ФОРСУНКА ГАЗОВОЙ ГОРЕЛКИ

Изобретение относится к области сжигания газового топлива в промышленных установках и может быть использовано в горелочных устройствах энергетических котлов, печей, газовых турбин.
Одним из недостатков известных конструкций газовых форсунок является недостаточная стойкость торцевых стенок вследствие нагрева их топочными газами. Известны случаи, когда при эксплуатации имеет место перегрев торцевых стенок с дальнейшим их разрушением. Повышение стойкости форсунок к факторам эксплуатации обычно достигается путем выполнения их из жаропрочных и износостойких материалов, что является неудобным, поскольку удорожает конструкцию и усложняет технологию изготовления.
Известна газовая форсунка для подачи газового топлива (см.рис.114.6 на стр.38 в кн. Шатиль А.А. Сжигание природного газа в камерах сгорания газотурбинных установок - Л.: Недра, 1972. - 232 с.). Форсунка состоит из корпуса с торцевой стенкой и газораздаточными отверстиями.
Недостатком данной форсунки является отсутствие у неё средств защиты торцевой стенки корпуса от перегрева ее топочными газами.
Прототипом предлагаемой форсунки является газовая форсунка (см.рис.5.9.в на стр.155 в кн. Сударев А.В., Маев В.А. Камеры сгорания газотурбинных установок. Интенсификация горения. - Л.: Недра, 1990.274 с.), которая содержит корпус с торцевой стенкой и газораздаточными отверстиями, а также установленную в полости корпуса перегородку с круглым отверстием, за счет чего достигается охлаждение торцевой стенки струей холодного газообразного топлива, вытекающей из этого отверстия. Однако из-за недостаточного уровня теплосъёма струёй газа с охлаждаемой поверхности имеет место разрушение торцевой стенки корпуса форсунки (см.рис.5.25.в на стр.188 в кн. Сударев А.В., Маев В.А. Камеры сгорания газотурбинных установок. Интенсификация горения. Л.: Недра, 1990.-274 с.).
Технический результат, достигаемый применением предлагаемой форсунки, заключается в повышении стойкости торцевой стенки корпуса. Это достигается тем, что форма отверстия в перегородке выполнено несимметричным, то есть не обладает полной симметрией (см. стр.15 в кн. Вейля Г. Симметрия. - М.: Наука, 1968.- 192 с.), например, в форме квадрата, треугольника или креста, а отношение расстояния между торцевой стенкой корпуса и перегородкой к эквивалентному диаметру отверстия в перегородке составляет 2-4. Под эквивалентным диаметром понимается диаметр круга, площадь которого равна площади несимметричного отверстия.
Газ, поступающий в полость корпус форсунки вначале проходит через перегородку с отверстием, в результате чего образуется струя, которая при натекании на торцевую стенку охлаждает ее. При выполнении отверстия несимметричной формы, струя формируемая им, создает на торцевой стенке поле давления с большими радиальными и тангенциальными градиентами, что приводит к возникновению дополнительных турбулентных перетоков, увеличивающих теплосъём. В результате температура торцевой стенки корпуса снижается, чем и достигается требуемый эффект повышения ее стойкости. Аналогичные процессы и эффекты реализуются при выполнении отверстия в форме квадрата, треугольника, креста. Описанные выше эффекты достигают наибольшей интенсивности, если отношение расстояния между торцевой стенкой корпуса и перегородкой к эквивалентному диаметру отверстия в перегородке составляет 2-4. В случае, если указанное отношение меньше 2, снижается интенсивность турбулентности струи. В случае, если отношение больше 4, неравномерность поля давления на торцевой стенке резко снижается. При вхождении указанного отношении в диапазон 2-4 указанные негативные явления исчезают, а интенсивность теплосъёма возрастает.
На фиг.1 изображен продольный разрез предлагаемой форсунки, корпус которой 1 имеет торцевую стенку 2, газораздаточные отверстия 3; в полости корпуса 4 установлена перегородка 5 с отверстием 6 эквивалентным диаметром d3, форма которого является несимметричной, или имеет форму квадрата, или имеет форму треугольника, или имеет форму креста. Перегородка установлена от торцевой стенки корпуса на расстоянии Z, отношение которого к эквивалентному диаметру  составляет 2-4. На фиг.2 приведены зависимости среднего по поверхности коэффициента теплоотдачи от торцевой стенки к газу от расхода газа.
Устройство работает следующим образом. При втекании газового топлива в полость 4 оно встречает на своем пути перегородку 5 с отверстием 6, в результате протекания через которое образуется струя, которая при натекании на торцевую стенку охлаждает ее. При выполнении отверстия несимметричной формы, струя формируемая им, создает на торцевой стенке поле давления с большими радиальными и тангенциальными градиентами, что приводит к возникновению дополнительных турбулентных перетоков, увеличивающих теплосъём. В результате температура торцевой стенки корпуса снижается, чем и достигается требуемый эффект повышения ее стойкости. Аналогичные процессы и эффекты реализуются при выполнении отверстия в форме квадрата, треугольника, креста. Описанные выше эффекты достигают наибольшей интенсивности, если отношение расстояния между торцевой стенкой корпуса и перегородкой к эквивалентному диаметру отверстия в перегородке составляет 2-4. В случае, если указанное отношение меньше 2,
снижается интенсивность турбулентности струи. В случае, если отношение больше 4, неравномерность поля давления на торцевой стенке резко снижается. При вхождении указанного отношении в диапазон 2-4 указанные негативные явления исчезают, а интенсивность теплосъёма возрастает.
Факты подтверждающие увеличение интенсивности теплосъёма, полученные в результате экспериментальных исследований, приведены на фиг.2. Экспериментальная форсунка имела следующие геометрические параметры: эквивалентный диаметр отверстия в перегородке равнялся 5,6 мм, расстояние от перегородки до торцевой стенки форсунки изменялось от 10 до 37 мм. Объёмный расход газа варьировался в диапазоне 1,2-5,8 м3/ч. Кривая А соответствует отверстию в перегородке имеющего форму круга, Б - отверстию в форме квадрата. Из сопоставления кривой А с кривой Б видно, что при применении перегородки с квадратной формой отверстия уровень теплоотдачи возрастает, этот прирост достигает 15%. Аналогичный эффект достигается и при применении других форм отверстий не обладающих полной симметрией (см.рис.5 и рис.6, на стр.333 в статье Жилкин Б.П., Гулаков А.А., Бродов Ю.М., Тюльпа В.В. Интенсификация теплоотдачи в импактных струях путем изменения формы поперечного сечения сопла в труда IV Минского международного форума по тепломассообмену: В 10-и т. Т.1. Конвективный тепломассообмен.- Минск.: АНК «ИТМО им. А.В. Лыкова АНБ, 2000.с.329-336).
Из описанного следует, что при выполнение формы отверстия указанных выше форм и установке перегородки на заданном расстоянии теплосъём с торцевой стенки корпуса увеличивается, температура ее снижается, и тем самым достигается технический результат использования предлагаемой форсунки.