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Camere di Combustione per Turbine a Gas

1. Combustione: Concetti base2. Descrizione Generale delle Camere di

Combustione per Turbine a Gas2. Formazione e Tecniche di Abbattimento degli

Inquinanti3. Formazione e Tecniche di Abbattimento degli

Inquinanti (cont.)

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2009-2010

Camera di Combustione per Turbine a Gas, Descrizione Generale delle Camere di Combustione per Turbine a Gas

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

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Evoluzione Layout e Sistema Aduzione Aria

Combustore anulare contro-corrente

Combustore tubolare (single can) co-corrente

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Tipi di Combustori

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.AnulareLiner e casing anulari e concentrici. Maggiore compattezza e minori perdite di carico. Minore resistenza meccanica.

1 32

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Combustore Tubolare

Single can Multi can

Combustore ARI100, mGT

100kWe

Liner

casing

casing

LinerImpianti

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Combustore Tuboanulare

Interconnettore

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Combustore Anulare

Combustore anulare RR211 (Rolls Royce)

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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.

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Zona PrimariaFunzione 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.

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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

T ≈

2000K

Reazioni di dissociazione(CO)

Raffreddamento brusco

Congelamento delle concentrazioni

Zona Intermedia

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Zona di DiluizioneAdduzione 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.

34

4maxTT

TTPF

T3T4

0

100

Bla

desp

an%

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Principali Componenti di un Combustore

Burner

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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:

Efficienza diffusore (0.5 ~0.9):

1

12q

ppCp

idealepp

CC

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Diffusori: Possibili Configurazioni

1

2

3

4

5

12 3

4

5

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BruciatoreComponente fondamentale della camera di combustione, è

attraverso il bruciatore che vengono forniti (e preparati) i reagente per la combustione nella zona primaria.

Il bruciatore normalmente include:•Sistema di stabilizzazione di fiamma:

–

Swirler–

Flameholder•Sistema iniezione combustibile

–

Premiscelato–

Diffusione–

Liquido, gas o ibrido

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Bruciatore: Swirler (1)

tan1

1

322 2

int

3int

est

estN

tSWm

N

DD

DD

SGDGS

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.

•Swirler

assiale•Swirler

radiale

Gm

: flusso assiale del momento angolareGx

: flusso assiale del momento

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Valori tipici per i parametri di progetto:

1. Angolo palettatura : 30-60°2. Spessore pala t: 0.7-1.5mm3. Numero di pale n: 8 -164. Perdita di carico p: 2-3% p3

Swirler assiale

Swirler radiale

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Bruciatore: Sistema di Iniezione Combustibile Liquido (1)

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.

Mixing combustibile ariaEvaporazione del combustibile

Atomizzazione del combustibile in piccole gocce.

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Bruciatore: Sistema di Iniezione Combustibile Liquido (2)Pressure

atomization Twin-fluid

atomization

Plain-jet

Piloted airblast

Prefilming atomizer

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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 portata2.Caduta di pressione nell’iniettore3.Range di operazione4.Velocità del getto di combustibile5.Angolo del getto e rispettiva direzione

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Liner

•

Dimensione caratteristiche (diametro e lunghezza);

•

Sistema di raffreddamento delle parete del liner;

•

Sistema di diluizione dei prodotti della combustione

Durante il processo di dimensionamento del liner, i parametri più

importanti sono:

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Sistemi di Raffreddamento delle Parete del Liner

Possibili configurazioni di film cooling

Sistemi alternativi

1.

Impingement

2.

Transply

1

2

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