Camere di Combustione per Turbine a Gas
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- Cristina Bertoni
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1 Camere di Combustione per Turbine a Gas 1. Combustione: Concetti base 2. Descrizione Generale delle Camere di Combustione per Turbine a Gas 2. Formazione e Tecniche di Abbattimento degli Inquinanti 3. Formazione e Tecniche di Abbattimento degli Inquinanti (cont.) Impianti per l energia
2 Principali Caratteristiche di un Combustore GT Diversamente dei sistemi di combustione tradizionali i combustori per Turbine a Gas hanno la particolarità di operare con: elevate temperature in ingresso; alta pressione; flusso in ingresso (proveniente dal compressore) ad alta velocità; Le principali caratteristiche di un combustore GT sono: Elevata efficienza di combustione Sistema di accensione affidabili Ampio limite di stabilità Basse perdite di carico Adeguato profilo di temperatura (patern factor) alla uscita della camera Basse emissioni Multifuel design
3 Evoluzione Layout e Sistema Aduzione Aria Combustore anulare contro-corrente Combustore tubolare (single can) co-corrente
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5 La scelta di un particolare layout dipende essenzialmente dalla necessità di ottimizzare lo spazio disponibile. 1.Tubolare: Liner e casing cilindrici concentrici. Più semplice e economico. Facile accesso e manutenzione. Più lungo e pesante. 2.Tuboanulare: Unico casing anulare. Aumento della compattezza associata a elevata resistenza meccanica. Necessità di interconnettori. 3.Anulare Liner e casing anulari e concentrici. Maggiore compattezza e minori perdite di carico. Minore resistenza meccanica. Tipi di Combustori 1 3 2
6 Combustore Tubolare Single can Multi can Liner Impianti per l energia Liner casing Combustore ARI100, mgt 100kWe casing
7 Combustore Tuboanulare Interconnettore
8 Combustore Anulare Combustore anulare RR211 (Rolls Royce)
9 Si possono distinguere tre zone principali in un combustore: Zona Primaria: Dove è ancorata la fiamma; Zona Intermedia: Ulteriore ossidazione degli incombusti e CO; Zona di Diluizione: Abbassamento della temperatura e determinazione del patern factor.
10 Funzione della zona primaria: Ancorare la fiamma; Fornire tempo sufficiente, temperatura e turbolenza per una combustione completa; Tale è conseguito mediante la creazione di un ricircolo toroidale: Swirler; Iniezione di aria tramite dei fori posizionati a monte sul liner. L obbiettivo è ricircolare parte dei prodotti caldi della combustione, fornendo la temperatura necessaria per l accensione della miscela fresca all uscita del bruciatore. Zona Primaria
11 T 2000K Zona Intermedia Reazioni di dissociazione (CO) Raffreddamento brusco Congelamento delle concentrazioni Zona Intermedia Abbassamento della temperatura fino ad un livello intermedio e aggiunta di piccole quantità di aria Permettere la completa ossidazione degli incombusti e del CO
12 Zona di Diluizione Adduzione della aria restante dalla combustione e del sistema di raffreddamento. La diluizione dei prodotti della combustione deve essere in grado di fornire un profilo di temperatura adeguato alle condizione di funzionamento della turbina. La qualità del profilo di temperatura all uscita della camera è misurata tramite il Patern Factor. PF T T max 4 T T Blade span % 0 T 3 T 4
13 Principali Componenti di un Combustore Burner
14 Diffusore Velocità uscita compressore ~ 170m/s!!! Obbiettivo: Conversione della pressione dinamica in pressione statica. Flusso stabile e uniforme al ingresso del combustore. Coefficiente di pressione: C p p 2 p 1 q 1 Efficienza diffusore (0.5 ~0.9): C p C pideale
15 Diffusori: Possibili Configurazioni
16 Componente fondamentale della camera di combustione, è attraverso il bruciatore che vengono forniti (e preparati) i reagente per la combustione nella zona primaria. Bruciatore Il bruciatore normalmente include: Sistema di stabilizzazione di fiamma: Swirler Flameholder Sistema iniezione combustibile Premiscelato Diffusione Liquido, gas o ibrido
17 Bruciatore: Swirler (1) Ricircolo dei prodotti della combustione dovuto al fenomeno di vortex breakdown. Aumento della intensità di turbolenza Aumento della rapidità di mixing L intensità del ricircolo può essere misurata tramite il numero di swirl. Per ottenere un forte ricircolo il numero de swirl > 0.6. Impianti per l energia Swirler assiale Swirler radiale G 2 S N m D SW G t S N 1 D D int int D D est est 3 2 tan G m : flusso assiale del momento angolare G x : flusso assiale del momento
18 Bruciatore: Swirler (2) Valori tipici per i parametri di progetto: 1. Angolo palettatura : Spessore pala t: mm 3. Numero di pale n: Perdita di carico p: 2-3% p 3 Swirler assiale Swirler radiale
19 Bruciatore: Swirler (3)
20 Bruciatore: Sistema di Iniezione Combustibile Liquido (1) Atomizzazione del combustibile in piccole gocce. Mixing combustibile aria Evaporazione del combustibile Principali caratteristiche di un iniettore sono: Diametro delle gocce (SMD); Distribuzione delle gocce al interno della camera; Tipi di iniettori: Pressure atomization: Sotto l azione di un alta pressione dentro l iniettori, il liquido è forzato attraverso un piccolo orifizio, dove esce ad alta velocità. Il combustibile esce sotto la forma di un getto o un sottile foglio, con una componente di velocità assiale e/o di swirl. Twin-fluid atomization (airblast): aria o vapore ad alta velocità fluisce tangenzialmente a un liquido a bassa velocità. I principali tipi di airblast atomizer sono: plain-jet e prefilming atomizer.
21 Bruciatore: Sistema di Iniezione Combustibile Liquido (2) Pressure atomization Twin-fluid atomization Plain-jet Prefilming atomizer Piloted airblast
22 Bruciatore: Sistema di Iniezione Combustibile Gas In generale i combustibile gassosi non hanno bisogno di una preparazione prima della combustione. Il loro stato è già in condizione di mixing molecolare con la aria primaria. L iniettore ha lo scopo di distribuire il combustibile per aumentare la velocità di mixing. Il combustibile gassoso più comune è il gas naturale Principali parametri di disegno: 1.Coefficiente di scarico e portata 2.Caduta di pressione nell iniettore 3.Range di operazione 4.Velocità del getto di combustibile 5.Angolo del getto e rispettiva direzione
23 Liner Durante il processo di dimensionamento del liner, i parametri più importanti sono: Dimensione caratteristiche (diametro e lunghezza); Sistema di raffreddamento delle parete del liner; Sistema di diluizione dei prodotti della combustione
24 Sistemi di Raffreddamento delle Parete del Liner Possibili configurazioni di film cooling Sistemi alternativi 1 1. Impingement 2. Transply 2
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