РОТАЦИОННАЯ ГОРЕЛКА ДЛЯ ЖИДКОГО ТОПЛИВА
ROTARY BURNER FOR LIQUID FUEL

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а именно к ротационным горелкам, предназначенным для подачи жидкого (предпочтительно тяжелого) топлива, отработанного масла и воздуха в топки котлов малой мощности (до 1 МВт), и может быть использовано в различных отраслях, где используются топливосжигающие устройства.
Известна ротационная форсунка (SU №781496, F23D 11/06, 1975), предназначенная для распыливания и сжигания жидкого, преимущественно вязкого, топлива, содержащая корпус с воздухоподводящим патрубком и ротор с топливопроводом и распылителем, соосно которому установлен на полом валу вентилятор. К полому валу с укрепленным на нем вентилятором и топливопроводу с укрепленным на нем распылителем подключен привод, обеспечивающий их вращение в противоположные стороны.
Закрутка воздуха вентилятором в сторону, противоположную вращению пелены топлива, повышает качество его распыливания, однако не обеспечивает необходимой для полного сгорания топлива степени диспергирования. Вместе с тем недостатком данной форсунки является некомпактность конструкции, обусловленная выполнением привода.
Известна также ротационная горелка для жидкого топлива, содержащая корпус, в полости которого установлен с возможностью вращения от привода полый вал, один конец которого связан с узлом топливоподачи, а на втором конце смонтирован соосно валу распыливающий стакан, в объем которого открыт выходной конец полого вала, снабженный разбрызгивателем топлива и рабочее колесо вентилятора подачи первичного воздуха, жестко закрепленное на полом валу в полости кожуха, выпускной патрубок которого коаксиально охватывает распыливающий стакан, а тыльная сторона которого воздухоподводящим каналом связана с атмосферой, при этом горелка снабжена средством подачи вторичного воздуха (RU 2083921, F23D 11/04, 1997).
В известной горелке усложнена конструкция системы подачи воздуха, включающая наличие специального вентилятора для подачи вторичного воздуха, горелка имеет весьма значительные габариты, обусловленные конструктивным решением привода, при этом в конструкции применено большое количество быстроизнашивающихся деталей, что обусловливает недостаточную надежность и долговечность работы устройства. Кроме того, в условиях сжигания высоковязких тяжелых топлив не обеспечивается достаточная степень их дисперсности.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является обеспечение мелкодисперсного распыления высоковязкого тяжелого топлива и приближение к стехиометрическому выгоранию топлива, т.е. снижению коэффициента избытка воздуха.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в обеспечении качественного диспергирования высоковязких тяжелых топлив, за счет повышения скорости ввода потока вторичного воздуха во взаимодействие с «первичным» факелом распыла топлива (образованного взаимодействием первичного воздуха и капель топлива). Кроме того, обеспечивается глушение шума возникающего при высокоскоростном вращении рабочего колеса подачи вторичного воздуха.
Для решения указанной задачи ротационная горелка для жидкого топлива, содержащая корпус, в полости которого установлен с возможностью вращения от привода полый вал, один конец которого связан с узлом топливоподачи, а на втором конце смонтирован соосно валу распыливающий стакан, в объем которого открыт выходной конец полого вала, снабженный разбрызгивателем топлива и рабочее колесо вентилятора подачи первичного воздуха, жестко закрепленное на полом валу в полости кожуха, выпускной патрубок которого коаксиально охватывает распыливающий стакан, а тыльная сторона которого воздухоподводящим каналом связана с атмосферой, при этом горелка снабжена средством подачи вторичного воздуха, отличается тем, что полый вал выполнен с возможностью вращения с частотой 7500-8000 об/мин, при этом средство подачи вторичного воздуха содержит воздухонаправляющий аппарат, размещенный на торце корпуса, аэродинамически связанный со вторым рабочим колесом вентилятора, жестко закрепленным на полом валу в полости дополнительного кожуха, герметично охватывающего с зазором корпус, при этом входное отверстие направляющего аппарата вторичного воздуха снабжено глушителем шума, выполненным в виде набора кольцевых пластин из гибкого пористого материала, например войлока или фетра, размещенных с щелевым зазором относительно друг друга с образованием цилиндрической конструкции, охватывающей периметр входного отверстия направляющего аппарата, кроме того, входной участок дополнительного кожуха выполнен диффузорным, а его выходной участок выполнен конфузорным, с охватом выпускного патрубка кожуха рабочего колеса вентилятора подачи первичного воздуха и соосно ему, при этом выпускное отверстие воздухонаправляющего аппарата снабжено стабилизатором потока вторичного воздуха. Кроме того, полый вал установлен в подшипниках, размещенных в масляной ванне, установленной в полости корпуса соосно полому валу. Кроме того, распыливающий стакан установлен с возможностью возвратно-поступательного перемещения по ступице рабочего колеса вентилятора и связан с ним посредством резьбового соединения с возможностью замены распыливающего стакана одной длины и/или конусности на распыливающий стакан другой длины и/или конусности. Кроме того, на внутренней поверхности кожуха рабочего колеса вентилятора подачи первичного воздуха, со стороны выпускного патрубка выполнены спрямляющие направляющие потока первичного воздуха. При этом направляющие потока первичного воздуха выполнены радиально-изогнутыми в сторону, противоположную направлению вращения рабочего колеса вентилятора.
Сопоставительный анализ совокупности существенных признаков предлагаемого технического решения и совокупности существенных признаков прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение следующих функциональных задач:
Признак «…полый вал, выполнен с возможностью вращения с частотой не менее 7500-8000 об/мин…» обеспечивает качественное распыливание высоковязких тяжелых топлив за счет повышения энергетических характеристик распылителя.
Признаки «…средство подачи вторичного воздуха содержит воздухонаправляющий аппарат, размещенный на торце корпуса, аэродинамически связанный со вторым рабочим колесом вентилятора, жестко закрепленным на полом валу в полости дополнительного кожуха, герметично охватывающего с зазором корпус…» исключают необходимость использования отдельных вентиляторов для подачи вторичного воздуха, поскольку рабочее колесо такого вентилятора устанавливается непосредственно на полом валу, и его вращение осуществляется за счет штатного двигателя горелки, вращающего полый вал, и при этом обеспечивается возможность длительного взаимодействия рабочего колеса с нагретой воздушной массой. При этом подача вторичного воздуха осуществляется по зазору между корпусом и дополнительным кожухом.
Признаки «…входное отверстие направляющего аппарата вторичного воздуха снабжено глушителем шума, выполненным в виде набора кольцевых пластин из гибкого пористого материала, например войлока или фетра, размещенных с щелевым зазором относительно друг друга с образованием цилиндрической конструкции, охватывающей периметр входного отверстия направляющего аппарата…» обеспечивают глушение шума, возникающего при высокоскоростном вращении рабочего колеса подачи вторичного воздуха.
Признаки «…входной участок дополнительного кожуха выполнен диффузорным, а выходной участок дополнительного кожуха выполнен конфузорным» минимизируют влияние переходных участков «канала для подачи вторичного воздуха» на режим движения воздушного потока и энергоемкость процесса подачи вторичного воздуха.
Признаки «выходной участок дополнительного кожуха выполнен… с охватом выпускного патрубка кожуха рабочего колеса вентилятора подачи первичного воздуха, соосно ему» обеспечивают повышение скорости ввода потока вторичного воздуха во взаимодействие с «первичным» факелом распыла топлива (образованного взаимодействием первичного воздуха и капель топлива).
Признак «…выпускное отверстие воздухонаправляющего аппарата снабжено стабилизатором потока вторичного воздуха…» обеспечивает эффективное перемешивание подаваемого вторичного воздуха с топочными газами.
Признаки второго пункта формулы изобретения обеспечивают эффективное охлаждение подшипников, работающих в тяжелом скоростном режиме.
Признаки третьего пункта формулы изобретения обеспечивают возможность «варьирования» рабочих параметров процесса распыления топлива с целью его оптимизации под конкретные технико-технологические условия (тип и вязкость топлива, производительность, тонкость распыла и т.п.).
Признаки четвертого пункта формулы изобретения позволяют убрать «завихрения», т.е. сопротивление потока первичного воздуха.
Признаки пятого пункта формулы изобретения конкретизируют форму направляющих лопаток.
Заявляемое изобретение поясняется чертежом, на котором:
представлен общий вид горелки (продольный разрез).
На чертеже показаны корпус 1, полый вал 2, узел топливоподачи 3, распыливающий стакан 4, разбрызгиватель топлива 5, регулирующий выпускной патрубок 6, рабочее колесо 7 вентилятора подачи первичного воздуха, кожух 8 первичного вентилятора, воздухоподводящий канал 9, отверстия 10 и 11, воздухонаправляющий аппарат 12, рабочее колесо 13 подачи вторичного воздуха, дополнительный кожух 14, глушитель шума 15, подшипники 16, масляная ванна 17, стабилизатор 18, фурма 19, электропривод 20, направляющие 21 потока первичного воздуха и сливная трубка 22.
Ротационная горелка для жидкого топлива содержит корпус 1, в полости которого установлен с возможностью вращения от привода полый вал 2, один конец которого связан с узлом топливоподачи 3, а на втором конце смонтирован соосно валу распыливающий стакан 4, в объем которого открыт выходной конец полого вала 2, снабженный разбрызгивателем 5 топлива. Распыливающий стакан 4 расположен в полости регулирующего выпускного патрубка 6 (выполненного в виде конуса), установлен с возможностью возвратно-поступательного перемещения по ступице рабочего колеса 7 вентилятора и закреплен разбрызгивателем 5 топлива, выполненным в виде гайки, посредством резьбового соединения с возможностью замены распыливающего стакана 4 одной длины и/или конусности на распыливающий стакан другой длины и/или конусности. Причем регулирующий выпускной патрубок 6 коаксиально охватывает распыливающий стакан 4, а его тыльная сторона обращена к топке котла. Через отверстия разбрызгивателя 5 топливо подается во внутреннюю полость распыливающего стакана 4. Рабочее колесо 7 вентилятора подачи первичного воздуха установлено и жестко закреплено на полом валу 2 в полости кожуха 8, тыльная сторона которого воздухоподводящим каналом 9 через отверстия 10 связана с полостью корпуса 1, который в свою очередь через отверстие 11 внутренней обечайки корпуса 1 сообщен с атмосферой. Средство подачи вторичного воздуха содержит воздухонаправляющий аппарат 12, размещенный на торце корпуса 1, аэродинамически связанный с рабочим колесом 13 подачи вторичного воздуха, жестко закрепленным на полом валу 2 в полости дополнительного кожуха 14, герметично охватывающего с зазором корпус 1. Входное отверстие воздухонаправляющего аппарата 12 вторичного воздуха снабжено глушителем шума 15, выполненным в виде набора кольцевых пластин из гибкого пористого материала, например войлока или фетра, размещенных с щелевым зазором относительно друг друга с образованием цилиндрической конструкции, охватывающей периметр входного отверстия воздухонаправляющего аппарата 12, т.к. высокие обороты рабочего колеса 13 подачи вторичного воздуха создают звук, неприемлемый для персонала. Количество оборотов полого вала 2 и рабочих колес 13 и 7 вторичного и первичного воздуха должно быть в пределах (7500…8000) об/мин (теоретические исследования показали, что дальнейшее повышение числа оборотов не приводит к уменьшению дисперсности распыла, вызывая рост энергозатрат). Полый вал 2 установлен в подшипниках 16, размещенных в масляной ванне 17, установленной в полости корпуса 1 соосно полому валу 2. Входной участок дополнительного кожуха 14 выполнен диффузорным, а его выходной участок выполнен конфузорным, с охватом регулирующего выпускного патрубка 6 кожуха 8 рабочего колеса 7 подачи первичного воздуха, соосно ему. Выпускное отверстие воздухонаправляющего аппарата 12 снабжено стабилизатором 18 потока вторичного воздуха. Ротационное горелочное устройство (РГУ) устанавливают на фурме 19, а на РГУ установлен электропривод 20. На чертеже также показаны направляющие 21 потока первичного воздуха, выполненные на внутренней поверхности кожуха 7. На корпусе 1 ротационного горелочного устройства расположена трубка налива свежего масла (на чертеже не показана) и сливная трубка 22 отработанного масла. На фурме 19 расположены установочная труба фотоэлемента, а также установочная труба подвода электродов для розжига топлива и труба для визуального наблюдения (на чертеже не показаны).
Устройство работает следующим образом.
2
Жидкое топливо, подогретое до температуры 80…90°С, под избыточным давлением (1,0…3,0) кгс/см подают через узел топливоподачи 3 во внутреннюю полость разбрызгивателя топлива 5, откуда она разбрызгивается на поверхность конусного распыливающего стакана 4. При вращении полого вала 2, а следовательно, вращении распыливающего стакана 4, разбрызгивателя 5 топлива и рабочего колеса 7 вентилятора подачи первичного воздуха под действием центробежной силы топливо равномерно распределяется по стенке распыливающего стакана 4 в тонкую пленку и благодаря конусности подается на край распыливающего стакана 4, стекая равномерно с определенной дисперсностью, где подхватывается струей первичного воздуха, поступающего в щель между распыливающим стаканом 4 и регулирующим выпускным патрубком 6 (первичный поток воздуха нагнетается лопастями рабочего колеса 7 вентилятора подачи первичного воздуха и закручен за счет воздействия направляющих 21). Происходит интенсивное распыливание топлива, при этом полученную мелкодисперсную составляющую топлива подают в зону образования факела и горения. Окончательно горючая смесь образуется путем смешивания объема распыленного жидкого топлива (полученного вследствие «работы» первичного воздуха, подаваемого рабочим колесом 7 вентилятора) и объема вторичного воздуха, нагнетаемого рабочим колесом 13 подачи вторичного воздуха из полости воздухонаправляющего аппарата 12 и глушитель шума 15. Первичный воздух, попадая в полость корпуса 1 через отверстие 11 и охлаждая корпус масляной ванны 17, способствует охлаждению масла и тем самым подшипников 16. Далее первичный воздух через отверстие 10 поступает на всасывание рабочим колесом 7 вентилятора подачи первичного воздуха.
Вторичный воздух после рабочего колеса 13 подачи вторичного воздуха, по каналу между корпусом 1 и дополнительным кожухом 14 проходит в фурму 19, через выход вторичного воздуха и стабилизатор 18 (окислитель) поступает на горение в факел, при этом через отверстия 11 внутренней обечайки корпуса 1 и через отверстия 10 первичный воздух поступает на всас рабочего колеса 7 вентилятора подачи первичного воздуха. Тем самым создается последовательное давление воздуха от двух рабочих колес 7 и 13 вентиляторов. Таким образом, увеличивая давление первичного воздуха на выходе между регулирующим выпускным патрубком 6 и распыливающим стаканом 4, можно обеспечить повышение дисперсности распыла топлива и улучшить организацию топливного факела.
Устойчивость и качество горения пламени достигают оптимальными пропорциями подачи топлива, скорости первичного воздуха (создающего факел) и количеством вторичного воздуха для создания минимального коэффициента избытка воздуха, а регулировкой шибера дымососа котла (на чертеже не показан) устанавливают длину и угол раскрытия факела пламени.
Предлагаемая конструкция горелки обеспечивает устойчивое пламя, при сжигании любых видов топлива, включая высоковязкие, при этом происходит практически полное сгорание тяжелых высоковязких топлив, что обусловливает экономичность заявленной горелки по сравнению с известными конструкциями до 5%. Конструкция характеризуется простотой, надежностью, отсутствием быстроизнашивающихся узлов и деталей, ремонт горелки практически сводится к своевременной замене подшипников качения и сальников. Возможность установки сменных стаканов и сопла делает данную горелку универсальной, позволяет применять в технологических и отопительных котлах, а также в составе зерносушильных агрегатов, при подготовке асфальтовых смесей, при обжиге кирпича и т.п.