горелка

Формула изобретения

Горелка, содержащая камеру подвода воздуха, завихритель подаваемого воздушного потока на выходной части и с внутренней стороны воздушной камеры, направляющее поток устройство в виде сопла Вентури, сопряженное соосно с выходной частью воздушной камеры, трубопровод подачи топлива и стабилизатор горения, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит смотровое устройство, размещенное на наружном торце воздушной камеры на ее продольной оси, завихритель воздушного потока выполнен в виде поворотных радиальных направляющих лопаток, встроенных с возможностью поворота вокруг своей оси посредством привода поворота, размещенного снаружи воздушной камеры, внутренние оконечности которых сопряжены с диском из прозрачного материала с возможностью поворота лопаток вокруг своей оси относительно плоскости диска, трубопровод подачи топлива коаксиально вмонтирован в суженную часть направляющего поток устройства и имеет на своей оконечности распыливающие отверстия, расположенные в начальном участке проточной части суженного сечения направляющего поток устройства, оси которых ориентированы по отношению к оси направляющего поток устройства поперечно, а стабилизатор горения снабжен смотровым окном автомата горения, причем поворотные лопатки встроены с возможностью регулируемого изменения угла их установки в пределах от до 90^o относительно продольной оси воздушной камеры, где



где _ полный угол раскрытия диффузора сопла Вентури;

m - степень сужения площади поперечного сечения сопла Вентури.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горелочным устройствам, предназначенным для сжигания жидкого топлива в топках котлов и других нагревательных устройствах с целью преобразования потенциальной энергии топлива в другие виды тепловой энергии, и может быть использовано в теплоэнергетике.

Известна горелка [1] , содержащая камеру подвода воздуха, направляющее поток устройство в виде сопла Вентури, трубопровод подачи топлива в направляющее поток устройство посредством отверстий, расположенных на его (устройстве) внутренней поверхности входного участка сопла, и стабилизатор горения.

Недостатками этой горелки являются, во-первых, малый угол раскрытия диффузора сопла Вентури и, как следствие, выпадение части капель распыливаемых струй топлива на стенки диффузорного канала с последующим подтеканием топлива на выходной кромке диффузора. Распыливание этого топлива относительным подводом воздуха к срезу диффузора со стороны его наружной части не обеспечивает качественное распыливание топлива из-за низкой величины скорости относительного потока воздуха. Во-вторых, при низких производительностях струя топлива не распыливается в суженном сечении сопла Вентури, а движется в виде пленки по проточной части сопла к срезу диффузора, что также не обеспечивает качественное распыливание топлива в горелке. При этом не обеспечивается качественное смесеобразование воздушно-топливного потока, и эффективность сжигания топлива снижается.

Известна горелка [2], содержащая камеру подвода воздуха, завихритель подаваемого воздушного потока на выходной части и с внутренней стороны воздушной камеры, направляющее поток устройство в виде сопла Вентури, сопряженное соосно с выходной частью воздушной камеры, трубопровод подачи топлива с отверстиями, расположенными в диффузорной части сопла Вентури, и стабилизатор горения. Эта горелка выбрана в качестве прототипа заявляемого решения.

Недостатками прототипа являются:

- низкое качество распыливания струи топлива вследствие установки отверстий для впрыска топлива в диффузорной части сопла Вентури, где относительная скорость воздушного потока снижается по сравнению с суженной частью сопла;

- имеющаяся закрутка потока воздуха завихрителем создает зону обратных токов воздуха и, как следствие, разрыв потока в приосевой зоне, что увеличивает гидравлическое сопротивление сопла Вентури и снижает относительную скорость воздушного потока при фиксированном перепаде давлений на горелку; это способствует ухудшению качества распыла;

- наличие образующей зоны обратных токов в приосевой зоне исключает поддержание стехиометрического соотношения топливо - воздух в поперечных сечениях факела на разных расстояниях от среза направляющего поток устройства и, как следствие, предопределяет увеличение тепловых потерь на нагрев избыточного воздуха и снижение экономичности;

- регулирование производительности горелки осуществляется изменением расхода топлива; соответственно коэффициент избытка воздуха увеличивается с уменьшением производительности, при этом коэффициент полезного действия теплоагрегата снижается;

- наблюдение за распыливанием струй топлива и возможным засорением отверстий для впрыска топлива возможно только по косвенным показателям качества горения, визуальное наблюдение отсутствует, что создает неудобство в эксплуатации.

Таким образом, горелка-прототип имеет существенные недостатки, снижающие эффективность работы теплоагрегата на номинальной и долевых нагрузках и затрудняющие ее эксплуатацию.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является устранение указанных недостатков, а именно: улучшение качества распыливания и смесеообразования при сжигании топлива с уменьшением тепловых потерь теплоагрегата на номинальной и долевых нагрузках, повышение удобства эксплуатации.

Поставленная задача достигается тем, что в известной горелке, содержащей камеру подвода воздуха, завихритель подаваемого воздушного потока на выходной части и с внутренней стороны воздушной камеры, направляющее поток устройство в виде сопла Вентури, сопряженное соосно с выходной частью воздушной камеры, трубопровод подачи топлива и стабилизатор горения, в отличие от нее, заявляемая дополнительно снабжена смотровым устройством, размещенным на наружном торце воздушной камеры на ее продольной оси. Завихритель воздушного потока выполнен в виде поворотных радиальных направляющих лопаток, встроенных с возможностью поворота вокруг своей оси посредством привода поворота, размещенного снаружи воздушной камеры, внутренние оконечности которых сопряжены с диском из прозрачного материала, с возможностью поворота лопаток вокруг своей оси относительно плоскости диска. Трубопровод подачи топлива коаксиально вмонтирован в суженную часть направляющего поток устройства и имеет на своей оконечности распыливающие отверстия, расположенные в начальном участке проточной части суженного сечения направляющего поток устройства, оси которых ориентированы по отношению к оси направляющего поток устройства поперечно. А стабилизатор горения снабжен смотровым окном автомата горения, причем поворотные лопатки встроены с возможностью регулируемого изменения угла их установки в пределах от до 90^o относительно продольной оси воздушной камеры, где здесь - полный угол раскрытия диффузора сопла Вентури; m - степень сужения площади поперечного сечения сопла Вентури.

Заявленная совокупность ограничительных и отличительных признаков обеспечивает увеличение эффективности работы теплоагрегата на номинальной и долевых нагрузках с высоким качеством распыливания и смесеобразования топлива при визуальном наблюдении за рабочим процессом горелки. Улучшаются условия эксплуатации.

Благодаря наличию смотрового устройства, например в виде стеклянной перегородки, установленного на внешнем (наружном) торце воздушной камеры на ее продольной оси в совокупности с диском из прозрачного материала, возможно визуальное наблюдение за впрыском струй топлива, вытекающих через распыливающие отверстия трубопровода подачи топлива. В случае закоксования или засорения части или всех отверстий становится возможной визуальная фиксация обслуживающим персоналом отклонения от нормального процесса распыливания и подачи топлива в горелку, в связи с чем своевременно могут быть приняты меры по восстановлению работоспособности отверстий на всех долевых режимах работы горелки, что уменьшает длительность ухудшенного режима работы горелки с перекосами факела и повышенным коэффициентом избытка воздуха, ведущим к потерям экономичности теплоагрегата.

Выполнение завихрителя воздушного потока в виде поворотных радиальных направляющих лопаток, встроенных с возможностью поворота вокруг своей оси посредством привода поворота, размещенного снаружи воздушной камеры, позволяет, во-первых, менять расход воздуха на горелку посредством изменения степени крутки потока и соответствующего изменения коэффициента аэродинамического сопротивления горелки, во-вторых, соответственно с изменением фиксированного расхода воздуха пропорционально изменять расход топлива, в-третьих, обеспечить стехиометрическое соотношение топливо - воздух по поперечному сечению факела за пределами направляющего поток устройства при малой и высокой крутке в нем потока воздуха в сопле. Тепловые потери от этого уменьшаются, экономичность увеличивается.

Расположение распыливающих отверстий в начальном участке проточной части суженного сечения направляющего поток устройства, выполненного в виде сопла Вентури, обеспечивает максимальную относительную скорость между потоком воздуха и струей топлива, чем гарантируется минимальный размер капель топлива, т. е. качественный распыл, и минимальное время сгорания топлива и длина факела.

Ориентирование оси распыливающих отверстий поперечно оси направляющего поток устройства обеспечивает, кроме максимальной относительной скорости, стехиометрическое распределение топливо - воздух по пеперечному сечению факела за пределами направляющего поток устройства. Тепловые потери от этого уменьшаются.

Размещение трубопровода подачи топлива в направляющем поток устройстве коаксиально обеспечивает возможность снижения расхода (и скорости вытекания струй) топлива до нуля и безопасности возможного его подтекания на проточную часть сопла Вентури с последующим образованием нагара от несгоревшего топлива на стенках стабилизатора горения. Качество распыла от этого повышается, обеспечивается надежность при использовании.

Установка смотрового окна автомата горения на стабилизаторе горения позволяет увеличить быстродействие срабатывания системы защиты котла, поскольку срыв факела происходит по причине нарушения работы стабилизатора горения в случае чрезмерной крутки потока воздуха.

Регулирование угла установки поворотных лопаток от до 90^o относительно продольной оси воздушной камеры обеспечивает расходную характеристику горелки по воздуху, близкую к линейной, что упрощает управление регулирования соотношения топливо - воздух за счет использования известной зависимости между коэффициентом воздушного сопротивления горелки и углом поворота лопаток. При этом минимум коэффициента воздушного сопротивления горелки соответствует углу , а углу 90^o соответствует полное прекращение подачи воздуха. Соответственно углу соответствует номинальный расход топлива на горелку, а углу 90^o соответствует прекращение подачи топлива регулятором к распыливающим отверстиям. Указанное регулирование обеспечивает стехиометрические пропорции топливо-воздух на горелке при изменении ее производительности в широком диапазоне с поддержанием оптимального значения коэффициента избытка воздуха, при этом обеспечивается минимум тепловых потерь теплоагрегатом. Таким образом достигается улучшение качества распыливания и смесеобразования при сжигании топлива с уменьшением тепловых потерь теплоагрегата на номинальной и долевой нагрузках, повышение удобства эксплуатации.

Заявляемое изобретение поясняется чертежом, на котором приведена схема предлагаемой горелки.

Горелка содержит камеру подвода воздуха 1, на внешнем торце которой в приосевой зоне закреплено смотровое устройство в виде стеклянной перегородки 2 и на внутреннем торце в виде диска из прозрачного материла (стекла) 3, а между внешней образующей диаметра диска и внутренней образующей диаметра камеры 1 установлен лопаточный завихритель воздушного потока 4, состоящий из поворотных лопаток, кинематически связанных посредством шестерен 5 с приводом поворота лопаток 6. Привод поворота лопаток 6 кинематически связаны с регулятором расхода топлива 7, установленным на трубопроводе подачи топлива 8. Трубопровод подачи топлива 8 коаксиально вмонтирован в суженную часть направляющего поток устройства 9, выполненного в виде сопла Вентури, и оборудован на своей оконечности распыливающими отверстиями 10, расположенными в начальном участке проточной части суженного сечения направляющего поток устройства 9. Оси отверстий 10 ориентированы поперечно оси направляющего поток устройства. На выходной части направляющего поток устройства установлен стабилизатор горения 11, снабженный смотровым окном 12 автомата горения (не показан).

Горелка работает следующим образом. Воздух от вентилятора (не показан) поступает в камеру подвода воздуха 1 и далее поступает на поворотные лопатки завихрителя воздушного потока 4 и закручивается. Закрученный поток воздуха далее проходит последовательно через плавно сопряженные друг с другом конфузорную, суженную и диффузорную части направляющего поток устройства 9 (сопла Вентури) с последующим выходом в стабилизатор горения 11 и топочное пространство (на чертеже не показано) теплоагрегата (топка, камера сгорания и т. п.). Топливо из расходного бака (не показан) поступает по трубопроводу подачи топлива 8, проходит через регулятор расхода топлива 7 к распыливающим отверстиям 10 и вытекает в виде струй в суженную часть направляющего поток устройства 9. За счет высокой скорости воздушного потока относительно струй топлива, вытекающих перпендикулярно потоку, происходит распыливание струй топлива на мелкие капли, которые сносятся потоком воздуха, и образуется топливовоздушная смесь, движущаяся по траектории 13 в стабилизатор горения 11. В стабилизаторе горения смесь воспламеняется за счет зоны обратных горячих токов по периферии и сбрасывается в виде факела с границами 14 в объем камеры сгорания топлива.

Регулирование производительности горелки производят перемещением привода поворота лопаток 6, который через кинематические связи воздействует на угол поворота лопаток завихрителя 4, изменяя расход воздуха, и регулятор расхода топлива 7. При этом пропорционально изменяются расходы воздуха и топлива на горелку. Причем расположение траектории топливовоздушной смеси 13 меняется несущественно, поскольку с уменьшением подачи топлива и соответствующей подачи воздуха струя топлива имеет тенденцию к приближению траектории 13 к осевой зоне направляющего поток устройства 9, но при этом поток воздуха за счет увеличения угла наклона лопаток завихрителя воздуха 4 закручивается сильнее, что способствует сносу траектории 13 от осевой зоны направляющего поток устройства 9. Таким образом обеспечивается неизменность положения траектории 13 и сохранение стехиометрии смесеобразования и сгорания и полнота выгорания топлива на различных нагрузках горелки.

При работе горелки визуально наблюдают за качеством распыливания и смесеобразования через смотровое устройство в виде прозрачных перегородок 2 и 3. В случае засорения или закоксования всех или части отверстий 10 можно наблюдать через смотровое устройство за положением траектории 13 и обеспечивать восстановление неисправности горелки.

Проверка работоспособности горелки осуществлена при ее эксплуатации на промышленном паровом котле.

Источники информации.

1. Информационный листок N 122-71. Дальневосточный межотраслевой центр научно-технической информации. Горелка для сжигания сернистых мазутов с малым избытком воздуха.

2. Милтон Д.Х. и Лич Р.М. Судовые паровые котлы. - М.: Транспорт, 1985, с. 230-233.