ГОРЕЛОЧНОЕ УСТРОЙСТВО
BURNER

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в установках для осуществления регулируемого устойчивого пульсирующего горения.
).
В современных горелочных устройствах для снижения вредных выбросов, таких как оксиды азота (NOx), используют обедненный режим горения. Однако прямоточные обедненные струи подвержены влиянию различных типов неустойчивости, в том числе уносу пламени. Для стабилизации пламени, на практике используется сильная закрутка потока, являющаяся одним из наиболее эффективных способов стабилизации горения (А. Гупта, Д. Лилли, Н Сайред «Закрученные потоки» перевод с английского, М. Мир 1987г
Из уровня техники известен патент RU2118757, МПК 14/20, 1998 г. - Вихревое запально-горелочное устройство. Устройство содержит пламепередающую трубу, свечу, канал подачи горючего газа и по меньшей мере один канал подачи воздуха, во входном участке пламепередающей трубы установлен лопаточный завихритель, обеспечивающий закрутку проходящего через него потока воздуха, при этом завихритель потока с наружной стороны имеет лопатки.
Недостатком устройства является низкие характеристики процесса горения.
Известен способ получения качественной топливовоздушной смеси в горелочном устройстве по патенту RU2182283, МПК F23D11/40, 2001 г., в котором может быть использовано в установках для осуществления регулируемого устойчивого пульсирующего горения. Способ получения качественной топливовоздушной смеси в горелочном устройстве заключается в перемешивании выходящего из топливной форсунки распыленного топлива с закрученным в аксиальном лопаточном завихрителе и сформировавшемся в тонкостенном полом цилиндре воздушным потоком путем организации вихреобразования и струйно-стабилизаторных течений с помощью конфузно-диффузорного насадка и конусного стабилизатора горения.
Устройство не является высокоэффективным для получения качественной топливовоздушной смеси.
Известно устройство по патенту RU2012158341, МПК F23R3/00, 2012 г., завихрительный узел камеры сгорания газовой турбины (варианты) и горелка для использования в системе сгорания газовой турбины, которое по своим конструктивным признаком выбран за прототип.
Горелка для использования в системе сгорания газовой турбины, содержит: аппарат предварительного смешивания топлива и воздуха, имеющий входное отверстие для воздуха, входное отверстие для топлива и кольцевой смесительный проход, причем указанный аппарат смешивает топливо и воздух в кольцевом смесительном проходе с образованием однородной смеси для введения в зону реакции камеры сгорания, при этом указанный аппарат содержит завихрительный узел, расположенный ниже по потоку от входного отверстия для воздуха и содержащий втулку, кожух и лопатки, присоединенные между втулкой и кожухом и придающие вихревое движение поступающему воздуху, причем угол установки указанных лопаток может регулироваться.
В данном устройстве недостаточный угол установки лопаток до 60 градусов и сложная форма лопаток с топливными проходами, и составными лопатками: подвижной и неподвижной частями. В данном устройстве требуется входной выпрямитель потока. Что является усложнением технико-экономического показателя устройства.
Известные горелочные устройства и способы сжигания топлива в них направлены на получение качественной топливовоздушной смеси, которое заключается в интенсивном перемешивании (закрутки) топлива и воздуха.
f
0
0
0
Наличие зоны рециркуляции, при сильной закрутки потока обеспечивает возвратное течение и теплообмен с продуктами горения, прецессия вихревого ядра и генерация крупномасштабных вихревых структур существенно увеличивают тепломассообмен, в том числе и с окружающей средой, что приводит к существенному увеличению диапазона устойчивого горения при обедненном режиме топлива. При увеличении параметра закрутки потока выше критического значения происходит формирование прецессирующего вихревого ядра (ПВЯ). Данный физический эффект приводит к пульсациям давления в потоке с частой прецессии данного ядра, где частота прецессии описывается безразмерным числом Струхаля, согласно формуле  (- частота ПВЯ в Гц, D - диаметр выходного сопла, U - среднерасходная скорость на выходе из сопла). Число Струхаля связывает между собой величины: f - характерную частоту образования вихрей, D - характерный линейный размер течения (гидравлический диаметр) и U - среднюю скорость потока. Средняя расходная скорость потока связывает расход и площадь сечения сопла, которая рассчитывается исходя из соотношения  где Q- суммарный расход воздуха и газа, а S- площадь сечения сопла. Таким образом, число Струхаля (безразмерная частота прецессии вихревого ядра) является функцией расхода и частоты образования вихрей. Частота прецессии вихревого ядра прямо пропорционально зависит от угла поворота лопаток завихрителя, т.е. чем больше угол поворота лопаток, тем выше частота прецессии, а также крутка потока.
Задачей предлагаемого технического решения является улучшение характеристик процесса горения топлива путем получения качественной топливовоздушной смеси и снижение вредных выбросов в окружающее пространство при его горении.
Техническим результатом от использования предлагаемого горелочного устройства, с применением предварительно перемешанной топливно-воздушной смеси и управлением параметрами горения в режиме реального времени, будет достигнута интенсификация обменных процессов и массопереноса вихревым (закрученным) потоком, за счет генерации крупномасштабных вихревых структур, что позволит управлять длиной и формой факела горения, а также температурой горения топлива с уменьшением вредных выбросов в атмосферу.
α
0
Поставленная задача решается благодаря конструктивному решению горелочного устройства, включающего цилиндрическую камеру сгорания и установленные соосно с ней смесительную трубку с соплом, камеру предварительного смешения топлива и воздуха с лопаточным радиальным завихрителем, камера сгорания снабжена устройством поджига и датчиками давления, связанными с системой автоматического регулирования параметрами процесса горения посредством программы ЭВМ. Согласно изобретению камера предварительного смешения топлива и воздуха выполнена в виде плоского дискового канала с открытым торцом, образованного между верхним и нижним дисками и связанного через центральное отверстие в верхнем диске со смесительной трубкой с соплом на конце и камерой сгорания, а через отверстия в нижнем диске с топливными форсунками, равномерно расположенными по периферии нижнего диска, при этом вдоль открытого торца дискового канала между топливными форсунками на вертикальных осях, установленных в подшипниках между верхним и нижним дисками расположены управляемые поворотные лопатки завихрителя, причем регулируемую закрутку проходящего через открытый торец дискового канала потока воздуха, обеспечивают поворотом лопаток завихрителя на расчетный угол, в зависимости от показателей датчиков давления в камере сгорания, поступающих на ЭВМ и посредством управляющей команды с ЭВМ на шаговый двигатель, механически связанный с синхронизирующим кольцом и зубчатыми шестернями осуществляющих поворот лопаток завихрителя. Угол поворота лопаток может изменяться от минимального равногодо максимально возможного равного 76° Максимальный угол поворота лопатки ограничен эффектом возвратного течения, которое неизбежно возникает в потоке. При увеличении угла поворота лопатки более 76 градусов пламя может проникуть назад в смесительную трубку, что может создать аварийный режимом работы горелки. При этом возникают резкие скачки давления на выходе сопла, что можно исключить командой с ЭВМ на отключение подачи топлива.
На фиг. 1 - изображено горелочное устройство, включающее цилиндрическую камеру сгорания 1 и установленные соосно с ней смесительную трубку 2 с соплом и камеру предварительного смешения 3 топлива и воздуха с лопаточным завихрителем 4, установленным радиально относительно оси камеры сгорания. Цилиндрическая камера сгорания 1 снабжена запальным устройством 5 поджига топливной смеси и датчиками давления 6, связанными с системой автоматического регулирования 7 параметрами процесса горения, включающая компьютер и командные программы ЭВМ.
На фиг. 2 - разрез камеры предварительного смешения 3 по А - А.
Камера предварительного смешения 3 топлива и воздуха выполнена в виде плоского дискового канала с открытой торцевой поверхностью. Дисковый канал образован между верхним 8 и нижним 9 дисками и связан через центральное отверстие в верхнем диске 8 со смесительной трубкой 2 с соплом и соосной с ней камерой сгорания 1, а через отверстия 10 с топливными форсунками в нижнем диске 9, равномерно расположенными по периферии нижнего диска 9. Вдоль открытого торца дискового канала камеры предварительного смешения 3, между топливными форсунками 10, на вертикальных осях 11 установлены управляемые поворотные лопатки 12 завихрителя 4. Оси 11 установлены в подшипниках между верхним 8 и нижним 9 дисками.
Показания датчиков давления 6 являются входными данными для командной программы ЭВМ 7, которая в свою очередь посредством шагового двигателя 13 управляет углом поворота лопаток 12 завихрителя 4, обеспечивая необходимую закрутку подаваемого воздуха.
Поворот лопаток 12 завихрителя 4 на расчетный угол осуществляют посредством механической связи между шаговым двигателем 13, синхронизирующим кольцом 14 и зубчатыми шестернями 15, которые связаны с осями 11 поворотных лопаток 12 завихрителя 4.
Горелочное устройство работает следующим образом.
α = 0
α =
атм
Запускается программа на ЭВМ 7, которая подает команду на управление шаговым двигателем 13 и через синхронизирующее кольцо 14 и зубчатые шестерни 15, связанные с осями 11 лопаток 12, полностью открывает торцевую поверхность плоского дискового канала смесительной камеры 3 (угол поворота лопаток ). Затем подают команду на установку максимально возможного угла поворота лопаток  76° и подают команду на включение подачу воздуха через открытый торец камеры предварительного смешения 3. Воздух подается в камеру предварительного смешения 3 при давлении превышающем атмосферное на уровне 1.1-1.2 Р. Расход подаваемого воздуха измеряется при помощи расходомера (на фиг. не показан), сигнал с расходомера поступает на ЭВМ 7. Топливо подается в камеру преварительного смешения 3 через форсунки 10. Предварительно перемешанный поток воздуха и топлива из камеры предварительного смешения 3 поступает через центральное осевое отверстие в смесительную трубку 2 с соплом, где топливная смесь окончательно перемешивается, разгоняется в сопле и поджигается запальным устройством 5 при выходе из сопла в цилиндрической камере сгорания 1.
После этого происходит измерение отборниками давления 6 и вычисления на ЭВМ частоты прецессии вихря и соответственно числа Струхаля. Датчики давления 6 измеряют пульсации давления в камере сгорания 1 и позволяют программе зарегистрировать частоту прецессии вихря при различных режимах горения. Измеряя расход топливовоздушной смеси расходомером и частоту прецессии вихря при известном диаметре сопла смесительной трубки 2, можно в режиме реального времени вычислить число Струхаля, которое в программе ЭВМ задано, как поддерживаемый параметр, позволяющий регулировать (выбирать) угол α поворота лопаток 12 завихрителя 4 (см. фиг. 2) в зависимости от изменения режима горения. При изменение расхода воздуха и топлива, поступающих в камеру предварительного смешения 3, системой автоматического регулирования параметрами процесса горения посредством программы ЭВМ, автоматически подстраивают угол поворота лопаток 12 завихрителя 4, таким образом, чтобы число Струхаля было постоянно, что обеспечивает оптимальный режим смешения и горения топлива.
Пример.
Было проведено экспериментальное исследование горелочного устройства с завихрителем радиального типа, геометрия которого подробно описана в данной заявке (см. фиг.1, 2). В работе было исследовано формирование эффекта ПВЯ (прецессирующего вихревого ядра), который возникает в горелочном устройстве с геометрией радиального завихрителя, представленного на фиг.1. В этой связи, чрезвычайно важно определить критерий формирования ПВЯ и прогнозировать амплитудно-частотные характеристики потока на стадии проектирования устройств. Была найдена частотная характеристика течения при варьировании параметра крутки в изотермических условиях, а также при сгорании предварительно-перемешанной пропано-воздушной смеси.
Re
U
D
.
0
3
В проведенном эксперименте воздух комнатной температуры подавался воздуходувкой в канал предварительного смещения и измерялся ультразвуковым расходомером. Поток закручивался с помощью радиального лопаточного завихрителя и через смесительное сопло выходил в открытое пространство, в эксперименте не использовали камеру сгорания. Между лопатками радиального завихрителя подавали газообразное топливо (пропан) через отверстия эжекторов диаметром 2 мм, которое эффективно перемешивалось закрученным потоком воздуха до зоны горения. В данной работе в качестве топлива использовался пропан, расход которого измерялся контроллером массового расхода Bronkhorst. Угол поворота лопаток радиального завихрителя контролировался с помощью шагового двигателя с погрешностью 1°. В данной работе угол α варьировался от 0 градусов до 76 градусов. Число Рейнольдса  определялось, как  ( - среднерасходная скорость на выходе из сопла,  = 50 мм - диаметр выходного сопла,  ν - кинематическая вязкость воздуха при 25°С). Распределения скорости потока на выходе из смесительной трубки измерялось с помощью лазерно-допплеровского анемометра (ЛДА) «ЛАД 06-и». В каждой измерительной точке распределения скорости набиралась статистика 5⋅10 вспышек. Частота периодических пульсаций давления измерялась с помощью двух акустических датчиков. Они представляли собой отборники давления, соединенные с измерительными микрофонами Behringer. Датчики устанавливались на срезе сопла горелочного устройства с двух противоположных сторон. Доминирующая частота в спектре пульсаций давления разностного сигнала ассоциировалась с частотой ПВЯ. Результаты эксперимента позволили сделать вывод, что в случаи, когда крутка потока, которую можно оценить по формуле  составляет более 0,6 , то формируется ПВЯ. ПВЯ формирует зону с возвратным течением, которая возвращает горячие продукты в зону реакции, тем самым стабилизируя горение обедненной смесиПоказана зависимость частоты пульсаций от расхода воздуха и угла поворота лопаток, которая позволяет управлять процессом горения при заданных условиях.
Положительный эффект от использования горелочного устройства, предлагаемой конструкции, позволяет повысить эффективность его работы при сжигании предварительно перемешанного обедненного топлива и снижение вредных выбросов за счет получения качественной топливовоздушной смеси.
Источники информации:
1. А. Гупта, Д. Лилли, Н Сайред «Закрученные потоки» перевод с английского, М. Мир,1987 г.;
2. Патент RU2118757, МПК 14/20, 1998 г.;
3. Патент RU2182283, МПК F23D11/40, 2001 г.;
4. Патент RU2012158341, МПК F23R3/00, 2012 г.