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601 PROSPETTO MODULO A DOMANDA DI BREVETTO PER INVENZIONE INDUSTRIALE
RR4 2 O Oi• n oriv 0015 NUMERO DI DOMANDA: DATA DI DEPOSITO:
A. RICHIEDENTEII COGNOME E NOME O DENOMINAZIONE, RESIDENZA OSTATO;
ENEA — Ente per le Nuove tecnologie, l'Energia e l'Ambiente Lungotevere G.A. Thaon di Revel, 76— 00196 Roma (RM), ITALIA
22 Mano 2006
• C. TITOLO - "Metodo e relativo dispositivo per la misura della velocità assiale dei gas combusti".
SEZIONE CLASSE SOTTOCLASSE GRUPPO SOTTOGRUPPO
E. CLASSE PROPOST
O. RIASSUNTO L'invenzione riguarda un metodo per la misurazione della velocità assiale dei gas combusti, detto metodo comprendendo le fasi di: - predispone di due sistemi di rilevazione con teste ottiche poste su un piano passante per l'asse del bruciatore e con vista ortogonale all'asse stesso con i rispettivi centri posti ad una distanza Az,
- variare detta distanza Ar per stabilire la distanza minima di dette teste ottiche, per cui la sovrapposizione delle aree di interrogazione (campi visivi dei sistemi di rilevazione) impedisce di ottenere valori di velocità attendibili; - porre detti sistemi di rilevazione ad una distanza Ax dall'asse del bruciatore; - elaborare i dati rilevati da detti sistemi visualizzandone l'andamento trend temporale, lo spettro in frequenza, l'andamento del coefficiente di cross-correlazione, l'andamento del coefficiente di autocorrelazione, lo sfasamento tra i due segnali in corrispondenza di ogni singola frequenza calcolato mediante cross-spettro di potenza e la velocità calcolata.
PRINCIPALE
ODC 1
ODC_2
onde ottiche a fibra
s
— El1/4Ef, 2 MI
Ne. . 4/./ tilta "Wk-
11. III
FIRMA DEL / DEI RICHIEDENTE /1
601 DESCRIZIONE
a corredo di una domanda di brevetto per invenzione
industriale avente per titolo:
"Metodo e relativo dispositivo per la misura della
velocità assiale dei gas combusti"
Titolare: ENEA - ENTE PER LE NUOVE TECNOLOGIE, L'E-
NERGIA E L'AMBIENTE
Inventori: Romano BRUSCHI, Marco GROTTADAUREA, Euge-
nio GIACOMAZZI, Stefano GIAMMARTINI, Caterino
STRINGOLA, Vincenzo CASASANTA, Emanuele GIULIETTI,
Federico MANFREDI
* * *
L'invenzione riguarda un metodo e relativo di-
spositivo per la misura della velocità assiale dei
gas combusti.
Più dettagliatamente, l'invenzione riguarda un
metodo e relativo dispositivo del tipo detto, parti-
colarmente semplici nel sistema di acquisizione, po-
tendo fornire l'informazione in tempo reale, operare
in ambienti fortemente ostili, e soprattutto essendo
immune agli stati di anomalia funzionale del combu-
store (come l'humming).
Attualmente, le tecniche sperimentali più accu-
rate utilizzate per stimare la velocità di un flusso
di gas sono l'Anemometria Laser Doppler (LDA) e
- 3 - 601
l'anemometro a filo caldo. Si tratta di tecniche in-
trusive, che possono anche richiedere un inseminante,
come nel caso dell'LDA; inoltre, il filo caldo non
può essere utilizzato in fiamme. Ciò le rende poco
utilizzabili nel caso di impianti industriali e vali-
de unicamente nella sperimentazione di laboratorio.
La Richiedente, partendo dalle osservazioni di
cui sopra, e alla luce anche della tecnologia da essa
brevettata con la domanda di brevetto Italiana n°
RM2004A000157, avente ad oggetto un "Sistema di rile-
vazione e diagnosi di stato di combustione e relativo
procedimento, applicabile in particolare a combusto-
ri", noto anche come, e riferito nel seguito come
ODC, il cui contenuto è qui incorporato per riferi-
mento, ha realizzato una innovativa metodologia non
intrusiva che consente la misurazione della velocità
assiale dei gas combusti.
La soluzione proposta secondo la presente in-
venzione si applica in particolare a flussi aventi
energia radiante e prevede l'utilizzo della summen-
zionata tecnologia non intrusiva ODC che si basa
sull'acquisizione ed analisi della fluttuazione
dell'emissione luminosa dei gas caldi trasportati
dalle strutture turbolente del processo di combustio-
ne.
601 - 4 -
Forma pertanto oggetto specifico della presente
invenzione un metodo per la misurazione della veloci-
tà assiale dei gas combusti, detto metodo comprenden-
do le fasi di:
- predisporre di due sistemi di rilevazione con teste
ottiche poste su un piano passante per l'asse del
bruciatore e con vista ortogonale all'asse stesso con
i rispettivi centri posti ad una distanza Az,
- variare detta distanza Az per stabilire la distanza
minima di dette teste ottiche, per cui la sovrapposi-
zione delle aree di interrogazione (campi visivi dei
sistemi di rilevazione) impedisce di ottenere valori
di velocità attendibili;
- porre detti sistemi di rilevazione ad una distanza
&dall'asse del bruciatore;
- elaborare i dati rilevati da detti sistemi visua-
lizzandone l'andamento temporale, lo spettro in fre-
quenza, l'andamento del coefficiente di cross-
correlazione, l'andamento del coefficiente di auto-
correlazione, lo sfasamento tra i due segnali in cor-
rispondenza di ogni singola frequenza calcolato me-
diante cross-spettro di potenza e la velocità calco-
lata.
- 5 - 601
Preferibilmente, secondo l'invenzione, detti
sistemi di rilevazione sono sistemi di rilevazione e
diagnosi di stato di combustione o ODC.
Ancora secondo l'invenzione, detti sistemi di
rilevazione prevedono fasci di fibre ottiche monomo-
dali necessari alla collimazione, ossia a contenere
la divergenza del campo visivo.
Preferibilmente, secondo l'invenzione, in detto
metodo la distanza Azè pari a 60 mm.
Ulteriormente, secondo l'invenzione, in detto
metodo si esegue il contemporaneo movimento di en-
trambi i sensori lungo gli assi x, y, z tramite il
tra versing.
Secondo l'invenzione, detta distanza Ax viene
aumentata, se la collimazione non è efficiente, au-
mentando anche il campo visivo dei due sistemi di ri-
levazione e riducendo la risoluzione spaziale.
Sempre secondo l'invenzione, la distanza dei
sensori dall'asse del bruciatore Ax è preferibilmente
pari a 100 mm
Nel metodo secondo l'invenzione, la velocità
calcolata è associata al punto medio del segmento che
collega i centri delle aree di campionamento, la me-
todclogia per il calcolo della componente assiale
della velocità, essendo basata sul fatto che lo spet-
601 -6-
tro di energia radiante è legato allo spettro
dell'energia cinetica turbolenta, e consente dunque
l'individuazione delle scale fluidodinamiche caratte-
ristiche della turbolenza.
Ancora nel metodo secondo l'invenzione,
l'efficienza dei sistemi di rilevazione è condiziona-
ta dall'estensione dei range ottici e dei campi visi-
vi, quest'ultima deve essere inferiore alle dimensio-
ni delle strutture osservate.
Nel metodo secondo l'invenzione, la velocità
viene preferibilmente calcolata mediante le seguenti
fasi:
• acquisizione dei segnali in una finestra tempo-
rale di 0,25 secondi e con una frequenza di cam-
pionamento equivalente di 25 kHz (sono in realtà
campionati a 1MHz e mediati a gruppi di 40 pun-
ti);
• cross-correlazione per l'individuazione dello
sfasamento temporale dei segnali;
• il rapporto tra la distanza nota tra i due sen-
sori e lo sfasamento temporale calcolato è la
componente assiale della velocità del flusso.
L'invenzione riguarda inoltre un dispositivo
per la misurazione della velocità assiale dei gas
combusti a un bruciatore, detto dispositivo compren-
- 7 - 601
dendo due sistemi di rilevazione, con teste ottiche
poste su un piano passante per l'asse del bruciatore
e con vista ortogonale all'asse del bruciatore, con
distanza Az tra i loro centri, e distanza Ax
dall'asse del bruciatore, e un sistema di elaborazio-
ne dei dati rilevati da detti sistemi di rilevazione.
Preferibilmente, secondo l'invenzione, detti
sistemi di rilevazione sono sistemi di rilevazione e
diagnosi di stato di combustione o ODC.
Ancora secondo l'invenzione, detti sistemi di
rilevazione prevedono fasci di fibre ottiche monomo-
dali necessari alla collimazione, ossia a contenere
la divergenza del campo visivo.
Preferibilmente, secondo l'invenzione, la di-
stanza Azè pari a 60 mm.
Sempre secondo l'invenzione, la distanza dei
sensori dall'asse del bruciatore Ax è preferibilmente
pari a 100 mm.
La realizzazione del metodo secondo
l'invenzione consente:
1. l'individuazione di strutture fluidodinamiche-
radiative persistenti, a valle del fronte di
fiamma;
2. la misura dello sfasamento temporale con cui una
stessa struttura turbolenta è rilevata ottica-
- 8 - 601
mente fra due punti di distanza nota permette la
determinazione della velocità del gas di combu-
stione rispetto alla direzione della retta indi-
viduata dai due punti;
3. un metodo di stima della conservazione delle
strutture nello spazio e nel tempo;
4. un metodo di stima della portata massica e della
spinta per applicazioni terrestri ed aeronauti-
che;
5. un metodo di conservazione dell'efficienza anche
in caso di instabilità termoacustica;
6. una metodologia di misura della velocità e quel-
la diagnostica coesistono;
7. un sistema immune alle vibrazione meccaniche,
pertanto è usabile sia su impianti di terra che
su quelli aeronautici.
La presente invenzione verrà ora descritta, a
titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo sue
forme preferite di realizzazione, con particolare ri-
ferimento alle figure dei disegni allegati, in cui:
la figura 1 mostra la disposizione della stru-
mentazione e la posizione del sistema di riferimento
utilizzata per il calcolo della componente assiale di
velocità;
- 9 - 601
la figura 2 mostra l'andamento dei segnali ot-
tici acquisiti con (Re=4000, 0=0,6 y=0 [mm] zm=30
[mm] Az=60 [mm]);
la figura 3 mostra l'andamento dei segnali ot-
tici acquisiti con (Re=4000, 0=0,6 y=0 [mm] zm=60
[mm] Az=60 [mm]);
la figura 4 mostra l'andamento del coefficiente
di auto-correlazione del segnale tipico;
la figura 5a mostra la distribuzione normaliz-
zata dei valori della componente assiale di velocità
con (Re=4000, 0=0,6 y=0 [mm] zm=30 [mm] Az=60 [mm]);
la figura 5b mostra la distribuzione normaliz-
zata dei valori della componente assiale di velocità
con (Re=4000, 0=0,6 y=0 [mm] zm=80 [mm] Az=60 [mm]);
la figura 6a mostra la distribuzione normaliz-
zata dei valori della componente assiale di velocità
con (Re=8000, 0=0,6 y=0 [mm] zm=30 [mm] Az=60 [mm]);
la figura 6b mostra la distribuzione normaliz-
zata dei valori della componente assiale di velocità
con (Re=8000, 0=0,6 y=0 [mm] zm=70 [mm] Az=60 [mm]);
la figura 7 mostra l'andamento del coefficiente
di cross-correlazione in funzione della quota a nume-
ro di Reynolds diversi;
la figura 8 mostra un confronto tra la compo-
nente assiale media di velocità del flusso determina-
601 ta mediante sensori ottici e mediane LDA (Re=4000,
0=0,6);
la figura 9 mostra il confronto tra la compo-
nente assiale media di velocità del flusso determina-
ta mediante sensori ottici e mediante LDA (Re=4000,
0=0,6);
la figura 10 mostra il SETUP su un impianto
turbogas TG3000;
le figure ha - d mostrano, rispettivamente la
storia, lo spettro in frequenza, la distribuzione
delle velocità, e la storia della moda del test di
figura 10;
le figure 12a - 12d mostrano, rispettivamente,
la storia, lo spettro in frequenza, la distribuzione
delle velocità, e la storia della moda del test di
figura 10;
le figure 13a - 13d mostrano, rispettivamente,
la storia, lo spettro in frequenza, la distribuzione
velocità misurate, e la storia della moda del test di
figura 10;
la figura 14 mostra l'andamento temporale dei
gradini di variazione della portata dell'aria di com-
bustione effettuati nei tre test di misura;
la figura 15 mostra un pannello di configura-
zione dello strumento anemometrico;
601 la figura 16 mostra il pannello di spettri in
frequenza bi-logaritmo; e
la figura 17 mostra il pannello visione segnale
di input e presentazione del valore della velocità
assiale.
Osservando inizialmente la figura l, si nota il
set-up sperimentale per il bruciatore da laboratorio.
Per stimare la componente assiale della velocità si
sono utilizzati due sistemi ODO le cui teste ottiche
(fasci di fibre ottiche monomodali necessari alla
collimazione, ossia a contenere la divergenza del
campo visivo) vengono posti su un piano passante per
l'asse del bruciatore e con vista ortogonale all'asse
stesso ed i cui rispettivi centri sono ad una distan-
za Az di 60 mm. Questa può essere variata per stabi-
lire la distanza minima a cui la sovrapposizione del-
le aree di interrogazione (campi visivi dei sensori)
impedisce di ottenere valori di velocità attendibili.
Inoltre, è possibile il contemporaneo movimento di
entrambi i sensori lungo gli assi x, y, z tramite il
traversing. La distanza dei sensori dall'asse del
bruciatore è Ax, pari a 100 mm, distanza che rappre-
senta un parametro critico, poiché al suo aumentare,
se la collimazione non è efficiente, aumenta anche il
601 -12-
campo visivo dei due teste ottiche e si riduce la ri-
soluzione spaziale.
Il sistema di acquisizione è costituito da due
sistemi ODC implementati su una scheda di acquisizio-
ne per la lettura in parallelo dei segnali (NIDAQ
6110) in uscita dai due sensori ottici, e da un pro-
gramma sviluppato in LADVIEW che effettua l'analisi
dati e ne visualizza il trend temporale, lo spettro
in frequenza, l'andamento del coefficiente di cross-
correlazione, l'andamento del coefficiente di auto-
correlazione, lo sfasamento tra i due segnali in cor-
rispondenza di ogni singola frequenza calcolato me-
diante cross-spettro di potenza, la velocità calcola-
ta.
La velocità calcolata è associata al punto me-
dio del segmento che collega i centri delle aree di
campionamento dei due fotodiodi. La metodologia per
il calcolo della componente assiale della velocità
secondo l'invenzione, si basa sul fatto che lo spet-
tro di energia radiante è legato allo spettro
dell'energia cinetica turbolenta, e consente dunque
l'individuazione delle scale fluidodinamiche caratte-
ristiche della turbolenza. L'efficienza dei sistemi è
condizionata dall'estensione dei range ottici e dei
campi visivi, che deve essere inferiore alle dimen-
-13- 601
sioni delle strutture osservate (in modo da poter se-
guire la loro evoluzione dinamica). La cross-
correlazione tra i segnali rilevati dai due sensori
permette di individuare lo sfasamento e dunque il ri-
tardo temporale associato alla macroscala trasportata
convettivamente dal flusso. Il calcolo della velocità
si realizza con i seguenti passi:
- acquisizione dei segnali in una finestra tem-
porale di .25 secondi e con una frequenza di campio-
namento equivalente di 25 kHz (sono in realtà campio-
nati a 1MHz e mediati a gruppi di 40 punti);
- cross-correlazione per l'individuazione dello
sfasamento temporale dei segnali;
- il rapporto tra la distanza nota tra i due
sensori e lo sfasamento temporale calcolato è la com-
ponente assiale della velocità del flusso.
La possibilità di lavorare ad una elevata fre-
quenza di campionamento aumenta la risoluzione tempo-
rale che permette a sua volta di ridurre lo spazio
tra le due teste di misura. Il contenimento di questa
distanza diminuisce l'intrusività (in alcuni test è
stata ridotta a 20 mm) e, non essendo necessari gros-
si accessi ottici, permette al sistema di misurare
componenti radiali della velocità del flusso.
601 - 14-
Il sistema secondo l'invenzione è basato fonda-
mentalmente sulla capacità delle strutture fluidodi-
namiche prodotte di conservare per un certo tempo le
proprie caratteristiche dinamiche, in quanto, rileva-
te dal primo dispositivo ottico, si ripropongono, do-
po un certo tempo, con una forma similare, trasporta-
te dal flusso, al secondo sensore.
E' noto come nel flusso si ha formazione, dis-
sipazione, deformazione e trasporto delle strutture
vorticose; il valore dell'indice di Cross-
correlazione fornisce la stima qualitativa del deca-
dimento delle strutture, o meglio può essere un para-
metro di valutazione della loro vita media, una in-
formazione utile alla diagnostica del processo.
L'approccio statistico è necessario per verifi-
care la condizione stazionaria del processo e di con-
seguenza la consistenza delle misure fatte. Nelle
condizioni citate ci si aspetta una distribuzione dei
valori di velocità di tipo gaussiano, come risulta
dai grafici riportati in allegato.
Per validare i valori della componente assiale
di velocità calcolati con la metodologia secondo
l'invenzione, sono state inizialmente scelte condi-
zioni di flusso già precedentemente studiate con tec-
niche LDA e PI'] relative ad un bruciatore assialsim-
601 - 15 -
metrico da laboratorio dotato di bluff-body per anco-
rare la fiamma; in particolare, le condizioni di
flusso sono definite dal numero di Reynolds, pari a
4000 e 8000, e dal rapporto di equivalenza, pari a
0.6.
I nodi della matrice sperimentale coincidono
con le posizioni del punto medio del segmento che
congiunge i centri delle due teste ottiche (60 m);
tale posizione è rappresentativa della componente as-
siale della velocità media.
I segnali acquisiti sono rappresentati nelle
figure allegate su due scale diverse in modo da com-
pensare la resa dinamica dei sensori e la possibile
differenza di intensità dovuta alla differenza di
quota. Si può notare che il segnale luminoso rilevato
dal primo sensore, rosso, è sfasato in anticipo ri-
spetto a quello rilevato dal secondo sensore, bianco,
in entrambe le immagini. Inoltre, si nota che, ad una
quota superiore, il segnale rilevato dal primo senso-
re (il più basso) risente meno delle fluttuazioni di
alta frequenza; come si noterà nel seguito, il senso-
re più basso risente della presenza della zona di ri-
circolo a valle del bluff-body del bruciatore analiz-
zato.
601 -16-
E' importante notare che l'oscillazione
(intorno ai 15 Hz) del fronte di fiamma viene
osservata nei due punti diversi dei sensori grazie
alla persistenza delle strutture, che sono diverse
tra di loro (uniche). (vedere le figure 2 e 3),
permettendo in questo modo una migliore
identificazione (risoluzione) dello sfasamento
temporale tra i segnali dei sensori analizzati
tramite cross-correlazione.
La verifica dell'unicità delle strutture viene
effettuata tramite l'autocorrelazione dei segnali
(vedere la figura 4): il decadimento veloce del
coefficiente notato in figura dimostra la bassa
coerenza del segnale (casualità della forma delle
strutture). Le fluttuazioni di tipo armonico sono
generate dalle fluttuazioni caratteristiche del
fronte di fiamma. Di conseguenza, si può affermare
che le strutture possono essere considerate "eventi
unici", o meglio firme, e che la loro individuazione
in punti differenti è dovuta senz'altro al loro
trasporto nel flusso.
Venendo ora ad osservare le figure 5a e 5b,
relative al flusso con un numero di Reynolds pari a
4000, sono mostrate le distribuzioni del valore della
- 17-
601 componente assiale di velocità calcolata. Dai grafici
si osserva che:
• il grafico tende ad essere generalmente di tipo
gaussiano, come atteso in condizioni
stazionarie;
• al crescere della quota i valori calcolati si
addensano attorno al medesimo valore;
• esiste una maggiore incertezza a valori di quota
bassi.
Risultati analoghi ai precedenti si riscontrano
nel caso di Re=8000 e 0=0.6 (figure 6a e 6b), anche
se la maggiore velocità del flusso comporta una
dispersione dei valori maggiore. Inoltre, come verrà
evidenziato nel seguito, il valore calcolato a bassa
quota è da considerarsi non indicativo a causa
dell'effetto negativo della zona di ricircolo a valle
del bluff-body (occorrerebbe un'area di misura più
piccola).
Si nota anche che i valori di skewness e kurto-
sis determinati direttamente dai valori della compo-
nente assiale di velocità tendono al valore assunto
nel caso di gaussiana, e confermano la stazionarietà
del sistema e la validità delle misure. Tali valori
tendono sempre più al valore atteso con il crescere
della quota.
-18-
601 Come mostrato dalle immagini allegate, il prin-
cipale motivo per cui il coefficiente di cross-
correlazione cresce con la quota è legato alla posi-
zione dell'area vista dal primo sensore (quello più
vicino al bruciatore): è necessario che esso si trovi
al di fuori della zona di ricircolo; infatti le
strutture che si creano persistono per un certo tempo
durante il quale sono trasportate dal flusso. Si os-
serva anche come i valori stimati della velocità as-
siale sono meno dispersi.
Con la metodologia secondo l'invenzione è pos-
sibile ricavare il valore medio della componente as-
siale della velocità on -line ponendo semplicemente un
limite minimo al coefficiente di cross-correlazione e
riducendo la finestra temporale a meno di un secondo
fino ad ottenere la risposta in frequenza desiderata.
L'unico limite per la riduzione della finestra tempo-
rale è dato dalla consistenza del segnale: infatti,
diminuiscono i valori campionati e diminuisce anche
la caratteristica di unicità della struttura.
Osservando ora la figura 7, è stata effettuata
una serie di misure a diverse quote, e con valori del
numero di Reynolds diversi, in modo da ottenere una
sequenza temporale dei valori della componente assia-
le di velocità (Us ) (in bianco con scala a destra) e
-19- 601
del valore del coefficiente di cross-correlazione (in
rosso con scala a sinistra nella figura 7).
Per entrambi i valori del numero di Reynolds,
si osserva che il valor medio del coefficiente di
cross-correlazione tra i due segnali cresce e si sta-
bilizza al crescere della quota, ovvero cresce la
possibilità di rivedere la medesima struttura, sfasa-
ta temporalmente. Pertanto, è possibile affermare che
le teste ottiche devono essere posizionate al di so-
pra del fronte di fiamma per ottenere risultati con-
sistenti e stabili.
Nella allegata Tabella l è raffigurato
l'andamento dei principali indici statistici, in fun-
zione della quota; si vede che solo nel caso di Re =
4000, che corrisponde ad una velocità del flusso meno
elevata e ad una lunghezza di ricircolo inferiore, il
valor medio della velocità calcolata cresce con la
quota come atteso e come verrà descritto nel succes-
sivo paragrafo; al contrario (vedere la Tabella 2),
nel caso di velocità media del flusso maggiore (Re =
8000) si nota che tale valore tende a decrescere ed
in particolare tende a coincidere col valore fornito
da LDA solo per quote alte.
Nelle tabelle: g [m/s]valor medio; a [
m/s]deviazione standard; p, skewness; 132 kurtosis;
601 - 20 -
TABELLA 1 - Andamento degli
zione della quota (Re = 4000
indici statistici in fun-
0 = 0,6)
Pos. 30 40 50 60 70 80
[mm]
11 [m/s] 2,995988 2,730044 2,829455 2,952971 2,970851 3,161172
a [m/s] 1,048436 0,9316502 0,5108173 0,2436985 0,1382474 0,1417223
p, -2,571845 -3,691308 -6,634989 -8,354686 0,1880781 -0,1959726
P2 12,46868 16,70881 54,19948 155,9813 3,242381 2,726761
TABELLA 2 - Andamento degli indici statistici in fun-
zione della quota (Re = 8000 0 = 0,6)
Pos. 30 40 50 60 70 80
[mm]
ji [m/s] 8,36732 7,93127 7,6199 7,32543 7,12504 6,94615
a [m/s] 0,55799 0,49022 0,46133 0,41003 0,35182 0,30287
p, 0,05293 0,1436 -0,0602 0,16214 0,18102 -0,1974
P2 2,50318 3,06147 2,62562 3,03292 2,79747 3,01458
Dagli indici calcolati si può notare che nel
caso di velocità del flusso più bassa, i coefficienti
e '82 , rispettivamente skewness e kurtosis, coinci-
dono con quelli attesi solo a quota elevata, mentre
restano generalmente corretti ad elevata velocità del
flusso. Tuttavia, come detto nel paragrafo preceden-
te, in questo secondo caso il coefficiente di cross-
-21 - 601
correlazione rimane mediamente piuttosto basso com-
portando un errato valor medio. Fattore comune per
entrambe le campagne sperimentali è la varianza, che
decresce in entrambi i casi con la quota, il che si
traduce in una sempre minore dispersione dei valori
al crescere della quota.
Osservando ora le figure 8 e 9, si esamina la
validazione per il confronto tra la nuova metodologia
e l'anemometria laser doppler (LDA).
In particolare, dalle figure 8 e 9 si osserva
che le misure della componente assiale media della
velocità ottenuta tramite due ODC e con LDA sono pa-
ragonabili, considerando anche la notevole distanza
tra i dispositivi ottici e la dimensione dell'area di
campionamento (bassa risoluzione spaziale). Si osser-
va anche che per il caso con valore del numero di Re-
ynolds maggiore emerge che la componente assiale di
velocità del flusso calcolata mediante ODO è parago-
nabile a quella ottenuta con LDA solo ad una quota
molto elevata. Questo potrebbe essere attribuibile
alla maggiore velocità del flusso che comporta un mi-
nore valore dell'indice di cross-correlazione; un au-
mento della risoluzione spaziale ed una riduzione
della distanza tra i sensori darebbe anche in questo
caso dei miglioramenti.
- 22 -
601
Si è inoltre osservata una discreta sensibilità
della tecnica ODC alle grandi variazioni della velo-
cità nel tratto prossimo al bruciatore (prossimo alla
zona di ricircolo), in termini di riduzione del valo-
re dell'indice di cross-correlazione. Infatti, se ci
si allontana sensibilmente dal ricircolo, le varia-
zioni della velocità diventano molto minori e quindi
anche l'accuratezza dello strumento migliora come mo-
strato nella precedente analisi statistica.
Nel seguito si descriverà un test su impianto
turbogas TG3000 (ANSALDO CALDAIE - GIOIA DEL COLLE -
BA)
Il dispositivo realizzato è stato testato, nel-
la sua versione prototipale, su di un impianto turbo-
gas da 3 MWt, TG3000, dotato di accesso ottico in
prossimità del bruciatore. I due sensori sono stati
assemblati in modo da essere collocati ad una inter-
distanza di 100 mm e posti longitudinalmente in pros-
simità della finestra ottica. S1 e S2 sono le teste
ottiche in fibra ottica al quarzo, necessarie anche
perché la temperatura in prossimità della finestra è
elevata per via dell'effetto radiante.
I test sono stati effettuati aumentando il
flusso dell'aria di combustione in tre passi in modo
- 23 -
601 che il flusso finale dell'aria fosse il doppio di
quello di partenza.
Già nel secondo passo, corrispondente al primo
aumento di portata d'aria, il turbogas TG3000 presen-
ta un leggero stato di humming, che viene facilmente
individuato dal sistema di analisi. Lo stato di hum-
ming diventa consistente, ma ancora di intensità ac-
cettabile (fuori range di pericolosità) quando il
flusso d'aria viene raddoppiato (terzo passo). In
presenza di humming la fiamma pulsa con una frequenza
che diventa quella caratteristica del sistema, ed in-
fluenza il sistema di iniezione: questo giustifica la
migrazione del picco di frequenza da 22 a 122Hz.
Attraverso l'analisi delle emissioni ottiche
sono state valutate le velocità assiali dei gas com-
busti nelle varie fasi. Il valore della velocità as-
siale è stato calcolato prendendo in considerazione
la fase dell'armonica contenuta nel range considerato
fluidodinamico (1-200 Hz) con contenuto energetico
più elevato, ed in questo caso associata alla pulsa-
zione della fiamma.
Dalla Fig. 11 relativa alla prima fase, si nota
che lo spettro in frequenza rivela una frequenza fon-
damentale di 22 Hz; la distribuzione dei valori di
- 24 -
601 velocità calcolati presenta una forma consistente e
un valore di moda stabile di 28m/s.
Dalla Fig. 12 relativa alla seconda fase, si
nota che già l'andamento temporale evidenzia la pre-
senza di armoniche di frequenza più alta. L'aumento
della portata dell'aria di combustione tende ad inne-
scare un leggero stato di instabilità, evidenziato
dallo spettro in frequenza. Il valore dell'armonica
di interesse oscilla tra 22 e 122Hz; i valori di ve-
locità mostrano una distribuzione consistente con una
moda di 41 m/s, coerente con la variazione di flusso
prodotta (in accordo con le tabelle dell'Ansaldo).
La figura 13 corrisponde ad un flusso d'aria
circa doppio di quello di partenza. L'instabilità
humming è continua, ma di entità trascurabile, con
una frequenza stabile di pulsazione della fiamma pari
a 122Hz. I valori di velocità calcolati hanno una di-
stribuzione consistente con una moda della velocità
di 68 m/s.
I risultati sono risultati consistenti e coe-
renti con quelli previsti.
Osservando ora le figure 15 - 17, è mostrato
uno strumento anemometrico, sviluppato in ambiente
LabView ed eseguibile in real-time, che è costituito
da tre pannelli interattivi in cui è possibile confi-
-25-
601 gurare i parametri di acquisizione (vedere la figura
15), osservare il contenuto in frequenza del cross-
spectrum e la distribuzione in delle componenti se-
condo la metodologia di lettura definita dall'ODC,
(vedere la figura 16), osservare i segnali di ingres-
so dei due sensori, e valutarne le coerenze ed la di-
stribuzione dei valori della velocità assiale stima-
ta, (vedere la figura 17).
Lo strumento è stato testato su un bruciatore
da laboratorio, durante il test in parallelo veniva
effettuata anche la misura tramite LDA per verificare
l'efficienza di misura. La coerenza dei valori era
elevata.
Riassumendo quanto ottenuto con la metodologia
e il dispositivo secondo l'invenzione, la tecnica e
l'interpretazione del segnale ottico associato
all'ODC sono state sviluppate partendo dalla summen-
zionata domanda di brevetto Italiana RM2004A000157.
In particolare, l'interpretazione dello spettro di
energia radiante come spettro di energia cinetica
turbolenta ha consentito di fare un passo in avanti
portando alla stima della velocità del flusso. La va-
lidazione della tecnica è stata fatta misurando la
velocità assiale media dei gas combusti di un brucia-
tore assialsimmetrico da laboratorio, i cui dati di
- 26 -
601 velocità, sia LDA che PIV, erano già disponibili.
Un'ulteriore validazione è stata realizzata su un im-
pianto di scala maggiore, il TG3000 dell'Ansaldo Cal-
daie.
L'aspetto maggiormente innovativo, dal punto di
vista della ricerca, consiste nell'aver individuato
l'esistenza di strutture fluidodinamiche che,
generatesi subito al di là del fronte di fiamma, si
propagano per un certo tempo conservando la loro
caratteristica radiativi, permettendo la
realizzazione dell'innovativo sistema anemometrico.
Come evidenziato, il principio di funzionamento
consiste nella individuazione di una stessa struttura
fluidodinamica in punti diversi dello spazio per
mezzo della cross-correlazione dei segnali di energia
radiante campionati da due sensori ottici. Il fatto
che non possono esistere strutture identiche rende
consistente e risolutivo il meccanismo del calcolo
dello sfasamento tramite il riconoscimento di una
stessa struttura in punti diversi.
Lo sfasamento tra i due segnali dà la misura
del tempo di ritardo associato al passaggio della
stessa struttura; il rapporto tra la distanza
relativa dei centri delle aree viste dai due sensori
e questo tempo, fornisce la stima della velocità nel
- 27 - 601
punto medio del segmento che congiunge i centri
stessi.
Il dispositivo secondo l'invenzione può fornire
l'informazione in tempo reale, di operare in ambienti
fortemente ostili, e soprattutto è immune agli stati
di anomalia funzionale del combustore (come
l'humming).
La presente invenzione è stata descritta a
titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo sue
forme preferite di realizzazione, ma è da intendersi
che variazioni e/o modifiche potranno essere
apportate dagli esperti nel ramo senza per questo
uscire dal relativo ambito di protezione, come
definito dalle rivendicazioni allegate.
- 28 -
601 RIVENDICAZIONI
l. Metodo per la misurazione della velocità as-
siale dei gas combusti, detto metodo essendo caratte-
rizzato dal fatto di comprendere le fasi di:
- predisporre di due sistemi di rilevazione con teste
ottiche poste su un piano passante per l'asse del
bruciatore e con vista ortogonale all'asse stesso con
i rispettivi centri posti ad una distanza Az,
- variare detta distanza Az per stabilire la distanza
minima di dette teste ottiche, per cui la sovrapposi-
zione delle aree di interrogazione (campi visivi dei
sistemi di rilevazione) impedisce di ottenere valori
di velocità attendibili;
- porre detti sistemi di rilevazione ad una distanza
Axdall'asse del bruciatore;
- elaborare i dati rilevati da detti sistemi visua-
lizzandone l'andamento trend temporale, lo spettro in
frequenza, l'andamento del coefficiente di cross-
correlazione, l'andamento del coefficiente di auto-
correlazione, lo sfasamento tra i due segnali in cor-
rispondenza di ogni singola frequenza calcolato me-
diante cross-spettro di potenza e la velocità calco-
lata.
2. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratte-
rizzato dal fatto che detti sistemi di rilevazione
- 29 - 601
sono sistemi di rilevazione e diagnosi di stato di
combustione o ODC.
3. Metodo secondo una delle rivendicazioni pre-
cedenti, caratterizzato dal fatto che detti sistemi
di rilevazione prevedono fasci di fibre ottiche mono-
modali necessari alla collimazione, ossia a contenere
la divergenza del campo visivo.
4. Metodo secondo una delle rivendicazioni pre-
cedenti, caratterizzato dal fatto che la distanza Azè
pari a 60 mm.
4. Metodo secondo una delle rivendicazioni pre-
cedenti, caratterizzato dal fatto che si esegue il il
contemporaneo movimento di entrambi i sensori lungo
gli assi x, y, z tramite il traversing.
5. Metodo secondo una delle rivendicazioni pre-
cedenti, caratterizzato dal fatto che detta distanza
Ax viene aumentata, se la collimazione non è effi-
ciente, aumentando anche il campo visivo dei due si-
sterni di rilevazione e riducendo la risoluzione spa-
ziale.
6. Metodo secondo una delle rivendicazioni pre-
cedenti, caratterizzato dal fatto che la distanza dei
sensori dall'asse del bruciatore Ax è preferibilmente
pari a 100 mm
- 30 -
601 7. Metodo secondo una delle rivendicazioni pre-
cedenti, caratterizzato dal fatto che la velocità
calcolata è associata al punto medio del segmento che
collega i centri delle aree di campionamento, la me-
todologia per il calcolo della componente assiale
della velocità, essendo basata sul fatto che lo spet-
tro di energia radiante è legato allo spettro
dell'energia cinetica turbolenta, e consente dunque
l'individuazione delle scale fluidodinamiche caratte-
ristiche della turbolenza.
8. Metodo secondo una delle rivendicazioni pre-
cedenti, caratterizzato dal fatto che l'efficienza
dei sistemi di rilevazione è condizionata
dall'estensione dei range ottici e dei campi visivi,
quest'ultima deve essere inferiore alle dimensioni
delle strutture osservate.
9. Metodo secondo una delle rivendicazioni pre-
cedenti, caratterizzato dal fatto che la velocità
viene calcolata mediante le seguenti fasi:
• acquisizione dei segnali in una finestra tempo-
rale di .25 secondi e con una frequenza di cam-
pionamento equivalente di 25 kHz (sono in realtà
campionati a 1MHz e mediati a gruppi di 40 pun-
ti);
- 31 -
601 • cross-correlazione per l'individuazione dello
sfasamento temporale dei segnali;
• il rapporto tra la distanza nota tra i due sen-
sori e lo sfasamento temporale calcolato è la
componente assiale della velocità del flusso.
10. Dispositivo per la misurazione della velo-
cità assiale dei gas combusti a un bruciatore, detto
dispositivo comprendendo due sistemi di rilevazione,
con teste ottiche poste su un piano passante per
l'asse del bruciatore e con vista ortogonale all'asse
del bruciatore, con distanza Ai tra i loro centri, e
distanza Ax dall'asse del bruciatore, e un sistema
di elaborazione dei dati rilevati da detti sistemi di
rilevazione.
11. Dispositivo secondo la rivendicazione 10,
caratterizzato dal fatto che detti sistemi di rileva-
zione sono sistemi di rilevazione e diagnosi di stato
di combustione o ODC.
12. Dispositivo secondo la rivendicazione 10,
caratterizzato dal fatto che detti sistemi di rileva-
zione prevedono fasci di fibre ottiche monomodali ne-
cessari alla collimazione, ossia a contenere la di-
vergenza del campo visivo.
- 32 -
601 13. Dispositivo secondo la rivendicazione 10,
caratterizzato dal fatto che la distanza AZ è pari a
60 mm.
14. Dispositivo secondo la rivendicazione 10,
caratterizzato dal fatto che la distanza dei sensori
dall'asse del bruciatore Ax è preferibilmente pari a
100 mm.
Roma, 2 ,;". 2006
p.p.: ENEA - ENTE PER LE NUOVE TECNOLOGIE, L'ENERGIA
E L'AMBIENTE
BARZANO' & ZANARDO ROMA S.p.A. CJ/A16193
601 3/7 80 mm
30 mm ~P al 11211-
Re=8000 S=O ,6 5 Fig. 7 5
4,5
4 —
cn E — 3,5
3
2,5
2
• " z=30 ODC
a27=40 ODC
• 71-50 ODC
• z=60 ODC
be70 ODC
O z=80 ODC
z=30 LDA
• z-40 LDA • z=-50 LDA
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Y mmi Fig. 8
601 4/7
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
3' i milal
Fig. 9
TG3000 Finestra di osservazione
Direzione del flusso
odc2 I liodel
Fig. 10