ITUB20150813A1 - Ugello per carburante di turbina a gas con sensore di ionizzazione di fiamma integrato e motore a turbina a gas - Google Patents

Ugello per carburante di turbina a gas con sensore di ionizzazione di fiamma integrato e motore a turbina a gas Download PDF

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Description

TITOLO
UGELLO PER COMBUSTIBILE DI TURBINA A GAS CON SENSORE DI IONIZZAZIONE DI FIAMMA INTEGRATO E MOTORE A TURBINA A GAS
DESCRIZIONE
CAMPO TECNICO
Le forme di realizzazione dell?oggetto illustrato nella presente corrispondono a ugelli per combustibile di turbina a gas con sensore di ionizzazione di fiamma integrato e motori a turbina a gas.
STATO DELLA TECNICA
? noto che la generazione e il movimento di ioni in una fiamma sono parametri molto utili per monitorare la fiamma e la combustione e per l?utilizzo di sensori a tale scopo.
In linea di principio, un singolo sensore a ionizzazione di fiamma pu? sostituire un intero gruppo di sensori dedicati a un corrispondente gruppo di indicatori di fiamma e/o di combustione.
Comunque, l?incorporazione di un sensore di ionizzazione di fiamma in un combustore di un motore a turbina a gas non ? affatto semplice; infatti, in tali applicazioni, un qualsiasi componente rivolto verso la camera di combustione ? critico dal punto di vista della conformazione a causa dei flussi di gas e dei rischi di danneggiamento causati da un ambiente ostile (temperatura elevata, pressione elevata, gas aggressivi, eccetera) presente nella camera di combustione. Un altro requisito per tale sensore ? il suo posizionamento in modo tale da poter essere sostituito con facilit?.
Inoltre, nel settore ?Oil & Gas?, un?affidabilit? estremamente elevata ? necessaria per le macchine in generale e di conseguenza per i loro componenti, inclusi i sensori.
Pertanto, nel settore ?Oil & Gas?, i sensori di ionizzazione di fiamma vengono utilizzati alquanto raramente nei motori a turbina a gas.
SOMMARIO
Occorre notare che in un motore a turbina a gas avente un combustore con una singola camera di forma anulare e una pluralit? di ugelli per combustibile, uno o alcuni (per esempio due o tre o quattro o pi?) sensori di ionizzazione di fiamma possono essere sufficienti per il servizio di diagnosi e controllo di tutta la turbina; comunque, tali sensori non sono mai stati utilizzati per tali applicazioni.
Pertanto, vi ? l?esigenza generale di un ugello per combustibile di turbina a gas con sensore di ionizzazione di fiamma integrato e un corrispondente motore a turbina a gas. Questa esigenza ? particolarmente sentita in motori a turbina a gas comprendenti un combustore con una singola camera di forma anulare.
Prime forme di realizzazione dell?oggetto illustrato nella presente si riferiscono a un ugello per combustibile a turbina a gas.
Secondo tale ugello, vi ? un manicotto con un condotto interno per flusso di gas combustibile premiscelato; esso comprende inoltre un sensore di ionizzazione di fiamma posizionato su detto manicotto esternamente al condotto.
Seconde forme di realizzazione dell?oggetto illustrato nella presente si riferiscono a un motore a turbina a gas.
Secondo tale motore a turbina a gas, vi ? un combustore con una singola camera di forma anulare; esso comprende inoltre una pluralit? di ugelli per combustibile con uno o pi? sensori di ionizzazione di fiamma integrati.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
I disegni allegati, i quali sono incorporati qui e costituiscono parte integrante della presente specifica, illustrano forme di realizzazione esemplificative della presente invenzione e, unitamente alla descrizione dettagliata, spiegano queste forme di realizzazione. Nei disegni:
la figura 1 illustra una vista parziale in sezione trasversale di una forma di realizzazione di un combustore di un motore a turbina a gas;
la figura 2 illustra una vista in sezione trasversale di una forma di realizzazione di un ugello per combustibile;
la figura 3 illustra una vista frontale schematica di una forma di realizzazione di un combustore di un motore a turbina a gas;
la figura 4 illustra una vista frontale schematica di una forma di realizzazione di un ugello per combustibile;
la figura 5 illustra una vista parziale in sezione trasversale di una prima forma di realizzazione di un ugello per combustibile con un sensore di ionizzazione di fiamma integrato;
la figura 6 illustra una vista parziale in sezione trasversale di una seconda forma di realizzazione di un ugello per combustibile con un sensore di ionizzazione di fiamma integrato;
la figura 7 illustra una vista parziale in sezione trasversale di una terza forma di realizzazione di un ugello per combustibile con un sensore di ionizzazione di fiamma integrato;
la figura 8 illustra una vista parziale in sezione trasversale di una quarta forma di realizzazione di un ugello per combustibile con un sensore di ionizzazione di fiamma integrato; e
la figura 9 illustra una vista parziale in sezione trasversale di una quinta forma di realizzazione di un ugello per combustibile con due sensori di ionizzazione di fiamma integrati.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA
La seguente descrizione delle forme di realizzazione esemplificative fa riferimento ai disegni allegati.
La seguente descrizione non limita l?invenzione. Piuttosto, l?ambito dell?invenzione ? definito dalle rivendicazioni allegate.
In tutta la specifica, il riferimento a ?una sola forma di realizzazione? o a ?una forma di realizzazione? indica che un aspetto, una struttura o una caratteristica specifico/a descritto/a in relazione a una forma di realizzazione ? incluso/a in almeno una forma di realizzazione dell?argomento oggetto illustrato. Pertanto, la forma della frase ?in una sola forma di realizzazione? o ?in una forma di realizzazione? in varie posizioni in tutta la specifica non si riferisce necessariamente alla stessa forma di realizzazione. Inoltre, i tratti distintivi specifici, le strutture o le caratteristiche specifiche possono essere combinati/e in qualsiasi modo idoneo in una o pi? forme di realizzazione.
La figura 1 illustra una vista parziale in sezione trasversale di una forma di realizzazione di un combustore 101 di un motore a turbina a gas 100; una singola camera di forma anulare 102 ? posizionata all?interno di un involucro 103.
La figura 3 illustra una vista frontale schematica della camera di combustione 102 della figura 1.
Il combustore 101 comprende una pluralit? di ugelli per combustibile 1 (illustrati sia nella figura 1, sia nella figura 3).
Gli ugelli per combustibile 1 presentano uno o pi? sensori di ionizzazione di fiamma integrati; ci? ? illustrato schematicamente nella figura 2, in cui il sensore ? associato al numero di riferimento 4.
Una forma di realizzazione di un ugello per combustibile 1 ? illustrata sia nella figura 2 (vista in sezione trasversale), sia nella figura 4 (vista frontale schematica).
L?ugello per combustibile di turbina a gas 1 comprende un manicotto in metallo cilindrico 2 con un condotto circolare interno (sezione trasversale) 3 per flusso di gas combustibile premiscelato. Una pluralit? di condotti 21 per flusso di gas di combustibile ? disposta come una corona all?interno della parete periferica del manicotto 2 e termina su un lato frontale del manicotto 2. All?interno del condotto 3, coassialmente al manicotto 2, ? presente un corpo 22. I condotti 21 sono in comunicazione fluidica con un condotto 23 per il flusso gassoso d?aria. Un condotto 24 termina in corrispondenza di un lato posteriore del manicotto 2 in modo da alimentare il flusso di gas combustibile premiscelato. Un condotto 25 alimenta un flusso gassoso d?aria al corpo 22 in modo da espellere l?aria all?interno del condotto 3 in prossimit? dell?estremit? del manicotto 2. Vi ? un braccio di supporto 6 integrato con il manicotto 2; il braccio di supporto 6 alloggia il condotto 23 e il condotto 24; in generale, il supporto dell?ugello pu? alloggiare in modo parziale o completo almeno un condotto per flusso di gas per l?ugello.
Un ugello come quello illustrato nelle figure, in particolare nella figura 2, viene descritto e illustrato in modo dettagliato nel brevetto statunitense n? 6,363,725, assegnato alla presente Richiedente, che ? incorporato qui per riferimento.
Per esempio, come illustrato schematicamente nella figura 2, l?ugello 1 comprende inoltre un sensore di ionizzazione di fiamma 4 posizionato sul manicotto 2 esternamente al condotto 3.
Il sensore di ionizzazione di fiamma ? vantaggiosamente posizionato in corrispondenza di una zona di un?estremit? del manicotto dove il flusso di gas combustibile premiscelato viene espulso, si veda per esempio la figura 2.
In particolare, il sensore di ionizzazione di fiamma pu? essere posizionato su un lato laterale esterno o su un lato frontale del manicotto. Nella forma di realizzazione della figura 2, il sensore 4 ? posizionato su un lato laterale esterno. Nelle forme di realizzazione delle figure 5-9, il sensore 4 ? posizionato su un lato frontale del manicotto; in particolare, il sensore 4 ? posizionato su un lato frontale del manicotto 2 in corrispondenza di una porzione esterna di detto manicotto 2.
Il sensore a ionizzazione di fiamma 4 delle forme di realizzazione delle figure 5-9 comprende un anello (intero o parziale) metallico 41 che ? un elettrodo del sensore. L?anello 41 pu? essere isolato elettricamente dal manicotto 2 per esempio mediante un anello isolante sottostante (intero o parziale) 42; il materiale dell?anello 42 pu? essere per esempio ceramica oppure ossido di ceramica. Tale configurazione del sensore 4 pu? anche essere utilizzata per il sensore 5 nella figura 9.
Il sensore di ionizzazione di fiamma ? collegato elettricamente a un cavo elettrico per alimentare il segnale generato a un?unit? elettronica di monitoraggio e/o controllo.
Preferibilmente, il cavo elettrico ? un cavo rigido schermato con isolamento minerale (illustrato schematicamente nelle figure 5-7 come elemento 43). La schermatura del cavo ? molto vantaggiosa per via dell?ambiente ?rumoroso? di un motore a turbina a gas; la schermatura pu? essere effettuata attraverso placcatura metallica, per esempio realizzata con AISI 316 o INCONEL 600.
Il cavo elettrico pu? essere fissato al braccio di supporto 6. In generale, il supporto di ugello pu? alloggiare in modo parziale o completo almeno un cavo elettrico (schermato) per un sensore.
Nella forma di realizzazione della figura 9, vi ? un altro sensore di ionizzazione di fiamma 5 posizionato su un lato frontale del manicotto 2 ed esternamente al condotto 3, preferibilmente in corrispondenza di una porzione interna del manicotto 2.
Il sensore 5 della forma di realizzazione della figura 9 comprende un anello (intero o parziale) in metallo 51 che ? un elettrodo del sensore. L?anello 51 pu? essere isolato elettricamente dal manicotto 2 per esempio mediante un anello isolante sottostante (intero o parziale) 52; il materiale dell?anello 52 pu? essere per esempio ceramica oppure ossido di ceramica.
Nella forma di realizzazione della figura 9, il sensore 4 viene preferibilmente utilizzato come sensore di ionizzazione di fiamma principale e il sensore 5 viene preferibilmente utilizzato come sensore di ionizzazione di fiamma di ritorno o di ?flashback?.
Nelle figure 5-9, una porzione di estremit? di un condotto 21 all?interno del manicotto 2 (che circonda il condotto 3) viene illustrata come terminante con un?uscita conica (ampia ?T? gradi) per una fiamma pilota.
Nella forma di realizzazione della figura 5, un componente metallico 41 del sensore di ionizzazione di fiamma 4 forma parte del lato laterale esterno del manicotto 2, parte del lato frontale del manicotto 2 (vale a dire la parte dell?uscita conica), e parte della superficie del condotto 21.
Nella forma di realizzazione della figura 6, un componente metallico 41 del sensore di ionizzazione di fiamma 4 forma parte del lato laterale esterno del manicotto 2, parte del lato frontale del manicotto 2 (vale a dire la parte dell?uscita conica), ed ? distanziato dalla superficie del condotto 21, per esempio tramite il componente isolante 42.
Nella forma di realizzazione della figura 7, un componente metallico 41 del sensore di ionizzazione di fiamma 4 forma parte del lato laterale esterno del manicotto 2, ed ? distanziato dal lato frontale del manicotto 2 (vale a dire la parte dell?uscita conica), per esempio tramite il componente isolante 42, e dalla superficie del condotto 21, per esempio tramite il componente isolante 42.
Nella forma di realizzazione della figura 8, un componente metallico 41 del sensore di ionizzazione di fiamma 4 forma soltanto parte del lato laterale del manicotto 2 (vale a dire la parte dell?uscita conica) ed ? circondato dal componente isolante 42.
Nella forma di realizzazione della figura 9, un componente metallico 41 di un primo sensore di ionizzazione di fiamma 4 forma parte del lato laterale esterno del manicotto 2, parte del lato frontale del manicotto 2 (vale a dire la parte dell?uscita conica), e parte della superficie del condotto 21; e un componente metallico 51 di un secondo sensore di ionizzazione di fiamma 5 forma parte del lato laterale interno del manicotto 2, parte del lato frontale del manicotto 2 (vale a dire la parte dell?uscita conica), e parte della superficie del condotto 21.
Forme di realizzazione dell?ugello per combustibile di turbina a gas illustrato nella presente possono essere usate per monitorare la combustione in un motore a turbina a gas, in particolare la combustione di ritorno o di ?flashback?.

Claims (13)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Ugello per combustibile di turbina a gas (1) comprendente un manicotto (2) con un condotto interno (3) per flusso di gas combustibile premiscelato, e comprendente inoltre un sensore di ionizzazione di fiamma (4) posizionato su detto manicotto (2) esternamente al condotto (3).
  2. 2. Ugello per combustibile di turbina a gas (1) secondo la rivendicazione 1, in cui detto sensore di ionizzazione di fiamma (4) si trova in corrispondenza di una zona di estremit? di detto manicotto (2) dove flusso di gas combustibile premiscelato viene espulso.
  3. 3. Ugello per combustibile di turbina a gas (1) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detto sensore di ionizzazione di fiamma (4) ? posizionato su un lato laterale esterno o su un lato frontale di detto manicotto (2).
  4. 4. Ugello per combustibile di turbina a gas (1) secondo la rivendicazione 1 o 2 o 3, in cui detto sensore di ionizzazione di fiamma (4) comprende un anello (41) che ? un elettrodo del sensore.
  5. 5. Ugello per combustibile di turbina a gas (1) secondo la rivendicazione 4, in cui detto anello in metallo (41) ? isolato elettricamente da detto manicotto (2) mediante un anello isolante sottostante (42).
  6. 6. Ugello per combustibile di turbina a gas (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto sensore di ionizzazione di fiamma (4) ? collegato elettricamente a un cavo schermato con isolamento minerale (43).
  7. 7. Ugello per combustibile di turbina a gas (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto manicotto (2) comprende una pluralit? di condotti (21) per flusso di gas combustibile disposta come una corona all?interno della parete di detto manicotto (2) e terminante su un lato frontale di detto manicotto (2).
  8. 8. Ugello per combustibile di turbina a gas (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente un altro sensore di ionizzazione di fiamma (5) posizionato su un lato frontale di detto manicotto (2) ed esternamente al condotto (3).
  9. 9. Ugello per combustibile di turbina a gas (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente un supporto (6) fissato a o integrato con detto manicotto (2), in cui detto supporto (6) alloggia almeno un cavo elettrico (43) per il sensore.
  10. 10. Motore a turbina a gas (100) comprendente un combustore (101) con una singola camera di forma anulare (102), e comprendente inoltre una pluralit? di ugelli per combustibile (1) con uno o pi? sensori di ionizzazione di fiamma integrati (4, 5).
  11. 11. Motore a turbina a gas (100) secondo la rivendicazione 10, in cui ciascuno degli ugelli per combustibile (1) ? secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti da 1 a 9.
  12. 12. Metodo per elaborare segnali elettrici di ionizzazione di fiamma derivanti da un motore a turbina a gas (100), in cui detto motore a turbina a gas (100) presenta un combustore (101) con una singola camera di forma anulare (102), e in cui detti segnali elettrici vengono generati da almeno un sensore di ionizzazione di fiamma (4, 5) montato su o integrato in uno o pi? ugelli per combustibile di turbina a gas (1).
  13. 13. Metodo secondo la rivendicazione 12, in cui i segnali elettrici di ionizzazione di fiamma sono usati per monitorare la combustione in un motore a turbina a gas (100).
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