горелка регулируемая газовая теплозащищенная

Формула изобретения

1. Горелка регулируемая газовая теплозащищенная, содержащая корпус с веерной заслонкой, коаксиальный ему кольцевой газовый коллектор и магазин с установленными в нем идентичными друг другу группами сменных сопел, каналы которых направлены под острым углом к оси горелки, посаженный с возможностью вращения соосно с коллектором на прижимную втулку с гайкой, посаженную, в свою очередь, в центральное отверстие коллектора с фиксацией от проворота и герметично прижимающую магазин к торцу коллектора с отверстиями, выполненными в нем в количестве, равном количеству групп сопел, трубопровод подачи газа, воздуховод, образованный центральным отверстием кольцевого газового коллектора, и в нем управляемый завихритель, защитный экран, установленный с осевым зазором S ₁ перед коллектором со стороны факела, диафрагму с радиальным зазором S₂ между ней и корпусом, причем величины радиальных зазоров между корпусом и коллектором S₀, корпусом и экраном S₃ равны, радиальные поворотные лопатки завихрителя закреплены на оси завихрителя, сопряженной по резьбе с неподвижной центральной втулкой веерной заслонки, стержневой поводок лопаток сопряжен с кольцевой проточкой центральной втулки, а направление поворота лопаток обратно направлению винтовой линии резьбы, цилиндрическую кольцевую заслонку, совмещенную с веерной заслонкой, окна которой попадают в окружном направлении в створ с глухими промежутками между окнами кольцевой заслонки, теплозащитные покрытия экрана и диафрагмы, установленные на них со стороны факела, спицы поворотных лопаток, крепящие ось завихрителя в прижимной втулке, центральная втулка выполнена с возможностью вращения и состоит из головки и резьбового ползуна с кольцевой проточкой, кинематически связанных передачей крутящего момента торцевыми кулачками с возможностью осевого перемещения ползуна относительно головки, причем радиальные зазоры S₀, S₃ и осевой зазор S₄ между покрытием диафрагмы и экраном по величине превышают, по меньшей мере, в два раза радиальный зазор S₂.

2. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что на магазине установлен стопор, сопрягаемый с коллектором, а в отверстия на торце коллектора вставлены патрубки с фланцами из отожженной меди или фторопласта.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горелочным устройствам инжекционного типа, предназначенным для сжигания газообразных топлив, и может быть применено в печах и других теплотехнических устройствах различного назначения.

Известна горелка ГП-2 (ТУ-26-02-68-78, каталог "Горелки для трубчатых печей", ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, Москва, 1985 г.), содержащая корпус с веерной заслонкой, коаксиальный к нему кольцевой газовый коллектор с двумя рядами сопел, коаксиальных оси горелки, воздуховод с установленной внутри него жидкостной форсункой, завихрителем и заслонкой и трубопроводом подвода газа.

Недостатками известной горелки являются:

- невозможность использования в качестве топлива теплонеустойчивых природных газов, склонных к пиролизу из-за перегрева их при теплообмене с коллектором, нагревающимся за счет лучистого теплообмена от пламени горящего газа. Коллектор нагревается значительно выше температуры пиролиза газа. Температура газа повышается до критической величины. Происходит разложение газа с образованием сажи, забивающей сопла. Очистка сопел в этом случае возможна лишь при остановке печи и демонтаже горелки;

- расположение сопел коаксиально оси горелки, вследствие этого имеет место увеличение длины факела пламени;

- ограничение возможности максимального раскрытия по величине площади прохода веерной заслонки, не более 40-50 процентов от площади калибра горелки, что значительно сужает ее возможности по величине мощности;

- невозможность регулирования мощности горелки путем замены сопел на соответствующие требованию без полного демонтажа горелки и остановки печи.

Известна горелка газовая многорежимная теплозащищенная (патент № 2262637 С1, от 20.10.2005, МПК F23D 14/02), содержащая корпус с веерной заслонкой, коаксиальный ему кольцевой газовый коллектор с одним рядом сменных сопел, каналы которых направлены под острым углом к оси горелки, трубопровод подачи газа, воздуховод, образованный центральным каналом кольцевого газового коллектора, и в нем управляемый завихритель, защитный экран перед коллектором, установленный перед ним со стороны печи с осевым зазором S ₁, диафрагму, являющуюся продолжением торца коллектора со стороны печи, при этом радиальный зазор S₂ между диафрагмой и корпусом равен по величине зазору S₁ и половине величины радиальных зазоров: между коллектором и корпусом S₀ и между корпусом и экраном S₃, кроме того, радиальные поворотные лопатки завихрителя закреплены на оси, установленной на резьбе в центральной втулке веерной заслонки, а стержневой поводок лопаток, параллельный оси их поворота, сопряжен с кольцевой проточкой центральной втулки, причем направление поворота лопаток обратно направлению винтовой линии резьбы.

Известная горелка имеет ряд недостатков:

- сложность конструкции сменных сопел и большая трудоемкость их изготовления, затрудненная герметизация места сопряжения сопел и коллектора;

- сложность регулирования мощности горелки за счет значительного числа демонтажных и монтажных операций по замене сменных сопел;

- ограниченная возможность регулирования величины расхода воздуха веерной заслонкой, в частности имеется недостаток необходимого расхода воздуха для достижения возможной по конструкции максимальной мощности горелки;

- возможность перегрева коллектора, чреватого пиролизом газа при минимальном его расходе, обусловленного вторичным лучистым теплообменом от экрана и теплопередачей от диафрагмы, перегретых прямым воздействием лучистой энергией пламени в сочетании с недостаточным охлаждением воздухом, при малом расходе его, стехиометрически соответствующем малому расходу газа;

- возможность локального перегрева коллектора за счет теплопередачи от диафрагмы;

- возможность неопределенного направления вращения поворотных лопаток в момент вывода их из положения максимального угла поворота, соответствующего нахождению оси стержневых поводков в плоскости, проходящей через ось горелки, при вращении полой оси в необусловленном направлении.

Известная горелка наиболее близка по технической сущности и достигаемым техническим результатам к заявленному изобретению и принята за прототип.

Техническим результатом данного изобретения является предотвращение перегрева подводимого к соплам газа за счет оптимальной защиты коллектора от лучистого теплового воздействия пламени факела, упрощение процесса регулирования мощности горелки за счет значительного снижения числа демонтажных и монтажных операций по замене сменных сопел, расширение диапазона регулирования мощности горелки путем повышения величины максимально возможного расхода воздуха.

Указанный технический результат достигается тем, что в горелке регулируемой газовой теплозащищенной, содержащей корпус с веерной заслонкой, коаксиальный ему кольцевой газовый коллектор и магазин с установленными в нем идентичными друг другу группами сменных сопел, каналы которых направлены под острым углом к оси горелки, посаженный с возможностью вращения соосно коллектору на прижимную втулку с гайкой, посаженную, в свою очередь, в центральное отверстие коллектора с фиксацией от проворота и герметично прижимающую магазин к торцу коллектора с отверстиями, выполненными в нем в количестве, равном количеству групп сопел, трубопровод подачи газа, воздуховод, образованный центральным отверстием кольцевого газового коллектора, и в нем управляемый завихритель, защитный экран, установленный с осевым зазором S ₁ перед коллектором со стороны факела, диафрагму с радиальным зазором S₂ между ней и корпусом, причем величины радиальных зазоров между корпусом и коллектором S₀, корпусом и экраном S₃ равны, радиальные поворотные лопатки завихрителя закреплены на оси завихрителя, сопряженной по резьбе с неподвижной центральной втулкой веерной заслонки, стержневой поводок лопаток сопряжен с кольцевой проточкой центральной втулки, а направление поворота лопаток обратно направлению винтовой линии резьбы, цилиндрическую кольцевую заслонку, совмещенную с веерной заслонкой, окна которой попадают в окружном направлении в створ с глухими промежутками между окнами кольцевой заслонки, теплозащитные покрытия экрана и диафрагмы, установленные на них со стороны факела, спицы поворотных лопаток, крепящие ось завихрителя в прижимной втулке, центральная втулка выполнена с возможностью вращения и состоит из головки и резьбового ползуна с кольцевой проточкой, кинематически связанных передачей крутящего момента торцевыми кулачками с возможностью осевого перемещения ползуна относительно головки, причем радиальные зазоры S₀, S₃ и осевой зазор S₄ между покрытием диафрагмы и экраном по величине превышают, по меньшей мере, в два раза радиальный зазор S₂.

Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что на магазине установлен стопор, сопрягаемый с коллектором, а в отверстия на торце коллектора вставлены патрубки с фланцами из отожженной меди или фторопласта.

На фиг.1 изображен общий вид горелки; на фиг.2 - вид Б на фиг.1; на фиг.3 - разрез В-В на фиг.2; на фиг.4 - разрез Г-Г на фиг.2, с поворотными лопатками завихрителя в осевом положении; на фиг.5 - разрез Д-Д на фиг.2, с поворотными лопатками завихрителя в положении под углом к оси горелки; на фиг.6 - разрез Е-Е на фиг.2, стопор для пошагового фиксирования положения магазина.

Горелка регулируемая газовая теплозащищенная ГРГТ - 1 (далее - "горелка") содержит корпус 1, состоящий из оголовка 2 и проставки 3 с патрубком 4 для установки запального устройства и узла контроля факела, коаксиальный корпусу 1 кольцевой газовый коллектор 5, установленный с радиальным зазором S ₀ между ним и корпусом 1, трубопровод 6 подачи газа, запасной трубопровод 7 с заглушкой 8, воздуховод 9, образованный центральным отверстием коллектора 5, управляемый завихритель 10, защитный экран 11, установленный с осевым зазором S₁ перед коллектором 5 со стороны факела и радиальным зазором S₂ между ним и корпусом 1, диафрагму 12, магазин 13 со сменными соплами 14, посаженный с возможностью вращения соосно коллектору 5 на прижимную втулку 15 с гайкой 16, в свою очередь, посаженную с фиксацией от проворота в центральное отверстие коллектора 5. Сменные сопла 14 установлены в магазине 13 группами, идентичными друг другу, в количестве, соответствующем заданной инвариантности диаметра d канала сопел 14 в группе. Например: количество сопел 14 в группе - шесть, инвариантность - d: 2,4; 3; 4; 6; 8; 10 мм; количество групп - 8; общее количество сменных сопел 14, установленных в магазине, 13-48 штук. Оси сменных сопел 14 направлены под острым углом к оси горелки. Диафрагма 12 установлена на магазине 13 с радиальным зазором S₂ между ней и корпусом 1. Прижимная втулка 15 посредством гайки 16 прижимает к торцу коллектора 5 магазин 13 с усилием, обеспечивающим герметичность стыка между ними. В отверстия 17 торца коллектора 5, выполненные в количестве, равном количеству групп сопел 14, вставлены гнезда 18, выполненные в виде патрубка с фланцем из отожженной меди или фторопласта. Гнезда 18 обеспечивают герметичность стыка между магазином 13 и коллектором 5. Прижимная втулка 15 имеет ряд вентиляционных отверстий 19 для подачи охлаждающего воздуха в зазор стыка между магазином 13 и коллектором 5 и штифт 20 для фиксации ее от проворота. На магазине 13 установлен стопор 21, служащий для пошаговой фиксации магазина 13 относительно коллектора 5 в окружном направлении при установке сменных сопел 14 выбранного варианта - d их канала в группах, в створ отверстий 17. На экране 11 и диафрагме 12 установлены теплозащитные покрытия 22 и 23 соответственно, выполненные двухслойными; слой 24 теплоизолирующего материала, например асбеста, и обложка 25 из металла с поверхностью с высоким коэффициентом отражения теплового излучения, например полированная поверхность или покрытая никелем или хромом. Осевой зазор между покрытием 23 на диафрагме 12 и экраном 11 S₄ равен по величине радиальным зазорам S₃ и S₀, но превышает в два и более раз по величине радиальный зазор S₂. На оголовке 2 установлена веерная заслонка 26, закрепленная на коллекторе 5 винтами 27. Совмещенной с веерной заслонкой 26 выполнена цилиндрическая кольцевая заслонка 28, причем окна 29 первой попадают в окружном направлении в створ с глухими промежутками 30 между окнами 31 последней. Спицы 32 с насаженными на них поворотными лопатками 33, ввернутые по резьбе в ось 34 управляемого завихрителя 10, закрепляют его в прижимной втулке 15. Передняя и задняя кромки лопатки 33 закруглены радиусом, равным половине ее толщины. Ось 34 установлена также в центральной втулке 35 веерной заслонки 26 и зафиксирована в осевом направлении гайками 36 и шайбами 37. Центральная втулка 35 имеет возможность вращаться и состоит из головки 38 и резьбового ползуна 39 с кольцевой проточкой 40, с которой сопрягаются стержневые поводки 41 поворотных лопаток 33 управляемого завихрителя 10. Головка 38 в осевом направлении зафиксирована в веерной заслонке 26 шлицевым диском 42, посаженным на нее с возможностью передачи ей крутящего момента. Резьбовой ползун 39 сопряжен с осью 34 по резьбе и кинематически связан с возможностью осевого перемещения с головкой 38 передачей крутящего момента торцевыми кулачками 43. Осевой ход h резьбового ползуна 39 ограничен по величине с целью предотвращения выворота лопаток 33 сверх максимального угла поворота _max при случайном вращении центральной втулки 35 сверх предусмотренного. Подвижная часть 44 веерной 26 и кольцевой 28 заслонок позиционируется относительно неподвижной части 45 фиксаторами 46 и ими же стопорятся при настройке заслонок 26, 28.

Горелка работает следующим образом.

Воздух за счет эжектирующего действия газовых струй из сменных сопел 14 и разрежения в печи поступает через окна 29 веерной заслонки 26 и окна 31 кольцевой заслонки 28 в горелку, обтекает коллектор 5 через зазор S₀ и воздуховод 9, смешивается с газом, который сгорает в пламени. Воздух, протекающий по зазору S₀, является вторичным в отличие от первичного идущего через воздуховод 9 и служит не только для поддержания горения газа, но и для охлаждения и защиты от теплового воздействия коллектора 5, корпуса 1, стенок амбразуры печи, на которой устанавливается горелка. Применение кольцевой заслонки 28 в одном узле с веерной заслонкой 26 снимает все ограничения по расходу воздуха, присущие прототипу. Взаимное расположение окон 29 и 31 кольцевой 28 и веерной 26 заслонок соответственно относительно друг друга предотвращает образование затенений в потоке воздуха по причине наличия глухих промежутков между окнами 29 и 31 и способствует выравниванию поля скоростей потока воздуха, что в конечном счете служит повышению качества и полноты сгорания газа. Поток первичного воздуха, проходя через поворотные лопатки 33 управляемого завихрителя 10, закручивается и вступает в аэродинамическое взаимодействие с радиально-осевыми струями газа из сопел, перемешивается с ними, образует газовоздушную смесь, вращающимся потоком поступающую в амбразуру печи. Пониженное давление в центре потока смеси, обусловленное центробежными силами, способствует притоку возвратными течениями сюда вторичного воздуха, который, примешиваясь к потоку, способствует догоранию несгоревших остатков газа, тем самым обеспечивая повышенные качество и полноту сгорания газа. Интенсивность смешивания газа с воздухом определяется величиной закрутки потока воздуха, проходящего через управляемый завихритель 10, и тем самым задается длина факела пламени горелки. Это объясняется тем, что чем выше интенсивность смешивания, тем раньше, ближе по потоку к соплам 14, образуются локальные зоны газовоздушной смеси с соотношением газа и воздуха, близким к стехиометрическому, тем раньше по потоку происходит воспламенение смеси, тем короче факел.

Направление струй газа из сопел 14 под острым углом к оси горелки значительно увеличивает интенсивность смешивания газа и воздуха. Это объясняется тем, что смешивание происходит не только при попутном движении струй газа и воздуха по осевым составляющим векторов их скоростей и при поперечном столкновении струй, при движении газа по осевой, а воздуха по окружной составляющей их векторов скорости, но и при встречном столкновении струй газа и воздуха при движении по радиальным составляющим их векторов скоростей, что является наиболее эффективным способом смешивания.

Сам метод подачи газа несколькими струями изначально является самым эффективным способом смешивания воздуха и газа.

Таким образом, изменением угла установки поворотной лопатки 33 можно изменить степень закрутки потока воздуха, то есть длину факела. Веерной 26 и кольцевой 28 заслонками можно регулировать расход воздуха. Расход газа можно регулировать не только изменением его давления, но и сменой сопел 14. Это осуществляется следующим порядком демонтажа: отворачиваются гайки 36, снимаются шайба 37 и диск 42, освобождаются фиксаторы 46 и снимается подвижная часть 44 веерной 26 и кольцевой 28 заслонок, отворачиваются винты 27 и снимаются заслонки 26, 28, гайка 16 тоже отворачивается, прижимная втулка 15 отжимается и ослабляет прижатие магазина 13 к торцу коллектора 5, затем, двигая освобожденный стопор 21, поворачивают магазин 13 на необходимое число шагов между отверстиями с тем, чтобы сменные сопла 14 в группах с выбранным вариантом d канала сопла 14 встали в створ отверстий 17 коллектора 5. Монтаж в рабочее состояние горелки осуществляется в обратной последовательности операций сборки. На время демонтажа и монтажа подача газа отключается.

Таким образом, возможно регулирование расходов газа и воздуха, а также длины факела.

Изменение угла установки поворотных лопаток 33 завихрителя 10 осуществляется следующим образом: вращением шлицевого диска 42 вращают головку 38, которая далее приводит во вращение резьбовой ползун 39 через торцевые кулачки 43, последний по резьбе оси 34 сдвигается и кольцевой проточкой 40 посредством стержневых поводков 41 поворачивает лопатки 33 на нужный угол .

Использование направления винтовой линии резьбы оси 34, обратного по знаку повороту лопаток 33, предотвращает их самостопорение тем, что сила трения F поводков 41 о стенки кольцевой проточки 40 всегда направлена попутно повороту лопаток 33 (см. фиг.4, 5, где N - нормальная сила воздействия стенки проточки 40 на поводок 41; R - результирующая сила; L - плечо момента силы R относительно оси центра поворота лопаток 33). Теплозащита горелки включает защиту коллектора 5 от лучевого теплообмена с факелом, а также охлаждение его воздухом.

Теплозащитные покрытия 22 и 23 экрана 11 и диафрагмы 12 за счет отражения значительной части лучистой энергии факела обложкой 25 и теплоизоляцией слоев 24 асбеста предотвращают перегрев экрана 11 и диафрагмы 12, что значительно снижает вероятность вторичного лучистого теплообмена с ними коллектора 5.

Первичный воздух через отверстия 19 в прижимной втулке 15 за счет центробежных сил во вращающемся потоке воздуха протекает в зазор стыка между магазином 13 и коллектором 5. Также за счет центробежных сил и эжектирующего воздействия струй газа из сопел 14 и струи вторичного воздуха через зазор S₁ в зазор S₃ первичный воздух прокачивается через зазор S₄. Таким образом, не только коллектор 5, но и магазин 13 как звено в цепи теплопередачи от факела к коллектору 5 обдуваются охлаждающими потоками воздуха, что позволяет эффективно охлаждать горелку, в том числе и сменные сопла 14.

При низких расходах газа желательно применение гнезд 18 из отожженной меди, так как температура магазина 13 повышена из-за сниженной способности к самоохлаждению горелки по причине низкой величины расхода воздуха через нее. При больших расходах газа возможно применение гнезд 18 из фторопласта, поскольку температура магазина 13 низка из-за большой самоохлаждающей способности горелки в связи с большими величинами расхода воздуха, протекающего через нее.

Направление струй газа из сопел 14 под острым углом к оси горелки значительно увеличивает интенсивность смешивания газа и воздуха. Это объясняется тем, что смешивание происходит не только при попутном движении струй газа и воздуха по осевым составляющим векторов их скоростей и при поперечном столкновении струй, при движении газа по осевой, а воздуха по окружной составляющей их векторов скорости, но и при встречном столкновении струй газа и воздуха при движении по радиальным составляющим их векторов скоростей, что является наиболее эффективным способом смешивания.

Использование изобретения позволит создать горелку с повышенными эффективностью, качеством и полнотой сгорания газа и возможностью в широком диапазоне регулировать ее мощность. Горелка проста и надежна в обслуживании и регулировании, технологична в изготовлении.