Studio delle instabilità termoacustiche in un combustore di turbina a gas

L'instabilità di combustione peggiora le prestazioni di un combustore a flusso continuo e pertanto deve essere considerata un fenomeno indesiderato. Fluttuazioni della pressione e del rilascio termico possono infatti causare vibrazioni meccaniche, rumore, formazione di punti caldi sulle pareti della camera di combustione e incremento delle emissioni inquinanti. La combustione instabile è particolarmente dannosa nei combustori per turbina a gas nei quali ampie oscillazioni di portata e di rilascio termico possono danneggiare irreparabilmente le parti fisse e rotanti della turbina. Nel lavoro che si presenta viene studiato il comportamento termoacustico di un combustore di turbina a gas. Il combustore esaminato è del tipo tubolare, con singolo bruciatore a fiamma diffusiva ed è stato modificato dal costruttore per essere alimentato non solo a gas naturale ma anche a idrogeno. Il processo di sviluppo è stato supportato da prove di combustione su scala reale eseguite su un banco prova in grado di riprodurre le condizioni di pieno carico. L’analisi termoacustica viene condotta seguendo una procedura di indagine basata sulla simulazione numerica del fenomeno mediante un codice numerico commerciale con modelli di turbolenza di tipo RANS. Nelle analisi numeriche i modelli numerici e le griglie di calcolo sono scelti in modo da minimizzare tempi e risorse di calcolo. In questo modo è possibile simulare un intervallo temporale sufficientemente ampio da consentire al sistema di evolvere liberamente fino alle condizioni di regime per poter così valutare l’eventuale presenza di instabilità termoacustiche. Le misure raccolte durante le prove sperimentali sono impiegate nei calcoli sia per l’imposizione delle condizioni al contorno sia per la valutazione dei risultati. I segnali di pressione registrati durante le simulazioni mostrano la permanenza di oscillazioni di pressione nel combustore caratterizzate da un’ampiezza piuttosto ridotta. Queste oscillazioni sono dunque ampiamente tollerabili dal sistema (la combustione è ovunque completa e non vi sono fenomeni di estinzione di fiamma e di surriscaldamento delle pareti del combustore), in accordo con quanto osservato durante le prove sperimentali. Gli spettri calcolati al termine delle simulazioni sono comparati con gli spettri acquisiti durante le prove di combustione. Dal confronto emerge una sostanziale corrispondenza tra i modi di vibrare calcolati e quelli misurati al banco prova.