Горелочное устройство

Полезная модель относится к энергетике и может быть использована в парогенераторах, преимущественно используемых на паропередвижных установках (ППУ), а также в стационарных и модульных установках.
Из уровня техники известна горелка для сжигания газа и мазута по патенту RU 170609, опубл. 02.05.2017, содержащая воздухоподающий короб, наружный канал для подвода вторичного воздуха, центральный канал для подвода первичного воздуха, промежуточный коаксиальный канал для подвода первичного воздуха, газоподающие трубы, форсунку, тангенциальный регистр наружного канала, тангенциальный регистр промежуточного коаксиального канала, тангенциальный регистр центрального канала, электродвигатель с сервоприводом для поворота лопаток регистра наружного канала по команде компьютерной программы, электродвигатель с сервоприводом для поворота лопаток регистра промежуточного канала по команде компьютерной программы, электродвигатель с сервоприводом для поворота лопаток регистра центрального канала по команде компьютерной программы, электродвигатель с сервоприводом для поворота вокруг своей оси и перемещения в осевом направлении газоподающих труб по команде компьютерной программы, электродвигатель с сервоприводом для перемещения в осевом направлении форсунки. При этом перед регистрами имеются сопла для подвода по команде компьютерной программы дымовых газов рециркуляции, размещенные на воздухоподающем коробе перед регистрами, имеются форсунки для впрыска по команде компьютерной программы водяного пара, размещенные в центральном канале.
Данная горелка предназначена для раздельного сжигания газа и мазута. Она характеризуется сложностью конструкции, обусловленной наличием нескольких электродвигателей с сервоприводом для регистра различных каналов, а также наличием сопел, сложных в изготовлении. Кроме того, такого рода горелки с большой амбразурой используются в промышленных энергетических котлах и имеют большие габариты, поэтому такая горелка не может быть применена для парогенераторов, используемых на паропередвижных установках (ППУ).
Из уровня техники также известна горелка инжекционная, являющаяся горелочным устройством по патенту RU2344343, опубл. 20.01.2009, содержащая элемент подачи топлива, снабженный расположенными по окружности на его торцевой поверхности соплами подачи топлива, инжекционную камеру смешения с окнами для подачи воздуха, по оси инжекционной камеры смешения помещена вставка, при этом вставка снабжена лопаточным завихрителем топливовоздушной смеси, оси сопел расположены под углом к продольной оси горелки и направлены в геометрический центр лопаток завихрителя топливовоздушной смеси, завихрители топливовоздушной смеси и воздушный совмещены и расположены в два яруса друг над другом, при этом лопатки завихрителей выполнены одной деталью. Камера смешения горелки образована фигурным кольцом и расположенной по оси камеры фигурной вставкой, создающими «конфузор-диффузор» с образованием инжекционной зоны. Зона горения образована за завихрителями.
Данное техническое решение выбрано в качестве ближайшего аналога (прототипа).
Недостатком данной горелки является сложность изготовления и сложность конструкции, обусловленная наличием нескольких каналов подачи топлива – сопел, сложных в изготовлении, а также наличие фигурных элементов (кольца и вставки), сложных в изготовлении и требующих высокой точности. Кроме того недостатком данного устройство является процесс эжекции, создаваемый каналами «конфузор-диффузорами», и непосредственно увлечение количества воздуха для смешения в этих каналах. При недостаточных давлениях газа в данном горелочном устройстве нарушаются скорости газа. В результате в процессе захватывания газа воздухом и подачи его в каналы смешения создается меньшее по величине давление, что приводит к нарушению качества горения.
Кроме того, данная горелка не может применяться для парогенераторов, используемых на паропередвижных установках (ППУ), в связи с тем, что горелка имеет сопловую часть, способствующую увеличению длины факела, который может привести к чрезмерному тепловому воздействию, т.е. перегреву (пережогу) отдельных частей парогенератора.
Технической проблемой, решаемой полезной моделью, является расширение арсенала технических средств, а именно горелочных устройств.
Технический результат: создание горелочного устройства для парогенераторов, преимущественно используемых на паропередвижных установках (ППУ), характеризующегося простой конструкцией, стабильностью и надежностью работы и обеспечивающего улучшенные условия смесеобразования и полноту сжигания топлива.
Технический результат достигается за счет того, что предлагаемое горелочное устройство содержит:
- элемент подачи топлива,
- камеру сжигания, образованную внутренней обечайкой и основанием с окнами для подачи воздуха,
- два лопаточных завихрителя, установленных в камере сжигания на различной высоте: нижний, установленный на входе камеры сжигания, и верхний, установленный в верхней части камеры сжигания,
- наружную обечайку, расположенную соосно внутренней обечайке с образованием между ними канала для подвода воздуха к нижнему завихрителю,
- при этом верхний и нижний завихрители выполнены с различными размерами лопаток и с разным количеством лопаток.
Элемент подачи топлива может быть выполнен сменным.
Элемент подачи топлива может быть снабжен газораспределительной пластиной с газовыпускными отверстиями.
Газовыпускные отверстия газораспределительной пластины могут быть выполнены различного диаметра и расположены на разном удалении от оси газораспределительной пластины.
Над верхним завихрителем установлено  кольцо, удлиняющее высоту камеры сжигания.
Особенностями данного горелочного устройства является то, что оно не имеет вытянутого по оси камеры сжигания сопла, что обусловливает уменьшение длины факела горения и соответственно малые габаритные размеры горелочного устройства. Это позволяет использовать его в составе парогенераторов на шасси автомобиля или в составе стационарной или модульной установки, в которых необходима минимальная высота всей установки. Уменьшение длины факела горения также исключает значительный перегрев (пережог) отдельных частей парогенератора, что позволяет использовать предлагаемое горелочное устройство  на паропередвижных установках (ППУ).
Также в совокупности конструктивные особенности предлагаемого горелочного устройства обеспечивают улучшенные условия смесеобразования и полноту сжигания топлива, стабильное и надежное воспламенение и горение, что в свою очередь обеспечивает сокращение количества вредных выбросов в атмосферу и повышение КПД устройства, а также надежную работу горелочного устройства.
Предлагаемое горелочное устройство является конструктивно простым и технологичным как при изготовлении, так и при сборке.
Сущность предпочтительного, но не исключительного, варианта осуществления заявляемого решения поясняется подробным описанием и чертежами:
- на фиг. 1 изображен вид горелочного устройства спереди с частью соответствующего разреза;
- на фиг. 2 изображен вид горелочного устройства сверху.
Горелочное устройство (фиг. 1) содержит нижний 1 и верхний 2 завихрители, расположенные на одной оси и состоящие каждый из определенного числа лопаток. Лопатки обоих завихрителей расположены под определенными углами, а сами лопатки расположены по окружности. Количество и размер лопаток 3 верхнего завихрителя 2 и лопаток 4 нижнего завихрителя 1 различны, как и обусловленные этим размеры окон для прохода воздуха.
Подвод топлива осуществляется через элемент подачи топлива – газовую 5 или дизельную (на чертеже не показана) вставки, которые взаимозаменяемы в зависимости от вида сжигаемого топлива. Элемент подачи топлива выполнен съемным и крепится к корпусу горелочного устройства посредством быстроразъемных соединений. Камера сжигания 6 образована внутренней обечайкой 7 и коническим основанием 8, имеющим окна для подвода воздуха. Газовая вставка 5 состоит из подводящей газ трубы 9, крепежного фланца 10 и газораспределительной пластины 11 с газовыпускными отверстиями 12 различного диаметра, расположенными на разном удалении от оси газораспределительной пластины (фиг. 2).
Корпус горелочного устройства образован внешней обечайкой 13, расположенной соосно внутренней обечайке 7, и крепежным фланцем 14 для непосредственного монтажа на днище парогенератора. В верхней части горелочного устройства над верхним завихрителем установлено кольцо 15, удлиняющее высоту камеры сжигания. Вследствие установки кольца, которое предотвращает разброс пламени сразу после верхнего завихрителя, происходит стабилизация факела горения.
Канал подвода воздуха 16, расположенный по окружности и образованный внешней 13 и внутренней 7 обечайками, служит для подвода воздуха к нижнему завихрителю.
Также горелочное устройство включает в себя держатель запальника 17 для розжига при работе на дизельном топливе, глазок 18 для визуального наблюдения за состоянием факела горения. В верхней части газовой вставки расположен крепежный элемент 19 для установки свечи розжига горелочного устройства при работе на природном газе (свеча условно не показана). Крепежный элемент 20 предназначен для крепления фотодатчика для осуществления контроля и наличия пламени и подачи сигнала о состоянии факела на пульт управления.
Заявляемое горелочное устройство работает следующим образом.
Подача воздуха в зону горения осуществляется вентилятором (на чертеже не показан). Топливо подается по трубе 9 в газовую вставку 5, проходит через газовыпускные отверстия 12, тем самым обеспечивая необходимый объем газа для полного его сгорания. Воздух для горения подается на верхний 2 и нижний 1 завихрители. Проходя по каналу 16, он охлаждает поверхности обечаек, которые нагреваются от воздействия лучистой теплоты, выделяющейся при сжигании топливовоздушной смеси, и тем самым обеспечивает дополнительный теплосъем с поверхностей, подвергающихся интенсивному нагреву.
Одновременно сам воздух нагревается, поэтому температура воздуха, проходящего по каналу 16 и подаваемого на нижний завихритель, выше, чем температура воздуха, подаваемого на верхний завихритель. Таким образом, для нагрева воздуха требуется меньшее количество тепла, следовательно, увеличивается КПД горелочного устройства. Проходя через лопатки 4 нижнего завихрителя, поток завихряется и проходит через выпускные окна, выполненные таким образом, чтобы обеспечить определенный объем воздуха, проходящего через нижний завихритель. За счет определенного угла наклона лопаток завихрителя создается необходимое завихрение воздуха как в нижнем завихрителе, так и в верхнем.
Проходя через нижний завихритель 1 и следуя в камеру сжигания 6, часть потока воздуха смешивается с топливом, образуя обедненную воздухом топливовоздушную смесь. Поток вторичного воздуха при прохождении через верхний завихритель 2 и расположенные под определенными углами его лопатки 3 проходит через выпускные окна и смешивается с топливовоздушной смесью. В результате образуется смесь, которая воспламеняется от внешнего источника (на чертеже не показан) и устойчивый факел необходимой формы и размеров.
Таким образом, смешение воздуха с топливом, сжигание и формирование факела осуществляется в объеме камеры сжигания.
Образованный между двумя обечайками канал служит для подвода воздуха к нижнему завихрителю, при этом воздух одновременно охлаждает поверхности обечаек. Дополнительный теплосъем с поверхностей, подвергающихся интенсивному нагреву, препятствует их перегреву, способствует повышению износостойкости этих элементов, и как следствие повышает надежность работы всего устройства. При этом воздух нагревается по пути своего прохождения по каналу, поглощая определенное количество теплоты и снижая потери в окружающую среду, что способствует повышению КПД данного горелочного устройства.
Полнота сжигания топлива обеспечивается тем, что в горелочном устройстве реализована двухступенчатая система подачи воздуха в зону горения. Конструкция горелочного устройства позволяет разделять воздух на первичный и вторичный. Подаются они в зону горения на разных высотах. Первичный воздух подается в зону горения, проходя через нижний завихритель, обеспечивая предварительное смешивание газа с воздухом и образовывая обедненную воздухом смесь, которая затем доокисляется добавлением вторичного воздуха. Это обеспечивает полное сжигание топливовоздушной смеси. Такой способ сжигания также позволяет получить пламя средних размеров, которое является оптимальным для использования в парогенераторах, применяемых на паропередвижных установках (ППУ) вследствие исключения перегрева (пережога) отдельных частей парогенератора.
Полнота сжигания топлива способствует снижению количества непрореагировавших компонентов топливовоздушной смеси, тем самым сокращая количество вредных выбросов в атмосферу и повышая экологичность устройства.
Применение в конструкции горелочного устройства двух лопаточных завихрителей, расположенных на различной высоте, удлиняет путь движения топлива и воздуха в камере сжигания, а соответственно и время их смешения, что повышает однородность и качество топливовоздушной смеси.
Выполнение верхнего и нижнего завихрителя с различными размерами лопаток и с разным количеством лопаток позволяет пропускать разное количество воздуха и обеспечивает различную степень крутки потоков первичного и вторичного воздуха, что приводит к более интенсивному перемешиванию топлива и воздуха, повышая однородность и качество смеси.
Улучшенные условия смесеобразования (интенсивное перемешивание компонентов топливовоздушной смеси, повышение её однородности и качества) обеспечивают стабильное воспламенение и горение, повышая надежность работы устройства.
Выполнение элемента подвода топлива съемным в виде газовой или дизельной вставки, которые взаимозаменяемы в зависимости от вида сжигаемого топлива, позволяют сжигать один вид топлива, исключая чрезмерный нагрев подводящей части другого топлива. Это повышает надежность работы горелочного устройства и увеличивает срок эксплуатации ее отдельных элементов, особенно форсунок подачи дизельного топлива.
Наличие в конструкции элемента подачи топлива газораспределительной пластины с газовыпускными отверстиями способствуют равномерному распределению газа по всему объему факела, что обеспечивает стабильность горения топливовоздушной смеси.
Выполнение газовыпускных отверстий газораспределительной пластины различного диаметра дополнительно способствует повышению интенсивности перемешивания компонентов топливовоздушной смеси за счет различных диаметров выходящих из них струй топлива.
Расположение газовыпускных отверстий на разном удалении от оси газораспределительной пластины обеспечивают стабилизацию факела горения.
Наличие над верхним завихрителем кольца, удлиняющего высоту камеры сжигания, предотвращает разброс пламени сразу после верхнего завихрителя, что также обеспечивает стабилизацию факела горения.
Таким образом, предлагаемое горелочное устройство характеризуется стабильностью и надежностью работы и обеспечивает улучшенные условия смесеобразования и полноту сжигания топлива.
Следствием эффективного сжигания топлива является снижение потерь тепла в окружающую среду, повышение КПД горелочного устройства и его экологичности.
Детали горелочного устройства не требуют большой трудоемкости и просты в изготовлении. Сборка простых по исполнению элементов также не несет большой трудоемкости в процессе сборки. Поэтому предлагаемое горелочное устройство является конструктивно простым и технологичным как при изготовлении, так и при сборке.
Горелочное устройство разработано для сжигания как газового топлива, такого как магистральный, сжиженный и компримированный природный газ, так и жидкого топлива, в частности дизельного топлива. Конструкции подвода различных видов топлива в данном горелочном устройстве взаимозаменяема и позволяет работать попеременно на разных видах топлива.
Особенностями данного горелочного устройства являются малые габаритные размеры и уменьшенная длина факела горения, что позволяет применять его для парогенераторов, преимущественно используемых на паропередвижных установках (ППУ). Горелочное устройство может также использоваться в стационарных и модульных установках.