figure 4-6, il deflettore è formato integralmente con il manicotto interno. Come è mostrato in figura 5, il deflettore 36 è formato da un mantello di metallo in lamina sagomata ad anello che racchiude la circonferenza del manicotto interno 40. Il manicotto è ondulato in modo tale da formare pieni rialzati 52 e zone abbas te 53.

Ciascuno dei pieni rialzati 52 è fissato alla parete interna 48 dell'anello 20 mediante saldatura a punti 38, uno dei quali è mostrato in figura 4. Le zone depresse o abbassate 53 sono pertanto spostate radialmente verso l'interno, rispetto all'asse del combustore, dalla parete interna 48 così da formare un passaggio 35 fra le zone depresse o abbassate e la parete interna. Il passaggio 35 riceve un flusso diretto radialmente di aria di raffreddamento 28 dal passaggio anulare 34 e fa sì che esso ruoti approssimativamente di 90* in modo tale da scorrere sulla superficie della parete interna 48. Pertanto, sulla parete interna 48 a valle del raccordo 16 si forma uno strato di aria di raffreddamento 28 che agisce come barriera termica contro il gas di combustione caldo 46, impedendo così che la parete si surriscaldi. ;Nella forma di realizzazione mostrata nelle figure 4-6, il mantello ha tre zone ribassate 53. Il più grande dei pieni 52 è fissato alla parete interna 48 dell'anello in corrispondenza di una posizione assialmente a monte del foro 50. Come risultato, le zone ribassate 53 sono orientate in modo tale da dirigere il flusso di aria di raffreddamento 28 fuori dal passaggio 34 in tre direzioni, assialmente nella direzione a valle e circonferenzialmente nei sensi orario e antiorario, come è mostrato in figura 5. Tuttavia, la configurazione di pieni 52 e zone ribassate 53 potrebbe essere formata in modo tale da dirigere il flusso anche in altri modi me ad esempio nella direzione assialmente a monte. ;Poiché il manicotto interno 40 ha un diametro del foro 5 nell'anello 20, vi è il rischio che il manicotto interno scorra fuori dal manicotto esterno 42 e cada entro il combustore nel caso di fallimento di saldature a punto 38. Questa situazione potrebbe tradursi nel fatto che il manicotto interno 40 entra nel percorso di flusso del gas e viaggia entro la sezione della turbina, provocando così un danno sostanziale dovuto all'impatto alle pale ruotanti della turbina. ;Di conseguenza, nella forma di realizzazione preferita, si impiegano mezzi per impedire lo spostamento del manicotto interno 40 all'interno del manicotto esterno 42 anche in caso di guasto dei punti di saldatura 38 che fissano il deflettore 36 all'anello 20. Nella forma di realizzazione mostrata nelle figure 4-6, questo viene ottenuto formando due gruppi di linguette. Il primo gruppo di linguette 56 è formato nell'anello 20 in modo tale da estendersi radialmente verso l'interno nel foro 50. Il secondo gruppo di linguette 58 è formato attorno alla circonferenza del manicotto interno 40 in modo tale da estendersi radialmente verso l'esterno. Le linguette 56 dell'anello sono leggermente più piccole degli spazi 59 fra le linguette 58 del manicotto e le linguette 58 del manicotto sono leggermente più piccole degli spazi 57 fra le linguette 56 dell'anello. ;Al momento del montaggio, il manicotto interno 40 viene inserito nel manicotto esterno A2 attraverso il foro 50 con il manicotto interno 40 orientato in modo tale che le linguette 58 del manicotto scorrono attraverso gli spazi fra le linguette 56 dell'anello e le linguette dell'anello scorrono attraverso gli spazi fra le linguette del manicotto. Il manicotto interno 40 viene quindi ruotato in modo tale da allineare le linguette 56 e 58 rispetto all'asse del manicotto e il deflettore 36 viene saldato a punti all'anello 20. Nel caso di guasto o cedimento delle saldature a punti 38, il movimento assiale del manicotto interno entro il manicotto esterno 48 viene impedito dall'impegno delle linguette 56 con le linguette 58. ;Le figure 7-10 mostrano un'altra forma di realizzazione della prese te invenzione. In questa forma di realizzazione, i manicotti interno ed esterno 40' e 42' rispettivamente formano un passaggio anulare 34' che è alimentato con aria di raffreddamento 28 tramite fori 30 nel manicotto esterno, come in precedenza. Tuttavia, il deflettore 36 è formato da una piastra avente una forma a curva che corrisponde alla curvatura della parete interna 48 dell'anello del combustore. Inoltre, i pieni 52' sono formati da concavità o depressioni nella piastra 36' del deflettore. Ciascuno dei pieni 52' è fissato alla parete interna mediante saldatura a punti 38, come in precedenza. Come è mostrato nelle figure 7 e 10, quattro pieni 52' relativamente piccoli sono distribuiti attorno al deflettore 36' in modo tale che vi sono quattro zone ribassate grandi 53' che formano il passaggio 35' fra la parete interna 48 e il deflettore. Come è mostrato i ra 10, le zone ribassate 53' sono orientate in modo tale che il flusso di aria di raffreddamento 28 esce dal passaggio 35' su un arco essenzialmente di 360° interrotto solamente dai pieni 52'. Come risultato, correnti di aria di raffreddamento 28 vengono dirette radialmente verso l'esterno rispetto all'asse del manicotto interno 40. Così facendo, l'aria di raffreddamento 28 scorre assialmente rispetto all'asse del combustore sia in direzione a monte che in direzione a valle e circonferenzialmente senso orario che in senso antiorario. ;In questa forma di realizzazione, lo spostamento assiale del to interno 40' rispetto al manicotto esterno 42' in caso di guasto limento delle saldature a punti viene impedito dalla formazione di sporgenze di mutuo impegno 60 e 62 nei manicotti interno ed esterno 40' e 42' rispettivamente, come è mostrato in figura 8. Queste sporgenze possono essere formate in una pluralità di modi. Nella forma di realizzazione preferita, la sporgenza 60 nel manicotto interno 40' è formato da una nervatura estendentesi verso l'esterno di 360* e la sporgenza 62 nel manicotto esterno 42' è formata da concavità estendentesi verso l'interno distanziate attorno alla circonferenza del manicotto esterno. Al momento del montaggio, il manicotto interno 40' viene forzato verso l'alto in modo tale che la deformazione elastica consente alla sporgenza 60 di scorrere oltre le sporgenze 62. In caso di guasto o cedimento della saldatura a punti, le sporgenze 60 e 62 impediscono il movimento del manicotto interno 40' rispetto al manicotto esterno 42' così da impedire che il manicotto cada entro il combustore 6.

La presente invenzione può essere realizzata in altre forme specifiche senza allontanarsi dal suo spirito o attributi essenziali e, di conseguenza, si dovrebbe fare riferimento alle rivendicazioni accluse piuttosto che alla descrizione che precede per quanto riguarda l'ambito di protezione dell'invenzione.

Claims (7)

1. RIVENDICAZIONI 1. Turbina avente un guscio che forma una camera in esso contenente aria compressa e una pluralità di combustori intercollegati disposti in detta camera, ciascuno di detti combustori avendo una parete che racchiude una camera di combustione con un tubo a fiamma trasversale (cross-flame) che si diparte da essa, caratterizzata dal fatto che detto raccordo di tu-bo a fiamma trasversale ha un manicotto interno, un manicotto esterno racchiudendo detto manicotto interno così da formare un passaggio di conduttura fra di loro, e un mantello associato con detto manicotto interno avente una pluralità di pieni e depressioni in modo tale che detti pieni sono disposti in prossimità di detta parete e dette depressioni sono disposte distanti da detta parete formando una pluralità di passaggi nel combustore, in cui detta pluralità di passaggi del combustore sono ir comunicazione di flusso con detto passaggio di conduttura e detto manicotto esterno ha un'apertura per cui aria compressa scorre attraverso detta apertura, detto passaggio di conduttura e detta pluralità di passaggi del combustore per raffreddare detto manicotto esterno e detta parete.
2. 2. Turbina secondo la rivendicazione 1, in cui detto mantello è ondulato formando detta pluralità di pieni e depressioni.
3. 3. Turbina secondo la rivendicazione 1, in cui detto mantello ha concavità o puntinature rialzate che formano detta pluralità di pieni e depressioni.
4. 4. Turbina secondo la rivendicazione 1, in cui detti pieni sono saldati a detta parete.
5. 5. Turbina secondo la rivendicazione 1, in cui detto raccordo di tubo a fiamma trasversale è inoltre caratterizzato da mezzi di trattenimento per impedire lo spostamento di detto manicotto interno entro detto mani cotto esterno.
6. 6. Turbina secondo la rivendicazione 5, in cui detti mezzi di trattenimento sono caratterizzati dal fatto che detto manicotto interno ha un gruppo di linguette del manicotto interno e detta parete ha un gruppo di linguette della parete in modo tale che dette linguette di manicotto interno sono allineate rispetto a dette linguette della parete e possono essere impegnate con esse.
7. 7. Turbina secondo la rivendicazione 5, in cui detti mezzi di trattenimento sono caratterizzati dal fatto che detto manicotto interno ha un gruppo o serie di sporgenze di manicotto interno che si estendono verso detto manicotto esterno e detto manicotto esterno ha un gruppo di sporgenze del manicotto esterno che si estendono verso detto manicotto interno, in modo tale che dette sporgenze del manicotto interno sono allineate rispetto a dette sporgenze del manicotto esterno e possono essere impegnate con esse.