НИЗКОНАПОРНАЯ ПРЯМОТОЧНО-ВИХРЕВАЯ ГОРЕЛКА
LOW-HEAD STRAIGHT-FLOW SWIRL BURNER

Изобретение относится к области теплоэнергетики и предназначено для сжигания жидкого топлива в котлах, нагревательных устройствах и камерах сгорания. Может быть использовано в судовых и стационарных тепловых установках.
Известна низконапорная регулируемая горелка (Патент РФ № 2118752, Бюл. № 28 от 10.09.98), содержащая камеру подвода воздуха (воздушную камеру); завихритель подаваемого воздушного потока с поворотными радиальными направляющими лопатками, встроенными с возможностью поворота вокруг своей оси посредством привода, размещенного снаружи воздушной камеры, и сообщенными своей выходной оконечностью с соплом Вентури, образованным каналами конфузора, суженного сечения и диффузора; трубопровод подачи топлива, коаксиально вмонтированный в суженное сечение и снабженный на своей оконечности распыливающими отверстиями, оси которых поперечно ориентированы к оси сопла Вентури; регулятор расхода топлива, кинематически связанный с механизмом угла поворота лопаток; и стабилизатор горения, снабженный торцевой стенкой и цилиндрической обечайкой,
Недостатками известной низконапорной регулируемой горелки являются: сложность приводного устройства поворота осевого лопаточного аппарата и регулятора расхода топлива, что обусловлено тем, что оси вращения лопаток направлены по радиусу канала подачи воздуха, и индивидуальные приводы лопаток расположены снаружи канала, и требуется согласование их угла поворота; малая глубина регулирования производительности горелки, определяемая малой величиной закручивания потока воздуха вследствие опасности выпадения капель топлива в закрученном потоке на стенки диффузорного канала. Все это снижает надежность работы и глубину регулирования горелки, что приводит к необходимости увеличения числа горелок на фронте котла.
Известна низконапорная прямоточно-вихревая горелка, являющаяся горелкой-прототипом (Сень Л.И. Оптимизация технико-экономических решений при проектировании и эксплуатации котельных установок малой мощности. Владивосток: Мор. гос. ун-т, 2004. стр.62-66), содержащая камеру подвода воздуха, ограниченную боковой цилиндрической поверхностью, внешней и внутренней притопочными торцевыми стенками камеры завихрения; лопаточный завихритель подаваемого воздушного потока с поворотными направляющими лопатками, оси вращения которых закреплены аксиально оси горелки на внутренней притопочной торцевой стенке внутри воздушного канала; поворотные лопатки, сообщенные своей выходной оконечностью каждая с камерой завихрения; сопло Вентури, образованное каналами конфузора, суженного сечения и диффузора, и сопряженное входной оконечностью конфузора соосно с полостью камеры завихрения на ее выходе; трубопровод подачи топлива, коаксиально вмонтированный в суженное сечение сопла и снабженный на своей оконечности распыливающими отверстиями, оси которых поперечно ориентированы к оси сопла Вентури; стабилизатор горения, образованный внутренней притопочной торцевой стенкой и цилиндрической обечайкой; рычажный регулятор нагрузки в зависимости от давления пара в котле; регулятор расхода топлива дроссельного типа и рычаг регулятора нагрузки, кинематически связанный с поворотными лопатками посредством поворотного дискового пальчикового привода со стержнем и дроссельным регулятором расхода топлива. Такой привод уже проще, поскольку оси вращения лопаток аксиальны оси горелки и размещены внутри воздушного канала, и поворотный дисковый пальчиковый привод лопаток расположен внутри воздушного канала, а снаружи канала установлен только один стержень привода угла поворота этого диска, связанный с рычагом (вращения) регулятора нагрузки. При этом ось вращения рычага регулятора нагрузки соосна воздушному каналу.
Недостатком известной горелки-прототипа, проявившим себя в эксплуатации, является малая глубина регулирования нагрузки горелки, которая составляет величину от 100 до 50%. Это связано с тем, что уменьшение расхода воздуха на горелку и, соответственно, снижение ее тепловой мощности достигается путем увеличения степени закрутки потока при увеличении угла установки лопаток завихрителя. При этом чрезмерно увеличивается центробежная сила закрученного потока воздуха, что приводит к сепарации капель распыленного топлива на выходной оконечности диффузорного канала с образованием пленки, что весьма существенно, испарение которой сопровождается отложениями на диффузоре, требующими периодической чистки в процессе эксплуатации. Кроме того, при номинальной нагрузке горелки с прямоточным движением воздуха сложно обеспечить стабилизацию горения, а снижение нагрузки горелки сопровождается ростом коэффициента избытка воздуха, что отрицательно сказывается уже на экономичности котла. Все это в конечном итоге затрудняет и ухудшает эксплуатацию горелки. Для исключения этих недостатков устанавливают на фронте котла не менее двух горелок. Однако при этом усложняется привод управления синхронной работой нескольких горелок с периодическим отключением одной из них при снижении тепловой мощности котла. При этом не представляется возможным поддержание низких значений коэффициента избытка воздуха во всем диапазоне нагрузок котла.
Таким образом, горелка-прототип не обеспечивает широкий диапазон тепловых нагрузок котла, работающего на одной горелке и с низким коэффициентом избытка воздуха, близким стехиометрическому значению без выпадения капель топлива на стенки диффузорного канала сопла Вентури.
Технической задачей предлагаемого изобретения низконапорной прямоточно-вихревой регулируемой горелки является устранение указанных недостатков, а именно увеличение диапазона тепловых нагрузок котла при работе на одной горелке с коэффициентом избытка воздуха, близким стехиометрическому значению, 1≤α≤1,1, с обеспечением стабилизации процесса горения и без выпадения капель на стенки канала.
Это достигается тем, что известная низконапорная прямоточно-вихревая горелка, содержащая камеру подвода воздуха, ограниченную боковой цилиндрической поверхностью, внешней и внутренней притопочной торцевыми стенками камеры завихрения; лопаточный завихритель подаваемого воздушного потока с поворотными направляющими лопатками, оси которых закреплены аксиально оси горелки на внутренней притопочной торцевой стенке внутри воздушной камеры, сообщенными своей выходной оконечностью каждая с камерой завихрения; сопло Вентури, образованное каналами конфузора, суженного сечения и диффузора, сообщенное входной оконечностью конфузора соосно с полостью камеры завихрения на ее выходе; трубопровод подачи топлива, коаксиально вмонтированный в суженное сечение сопла и снабженный на своей оконечности распыливающими отверстиями, оси которых ориентированы поперечно к оси сопла Вентури; регулятор расхода топлива дроссельного типа, рычажный регулятор нагрузки, кинематически связанный с лопаточным завихрителем и дроссельным регулятором расхода топлива; стабилизатор горения, образованный внутренней притопочной торцевой стенкой и цилиндрической обечайкой, снабжена тремя или более соплами Вентури, размещенными по окружности оси горелки на внутренней притопочной торцевой стенке, сообщенными каждый выходной оконечностью диффузора в пространстве топки с полостью стабилизатора горения. Камеры завихрения в камере подвода воздуха ограничены с внешней стороны тремя или более торцевыми дисками с встроенными управляющими пальцами поворотных лопаток, жестко скрепленными каждый с поворотными рычагами через соосные с ними трубопроводы подачи топлива, жестко сообщенные каждый входной оконечностью с цилиндрическим плунжером дроссельного щелевого регулятора подвода топлива, а выходной оконечностью с данным торцевым диском и снабженные близ торца распыливающими отверстиями в сопле Вентури. Входная оконечность рычажного регулятора нагрузки снабжена мембраной регулятора давления пара в котле, а ее подпружиненный шток на выходной оконечности регулятора нагрузки кинематически связан с осевым стержнем, кинематически связанным с тремя или более клинообразными уступами, сопряженными с поворотными рычагами соосных трубопроводов подачи топлива, причем каждый из клинообразных уступов установлен на осевом штоке, сопряженным с опорным фланцем, скрепленным с внешней притопочной торцевой стенкой.
Заявленная совокупность ограничительных и отличительных признаков обеспечивает увеличение глубины регулирования горелки без ухудшения эффективности ее работы во всем диапазоне нагрузок за счет последовательного отключения из работы индивидуальных сопел Вентури с завихрителями воздуха, обеспечивающими величину коэффициента избытка воздуха в пределах от 1 до 1,1 со стехиометрическим смесеобразованием в факеле, и расхода топлива через соответствующие трубопроводы подачи топлива. Использование нескольких сопел Вентури расширяет область нагрузок работы горелки от 100 до 5% без выпадения капель распыленного топлива на стенки канала.
Заявляемое изобретение поясняется иллюстрациями: фиг.1, на которой приведена схема предлагаемой трехсопловой горелки; фиг.2 с аксонометрическим изображением горелки со снятой дверцей и фиг 3, на которой представлен характер изменения относительного расхода топлива и коэффициента избытка воздуха трехсопловой горелки.
Низконапорная прямоточно-вихревая горелка содержит камеру подвода воздуха 1 (короб), ограниченную с внутренней стороны поверхностью притопочной торцевой стенки 2, а со стороны окружающей среды боковой цилиндрической поверхностью короба и дверцей 3. В камере подвода воздуха 1 размещены по окружности относительно оси по радиусу например три (или более) торцевых диска 4 с встроенными по радиусу управляющими пальцами 5 прямоугольных поворотных направляющих лопаток 6 воздушного потока, образующих на выходной оконечности каждой из лопаток 6 вблизи оси сопла Вентури 7 между торцевыми дисками 4 и внутренней поверхностью притопочной торцевой стенки 2 их камеры завихрения 8. Вблизи входной оконечности поворотных лопаток 6 размещены по окружности их оси вращения 9, закрепленные на стенке 2. Сопла Вентури 7 врезаны с внешней стороны притопочной торцевой стенки 2 соосно торцевым дискам 4, содержат по ходу воздуха конфузорный, цилиндрический и диффузорный участки канала. В начале цилиндрического канала каждого сопла Вентури на его оси размещена выходная оконечность трубопровода подачи топлива 10 с поперечно ориентированными относительно оси сопла Вентури отверстиями подвода топлива (не показаны). Трубопроводы подачи топлива 10 по длине жестко связаны с соответствующими индивидуальными торцевыми дисками 4, поворотными рычагами 11 и цилиндрическими плунжерами дроссельных щелевых регуляторов подвода топлива 12. Каждый из поворотных рычагов 11 одним концом по оси горелки сопряжен с клинообразным уступом 13, установленным на осевом штоке 14, сопряженным с опорным фланцем 15, скрепленным с дверцей 3, а другим концом сообщен с пружиной растяжения 16. Все клинообразные уступы 13 сопряжены с осевым штоком 14, кинематически связанным посредством рычага 17 с регулятором нагрузки в виде регулятора давления пара 18, оборудованным мембраной 19 с ее штоком 20 с силовой пружиной 21 и регулировочной гайкой 22. Все детали и системы подвода топлива и импульса подвода давления пара от котла жестко смонтированы на дверце 3, оборудованной осью вращения 23.
Горелка имеет стабилизатор горения 24, образованный полостью в пределах притопочной торцевой стенки 2 с соплами Вентури 7 и топочного пространства, ограниченного внешними стенками 25.
На схеме фиг.2 для наглядности представлено аксонометрическое изображение трехсопловой горелки со снятой дверцей. Здесь дополнительно показаны: патрубок 26 для подвода воздуха в камеру подвода воздуха горелки от вентилятора (не показан); патрубок 27 для установки фотоэлемента контроля пламени (не показан); патрубок 28 для ввода воспламенителя смеси (не показан) в полость стабилизатора горения 24; штуцер 29 подвода импульса давления пара от котла (не показан) в регулятор давления пара 18; трубопроводы 30 подвода топлива через регуляторы 12 к соплам горелки; фланец 31 крепления горелки на топочном фронте котла (не показан).
Низконапорная прямоточно-вихревая горелка работает следующим образом. Воздух от вентилятора (не показан) поступает в камеру подвода воздуха 1 и далее поступает на поворотные лопатки 6 с осью вращения 9, расположенные по радиусу между торцевыми дисками 4 и внутренней поверхностью притопочной торцевой стенкой 2, и в зависимости от задаваемого угла поворота торцевых дисков 4 с лопатками 6 воздух закручивается или поступает прямотоком по радиусу в каждую камеру завихрения 8, размещенную на входе потока перед конфузорным участком каждого сопла Вентури 7.
При этом, проходя по лопаткам 6, воздух поступает в их камеры завихрения 8 и далее в каждое сопло Вентури 7 с участками конфузорного, цилиндрического и диффузорного каналов. Топливо подводится по трубопроводам в плунжеры цилиндрических дроссельных щелевых регуляторов подвода топлива 12, затем поступает во входные участки трубопроводов подачи топлива 10 и на их выходных участках через поперечные отверстия вытекает в поток воздуха в начале цилиндрических каналов сопел Вентури 7, где распыливается с образованием мелких капель.
На выходе из сопел Вентури 7 образовавшаяся топливно-воздушная смесь поступает в виде струй в полость стабилизатора горения 24, образованного внешней цилиндрической обечайкой 25 и притопочной торцевой стенкой 2. Полость стабилизатора горения 24 содержит воспламенитель смеси (не показан), расположенный в патрубке 27, который обеспечивает первоначальное поджигание. Воспламененная горящая топливно-воздушная смесь продолжает гореть за счет образования зон обратных токов высокотемпературных продуктов сгорания, расположенных между границами нескольких струй топливно-воздушной смеси (показанных штриховыми линиями) и между границами струй и внешней стенкой 25, как показано стрелками в полости стабилизатора горения 24 при номинальной нагрузке горелки с прямоточным подводом воздуха в камеры завихрения 8. Далее горящая топливно-воздушная смесь выбрасывается из полости стабилизатора горения 24 в объем топки (не показана).
При долевых нагрузках горелки, когда часть сопел Вентури 7 работает с достаточным завихрением потока воздуха в камере завихрения 8, возникает дополнительная зона обратных токов на оси струи топливно-воздушной смеси, что обеспечивает стабилизацию горения в том числе при минимальной нагрузке топочного устройства, работающего на одном сопле.
Регулирование тепловой мощности (нагрузки) горелки осуществляется от импульса давления пара в котле, воспринимаемого регулятором давления пара 18. При этом шток 20 перемещается и через рычаг 17 оказывает воздействие на осевой шток 14 и его клинообразные уступы 13. При перемещении клиноообразных уступов 13 поворачиваются вокруг своих осей трубопроводы подачи топлива 10, поворотные рычаги 11 и жестко связанные с ними вокруг их осей, помимо трубопроводов подачи топлива 10, цилиндрические плунжеры дроссельных щелевых регулятор подвода топлива 12 и торцевые диски 4 с встроенными управляющими пальцами 5, которые при повороте дисков 4 поворачивают поворотные направляющие лопатки 6 относительно осей вращения лопаток 9. При этом изменяется степень крутки воздушного потока в камере завихрения 8 и расход воздуха через сопло Вентури 7.
При повороте трубопровода подачи топлива 10 в цилиндрическом плунжере щелевого дроссельного регулятора подвода топлива 12 изменяется размер (длина) дроссельной щели (не показана) и соответствующий расход топлива на выпускной оконечности трубопровода 10, снабженной поперечными отверстиями подвода топлива в суженную часть сопла Вентури. Возвратное движение поворотных элементов 4, 6, 10 и цилиндра регулятора подвода топлива 12 обеспечивается пружиной растяжения 16.
ном
mах
Характер изменения относительного расхода топлива, В/В, и коэффициента избытка воздуха, а в зависимости от относительного перемещения штока 20 привода регулятора давления пара, Н/Н, (нагрузки) трехсопловой горелки приведен на схеме фиг.3. Некоторые колебания коэффициента избытка воздуха с изменением нагрузки горелки определяются некоторой несовместимостью характеристик законов изменения расхода топлива и воздуха при их постоянном давлении на входе в горелку. Для топлива эта характеристика прямолинейна по углу поворота цилиндрического плунжера дроссельного щелевого регулятора, а для воздуха эта характеристика обладает некоторой нелинейностью в зависимости от степени крутки потока на входе в сопло Вентури. Несовместимость этих характеристик и определяет колебание коэффициента избытка воздуха при изменении нагрузки трехсопловой горелки. С увеличением числа сопел горелки амплитуда этих колебаний снижается и приближаются к постоянству коэффициента избытка воздуха на различных нагрузках горелки. Невыпадение капель распыленного топлива на стенки диффузорного канала обеспечивается тем, что при работе горелки отключение подачи топлива в любом из каналов осуществляется прежде, чем достигается высокая степень крутки воздушного потока, способная образовать пленку, а избыточный воздух отключенного по топливу канала компенсируется подачей топлива из работающих каналов.
Проверка пределов регулирования производительности горелки с соблюдением соотношения расходов топлива и воздуха осуществлена на лабораторном стенде кафедры заявителя.
Все детали горелки установлены на дверце 3 с осью вращения 23, на которой размещены штуцеры подвода топлива 32 и штуцер подвода импульса давления пара 29 и которая связана посредством шпилек 33 с притопочной торцевой стенкой 2, посредством которой размещены элементы 4, 6, 7, 8 и 9. При открытии дверцы обеспечивается доступ к подвижным и неподвижным (разъемным) элементам горелки, включая уплотнительные соединения входной и выходной оконечностей трубопровода подачи топлива 10, что не требует демонтажа горелки для осмотра, обслуживания и ремонта.