ГОРЕЛКА

Предлагаемая полезная модель относится к области энергомашиностроения, а именно, турбостроения, конкретно к горелке с предварительным смешиванием.
Известна горелка, содержащая аксиальный лопаточный завихритель воздуха с лопатками, цилиндрическую обечайку, втулку и кольцевую предкамеру. На выходе цилиндрической обечайки установлено сужающее устройство в виде конического пережима. Благодаря выполнению сужающего устройства в виде конического пережима внутри предкамеры отсутствуют застойные зоны с низкими скоростями топливовоздушной смеси, в которых может стабилизироваться горение в случае проскока пламени, а сам пережим хорошо охлаждается высокоскоростным потоком топливовоздушной смеси, и его температура всегда ниже температуры воспламенения смеси (патент РФ №2099639, F23R 3/28, опубл. 20.12.1997 г.).
Недостатком данной конструкции является то, что при работе горелки на режимах розжига, низкой нагрузки, а также при смене нагрузки возможен проскок пламени по пограничному слою, где скорость потока может быть, ниже скорости распространения пламени.
Известна горелка с предварительным смешиванием, содержащая внешнюю оболочку, выполненную по типу губы и коаксиальную к ней внутреннюю оболочку, имеющую на входе закругленный край. Конструкция из внешней оболочки и внутренней оболочки определяет проходящий от входа до выхода кольцевой зазор для направления потока. В кольцевом зазоре расположена завихрительная решетка, состоящая из радиальных направляющих лопаток с расположенными в них соплами для подвода топлива к потоку. Конструкция из внешней оболочки и внутренней оболочки выполнена таким образом, что обеспечивается постоянная меридиональная скорость потока через кольцевой зазор между завихрительной решеткой и выходом, (патент РФ №2156405, F23D 14/82, опубл. 20.09.2000 г.)
Недостатком такой конструкции является низкая надежность работы горелки на режимах розжига, низкой нагрузки и при смене нагрузки. На выходе из горелки в области около внешней обечайки и внутренней обечайки могут появляться застойные зоны, скорость в которых ниже меридиональной скорости основного потока, т.е. ниже, чем скорость распространения пламени. Это может привести к проскоку пламени вверх по потоку с последующей стабилизацией внутри горелки, а, следовательно, к выходу горелки из строя.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой полезной модели является конструкция, описанная в изобретении «Устройство горелки» (патент РФ №2079049, F23D 17/00, опубл. 10.05.1997 г.). В указанном изобретении горелка с предварительным смешиванием содержит внешнюю часть (обечайку) и коаксиальную к ней внутреннюю часть (обечайку). Внешняя обечайка и внутренняя обечайка образуют конически сужающуюся систему кольцевых каналов (кольцевой зазор) для подвода воздуха. В кольцевом зазоре расположен набор завихряющих лопаток (диагональный завихритель), состоящий из полых лопаток с выпускными форсунками для подвода топлива к потоку. Горелка содержит практически концентрично расположенные кольцевые каналы для подвода различных рабочих сред, причем со стороны притока выше выпускных форсунок в кольцевой зазор впадает дополнительный кольцевой канал для подвода горячего газа с низкой удельной теплотой сгорания. Для стабилизации пламени горелка содержит пилотную горелку.
Недостатком такой конструкции является то, что при работе горелки возможен проскок пламени вверх по потоку по пограничному слою, где скорость потока может быть ниже скорости распространения пламени, что снижает надежность работы горелки.
Наиболее вероятной причиной проскока пламени является закрутка потока в кольцевом зазоре, что приводит к появлению центробежных сил и способствует нарастанию пограничного слоя и даже возможно отрыву потока у внутренней обечайки. Это явление в совокупности с высокой температурой, способствует проскоку пламени у поверхности обечаек в части кольцевого зазора между диагональным завихрителем и выходом, где имеется пограничный слой и скорость потока мала по сравнению со скоростью основного потока и скоростью распространения пламени в топливовоздушной смеси.
Технический результат, на достижение которого направлена предлагаемая полезная модель, состоит в повышении надежности работы горелки.
Указанный технический результат достигается тем, что горелка с предварительным смешиванием состоит из внешней обечайки и коаксиальной к ней внутренней обечайки. Внешняя обечайка и внутренняя обечайка образуют конически сужающийся кольцевой зазор. В кольцевом зазоре расположен диагональный завихритель, состоящий из лопаток с форсунками для подвода топлива к потоку. Корневые и периферийные сечения лопаток на высоте 3-8% от длины лопатки смещены в сторону спинки относительно средних сечений на величину, равную 2-12% от длины лопатки.
За счет смещения корневых и периферийных сечений лопаток в сторону спинки относительно средних сечений поток топливовоздушной смеси оттесняется к корню и периферии лопаток. При этом уменьшается толщина пограничных слоев, что приводит к увеличению меридиональной скорости в пограничном слое. Таким образом, уменьшается вероятность проскока пламени внутрь по пограничному слою, что повышает надежность работы горелки.
С целью дополнительного повышения надежности горелки и снижения степени неравномерности протекающего через горелку потока, на входе внешняя обечайка выполнена таким образом, что она открывается по типу губы, а внутренняя обечайка имеет закругленный край.
Новым в заявляемом устройстве является то, что корневые и периферийные сечения лопаток на высоте 3-8% от длины лопатки смещены в сторону спинки относительно средних сечений на величину, равную 2-12% от длины лопатки.
На фиг.1 представлен продольный разрез горелки, на фиг.2 представлен главный вид и вид сверху радиальной лопатки диагонального завихрителя, на фиг.3 представлен главный вид, вид сверху А и вид снизу Б лопатки диагонального завихрителя со смещенными сечениями.
Горелка состоит из внешней обечайки 1 коаксиальной к ней внутренней обечайки 2. Для поддержания устойчивого процесса горения имеется пилотная горелка 3. Для воспламенения топливовоздушной смеси горелка содержит воспламенитель, для которого известно множество вариантов выполнения (на фиг.1 не показан). Внешняя обечайка 1 и внутренняя обечайка 2 образуют конически сужающийся кольцевой зазор 4, в котором расположен диагональный завихритель 5, состоящий из лопаток 6 с форсунками 7 для подвода топлива к воздушному потоку 8 (обозначен стрелкой). Корневые 9 и периферийные 10 сечения лопаток 6 на высоте 3-8% от длины L лопатки 6 смещены в сторону спинки 11 относительно средних сечений 12 на величину, равную 2-12% от длины L лопатки 6. Для снижения степени неравномерности (повышения гомогенизации) протекающего через горелку потока 8, внешняя обечайка 1 и внутренняя обечайка 2 выполнены таким образом, что кольцевой зазор 4 между входом 13 и диагональным завихрителем 5 сужается. Для этого внешняя обечайка 1 выполнена таким образом, что она открывается на входе 13 по типу губы, а внутренняя обечайка 2 имеет на входе 13 закругленный край 14.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
При работе горелки воздух подается на вход 13. Далее, воздушный поток 8 проходя через конически сужающийся кольцевой зазор 4, натекает на лопатки 6 диагонального завихрителя 5. Через форсунки 7 перпендикулярно воздушному потоку 8 подается топливный газ. Проходя между лопатками 6 диагонального завихрителя 5 воздушный поток 8 и топливный газ закручиваются. При движении в кольцевом зазоре 4 вследствие турбулентного характера течения закрученного потока происходит интенсивное перемешивание воздушного потока 8 и топливного газа, образуется топливовоздушная смесь. При обтекании лопаток 6 диагонального завихрителя 5 за счет смещения корневых 9 и периферийных 10 сечений в сторону спинки 11 относительно средних сечений 12 топливовоздушная смесь оттесняется к корню и периферии лопаток 6. При этом уменьшается толщина пограничных слоев, что приводит к увеличению меридиональной скорости топливовоздушной смеси в пограничном слое. Далее закрученный поток топливовоздушной смеси движется в части кольцевого зазора 4 от диагонального завихрителя 5 до выхода 15. Воспламенение горючей смеси в потоке 8 происходит вне горелки. Для этого предусмотрена пилотная горелка 3, в каналы которой подается незначительное количество природного газа, сжигаемого при стехиометрической температуре. На выходе из горелки топливовоздушная смесь имеет равномерное поле концентраций, что обеспечивает низкую эмиссию оксидов азота при последующем сжигании.
Результаты проведенных в программном комплексе ANSYS FLUENT расчетов показали, что предложенная конструкция горелки, вследствие особенности структуры течения, позволила добиться уменьшения толщины пограничного слоя, что повышает надежность работы горелки.