Fluidodinamica e Macchine

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1 Lucidi del corso di Fluidodinamica e Macchine Camere di combustione per turbine a gas Prof. F. Martelli Ing. A. Cappelletti Pagina 1

2 Sommario Argomenti: Generalità sulle camere di combustione per turbine a gas Tipologie Componenti Diffusore (tipologie e perdite) Swirler (tipologie e perdite) Zona primaria Zona secondaria Zona di diluizione Efficienza di combustione Pagina 2

3 Combustore e il ciclo Brayton Scopo: Innalzare la temperatura del flusso punti 2->3 La combustione avviene idealmente a pressione costante (2->3 isobara) Sono presenti delle piccole perdite di carico (esistenza del punto 3 ) Pagina 3

4 Schema combustore Rilascio di un input termico a pressione costante Pagina 4

5 Schema combustore air/fuel ratio macchina troppo alto -> separare il flusso Velocità del flusso deve essere limitata -> aumentare la sez. passaggio Distribuzione aria lungo il percorso -> divisione in zone Pagina 5

6 Combustore e Turbina a Gas Pagina 6

7 Requisiti combustori I principali requisiti delle camere di combustione per TAG sono Alta efficienza di combustione Accensione rapida ed affidabile Limiti di stabilità molto ampi Assenza di fenomeni di instabilità aerodinamica Perdite di pressione minime Distribuzione di temperatura uniforme nei gas all uscita del combustore Basse emissioni inquinanti Progettazione indirizzata verso costi minimi di produzione e manutenzione Rispetto degli ingombri imposti dagli altri componenti Elevata affidabilità e vita di esercizio Possibilità di utilizzare vari combustibili Pagina 7

8 Requisiti combustori Gli impianti propulsivi presentano i seguenti problemi: Limitazioni sul peso richiedono che l impianto sia più semplice possibile Motivi di sicurezza: l accensione della miscela e l avviamento devono essere consentiti in tutte le condizioni minore rapporto aria/combustibile nella zona primaria Tre regimi di funzionamento: a riposo (riscaldamento), alla massima potenza (decollo) e in regime di crociera (volo) con variazioni limitate per i cambiamenti di quota. La scelta dei combustibili è limitata ad alcuni combustibili liquidi, Pagina 8

9 Requisiti combustori Gli impianti industriali presentano i seguenti vantaggi: Qualsiasi modifica che consenta aumento di potenza, del rendimento o diminuzione delle emissioni inquinanti può essere adottata; Il regime di funzionamento è circa costante dopo l avviamento; Non vi sono motivi di sicurezza particolari per il limite di accensione e la riaccensione; Si possono utilizzare tutti i combustibili (liquidi e gassosi) Libertà di scelta della locazione più opportuna per l impianto Pagina 9

10 Componenti dei combustori L introduzione di un tratto diffusore a monte e successivo convergente consente l allargamento della sezione e la necessaria riduzione di velocità (non ancora sufficiente per stabilizzare la fiamma, la cui velocità di propagazione è generalmente molto bassa) (diffusore). Introducendo un corpo non aereodinamico (bluff-body) si crea una zona a bassa velocità che permette l ignizione e la propagazione della fiamma. Tuttavia, gli elevati rapporti aria-combustibile portano a realizzare una zona in cui la miscela sia approssimativamente stechiometrica per migliorare la stabilità di fiamma e diminuire le emissioni inquinanti. L aria in eccesso viene poi miscelata a valle della zona di combustione. Pagina 10

11 Componenti dei combustori La presenza di un liner forato consente di distinguere la zona di combustione dalla zona esterna e serve per la refrigerazione. Il liner è forato per permettere passaggio di aria dalla zona esterna alla zona di combustione e realizzare la composizione voluta. Lo swirler è utilizzato per fornire un moto tangenziale al flusso d aria così da creare una zona di ricircolazione e dare maggiore stabilità alla fiamma. Concentrico con lo swirler c è l alloggiamento dell ugello iniettore. Si possono distinguere tre zone: Primaria: a stechiometria circa unitaria, con maggiore rilascio termico Secondaria: per completare la combustione Diluizione: congelamento della reazione e provvedere un adeguato mix all aria Pagina 11

12 Tipologie camere di combustione Pagina 12

13 Tipologie camere di combustione Camere di combustione tubolari Pagina 13

14 Tipologie camere di combustione Camere di combustione tubolari Pagina 14

15 Tipologie camere di combustione ANULARE: minori problemi di distribuzione di temperatura in uscita (ingresso turbina) Pagina 15

16 Tipologie camere di combustione TUBOANULARE: gli elementi sono interconnessi in caso di flame-out. Pagina 16

17 Tipologie camere combustione Combustione a stadi: Consiste nel dividere l immissione del combustibile in più ugelli nella zona primaria e regolarli in modo che ai bassi regimi solo alcuni ugelli siano in funzione alla loro massima capacità. I tipi di immissione possibili sono: Circonferenziale: gli ugelli sono su una circonferenza. E adatta per combustori tuboanulari e anulari, ma l effetto di raffreddamento dell aria circostante penalizza le emissioni. Radiale: due gruppi di iniettori sono posti al centro e in posizione periferica. Ai bassi regimi, vengono attivati solo quelli in posizione periferica. Assiale: la zona primaria è progettata per i bassi regimi, mentre l iniezione si verifica a valle della zona primaria (ancora in fase di studio). Pagina 17

18 Tipologie camere combustione Combustione a stadi Pagina 18

19 Tipologie camere combustione Combustione a stadi Pagina 19

20 Tipologie camere combustione Combustione con premiscelamento e prevaporizzazione del combustibile: La completa vaporizzazione del combustibile ed il suo miscelamento avvengono prima dell accensione. Si eliminano sia i punti cali che favoriscono la formazione degli Nox che i punti freddi che favoriscono la formazione di CO e HC. Un problema è il tempo di residenza del combustibile ad alta temperatura prima che avvenga l accensione: si possono infatti avere ritorni di fiamma e auto accensioni. Pagina 20

21 Tipologie camere combustione Combustione con premiscelamento e prevaporizzazione del combustibile Pagina 21

22 Tipologie camere combustione Sistemi per premiscelamento del combustibile Pagina 22

23 Tipologie camere di combustione Combustori reverse-flow (impianti terrestri) Riduzione distanza compressore-turbine Efficiente utilizzazione del volume disponibile Facilità di manutenzione (facile accesso al combustore, non essendo integrato nella macchina) Riduzione area frontale Elevato rapporto superficie-volume Refrigerazione liner Disuniformità flusso inner/outer annulus Distribuzione aria Pagina 23

24 Tipologie camere di combustione Geometria variabile: Variazione della portata all ingresso per i vari regimi di funzionamento, così da essere sempre vicini alle condizioni ottimali. SEMPLICITÀ DI REGOLAZIONE Max potenza: incremento di aria della zona di reazione Min potenza: la portata di aria viene deviata nella zona di diluizione CONTROLLO EMISSIONI A TUTTI I CARICHI MAGGIORE COMPLESSITA MAGGIORE COSTO Pagina 24

25 Tipologie camere di combustione COMBUSTIONE CATALITICA BASSE TEMPERATURE (1000K) COMBUSTIONE PREMISCELATA POVERA RISTRETTO RANGE PER PROBLEMA AVVIAMENTO ED AUTOACCENSIONE MAGGIORE PESO MAGGIORE COSTO Pagina 25

26 Diffusore (1/4) E necessario per rallentare il flusso e stabilizzare la fiamma Forme per diffusore Requisiti per diffusore M inlet diff= p/pinlet=1% p0= 30-40% p0 totale M outlet diff= Pagina 26

27 FAIRED DIFFUSER Diffusore (2/4) - Tipologie ANNULAR DUMP DIFFUSER Aerodinamico: graduale rallentamento della vena Basse perdite di pressione Maggiore ingombro Sensibilità alle condizioni di ingresso Sfrutta il rallentamento per il bloccaggio offerto dallo snout Perdite di pressione molto più elevate Minore ingombro e minore peso Flusso più stabile Poco sensibile alle condizioni di ingresso Pagina 27

28 MULTIPLE PASSAGE Diffusore (3/4) - Tipologie VORTICE CONTROLLATO Lunghezza ridotta Basse perdite di pressione Basse perdite di pressione Bassi ingombri assiali Pagina 28

29 Diffusore (4/4) Perdite Per il dimensionamento di un diffusore, le perdite di pressione sono funzione di: Condizioni di moto Del rapporto fra le aree Del rapporto fra la lunghezza del diffusore e la sua altezza Inoltre si possono considerare gli effetti del profilo di velocità in ingresso e il livello di turbolenza Pagina 29

30 Perdite in camera di combustione Le perdite di pressione in camera di combustione sono legate ad effetti aerodinamici e al riscaldamento (perdite calde Rayleight). Queste ultime sono però trascurabili rispetto alle altre. m 2 Definendo U inlu ref ref qref inl Aref 2 pinl out p overall pressure loss (4 10%) inl out pressure loss factor Costante del gas pinl q p inl p inl out p q inl ref ref out R mt 0.5 inl 2 Aref pinl 2 p q inl ref out p q diffuser ref p q liner ref 30-40% 60-70% Pagina 30

31 Swirler (1/4) Lo swirler è utilizzato per dare al flusso una componente tangenziale per garantire maggiore stabilità alla fiamma aumentando il mixing (v=10m/s) Pagina 31

32 Swirler (2/4)-Influenza sulla zona di Palette piane/curve ricircolazione Aumento numero vani Aumento angolo di deviazione Riduzione AR Pagina 32

33 NUMERO DI SWIRL Swirler (3/4)-Numero di swirl S N 2 G Gtang MOMENTO TANGENZIALE D sw tan G ax Gax MOMENTO ASSIALE RICIRCOLAZIONE S N 0. 6 S N D ( D ( hub hub D D SW SW ) ) 3 2 tan ( costante per swirler anulari; =30-60 ) Pagina 33

34 Swirler(4/4) Perdite In generale =30-60 spessore= mm N pale=8-16 m m r sw m m r sw Sn Perdite di pressione nello swirler al variare dell angolo, della forma e del numero delle pale Pagina 34

35 Stabilizzazione della fiamma Configurazione zona primaria Requisiti zona di reazione 1. Stabilità di fiamma 2. Elevato rilascio di calore Pagina 35

36 Stabilizzazione della fiamma Bluff body Sono corpi non aereodinamici che creano un arresto del fluido e una zona di ricircolo che consente una maggiore stabilità di fiamma. Pagina 36

37 Zona primaria m 25% m pr zone tot L pr zone D liner T pr zone K Pagina 37

38 Zona secondaria Completamento della combustione Recupero delle perdite per dissociazione (CO, HC) T zone 1800 K sec 0.8 In uscita alla zona secondaria L sec zone D liner Pagina 38

39 Zona di diluizione Completamento della miscelazione gas caldi / aria Necessaria per garantire profilo di temperatura richiesto L D dil zone liner Pattern factor (in genere <20%) PF T max T 4 T T 3 4 Per ottimizzare la distribuzione di temperatura in uscita è necessario agire sui fori di iniezione del liner. Pagina 39

40 Parametri descrittivi dei combustori OTDF - Overall Temperature Distribution Factor o PF - Pattern Factor Identifica la massima disiuniformità di temperatura a livello di picco OTDF = (Ti - T 3 )/(T 3 - T 2 ) Ti = temperatura locale al outlet combustore T3 = temperatura media outlet combustore T2 = temperatura media inlet combustore Pagina 40

41 Efficienza di combustione f ( p, T, m, A inl inl ref ) Fondamentale è l aspetto chimico legato a 1. ATOMIZZAZIONE ED EVAPORAZIONE 2. MIXING 3. REAZIONE CHIMICA Pagina 41

42 Emissioni inquinanti-hc+co Formazione di incombusti 1. Combustione incompleta e temi di residenza bassa 2. Cattiva miscelazione aria combustibile 3. Diminuiscono per miscele povere, all aumento della temperatura e all aumento dei tempi di residenza. CO [ ppmvd@15% O 2 ] T 0 =300 K T 0 =550 K T 0 =800 K ,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 rapporto di equivalenza - CO [ppmvd@ 15% O 2 ] ,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 rapporto di equivalenza - p=1 [bar] p=10 [bar] p=20 [bar] p=30 [bar] Pagina 42

43 NO [ ppmvd@15%o 2 ] temperatura di fiamma [K] NO [ ppm ] Formazione di Nox Emissioni inquinanti-nox Nelle regioni ricche ad alta temperatura (bassa formazione per T<1850K) Aumentano al crescere dei tempi di residenza Combustibile non ben atomizzato Nelle condizioni di funzionamento tipiche degli attuali combustori, gli NOx aumentano linearmente con il tempo di residenza ma non arrivano al loro valore di equilibrio Per miscele povere ( <0.5), la formazione di NOx è indipendente dal tempo di residenza NO p=1 bar NO p=10 bar NO p=20 bar NO p=30 bar 0 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 rapporto di equivalenza T NO 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 rapporto di equivalenza NO [ppmvd@ 15%O 2 ] 25 = ,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 tempo di residenza [ms] Pagina 43

44 emissioni Emissioni inquinanti Si noti l inversa tendenza di Nox e incombusti. Le emissioni sono accettabili solo in un range di funzionamento. Generalmente si lavora a =0.8 (DLN=Dry Low Nox) Pagina 44

45 Tecniche riduzione delle emissioni Pagina 45

46 Tecniche riduzione delle emissioni Pagina 46