ITTO20070193A1 - Bruciatore premix di una turbina a gas, in particolare per una microturbina - Google Patents

Description

D E S C R I Z I O N E

La presente invenzione è relativa ad un bruciatore premix di una turbina a gas, del tipo descritto in US 6,374,615 su cui si basa il preambolo della rivendicazione 1.

Com'è noto, nei bruciatori premix il gas combustibile e l'aria comburente vengono miscelati tra loro prima dell'ingresso nella camera di combustione con un forte eccesso d'aria rispetto al rapporto stechiometrico), allo scopo di mantenere basse le emissioni di ossidi di azoto allo scarico.

Sono sentite le esigenze di realizzare un bruciatore premix per microturbine, ossia turbine che azionano generatori dì energia elettrica di potenza tra 10 e 500 kW, e di utilizzare come gas combustibile un gas a basso potere calorifico, ad esempio un gas di sintesi (syngas) che deriva da processi di gasificazione di biomasse, di residui di processo di raffineria (asfalti, olii pesanti), o di carbone (il potere calorifico di tale gas potrebbe essere pari ad un quinto rispetto al potere calorifico del gas naturale) . In particolare, è sentita l'esigenza di utilizzare gas combustibili a basso potere calorifico aventi un'alta percentuale di idrogeno senza provocare inconvenienti nella combustione, quali ad esempio autoaccensione o ritorni di fiamma.

Scopo della presente invenzione è quello di realizzare un bruciatore premix di una turbina a gas, il quale consenta di assolvere in maniera semplice ed economica alle esigenze sopra esposte.

Secondo la presente invenzione viene realizzato un bruciatore premix di una turbina a gas comprendente :

un condotto anulare principale ed un condotto anulare secondario concentrici tra loro rispetto ad un asse longitudinale ed aventi rispettivi ingressi per aria comburente e rispettive uscite assiali sfocìanti, in uso, in una camera di combustione; il condotto anulare principale comprendendo un tratto iniziale radiale rispetto al detto asse longitudinale ed alloggiante una palettatura generatrice di vortici;

una linea principale per alimentare gas combustibile nel detto condotto anulare principale in modo da generare una fiamma premix nella detta camera di combustione;

una linea secondaria per alimentare gas combustibile e generare una fiamma a diffusione con l'aria comburente del detto condotto anulare secondario;

caratterizzato dal fatto che la detta linea principale comprende primi tubi alloggiati nel detto condotto anulare principale attorno al detto asse longitudinale ed a valle della detta palettatura, ed aventi, ciascuno, almeno un foro di uscita avente una componente radiale rispetto all'asse del primo tubo.

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

la figura 1 mostra, in prospettiva e con parti in spaccato, una preferita forma di attuazione del bruciatore premix di una turbina a gas secondo la presente invenzione; e

la figura 2 è una sezione secondo un piano radiale, in scala ingrandita, del bruciatore di figura 1.

In figura 1, con 1 è indicato, nel suo complesso, un bruciatore (illustrato con parti in spaccato) per una turbina a gas definita da una microturbina (non illustrata) . Il bruciatore 1 produce una fiamma premix in una camera 2 di combustione, si estende lungo un asse 3 rettilineo, coassialmente alla camera 2, e comprende una piastra 4, la quale è sostanzialmente circolare, è ortogonale all'asse 3, e porta, su una propria faccia 5 frontale, un condotto 7 anulare.

Il condotto 7 ha un ingresso 8 radiale, attraverso il quale entra aria comburente; ed un'uscita 9 sostanzialmente assiale, attraverso la quale una miscela di gas combustibile e di aria comburente sfocia nella camera 2.

Con riferimento alla figura 2, Il condotto 7 comprende un tratto 10 iniziale, il quale si estende radialmente verso l'asse 3 a partire dall'ingresso 8 ed è definito da un anello 11 intercambiabile, costituito preferibilmente da due semi-anelli accostati tra loro in direzione radiale. L'anello 11 comprende due piastre 13,14 anulari parallele alla piastra 4 ed una palettatura 12, denominata generalmente "swirler", la quale è interposta assialmente tra le piastre 13,14, è formata da pale cosiddette "sottili" e conferisce una componente tangenziale e, quindi, un moto vorticoso all'aria comburente. Il condotto 7 comprende poi un tratto 15 intermedio conformato a gomito ed un tratto 16 finale che termina in corrispondenza dell'uscita 9 e definisce un percorso medio convergente verso l'asse 3. I tratti 15 e 16 sono definiti da due pareti 17 e 18 affacciate tra loro ed aventi superfici interne che si estendono a prolungamento di quelle delle piastre 13,14. La piastra 13 e la parete 17 sono accostate tra loro e sono disposte in appoggio sulla faccia 5, mentre la parete 18 termina con una aletta 21 anulare che riveste la piastra 14.

La piastra 4 supporta un cilindro 22 centrale, il quale termina con una porzione 23 conica divergente rispetto all'asse 3 e definente un cosiddetto "flame holder". L'interno del cilindro 22 è vuoto, ma potrebbe eventualmente alloggiare una lancia per olio combustibile da utilizzare in alternativa al gas combustibile.

Il cilindro 22, la parete 17 e la piastra 4 delimitano tra loro un condotto 24 anulare, il quale è concentrico al condotto 7, riceve aria comburente attraverso fori 25 ricavati lungo una circonferenza attraverso la piastra 4, ha un'uscita 26 anulare assiale disposta a filo con l'uscita 9, ed alloggia l'estremità 28 di un dispositivo 29 di accensione che si estende attraverso la piastra 4. In particolare, l'estremità 28 è arretrata assialmente rispetto all'uscita 26, per cui sostanzialmente non viene lambita da fumi caldi. Per di più, l'aria che fluisce nel condotto 24 raffredda automaticamente l'estremità 28.

Con riferimento alle figure allegate, il bruciatore 1 comprende due linee 31,32 di alimentazione di gas combustibile comprendenti rispettivi collettori 33,34, i quali ricevono il gas da rispettive tubazioni 35,36.

I collettori 33,34 sono disposti assialmente in appoggio sulla piastra 4, dalla parte opposta rispetto alla faccia 5, sono concentrici tra loro, sono fissati alla piastra 4 in modo non illustrato, e definiscono radialmente tra loro uno spazio 37 in cui fluisce l'aria comburente verso i fori 25.

II collettore 33 è radialmente esterno rispetto al collettore 34 e comunica con il condotto 7 tramite una pluralità di canali 38 definiti da rispettivi tubi 39, i quali sono angolarmente equi-spaziati tra loro attorno all'asse 3, sono disposti a valle della palettatura 12, sono fissi rispetto al collettore 33, e si estendono attraverso la piastra 4 e la parete 17 lungo rispettivi assi 40 paralleli all'asse 3. I canali 38 sono assialmente ciechi, in quanto i tubi 39 terminano contro la parete 18, e hanno rispettive uscite definite, per ciascun tubo 39, da una serie di fori 41 (figura 2) assialmente allineati tra loro e diretti radialmente verso l'asse 3.

Il gas uscente dai fori 41 si miscela con l'aria del condotto 7 e provoca la fiamma premix. Il condotto 7 definisce un ugello convergente avente una dimensione, lungo l'asse 3, compresa tra il 85% e il 95% dell'intera dimensione assiale del condotto 7. Solamente un tratto finale del condotto 7 non definisce parte del suddetto ugello convergente; tale tratto finale ha una dimensione, lungo l'asse 3, pari alla restante parte del condotto 7 (ad esempio pari a 5 millimetri).

Nel suddetto ugello convergente, la dimensione della sezione trasversale di passaggio (ricavata ortogonalmente al percorso medio del fluido tra le superfici interne del condotto 7) diminuisce progressivamente a partire dall'ingresso 8. L'aria e, poi, la miscela di aria e gas vengono accelerate progressivamente fino al tratto finale del condotto 7, dove la sezione trasversale di passaggio ha un'area costante oppure è divergente. In tal modo, una eventuale espansione della miscela è limitata al tratto finale del condotto 7, che è estremamente breve, per cui si evitano fenomeni di surriscaldamento delle pareti 17,18 nel tratto 16 e sperimentalmente si riscontrano vantaggi di tipo fluidodinamico nel flusso della miscela entrante nella camera di combustione.

L'accelerazione del fluido e, quindi, il profilo del condotto 7 sono stabiliti a priori in modo da fornire alla miscela in corrispondenza dell'uscita 9 una velocità assiale maggiore della velocità di ritorno di fiamma ed in modo da avere un tempo di percorrenza nel condotto 7 della miscela minore del tempo di auto-accensione della miscela stessa.

Il collettore 34, invece, è disposto lungo l'asse 3, ha un recesso 43 laterale per il passaggio del dispositivo 29 e comunica con la camera 2 tramite una pluralità di tubi 44, i quali sono angolarmente equi-spaziati tra loro attorno all'asse 3, sono fissi rispetto al collettore 34, sono disposti radialmente tra i fori 25 e il cilindro 22, e si estendono attraverso la piastra 4 e nel condotto 24 lungo rispettivi assi 45 paralleli all'asse 3.

Il gas uscente dai tubi 44 e l'aria comburente uscente dal condotto 24 generano una fiamma a diffusione, la quale viene utilizzata come fiamma pilota per stabilizzare la fiamma premix, per l'accensione del bruciatore 1 e per i carichi parziali. In particolare, i tubi 44 hanno rispettive uscite 46 assiali che sono disposte a filo con l'uscita 26, per cui non è prevista alcuna pre-camera di combustione per la fiamma a diffusione. Si evitano così sistemi di raffreddamento aggiuntivi che sarebbero necessari per tale pre-camera.

In uso, è possibile utilizzare nel bruciatore 1 anche un gas combustibile definito da un gas a basso potere calorifico, ad esempio un gas di sintesi, avente una percentuale di idrogeno relativamente elevata, senza provocare inconvenienti nella combustione. In particolare, è possibile convertire il bruciatore 1 per potere utilizzare gas combustibili di potere calorifico diverso tra loro in base alla disponibilità: in particolare, è necessario sostituire la palettatura 12 e/o i tubi 39. Per eseguire tale sostituzione, il bruciatore 1 viene smontato in maniera relativamente semplice allontanando assialmente la piastra 4 dal condotto 7 (di conseguenza sfilando i tubi 39 dal condotto 7) e rimuovendo l'anello 11 dalla restante parte del condotto 11. In altre parole, il bruciatore 1 può essere montato e smontato in maniera relativamente semplice grazie alle caratteristiche e alla posizione della piastra 4 e dell'anello 11, per cui il bruciatore 1 e, quindi, le caratteristiche della combustione possono essere adattate alle caratteristiche del gas combustibile disponibile in ingresso.

Utilizzando gas combustibile ad alto tenore di idrogeno, il profilo del condotto 7 e la configurazione dei tubi 39 consentono di evitare fenomeni indesiderati di combustione. I tubi 39 sono collocati in una zona dove le scie sono praticamente irrilevanti, per cui le perdite di carico risultano basse nella zona di immissione del gas. Inoltre, il fatto di avere la palettatura 12 disposta a monte dei tubi 39 ed il fatto di prevedere fori 41 con una componente radiale rispetto agli assi 40 consentono di miscelare in maniera ottimale il gas combustibile nel condotto 7 con l'aria comburente proveniente dall'ingresso 8, dopo aver impostato in maniera opportuna il diametro, il numero e la posizione dei fori 41. Nel contempo, la configurazione delle uscite 9, 26 e 46 evitano l'ingresso di fumi caldi nei condotti 24 e 7.

Inoltre, è evidente come il bruciatore 1 abbia dimensioni contenute e, quindi, possa essere utilizzato anche per microturbine.

Da quanto precede appare, infine, evidente che al bruciatore 1 descritto con riferimento alle figure allegate possono essere apportate modifiche e varianti che non esulano dal campo di protezione della presente invenzione come definito dalle rivendicazioni allegate.

In particolare, i profili dei condotti 7 e 24 potrebbero essere diversi da quelli illustrati.

Claims (1)

1. R I V E N D I C A Z I O N I 1.- Bruciatore (1) premix di una turbina a gas comprendente: - un condotto anulare principale (7) ed un condotto anulare secondario (24) concentrici tra loro rispetto ad un asse longitudinale (3) ed aventi rispettivi ingressi (8,25) per aria comburente e rispettive uscite assiali (9,26) sfocianti, in uso, in una camera di combustione (2); il condotto anulare principale (7) comprendendo un tratto iniziale (10) radiale rispetto al detto asse longitudinale (3) ed alloggiante una palettatura (12) generatrice di vortici; una linea principale (31) per alimentare gas combustibile nel detto condotto anulare principale (7) in modo da generare una fiamma premix nella detta camera di combustione (2); una linea secondaria (32) per alimentare gas combustibile e generare una fiamma a diffusione con l'aria comburente del detto condotto anulare secondario (24); caratterizzato dal fatto che la detta linea principale (31) comprende primi tubi (39) alloggiati nel detto condotto anulare principale (7) attorno al detto asse longitudinale (3) ed a valle della detta palettatura (12), ed aventi, ciascuno, almeno un foro di uscita (41) avente una componente radiale rispetto all'asse (40) del primo tubo (39). 2.- Bruciatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il detto condotto anulare principale (7) comprende: un ugello convergente estendentesi a partire dall'ingresso (8) del detto condotto anulare principale (7) ed avente una dimensione, lungo il detto asse longitudinale (3), compresa tra il 85% e il 95% dell'intera dimensione assiale del detto condotto anulare principale (7); e un tratto finale diverso da un ugello convergente ed avente una dimensione, lungo il detto asse longitudinale (3), pari alla restante parte dell'intera dimensione assiale del detto condotto anulare principale (7). 3.- Bruciatore secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che i detti primi tubi (39) sono alloggiati nel detto tratto iniziale (10) e hanno rispettivi assi (40) rettilinei paralleli al detto asse longitudinale (3). 4.- Bruciatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che ciascun detto primo tubo (39) ha una pluralità di fori di uscita (41) allineati assialmente tra loro. 5.- Bruciatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il detto foro di uscita (40) è diretto verso il detto asse longitudinale (3). 6.- Bruciatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la detta linea secondaria (32) comprende secondi tubi (44) angolarmente distanziati tra loro rispetto al detto asse longitudinale (3), aventi rispettive uscite assiali (46) disposte a filo con l'uscita (26) del detto condotto anulare secondario (24), ed alloggiati nel detto condotto anulare secondario (24). 7.- Bruciatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere una piastra (4) portante il detto condotto anulare principale, attraversata dai detti primi tubi (39) e definente assialmente il detto condotto anulare secondario (24). 8.- Bruciatore secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che l'ingresso (25) del detto condotto anulare secondario (24) è distinto da quello (8) del detto condotto anulare principale (7) ed è ricavato attraverso la detta piastra (4). 9.- Bruciatore secondo la rivendicazione 7 o 8, caratterizzato dal fatto che la detta linea principale (31) e la detta linea secondaria (32) comprendono rispettivi collettori (33,34) concentrici tra loro e disposti assialmente in appoggio contro la detta piastra (4), dalla parte assiale opposta rispetto al detto condotto anulare principale (7). 10.- Bruciatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 7 a 9, caratterizzato dal fatto che la detta palettatura (12) costituisce parte di un anello intercambiabile (11) accoppiato alla detta piastra (4).