Горелочное устройство
BURNER DEVICE

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в теплогенерирующих установках для осуществления регулируемого устойчивого пульсирующего горения.
Известен аналог - горелочное устройство (см. патент РФ №2345279, БИ №3, 2009), содержащее подключенный к источнику дутьевого воздуха корпус, по оси которого на выходе установлены стабилизатор горения, выполненный в виде конусной струйно-стабилизаторной решетки с углом раскрытия конуса 60-90°, и выполненная в форме полусферы и жестко скрепленная с трубопроводом подачи жидкого топлива и со стабилизатором горения топливная камера, на сферической стенке которой установлено не менее трех топливных форсунок, размещенных равномерно по окружной координате и под углом к центральной оси корпуса горелочного устройства, причем на трубопроводе подачи жидкого топлива перед топливной камерой установлено сужающее устройство в форме сопла Лаваля, соединенное рециркуляционным трубопроводом с топливной камерой. Данный аналог принят за прототип.
К причине, препятствующей достижению указанного ниже технического результата при использовании известного горелочного устройства, принятого за прототип, относятся повышенные капитальные вложения вследствие высокой металлоемкости конфузорно-диффузорного насадка, при этом не указан способ крепления конфузорно-диффузорного насадка с возможностью продольного перемещения к корпусу горелочного устройства. При работе горелочного устройства не обеспечивается принцип двухступенчатого сгорания топлива в пределах факела горелочного устройства, так как не осуществляется подача вторичного потока дутьевого воздуха в периферийную область зоны горения жидкого топлива, что приводит к повышению температуры в ядре зоны горения топлива и образованию в продуктах сгорания оксидов азота.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Для повышения экономичности известного горелочного устройства путем снижения капитальных вложений предлагается выходную часть корпуса горелочного устройства выполнить в виде диффузорного насадка с конусностью 0,33-0,1, внутри которого установить конический расходящийся насадок, жестко скрепленный с диффузорным насадком с образованием совместно с ним сужающегося по направлению движения потока воздуха пристенного канала величиной не менее 15-20 мм и 8-10 мм соответственно на входе и на выходе для разделения подводимого тангенциально общего потока дутьевого воздуха на первичный и вторичный и охлаждения вторичным потоком дутьевого воздуха диффузорного и конического расходящегося насадков и подачи этого потока воздуха в периферийную область зоны горения жидкого топлива. В этом случае будет осуществляться принцип двухступенчатого сгорания топлива в пределах факела горелочного устройства, когда в первичной зоне горения используется первичный воздух в количестве ниже стехиометрического, что снижает температуру в ядре зоны горения топлива и уменьшает образование в продуктах сгорания оксидов азота. В выходной части корпуса, выполненной в виде диффузорного насадка, внутри которого установлен конический расходящийся насадок, за счет уменьшения скорости потока дутьевого воздуха повышается статическое давление, что позволяет преодолеть гидравлические сопротивления при движении воздуха и топливо-воздушной смеси по тракту горелочного устройства. При этом сокращаются размеры горелочного устройства за счет расширения потока и угла раскрытия факела, увеличения площади поперечного сечения канала вдоль потока и интенсификации процесса перемешивания первичного воздуха и топлива вследствие возникновения обратных токов в диффузоре. Вторичный поток дутьевого воздуха, необходимый для завершения процесса горения, вводится в периферийную область зоны горения для обеспечения эффективного дожигания топлива без ухудшения первичного процесса снижения выхода оксидов азота. Аэродинамика горелочного устройства обеспечивает развитую внутреннюю зону рециркуляции, наличие стабилизатора горения обусловливает интенсивное воспламенение топливовоздушной смеси в непосредственной близости от форсунок. Кроме того, в цилиндрической части корпуса горелочного устройства перед диффузорным насадком целесообразно дополнительно установить жестко скрепленный с корпусом полый цилиндр по меньшей мере с тремя радиальными пластинами, расположенными внутри цилиндра под углом 60-80° к оси горелочного устройства по направлению движения подводимого тангенциально закрученного потока воздуха, посредством которых целесообразно установить цилиндрическую втулку для продольного перемещения трубопровода подачи жидкого топлива совместно с жестко скрепленными топливной камерой и стабилизатором горения. Причем цилиндрическую втулку необходимо установить и в торцевой части корпуса горелочного устройства.
Технический результат - повышение экономичности и надежности работы горелочного устройства.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что известное горелочное устройство содержит подключенный к источнику дутьевого воздуха корпус, по оси которого на выходе установлены стабилизатор горения, выполненный в виде конусной струйно-стабилизаторной решетки с углом раскрытия конуса 60-90°, и выполненная в форме полусферы и жестко скрепленная с трубопроводом подачи жидкого топлива и со стабилизатором горения топливная камера, на сферической стенке которой установлено не менее трех топливных форсунок, размещенных равномерно по окружной координате и под углом к центральной оси корпуса горелочного устройства, причем на трубопроводе подачи жидкого топлива перед топливной камерой установлено сужающее устройство в форме сопла Лаваля, соединенное рециркуляционным трубопроводом с топливной камерой. Особенность горелочного устройства заключается в том, что выходная часть корпуса горелочного устройства выполнена в виде диффузорного насадка с конусностью 0,33-0,1, внутри которого установлен конический расходящийся насадок, жестко скрепленный с диффузорным насадком и образующий совместно с ним сужающийся по направлению движения потока воздуха пристенный канал величиной не менее 15-20 мм и 8-10 мм соответственно на входе и на выходе для разделения подводимого тангенциально общего потока дутьевого воздуха на первичный и вторичный и охлаждения вторичным потоком дутьевого воздуха диффузорного и конического расходящегося насадков и подачи этого потока воздуха в периферийную область зоны горения жидкого топлива, при этом в цилиндрической части корпуса горелочного устройства перед диффузорным насадком установлен жестко скрепленный с корпусом полый цилиндр по меньшей мере с тремя радиальными пластинами, расположенными внутри цилиндра под углом 60-80° к оси горелочного устройства по направлению движения подводимого тангенциально закрученного потока воздуха, посредством которых установлена цилиндрическая втулка для продольного перемещения трубопровода подачи жидкого топлива совместно с жестко скрепленными топливной камерой и стабилизатором горения, максимальный диаметр радиального сечения которого не превышает минимальный диаметр конического расходящегося насадка, причем цилиндрическая втулка установлена и в торцевой части корпуса горелочного устройства.
На чертеже представлена схема горелочного устройства.
Горелочное устройство содержит тангенциально подключенный к источнику дутьевого воздуха корпус 1, выходная часть которого выполнена в виде диффузорного насадка 2, внутри которого установлен конический расходящийся насадок 3, жестко скрепленный с диффузорным насадком 2 и образующий совместно с ним сужающийся по направлению движения потока воздуха пристенный канал 4, полый цилиндр 5 по меньшей мере с тремя радиальными пластинами 6, цилиндрические втулки 7 и 8 для продольного перемещения трубопровода 9 подачи жидкого топлива совместно с топливной камерой 10, выполненной в форме полусферы и установленной по оси корпуса 1 горелочного устройства, топливные форсунки 11, расположенные на сферической стенке топливной камеры 10 равномерно по окружной координате и под углом к центральной оси корпуса 1 горелочного устройства, стабилизатор горения 12, имеющий для интенсивного перемешивания компонентов топлива и воздуха по всей поверхности конического шатра отверстия 13, причем стабилизатор горения 12 жестко скреплен с топливной камерой 10 и имеет максимальный диаметр радиального сечения, не превышающий минимальный диаметр конического расходящегося насадка 3, рециркуляционный трубопровод 14, соединяющий топливную камеру 10 с сужающим устройством 15, выполненным в форме сопла Лаваля и установленным на трубопроводе 9 перед топливной камерой 10. На чертеже обозначен вторичный поток 16 дутьевого воздуха, подаваемого в периферийную область 17 зоны горения. Диффузорный насадок 2 может быть выполнен с конусностью, равной 0,33-0,1, угол при вершине конусной струйно-стабилизаторной решетки, в виде которой выполнен стабилизатор горения 12, равен 60-90°, а сужающийся по направлению движения потока воздуха пристенный канал 4 между диффузорным насадком 2 и коническим расходящимся насадком 3 составляет не менее 15-20 мм и 8-10 мм соответственно на входе и на выходе скоростного охлаждающего вторичного потока дутьевого воздуха.
Работа горелочного устройства осуществляется следующим образом.
В корпус 1 горелочного устройства тангенциально подается необходимое для горения количество дутьевого воздуха. Топливо по трубопроводу 9 подается в топливную камеру 10. В наиболее узком сечении сужающего устройства 15 скоростной напор жидкого топлива увеличивается, а статический - уменьшается и становится меньше статического напора в топливной камере 10. Причем на всем пути движения жидкого топлива именно в наиболее узком сечении сужающего устройства 15 статический напор имеет минимальное значение. При движении жидкого топлива по диффузорному участку сужающего устройства 15 скоростной напор постепенно уменьшается, а статический - увеличивается. В топливной камере 10 стабилизируется давление и повышается температура топлива за счет излучения факела, что снижает энергозатраты на подогрев топлива и повышает качество его распиливания. Вследствие имеющегося перепада давления часть жидкого топлива из топливной камеры 10 по рециркуляционному трубопроводу 14 непрерывно поступает в сужающее устройство 15, из которого совместно с топливом, поступающим по трубопроводу 9, направляется в топливную камеру 10. Рециркулируемая через топливную камеру 10 часть жидкого топлива подогревается в ней большее время, за счет этого осуществляется нагрев топлива до более высокой температуры. Из топливной камеры 10 жидкое топливо равномерно распределяется по форсункам 11.
Дутьевой воздух разделяется на два потока: основной (первичный) поток воздуха проходит через конический расходящийся насадок 3, вторичный поток дутьевого воздуха поступает в сужающийся по направлению движения потока дутьевого воздуха пристенный канал 4, образованный диффузорным насадком 2 и коническим расходящимся насадком 3. Основной поток дутьевого воздуха пересекает стабилизатор горения 12 и перемешивается с распыленным жидким топливом, выходящим из топливных форсунок 11. Образуется топливовоздушная горючая смесь, которая первоначально поджигается от внешнего источника, а в последующем стабильное воспламенение новых порций горючей смеси и устойчивое сгорание обеспечивается стабилизатором горения 12. В выходной части корпуса 1, выполненной в виде диффузорного насадка 2, внутри которого установлен конический расходящийся насадок 3, за счет уменьшения скорости потока дутьевого воздуха повышается статическое давление, что позволяет преодолеть гидравлические сопротивления при движении воздуха и топливовоздушной смеси по тракту горелочного устройства. При этом сокращаются размеры горелочного устройства за счет расширения потока и угла раскрытия факела, увеличения площади поперечного сечения канала вдоль потока и интенсификации процесса перемешивания первичного воздуха и топлива вследствие возникновения обратных токов в диффузоре.
Вторичный поток дутьевого воздуха проходит в сужающемся по направлению движения пристенном канале 4, охлаждает стенки канала 4, что защищает выходную часть диффузорного насадка 2 и конического расходящегося насадка 3 от перегрева и оплавления и повышает надежность работы горелочного устройства. При этом осуществляется подача вторичного потока 16 дутьевого воздуха в периферийную часть 17 зоны горения жидкого топлива. Таким образом осуществляется принцип двухступенчатого сгорания топлива в пределах факела горелочного устройства, когда в первичной зоне горения используется первичный воздух в количестве ниже стехиометрического, что снижает температуру в ядре зоны горения топлива и уменьшает образование в продуктах сгорания оксидов азота. Вторичный поток 16 дутьевого воздуха, необходимого для завершения процесса горения, вводится в периферийную область 17 зоны горения для обеспечения эффективного дожигания топлива без ухудшения первичного процесса снижения выхода оксидов азота.
В цилиндрической части корпуса 1 горелочного устройства перед диффузорным насадком 2 установлен жестко скрепленный с корпусом 1 полый цилиндр 5 по меньшей мере с тремя радиальными пластинами 6, расположенными внутри цилиндра 5 под углом 60-80° к оси горелочного устройства по направлению движения подводимого тангенциально закрученного потока воздуха. Посредством радиальных пластин 6 установлена цилиндрическая втулка 7 для продольного перемещения трубопровода 9 совместно с жестко скрепленными топливной камерой 10 и стабилизатором горения 12. При этом цилиндрическая втулка 8 установлена и в торцевой части корпуса 1 горелочного устройства.
Продольным перемещением топливной камеры 10 совместно со стабилизатором горения 12 устанавливают оптимальное положение зоны горения и необходимую частоту вихреобразования. Одновременно изменением скорости потока дутьевого воздуха, обтекающего стабилизатор горения 12, добиваются наилучшего распыливания жидкого топлива за счет выбора зоны наиболее интенсивной турбулизации воздушного потока и циркуляционных течений паров топлива и продуктов сгорания за стабилизатором горения 12, что позволяет осуществлять интенсивное перемешивание паров топлива с воздухом и получение качественной топливовоздушной смеси.
Снабженный отверстиями 13 по всей конической поверхности шатра стабилизатор горения 12 образует струйно-стабилизаторную решетку, движение воздуха за которой представляет собой чередование прямых и обратных токов с высокими градиентами скоростей, генерирующими пульсации, что улучшает смесеобразование и ликвидирует недожог. Кроме того, струйно-стабилизаторный метод смесеобразования обладает свойством саморегулируемости состава смеси на переменных нагрузках, что расширяет диапазон регулирования устойчивого пульсирующего горения.
Таким образом, выполнение выходной части корпуса горелочного устройства в виде диффузорного насадка и размещение внутри него конического расходящегося насадка с образованием сужающегося по направлению движения потока воздуха пристенного канала для охлаждения скоростным вторичным потоком дутьевого воздуха диффузорного и конического расходящегося насадков и подачи этого потока воздуха в периферийную часть зоны горения жидкого топлива позволяют осуществлять принцип двухступенчатого сгорания топлива в пределах факела горелочного устройства, что уменьшает образование в продуктах сгорания оксидов азота. При этом сокращаются размеры горелочного устройства за счет расширения потока и угла раскрытия факела, увеличения площади поперечного сечения канала вдоль потока дутьевого воздуха и интенсификации процесса перемешивания первичного потока дутьевого воздуха и топлива. Кроме того, установка в горелочном устройстве цилиндрических втулок позволяет осуществлять продольное перемещение трубопровода подачи жидкого топлива совместно с жестко скрепленными топливной камерой и стабилизатором горения, устанавливать оптимальные размеры факела и положение зоны горения, что в совокупности повышает экономичность и надежность работы горелочного устройства.