Способ сжигания топлива и топливосжигающее устройство

 

Использование: для сжигания топлива в тепловых агрегатах. Сущность изобретения: часть воздушного потока направляют радиальными струями вдоль выходных кромок лопаток завихрителя. Выходной участок втулки выполнен перфорированным, а отверстия в лопатках завихрителя выполнены во входных их участках. 2 с. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к технике сжигания топлива в горелочных устройствах и может быть использовано в различных тепловых агрегатах.

В металлургии и энергетике известен способ сжигания топлива, осуществляемый путем подачи топлива в закрученный поток воздуха, создаваемый лопаточным завихрителем [1] Однако этот способ имеет недостаточную стабильность характеристик горения вследствие того, что за лопатками завихрителя всегда образуются застойные зоны. При работе горелки в эти зоны из туннеля проникают продукты горения и сажа, которые оседают на лопатках завихрителя, вызывая сильный нагрев лопаток и образование на них окалины. При продолжительной эксплуатации лопатки завихрителя начинает коробить, что приводит к изменению проходного сечения завихрителя. Вследствие этого происходит значительное изменение характеристик горения. Кроме того, наличие застойных зон за лопатками вызывает дополнительное сопротивление движению воздушного потока из-за отрыва течения от стенок канала и потерь энергии на завихрения.

Известно устройство, в котором в качестве завихрителя используют лопатки, имеющие переменную кривизну поверхности [2] Однако эти лопатки очень сложны в изготовлении и также не обеспечивают безотрывное течение потока. Для управления углом поворота лопаток требуется применение сложных поворотных механизмов. Это устройство не устраняет полностью недостатки выше приведенного аналога. В процессе эксплуатации требуются частый контроль геометрии лопаток и точная их подгонка, кроме того, вследствие теплового излучения при горении кривизна поверхности этих лопаток изменяется, а следовательно, изменяются характеристики горения.

Наиболее близкими по технической сущности к изобретению являются способ сжигания топлива, осуществляемый путем подачи топлива в закрученный поток воздуха, создаваемый лопаточным завихрителем, и устройство для сжигания топлива, содержащее воздухоподводящий корпус и размещенные в нем топливоподводящую трубу, втулку, лопаточный завихритель с отверстиями, установленный с кольцевым зазором относительно трубы и выполненный в виде плоских отклоняющихся пластин, жестко закрепленных на втулке завихрителя и образующих между собой межлопаточные проходы [3] Такие способ и устройство для сжигания топлива не обеспечивают необходимую стабильность характеристик горения. Это объясняется тем, что часть воздуха, которая проходит в кольцевом зазоре между завихрителем и газовой трубой, истекает только в аксиальном направлении. При этом вытекающая струя, оттесняя циркулирующие потоки продуктов сгорания, предохраняет от перегрева в основном только газовое сопло и практически не оказывает никакого воздействия на зону циркуляции горячих газов за лопатками завихрителя. В такой ситуации плоскости выходных торцов лопаток завихрителя, обращенные в сторону топки, всегда подвергаются интенсивному нагреву излучением со стороны пламени и футеровки. Поэтому, несмотря на охлаждение противоположной стороны лопатки потоками воздуха, наблюдаются перегрев и разрушение их, особенно при больших углах поворота лопаток.

Наибольшему тепловому разрушению подвергаются части лопаток, расположенные вблизи втулки. Это объясняется тем, что поток воздуха при закрутке в завихрителе за счет центробежных сил отжимается к периферии. Около втулки завихрителя скорость движения воздуха и соответственно интенсивность охлаждения лопаток минимальные.

Целью изобретения является повышение стабильности характеристик горения при сжигании топлива.

Цель достигается тем, что способу сжигания топлива, осуществляемому путем подачи его в закрученный поток, создаваемый лопаточным завихрителем, часть воздушного потока направляют через перфорированные отверстия и/или щели, и/или и т.д. лопаточного завихрителя.

Цель достигается также тем, что в устройстве сжигания топлива, содержащем воздухоподводящий корпус и размещенные в нем соосно топливоподводящую трубу и лопаточный завихритель, установленный с кольцевым зазором относительно трубы и выполненный в виде плоских отклоняющихся пластин, жестко закрепленных на втулке завихрителя и образующих между собой межлопаточные проходы, отклоняющие пластины со стороны входa воздушного потока в межлопаточные проходы и втулка за пластинами со стороны выхода этого же потока выполнены перфорированными.

Наличие перфорированных отверстий на лопатках и втулке завихрителя с заявляемыми условиями их размещения обеспечивают согласно способу возможность направить часть потока воздуха через эти отверстия и устранить отрицательное влияние застойной зоны за лопатками завихрителя и тем самым достичь цель изобретения. Это позволяет сделать вывод о том, что изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом.

Сравнение заявляемых технических решений с прототипом позволило установить соответствие их критерию "новизна". При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие изобретение от прототипа, не были выявлены и потому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 приведена конструкция горелочного устройства, реализующего способа; на фиг. 2 изображен лопаточный завихритель; на фиг. 3 показана схема движения потоков.

Горелочное устройство содержит воздухоподводящий корпус 1 и размещенные в нем соосно топливоподводящую трубу 2 и лопаточный завихритель 3, установленный с кольцевым зазором 4 относительно трубы и выполненный в виде плоских отклоняющихся пластин 5, жестко закрепленных на втулке 6 завихрителя 3 и образующих между собой межлопаточные каналы 7. Отклоняющие пластины 5 завихрителя 3 со стороны входа воздушного потока в межлопаточные каналы 7 и втулка 6 за пластинами 5 со стороны выхода этого же потока выполнены перфорированными, например, отверстиями 8 и 9.

Способ сжигания топлива заключается в том, что часть воздушного потока направляют через перфорированные отверстия и/или щели, и/или т.д. лопаточного завихрителя. Благодаря этому застойные зоны за лопатками завихрителя становятся управляемыми.

При движении воздуха в горелке на входных кромках плоских лопаток завихрителя возникает отрыв потока с образованием застойной зоны. Длина и ширина этой зоны зависят от угла установки лопатки относительно оси горелки. В любом случае эта зона уменьшает фактическое проходное сечение межлопаточного канала и создает сопротивление течению воздуха за счет подсасывания его в эти застойные зоны.

При работе горелки по предлагаемому способу часть воздуха из набегающего на лопатки потока через перфорацию на входной кромке попадает в зону отрыва потока в межлопаточном канале. При этом естественное разрежение в зоне отрыва уменьшается и соответственно уменьшается поперечный размер застойной зоны и увеличивается проходное сечение межлопаточного канала. Площадь проходного сечения перфорации выбирают экспериментально таким образом, чтобы скорость струй воздуха, инжектируемого в застойную зону через пластину, была в пределах 0,01-0,2 скорости набегающего течения воздуха. Величина эта также зависит от толщины лопатки.

При скорости инжектированного воздуха через лопатку менее 0,01 скорости течения воздуха в горелке количество воздуха, вдуваемого в застойную зону, недостаточно для компенсации создаваемого в ней разрежения и эффект снижения гидравлического сопротивления завихрителя незначителен. При скорости истечения струй более 0,2 скорости набегающего воздуха расход инжектированного воздуха за лопатку превышает количество, необходимое для организации воздушной прослойки, и возможно даже способствует увеличению размеров застойной зоны, что приводит к получению отрицательного эффекта.

При поддержании скоростей истечения струй в пределах от 0,01 до 0,2 скорости потока воздуха на входе наблюдаются минимальные размеры застойной зоны и гидравлическое сопротивление межлопаточного канала становится близким к гидравлическому сопротивлению канала с криволинейными профильными лопатками.

При движении воздуха в кольцевом зазоре 4 поток на выходе встречает сопротивление в виде уступа 10 или поджатия проходного сечения. Часть этого потока вытекает аксиально в направлении к очагу горения перед газовым соплом, защищая его от перегрева. Другая часть потока вытекает через отверстия во втулке 6 за лопатками завихрителя со стороны выхода потока воздуха из межлопаточного канала. Эти струи движутся радиально от центра к периферии вдоль плоскости лопатки настильно к ее поверхности. В этом случае происходит интенсивное охлаждение воздухом выходных кромок лопаток завихрителя, расположенных около втулки, где скорость движения основного потока воздуха в межлопаточном канале минимальная.

Регулирование количества воздуха и скорости его истечения через отверстия во втулке осуществляется за счет изменения диаметра отверстий и величины уступа 10.

Пример конкретной реализации устройства и способа.

В камере сгорания объемом 8 м³ установлена газовая горелка с номинальной производительностью по газу 100 м³/ч, при этом по воздушному тракту подают от 800 до 1200 м³/ч воздуха. Часть воздуха в количестве 700-1100 м³/ч пропускают через межлопаточные проходы, а часть в количестве примерно 100-450 м³/ч направляют через перфорированные отверстия завихрителя, площадь, место и количество которых позволяет равномерно пропускать через себя указанную часть воздуха. Застойных зон за лопатками 5 завихрителя 3 не обнаружено.

Изобретение позволяет обеспечивать наиболее стабильные характеристики горения при сжигании топлива, так как исключаются перегревы и разрушения основных элементов конструкции и устраняются полностью застойные зоны за лопатками завихрителя.

Формула изобретения

1. Способ сжигания топлива путем подачи топлива в закрученный лопаточным завихрителем поток воздуха, фильтрации части воздуха через лопатки завихрителя, отличающийся тем, что часть воздушного потока направляют радиальными струями вдоль выходных кромок лопаток завихрителя.

2. Топливосжигающее устройство, содержащее топливоподающую трубу, втулку, установленную с кольцевым зазором относительно топливоподающей трубы, лопаточный завихритель, жестко закрепленный на втулке и выполненный в виде плоских лопаток, расположенных под углом к продольной оси устройства, снабженных отверстиями и образующих между собой межлопаточные каналы, отличающееся тем, что выходной участок втулки выполнен перфорированным, а отверстия в лопатках выполнены во входных их участках.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

Другие изменения, связанные с зарегистрированными изобретениями

Изменения:Публикацию о досрочном прекращении действия патента считать недействительной

Номер и год публикации бюллетеня: 15-2003

Извещение опубликовано: 27.08.2004        БИ: 24/2004

---