ГОРЕЛКА

Полезная модель относится к теплотехнике, в частности, к горелкам, предназначенным для смешивания и сжигания газообразного топлива, в том числе взрывоопасного, для формирования высокотемпературного дозвукового либо сверхзвукового потока газа и может быть использована для проведения термомеханических испытаний.
Отличительной особенностью горелок, работающих на газообразном топливе, является простота их конструкций и систем подачи топлива. Типовая газовая горелка, способная формировать высокотемпературный поток газа, состоит из камеры сгорания, соплового аппарата и устройств ввода и смешивания компонентов топлива (Волков Е.Б., Головков Л.Г., Сырицын Т.А. «Жидкостные ракетные двигатели». М., «Воениздат», 1970 г.). В данной работе рассматриваются только горелки, камеры сгорания которых представляют собой открытую полость, ограниченную поверхностью вращения. При использовании взрывоопасных топлив, которые даже при малых концентрациях одного компонента в другом способны детонировать, газы подают в горелку раздельно и смешивают непосредственно в камере сгорания. В горелках с малой расходонапряженностью для эффективного перемешивания газов узлы ввода компонентов топлива ориентируют таким образом, чтобы смешиваемые потоки многократно пересекались, отражаясь друг от друга и от профилированных элементов в донной части камеры сгорания. В горелках большой производительности процесс смешивания газов более сложен, и для его завершения необходима камера сгорания большой протяженности, а следовательно, и объема. Однако, в случае использования взрывоопасного топлива, наличие большого объема еще не сформированной топливной смеси небезопасно, так как ее детонация приведет к разрушению горелки.
Известна горелка (авторское свидетельство СССР №1021874, F23D 14/00, опубл. 07.06.1983 г., бюл. №21), выбранная в качестве прототипа. Горелка содержит корпус, снабженный сопряженным с ним сужающимся выходным соплом, воздушный тангенциальный патрубок, выполненный в днище корпуса, и установленную в днище корпуса центральную газоподводящую трубку. Днище корпуса имеет полусферическую форму, а сопло - коническую. Газоподводящая трубка выполнена с возможностью перемещения в осевом направлении на величину, не превышающую диаметр полусферы.
К недостаткам горелки следует отнести:
- полусферическая форма днища корпуса с тангенциальным к поверхности дна вводом окислителя позволяет создать единичный вихрь, который лишь частично подводит окислитель (в данном случае воздух) в зону смешивания с горючим газом, остальная же часть окислителя выходит из горелки, так и не прореагировав с горючим. Таким образом, горелка не обеспечивает равномерное смешивание и полное внутрикамерное сжигание смеси;
- центральное расположение газоподводящей трубки, предназначенной для ввода в горелку потока горючего газа. При больших расходах горючего газоподводящая трубка сформирует направленный в сторону сопла поток непрореагировавшего с окислителем горючего, догорание которого будет происходить либо непосредственно в коническом сопле либо за пределами горелки;
- коническая форма сужающегося сопла не позволяет сформировать сверхзвуковой поток истекающих из горелки газов.
Решаемой технической задачей является создание газовой горелки простой конструкции, в том числе большой производительности для создания на выходе из горелки дозвукового или сверхзвукового потока высокотемпературного газа.
Ожидаемый технический результат заключается в равномерном смешивании и последующем полном сжигании газообразного топлива, в том числе взрывоопасного, и создании на выходе из горелки как дозвукового, так и сверхзвукового потоков высокотемпературного газа.
Технический результат достигается за счет применения горелки, содержащей полый корпус, снабженный сопряженным с ним выходным соплом в виде конфузора, тангенциальным узлом ввода окислителя и узлом ввода горючего, при этом узлы ввода окислителя и горючего выполнены тангенциальными к боковой поверхности полости корпуса и обеспечивающими ввод окислителя и горючего в сопряженным с ним, попутном направлении, а выходное сопло может быть дополнено сопряженным с ним диффузором.
Сопоставительный анализ предлагаемой горелки показывает, что заявляемая горелка отличается от прототипа совокупностью новых конструктивных признаков:
- узлы ввода окислителя и горючего выполнены тангенциальными К поверхности полости корпуса и обеспечивающими ввод окислителя и горючего в попутном направлении;
- выходное сопло горелки может быть дополнено диффузором.
Выполнение узлов ввода окислителя и горючего тангенциальными к боковой поверхности полости корпуса и обеспечивающими ввод окислителя и горючего в попутном направлении позволяет организовать вращательное движение смешиваемых потоков в плоскости, перпендикулярной оси полости корпуса в малом ее объеме, реализовать протяженный участок смешивания потоков, который значительно превышает линейные размеры самой полости, а, следовательно, и обеспечить достаточную для завершения формирования топливной смеси продолжительность процессов смешивания. В свою очередь, это позволяет вводить в полость корпуса с минимальным сопротивлением и смешивать большие количества газов, в том числе и взрывоопасных, гасить их скорость путем расходования кинетической энергии на преодоление газодинамического сопротивления при обтекании поверхности полости корпуса и совершение работ расширения вплоть до полного «распада» потоков. Кроме того, при омывании поверхности полости корпуса осуществляется охлаждение стенки корпуса горелки подводимыми вслед «холодными» потоками газа, вытесняющими прогретый газ с периферии в центр.
Дополнение выходного сопла горелки диффузором (т.е. получение сопла в виде сопла Лаваля) позволяет сформировать истекающий из горелки сверхзвуковой высокотемпературный газовый поток.
Конструкция и принцип действия предлагаемой горелки поясняются рисунками: фиг. 1 - внешний вид горелки с выходным соплом в виде конфузора; фиг. 2 - горелка в разрезе; фиг. 3 - размещение узлов ввода компонент топлива; фиг. 4 - внешний вид горелки с выходным соплом в виде сопла Лаваля.
Горелка (фиг. 1-3) состоит из полого корпуса 1, днища 2 и выходного сопла 3 в виде конфузора. Полость корпуса 1 с днищем 2 образуют камеру сгорания 4. В данном примере выполнения, придонная часть полости корпуса 1 имеет цилиндрическую поверхность. В придонной части полости корпуса 1 располагаются тангенциальные к ее боковой поверхности узел ввода окислителя 5 и узел ввода горючего 6, подключенные отдельными трубопроводами 7 к системе раздельной подачи компонент топлива. Тангенциальные узлы ввода окислителя 5 и горючего 6 ориентированы в попутном направлении. В данном примере выполнения, для зажигания топливной смеси на боковой поверхности корпуса 1 расположен электроискровой разрядник 8, а для контроля за давлением в камере сгорания 4 к корпусу 1 подключен измерительный трубопровод 9.
Для реализации сверхзвукового потока (организации сопла Лаваля) выходное сопло 3 может быть дополнено сопряженным с ним диффузором 10 (фиг. 4).
Горелка функционирует следующим образом.
Перед запуском горелки производится продувка инертным газом подводящих топливных трубопроводов 7, тангенциальных узлов ввода окислителя 5 и горючего 6, камеры сгорания 4 и выходного сопла 3. После продувки запускают электроискровой разрядник 8 и подают каждый по своему трубопроводу газообразные компоненты топлива: окислитель, затем горючее.
Вводимые в камеру сгорания 4 через тангенциальные узлы ввода 5 и 6 потоки окислителя и горючего приобретают вращательное движение по окружности, ограниченной стенкой камеры сгорания 4. Двигаясь попутно, потоки окислителя и горючего расширяясь смешиваются друг с другом и вытесняются вводимыми следом более плотными газами в зону горения - центр камеры сгорания, где готовая топливная смесь воспламеняется с помощью электроискового разрядника 8. Продукты сгорания топливной смеси вытесняются из камеры сгорания 4 в выходное сопло 3, которое формирует истекающий из горелки высокотемпературный поток газа. В зависимости от вида выходного сопла: конфузора или сопла Лаваля, поток может быть дозвуковым или сверхзвуковым, соответственно.
Для отключения горелки систему подачи горючего заполняют инертным газом и производят дожигание оставшегося в горелке горючего. После прекращения горения отключают подачу газов в горелку.
Использование заявляемой горелки позволяет создать газовую горелку простой конструкции, в том числе, большой производительности, работающую, в том числе, на взрывоопасном топливе, предназначенную для формирования высокотемпературного дозвукового или сверхзвукового потока газа.