Scambio termico e combustione nelle macchine

▪ ACCENSIONE SEMPLICE E AFFIDABILE

Sia a terra che sui motori aeronautici (specialmente in ambienti a basse temperature).

▪ LIMITI DI STABILITÀ AMPI

La fiamma deve rimanere accesa in ampio range di pressione e rapporti di

aria/combustibile.

▪ BASSE PERDITE DI PRESSIONE

▪ TEMPERATURA DI USCITA TALE DA MASSIMIZZARE LA VITA DEI COMPONENTI ELLA

TURBINA

▪ BASSE EMISSIONI DI INQUINANTI

▪ DIMENSIONI COMPATIBILI CON LO SVILUPPO DEI MOTORI

▪ DURABILITÀ E MANUTENIBILITÀ

▪ FLE““IBILITÀ NELL’UTILI))O DEI COMBU“TIBILI

Petrolio, si teti i, io asse, e …

➔ Per motori aeronautici:

Dimensioni e peso sono parametri fondamentali

➔ Per applicazioni heavy-duty:

Una maggiore attenzione è rivolta ad altri aspetti come lunga vita e possibilità di utilizzo

con combustibili diversi (multifuel)

Classificazione dei combustori

a. COMBUSTORI TUBOLARI

- Controllo separato (possibilità di spegnere o

accendere i bruciatori separatamente)

- Alto peso e grosse dimensioni

- Facile da testare

- Indipendenza dei liner cilindrici

- Grandi perdite di pressione

b. COMBUSTORI ANULARI

- Un unico liner esterno interno/esterno in un

involucro anulare

- Test costosi

- Basse perdite di pressione

- Controllo della temperatura di uscita

- Layout compatto

c. COMBUSTORI TUBO-ANULARI

- Liner cilindrico in un involucro anulare

Miglior o trollo della te peratura di fia a rispetto all’a ulare

-

- Più compatto rispetto al tubulare

- Pesanti e costosi I combustori tubolari nascono nei

piccoli motori aeronautici per

riuscire a trovare posto per

ralle tare il fluido e dargli u ’area

di passaggio sufficiente.

Il vantaggio principale è che si può effettuare la manutenzione senza dover aprire tutta la

macchina. Sono ad impiego terrestre (ingombranti e pesanti) e in alcuni casi possono essere

realizzati con rivestimenti in materiale refrattario.

Combustori anulari

Controllo della stabilità Primo stadio di turbina

tramite swirler Combustore diffusivo, molto compatto

Diffusore Duomo

Nel combsutore dual-anular si ha un duomo

principale completamente occupato dallo swirler

dove si hanno condizioni di premiscelazione o

parziale premiscelazione e una fiamma leggermente

magra; poi si ha un duomo pilota simile a quello del

combustore diffusivo, dove si ha una fiamma

diffusiva sicuramente più stabile. Getti contrapposti

Da sempre Rolls-Royce utilizza una stabilizzazione più basata su getti contrapposti piuttosto che su

swirler. Nel Trent gli swirler sono più piccoli e invece di fare un combustore dual, se ne fa uno

sequenziale e nella parte finale si ha una fase magra di post-combustione prima di arrivare al

primo ugello.

Combustori di aeroderivati Qua do si porta o a terra

turbine precedentemente

utilizzate in ambito aeronautico

(dove le emissioni inquinanti sono

circa 150-200 ppm), bisogna

scendere a circa 25 ppm di

emissioni inquinanti in Europa;

perciò bisogna cambiare il

combustore senza stravolgere

tutta la macchina.

General Electric ha creato un

combustore molto stondato

(rapporto lunghezza-altezza di

circa 1:1, contro la norma che in

genere è 3:1).

Si tratta di un combustore allargato in direzione radiale e in cui vengono messi una serie di micro-

bruciatori premiscelati. A terra diventa possibile realizzare questo tipo di combustore così pesante

e ingombrante poiché non si hanno più i requisiti prestazionali richiesti in ambito aeronautico.

Rolls Royce ha preferito

realizzare

microcombustori

trasversi che si

sviluppano in direzione

radiale rispetto all’asse.

In questo modo la

premiscelazione è più

gestibile e sono più

facilmente raggiungibili i

risultati voluti

(inquinanti sotto 25

ppm).

Combustori tubo-anulari

I combustori tubo-anulari sono utilizzati per:

- Scelte legate allo spazio

- Nel caso in cui, anche dove si ha disponibilità di spazio, si vogliano realizzare

combustori tuboanulari parzialmente reverse COMBUSTORI REVERSE

Si parte dal compressore in

una direzione, si torna

indietro nuovamente verso la

testa e poi si inverte di nuovo

direzione per entrare in

turbina.

Il vantaggio consiste nel poter

accedere al carter del

ru iatore dall’ester o, se za

dover smontare la macchina.

Inoltre, sappiamo che verso

premiscelazioni spinte il

campo di funzionamento è

stretto (se innalzo la quantità

di combustibile emetto troppi

inquinanti, se la abbasso anche di poco si ha lo spegnimento). In questo tipo di combustore il

problema può essere risolto posizionando delle valvole di bypass che consentono di deviare il

flusso d’aria diretta e te i tur i a, i ve e di farlo tor are i testa el o ustore.

Can-annular combustors La valvola di bypass

consente di fare una

regolazione equivalente

alla regolazione FAR, ma

senza farla in termini di

combustibile, in quanto

una regolazione FAR è

fattibile solamente in un combustore di tipo diffusivo e

mai in un combustore premiscelato.

Progettazione aerodinamica: approccio basato sulle perdite di pressione (Lefebvre)

In breve, la progettazione si imposta tenendo sotto controllo il fattore di perdita complessivo in

termini di pressione. Bisogna agire sui rapporti di velocità per mantenere le perdite sotto

controllo.

Appro io asato sull’effi ie za di o ustio e

Esistono anche altri APPROCCI ALTERNATIVI in cui ci si impone un target in quanto a efficienza e

sulla base di questo si ottengono i valori dei parametri geometrici (Aref e Dref):

Lunghezza del combustore

Un aspetto molto importante che va a impattare sulla lunghezza del combustore è il cercare di

otte ere all’us ita u profilo di te peratura non uniforme; è molto importante conoscer il reale

profilo di temperatura poiché è indispensabile per una buona progettazione delle pale di turbina.

Il massimo di temperatura si ha nella zona

centrale, che è anche la zona che si raffredda

meglio nella pala.

Le parti terminali hanno problemi legati alla

e …

presenza della cassa, alla tenuta, (perciò non

è ottimale un profilo uniforme).

Le dimensioni e la forma dei fori di diluizione e la lunghezza del combustore sono selezionate in

modo tale da:

- Ottimizzare il profilo di temperatura in uscita

- Controllare i processi di combustione

In accordo con Lefebvre, la lunghezza del combustore Lc può essere messa in relazione con PF:

In ogni caso non esiste un criterio generale per la progettazione della lunghezza dei combustori.

Sappiamo che la lunghezza dei combustori si è ridotta in modo progressivo negli anni: realizzare

combustori più corti significa farli più compatti, più leggeri e meno critici in termini di stabilità.

Le moderne turbine heavy-duty sono progettate in modo che Vref<30 m/s

o L’aspe t ratio L/H ha su ito un andamento decrescente negli anni

o I tassi di combustione sono aumentati per cui si ricorre a stabilizzazione della fiamma per

o mezzo di ricircolazione del flusso nella zona primaria attraverso swirler

Swirler

Lo swirler ha le seguenti caratteristiche:

➔ Componente statico

➔ In genere dotato di pale

➔ Impartisce una rotazione al flusso assiale

➔ Determina:

- Una zona di ricircolo che stabilizza la fiamma e favorisce il mix dei prodotti di

o ustio e aldi o l’aria e il o usti ile i arrivo.

- Regioni con forti componenti di taglio che provocano una elevata turbolenza e un

rapido mixing. � è lo swirl number ed è uguale al

�

rapporto fra quantità di moto assiale e

radiale (� >0,6)

�

Utilizzando gli swirler si riesce a imporre una quantità di moto al fluido tale da generare una zona

di ricircolo a valle dello swirler stesso; tale fenomeno induce il flusso a collassare e tornare indietro

(situazione ideale per la stabilizzazione della fiamma).

Swirler assiale

Swirler radiale

Il progettista ha due scelte:

1. Carico molto lo swirler e gli impongo una forte differenza di quantità di moto tangenziale,

∆�

che significa usare dentro lo swirler quasi tutto il a disposizione.

2. Si usa uno swirler meno carico e si ottengono getti contrapposti che generano una zona di

ricircolo.

Stabilità

Vedia o u tipi o loop di sta ilità otte uto fissa do P , T e la o posizio e del o usti ile,

ma variando il FAR:

In alcune zone di stabilità si rischia di innescare processi autogenerati legati ad oscillazioni

dinamiche ad alta frequenza che possono andare a danneggiare il combustore.

Questo avviene in corrispondenza del bordo di stabilità dove si possono avere passaggi molto

fu zio a e to ad u ’altra, passa do da forti e essi d’aria a te pora ei

rapidi da una zona di

eccessi di combustibile (proprio perché il flusso viene alterato da queste oscillazioni). Queste

condizioni sono fortemente critiche in applicazioni terrestri.

Emissioni inquinanti

Le emissioni inquinanti sono legate alle condizioni operative. Nelle turbine a gas sebbene vengano

usati combustibili pregiati (senza impurità) con una efficienza di combustione elevata, si hanno

emissioni di CO, UHC (prevalentemente in condizioni di off-design), NOx e, per combustibili liquidi,

anche particolato.

Sono di particolare interesse anche le emissioni dei motori aeronautici in alta atmosfera.

Approcci per la riduzione di CO e UHC

La presenza di un flusso di raffreddamento massivo

sulle pareti del combustore (film cooling) induce

due problemi: da un lato si rischia di raffreddare

troppo rischiando di interrompere il processo di

combustione e quindi favorire il rilascio di CO

dovuto a i o pleta for azio e di CO ; dall’altro

si rischia di generare anche più NOx in quanto

riservando molta aria al liner, se ne ha meno a

disposizione per la premiscelazione (il rapporto di

equivalenza sale nella zona primaria e si formano

NOx). Quindi il fatto che sia sempre consigliabile

utilizzare la minor quantità possibile di aria per il

raffreddamento delle superfici è un aspetto

comune a qualsiasi trend di progettazione.

Gli approcci più usati per ridurre le emissioni di CO sono:

➔ Ridistri uzio e del flusso d’aria per portare il rapporto di e uivale za nella zona primaria

vicino a valori ottimali.

➔ Incremento del volume della zona primaria:

Incremento in altezza per favorire il ricircolo

➔ Riduzio e del flusso d’aria di raffredda e to della parete, spe ial e te ella zo a

primaria: te i he ava zate di raffredda e to effusio , TBC, …

Utilizzo di

➔ I re e to dell’ato izzazio e d