ITMI20111943A1 - Metodo per modificare un gruppo bruciatore di una turbina a gas - Google Patents

Description

“METODO PER MODIFICARE UN GRUPPO BRUCIATORE DI UNA TURBINA A GASâ€

La presente invenzione à ̈ relativa ad un metodo per modificare un gruppo bruciatore di una turbina a gas.

Negli ultimi anni, sotto la spinta di una sempre più stringente regolamentazione in fatto di emissioni di sostanze inquinanti, le tecniche di combustione si sono orientate verso l’utilizzo della tecnologia “lean premix†, la quale prevede l’impiego di bruciatori in cui il combustibile viene premiscelato con aria prima di essere bruciato.

Bruciatori di questo tipo garantiscono una minore quantità di emissioni di sostanze inquinanti. Di contro, la combustione premiscelata determina l’insorgere di problemi di stabilità di fiamma.

Attualmente, le tecniche note prevedono di installare nei bruciatori dei vorticatori (un vorticatore diagonale e/o un vorticatore assiale), il cui effetto à ̈ quello di migliorare la stabilità della fiamma.

Per ulteriormente migliorare la stabilità di fiamma, spesso si agisce sulla regolazione dell’alimentazione del bruciatore pilota. Tuttavia, la regolazione dell’alimentazione del bruciatore pilota à ̈ limitata dall’incremento delle emissioni di sostanze inquinanti.

L’installazione dei vorticatori e la regolazione della dell’alimentazione del bruciatore pilota non sono tuttavia sufficienti a stabilizzare la fiamma.

Nella zona di sbocco della miscela aria-combustibile dal bruciatore, infatti, si generano dei modi naturali di oscillazione dei flussi vorticosi (Precessing Vortex Cores o PVCs) che interagiscono con la fiamma determinandone il distacco dalla bordo del vorticatore e producendo indesiderate oscillazioni che, a lungo andare, possono compromettere l’integrità del bruciatore.

Pertanto, à ̈ uno scopo della presente invenzione quello di fornire un metodo per modificare un gruppo bruciatore in modo da ridurre l’interazione tra la fiamma e i modi naturali di oscillazione dei flussi vorticosi e rispettare, al contempo, i limiti di legge relativi alle emissioni di sostanze inquinanti.

In accordo con tali scopi la presente invenzione à ̈ relativa ad un metodo per modificare un gruppo bruciatore di una turbina a gas; il gruppo bruciatore estendendosi lungo un asse e comprendendo un bruciatore principale a premiscelazione e un bruciatore pilota, attorno al quale à ̈ disposto il bruciatore principale; il bruciatore pilota comprendendo un vorticatore, un primo corpo ed un secondo corpo, disposto attorno al primo corpo in modo da definire un canale anulare di passaggio avente una prima sezione di passaggio; il vorticatore essendo disposto lungo il canale anulare di passaggio e comprendendo una pluralità di palette le quali si estendono radialmente tra il primo ed il secondo corpo; il metodo comprendendo la fase di ridurre la sezione di passaggio del canale anulare.

In questo modo la velocità con cui la miscela ariacombustibile fluisce in camera di combustione aumenta. Di conseguenza, nella zona di sbocco della miscela ariacombustibile dal bruciatore, il campo di moto, la forma e la posizione della fiamma variano contribuendo a ridurre l’interazione tra la fiamma e i modi naturali di oscillazione dei flussi vorticosi.

Preferibilmente, il metodo secondo la presente invenzione prevede di ridurre la sezione di passaggio del canale anulare mediante la riduzione dell’estensione radiale della palette e l’inserimento di un elemento ostruttivo nel canale anulare; l’elemento ostruttivo essendo conformato in modo da ridurre la sezione di passaggio del canale anulare.

La dimensione e la geometria dell’elemento ostruttivo sono definiti in base alla tipologia e alle dimensioni del gruppo bruciatore in cui l’elemento ostruttivo deve essere alloggiato.

Secondo una prima forma di realizzazione l’elemento ostruttivo ha una forma sostanzialmente cilindrica.

Secondo una seconda forma di realizzazione l’elemento ostruttivo ha una forma sostanzialmente troncoconica.

In entrambe le forme di realizzazione, l’elemento ostruttivo riduce opportunamente la sezione di passaggio del canale anulare in modo da ridurre l’interazione tra la fiamma e i PVCs.

Preferibilmente, l’elemento ostruttivo à ̈ fissato al primo corpo in modo tale che l’elemento ostruttivo sia centrato sull’asse del gruppo bruciatore.

In questo modo, l’elemento ostruttivo à ̈ solidale al gruppo bruciatore e riduce la sezione di passaggio del canale anulare uniformemente in direzione radiale.

Preferibilmente, l’elemento ostruttivo si estende assialmente fino al bordo esterno del secondo corpo, quando alloggiato nel canale anulare. In questo modo il campo di moto, la forma e la posizione della fiamma variano opportunamente in modo da ridurre l’interazione tra la fiamma e i modi naturali di oscillazione dei flussi vorticosi (PVCs).

La presente invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano un esempio di attuazione non limitativo, in cui:

- la figura 1 Ã ̈ una vista laterale, sezionata longitudinalmente, di un gruppo bruciatore;

- la figura 2 Ã ̈ una vista laterale in sezione di un dettaglio della figura 1;

- la figura 3 Ã ̈ una vista prospettica in sezione di un gruppo bruciatore modificato in accordo ad una prima forma di attuazione del metodo secondo la presente invenzione;

- la figura 4 Ã ̈ una vista laterale in sezione di un gruppo bruciatore modificato in accordo ad una seconda forma di attuazione del metodo secondo la presente invenzione.

In figura 1, il numero di riferimento 1 indica nel suo complesso un gruppo bruciatore per alimentare combustibile, in particolare un gas, a una camera di combustione 2 di una turbina a gas, qui mostrata solo parzialmente. Il gruppo bruciatore 1 si estende lungo un asse A e comprende un bruciatore principale 3 periferico, un bruciatore pilota 5 centrale e un dispositivo di accensione 6 ad arco elettrico.

Il bruciatore principale 3 à ̈ del tipo a premiscelazione, à ̈ disposto attorno al bruciatore pilota 5 ed à ̈ provvisto di un dispositivo generatore di vortici o di turbolenza, denominato vorticatore o swirler e indicato con il numero 7.

Il vorticatore 7 à ̈ definito radialmente fra un corpo 8 e una parete 9 anulare sostanzialmente troncoconica. Il corpo 8 presenta una cavità assiale cilindrica e, verso l’esterno, ha anch’esso forma troncoconica. Il vorticatore 7 comprende, inoltre, una pluralità di palette 10, definenti tra loro rispettivi canali di flusso per convogliare, con andamento diagonale rispetto all’asse A, un flusso d’aria comburente verso la camera di combustione 2. Per questo motivo, il vorticatore 7 à ̈ anche definito vorticatore diagonale.

Il bruciatore principale 3 à ̈ accoppiato a una linea di alimentazione a premiscelazione o “premix†13. La linea premix 13 à ̈ definita per un tratto da un condotto che si estende lungo l’asse A e termina con un collettore anulare, ricavato nel corpo 8 e comunicante con i canali di flusso mediante passaggi ricavati nelle palette 10.

Il vorticatore 7 fornisce una miscelazione energica alla flusso di combustibile e di aria che si forma nei canali di flusso, con una quantità d’aria maggiore rispetto al rapporto stechiometrico teorico, per generare una fiamma a premiscelazione o “premix†in eccesso d’aria.

Il bruciatore pilota 5 si estende lungo l’asse A e comprende un primo corpo troncoconico 17 e un secondo corpo troncoconico 18 disposto attorno al primo corpo troncoconico 17 in modo da definire un canale anulare 19 avente una prima sezione di passaggio.

Il bruciatore pilota 5 comprende inoltre un vorticatore 20 di tipo assiale disposto lungo il canale anulare 19 e provvisto di una pluralità di palette 21, le quali si estendono radialmente tra il primo corpo tronco conico 17 ed il secondo corpo tronco conico 18.

Con riferimento alla figura 2, il primo corpo troncoconico 17 si estende attorno all’asse A ed à ̈ internamente cavo.

Una cavità assiale passante 23 attraversa il primo corpo troncoconico 17 e presenta, in successione lungo l’asse A, una prima porzione cilindrica avente diametro D1, una porzione troncoconica di raccordo e una seconda porzione cilindrica avente diametro D2, minore del diametro D1.

Il secondo corpo troncoconico 18, anch’esso cavo, à ̈ disposto attorno al primo corpo troncoconico 17, ed à ̈ ad esso coassiale. Inoltre, il secondo corpo troncoconico 18 à ̈ raccordato con la superficie esterna troncoconica del corpo 8 (vedi figura 1).

Un bordo anteriore 18a del secondo corpo troncoconico 18 Ã ̈ assialmente avanzato (con riferimento alla direzione di flusso della miscela aria-combustibile alimentata) rispetto ad un bordo anteriore 17a del primo corpo troncoconico 17.

Le palette 21 si estendono oltre il margine anteriore 17a del primo corpo troncoconico 17, fino al margine anteriore 18a del secondo corpo troncoconico 18. Pertanto, un bordo radialmente interno 23 delle palette 21 à ̈ per un tratto libero, mentre un bordo radialmente esterno 24 termina in prossimità del margine anteriore 18a del secondo corpo troncoconico 18.

Con riferimento alla figura 1, il bruciatore pilota 5 à ̈ accoppiato ad una linea di alimentazione pilota 25, definita, per un tratto, da un condotto anulare disposto attorno all’asse A.

La linea di alimentazione pilota 25 alimenta alla camera di combustione un primo flusso di combustibile per generare una fiamma pilota premiscelata a supporto della fiamma principale premiscelata, generata dal bruciatore principale 3.

Il dispositivo di accensione 6 à ̈ disposto almeno in parte all’interno del canale anulare 19 ed à ̈ alimentato da una linea elettrica 31.

Il gruppo bruciatore 1 comprende infine una lancia 32 per l’iniezione di un terzo flusso di combustibile nella camera di combustione 2. La lancia 32 à ̈ disposta assialmente e si trova all’interno della linea di alimentazione pilota 25. Il terzo flusso di combustibile può essere, ad esempio, gasolio oppure una miscela di gasolio e aria o gasolio e acqua.

Con riferimento alla figura 3, il metodo per modificare un gruppo bruciatore 1 secondo la presente invenzione prevede sostanzialmente di modificare la sezione di passaggio del canale anulare 19 definito dal primo corpo troncoconico 17 e dal secondo corpo troncoconico 18.

In particolare, il metodo secondo la presente invenzione prevede di ridurre la sezione di passaggio del canale anulare 19 attraverso un’operazione di riduzione dell’estensione radiale della palette 21 e l’inserimento di un elemento ostruttivo 30 nel canale anulare 19.

La riduzione dell’estensione radiale delle palette 21 viene effettuata asportando sostanzialmente il tratto libero del bordo radialmente interno 23 delle palette 21.

L’elemento ostruttivo 30 à ̈ sostanzialmente conformato in modo da ridurre la sezione di passaggio del canale anulare 19. In questo modo la velocità con cui la miscela aria-combustibile fluisce in camera di combustione aumenta. Di conseguenza, nella zona di sbocco della miscela ariacombustibile dal gruppo bruciatore 1, il campo di moto, la forma e la posizione della fiamma variano contribuendo a ridurre l’interazione tra la fiamma e i modi naturali di oscillazione dei flussi vorticosi (PVC).

In particolare, l’elemento ostruttivo 30 à ̈ dimensionato in base alla tipologia e alle dimensioni del gruppo bruciatore 1 sul quale deve essere installato.

Preferibilmente, la forma e le dimensioni dell’elemento ostruttivo sono determinati sperimentalmente.

In alternativa, la forma e le dimensioni dell’elemento ostruttivo possono essere determinate attraverso analisi numeriche basate su diversi parametri, quali ad esempio le perdite di carico complessive ammesse sul gruppo bruciatore, la tendenza della fiamma al distacco dal vorticatore (“blow-out†) e all’instabilità, la tendenza dell’elemento ostruttivo a surriscaldarsi, l’interazione PVCs-fiamma, etc. In particolare, la tendenza della fiamma all’instabilità può essere analizzata numericamente mediante analisi di tipo Large Eddy Simulation accoppiate ad analisi acustiche con specifiche Flame Transfer Function.

Nell’esempio non limitativo illustrato in figura 3, l’elemento ostruttivo 30 ha una forma sostanzialmente cilindrica ed à ̈ alloggiato nel bruciatore principale 5 in modo tale da essere centrato sull’asse A del gruppo bruciatore 1.

In particolare, l’elemento ostruttivo 30 à ̈ fissato al bordo anteriore 17a del primo corpo troncoconico 17 e si estende assialmente fino al bordo anteriore 18a del secondo corpo troncoconico 18.

Preferibilmente, l’elemento ostruttivo 30 à ̈ saldato al bordo anteriore 17a.

Nell’esempio non limitativo di figura 3, il diametro interno dell’elemento ostruttivo 30 à ̈ pari al diametro D2 della seconda porzione cilindrica della cavità assiale passante 23 che attraversa il primo corpo troncoconico 17.

In figura 4 Ã ̈ illustrata una seconda forma di realizzazione di un elemento ostruttivo 35. Tale forma di realizzazione consente di ottenere una maggiore riduzione della sezione di passaggio del canale anulare 19.

In dettaglio, l’elemento ostruttivo 35 ha una forma sostanzialmente troncoconica e presenta un bordo posteriore 36 avente un primo diametro ed un bordo anteriore 37 avente un secondo diametro, maggiore del primo diametro.

L’elemento ostruttivo 35 à ̈ alloggiato nel bruciatore principale 5 in modo tale da essere centrato sull’asse A del gruppo bruciatore 1.

In particolare, il bordo posteriore 36 dell’elemento ostruttivo 35 à ̈ fissato al bordo anteriore 17a del primo corpo troncoconico 17. L’elemento ostruttivo 35 si estende assialmente sostanzialmente fino al bordo anteriore 18a del secondo corpo troncoconico 18. Preferibilmente, l’elemento ostruttivo 35 à ̈ saldato al bordo anteriore 17a.

Nell’esempio non limitativo di figura 4, il diametro interno del bordo posteriore 36 dell’elemento ostruttivo 35 à ̈ pari al diametro D2 della seconda porzione cilindrica della cavità assiale passante 23 che attraversa il primo corpo troncoconico 17.

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo per modificare un gruppo bruciatore (1) di una turbina a gas; il gruppo bruciatore (1) estendendosi lungo un asse (A) e comprendendo un bruciatore principale (3) a premiscelazione e un bruciatore pilota (5), attorno al quale à ̈ disposto il bruciatore principale (3); il bruciatore pilota (5) comprendendo un vorticatore (20), un primo corpo (17) ed un secondo corpo (18), disposto attorno al primo corpo (17) in modo da definire un canale anulare (19) avente una prima sezione di passaggio; il vorticatore (20) essendo disposto lungo il canale anulare (19) e comprendendo una pluralità di palette (21) le quali si estendono radialmente tra il primo corpo (17) ed il secondo corpo (18); il metodo comprendendo la fase di ridurre la sezione di passaggio del canale anulare (19).
2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui la fase di ridurre la sezione di passaggio del canale anulare (19) comprende le fasi di:  ridurre radialmente le dimensioni delle palette (21);  alloggiare un elemento ostruttivo (30; 35) nel canale anulare (19); l’elemento ostruttivo (30; 35) essendo conformato in modo da ridurre la sezione di passaggio del canale anulare (19).
3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 2, in cui la fase di ridurre radialmente le dimensioni delle palette (21) comprende la fase di asportare sostanzialmente un tratto di un bordo radialmente interno (23) di ciascuna paletta (21).
4. 4. Metodo secondo la rivendicazione 2 o 3, comprendente la fase di definire la dimensione e la geometria dell’elemento ostruttivo (30; 35) in base alla tipologia e alle dimensioni del gruppo bruciatore (1) in cui l’elemento ostruttivo deve essere alloggiato (30; 35).
5. 5. Metodo secondo la rivendicazione 4, in cui la fase di definire la dimensione e la geometria dell’elemento ostruttivo (30; 35) comprende la fase di definire la dimensione e la geometria dell’elemento ostruttivo (30; 35) mediante prove sperimentali.
6. 6. Metodo secondo la rivendicazione 4, in cui la fase di definire la dimensione e la geometria dell’elemento ostruttivo (30; 35) comprende la fase di definire la dimensione e la geometria dell’elemento ostruttivo (30; 35) mediante analisi numerica.
7. 7. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 2 a 6, in cui l’elemento ostruttivo (30) ha una forma sostanzialmente cilindrica.
8. 8. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 2 a 7, in cui l’elemento ostruttivo (35) ha una forma sostanzialmente troncoconica.
9. 9. Metodo secondo la rivendicazione 7 o 8, in cui la fase di alloggiare un elemento ostruttivo (30; 35) nel canale anulare (19) comprende la fase di fissare l’elemento ostruttivo (30; 35) al primo corpo (17) in modo che l’elemento ostruttivo (30; 35) sia centrato sull’asse (A) del gruppo bruciatore (1).
10. 10. Metodo secondo la rivendicazione 9, in cui la fase di fissare l’elemento ostruttivo (30; 35) al primo corpo (17) comprende la fase di saldare l’elemento ostruttivo (30; 35) al primo corpo (17).
11. 11. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 2 a 10, in cui l’elemento ostruttivo (30; 35) si estende assialmente fino al bordo esterno (18a) del secondo corpo (18), quando alloggiato nel canale anulare (19).