ГАЗОВОЗДУШНАЯ ГОРЕЛКА СО СВЕРХЗВУКОВОЙ СТРУЕЙ Российский патент 1996 года по МПК F23D14/22 F23D14/38 

Изобретение относится к автогенной технике, где используется воздействие сверхзвуковой газовой струи с температурой до 1300^oС на твердую поверхность. Преимущественное применение горелка может найти в металлургии черных металлов при очистке отливок и поковок от остатков формовочной смеси и окалины, в строительстве для разрушения асфальта, бетона, кирпича и гранита при проведении ремонтных и строительных работ, в химической промышленности, например для очистки автоклавов от осадка, а также в судоремонтной отрасли для очистки подводной части судов от органических отложений и в коммунальном хозяйстве для очистки дорог и тротуаров от льда и снега.

Известны камерно-вихревые горелки, работающие на сжатом воздухе и горючем газе (1). Горелка имеет коллектор для газа и воздуха, смесительную головку, состоящую из завихрителя для воздуха и центрального отверстия для газа, две последовательно соединенные камеры сгорания, последняя заканчивается соплом конфузорного типа. Горение газа в воздухе происходит в камере сгорания, зажигание горючей смеси производится со стороны выхода ее из сопла. При этом пламя должно "проскочить" в камеру сгорания. Охлаждение камеры сгорания осуществляется изнутри вихревой пеленой закрученного в завихрителе воздуха. Данные горелки нашли применение для прогрева металла при его термообработке. Скорость продуктов сгорания в струе составляет 250 350 м/с. Давление пропана и воздуха на входе в горелку составляет 0,05-0,2 МПа. Основной недостаток этой горелки дозвуковая скорость истечения продуктов сгорания через сопло, что снижает эффективность очистки отливок от окалины и остатков формовочной смеси, разрушение твердых пород и очистку поверхностей от паразитных отложений. Кроме того, при приближении сопла такой горелки к обрабатываемой поверхности изменяются давление в камере сгорания и расходы воздуха и газа через форсунки, что приводит к погасанию пламени в камере сгорания. Это усложняет эксплуатацию и создает неудобства в работе по очистке поверхностей и разрушении пород.

Существуют высокоскоростные горелки без предварительного смешения с водяным или воздушным охлаждением камеры сгорания (2), состоящие из смесителя и камеры сгорания с конфузорным соплом для выхода продуктов сгорания. Смеситель состоит из кольцевого коллектора газа с отверстиями, выходящими в камеру сгорания. По центру смесителя подается воздух через трубу, смешение газа с воздухом происходит в камере сгорания. Охлаждающий тракт образован внутренней оболочкой камеры, корпусом и наружным кожухом и снабжен коллекторами для подвода и отвода охлаждающего воздуха или воды. Зажигание осуществляется со стороны сопла, фронт пламени "проскакивает" через конфузорное сопло в камеру сгорания. В случае использования обогащенного кислородом воздуха охлаждение проводят водой и на выходе из сопла удается получить струю газа со скоростью до 900 м/с и с более высокой температурой. Горелки обычно используются в газовых нагревательных печах для нагрева металлических деталей при их термической обработке. Основной недостаток этой горелки, так же как и для камерно-вихревой, это дозвуковая скорость истечение продуктов сгорания, обусловленная применением конфузорного сопла и малым давлением в камере сгорания (до 0,2 МПа), что снижает эффективность очистки поверхностей и разрушение пород, приводит к затуханию пламени в камере сгорания при расположении сопла близко к обрабатываемой поверхности, что ухудшает ее эксплуатационные свойства. Кроме того, плохое перемешивание газа с воздухом в горелке приводит к неполному сгоранию газа. В результате чего на выходе образуются токсичные вещества, например, угарный газ и несгоревший газ, что загрязняет атмосферу в цехе и недопустимо с точки зрения охраны труда.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является газовоздушная горелка со сверхзвуковой струей (3). Указанная горелка содержит головку с кольцевым коллектором горючего газа, сообщающимся дросселирующим отверстием с магистралью подвода горючего газа и форсункой горючего газа, воздушный коллектор, сообщающийся с магистралью подвода воздуха, камеру сгорания с завихрителем в цилиндрическом корпусе, который скреплен одним концом с головкой, и сопловую крышку, которая закреплена на другом конце цилиндрического корпуса, причем форсунка горючего газа с одной стороны сообщена с коллектором горючего газа, а с другой стороны сообщена с полостью перемешивания горючего газа и воздуха, образованной торцевой поверхностью головки и поверхностью завихрителя.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является создание газовоздушной горелки со сверхзвуковой струей, обладающей более высокой эффективностью.

Технический результат, достигаемый при этом, заключается в упрощении конструкции горелки, увеличении ресурса работы и надежности, улучшении экологической чистоты при эксплуатации горелки, снижении стоимости проводимых работ.

Указанный технический результат достигается тем, что в газовоздушной горелке со сверхзвуковой струей, содержащей головку с кольцевым коллектором горючего газа, сообщающимся дросселирующим отверстием с магистралью подвода горючего газа и форсункой горючего газа, воздушный коллектор, сообщающийся с магистралью подвода воздуха, камеру сгорания с завихрителем в цилиндрическом корпусе, скрепленном одним концом с головкой, и сопловую крышку, закрепленную на другом конце цилиндрического корпуса, при этом форсунка горючего газа с одной стороны сообщена с коллектором горючего газа, а с другой с полостью перемешивания горючего газа и воздуха, образованной торцевой поверхностью головки и поверхностью завихрения, головка выполнена со сквозным отверстием, в котором установлена свеча зажигания, форсунка горючего газа выполнена в виде кольцевой щели, завихритель выполнен в виде кольца с косыми пазами, равномерно расположенными на окружности по его боковой поверхности, зафиксированного в радиальном осевом направлениях в цилиндрическом корпусе, воздушный коллектор выполнен в сопловой крышке и сообщен с магистралью подвода воздуха дросселирующим отверстием, камера сгорания снабжена оболочкой, между наружной поверхностью которой и внутренней поверхностью цилиндрического корпуса образован охлаждающий тракт, в котором размещены проставки, сообщающиеся с одной стороны косыми пазами завихрителя с полостью перемешивания горючего газа и воздуха, а с другой стороны с воздушным коллектором, при этом оболочка камеры сгорания одним концом жестко закреплена на сопловой крышке, а другим концом на завихрителе с возможностью осевого перемещения относительно него.

Кроме того, оболочка камеры сгорания установлена на завихрителе с зазором между цилиндрической поверхностью кольца и внутренней поверхностью оболочки, на оболочке или кольце выполнен ряд равномерно расположенных по окружности каналов для прохода воздуха из охлаждающего тракта.

Полость перемешивания горючего газа и воздуха выполнена расширяющейся по направлению к продольной оси завихрителя, а от косых пазов до зоны выхода кольцевой щели выполнена сужающейся.

Сквозное отверстие в головке со стороны камеры сгорания выполнено диаметром 5-6 мм.

Сопловая крышка газовоздушной горелки выполнена в форме конуса, а сопловое отверстие расположено на боковой поверхности последнего. Максимальная площадь дросселирующих отверстий для горючего газа и воздуха выбрана из условия обеспечения минимальной разности давления на входе дросселирующих отверстий и давления в камере сгорания не менее 0,08 МПа и 0,1 МПа соответственно.

Головка, завихритель и оболочка закреплены соосно относительно друг друга.

Ось дросселирующего отверстия для воздуха и ось сопла выполнены пересекающимися. Предложенная конструкция газовоздушной горелки, обеспечивающая за счет перемешивания пленки газа, поступающего из кольцевой щели в головке, с закрученной пленкой воздуха, поступающего из косых пазов в полость перемешивания, обеспечивает более высокое качество горючей смеси, поступающей в камеру сгорания. Благодаря этому горение происходит в объеме горючей смеси с очень большой скоростью, в отличие от случая диффузионного горения. Высокая скорость горения горючей смеси позволяет увеличить расход газа и воздуха в камеру сгорания горелки без срыва пламени, следовательно, повысить давление в камере сгорания и получить на выходе из сопла сверхзвуковую струю продуктов сгорания. При увеличении давления скорость горения увеличивается.

Для повышения качества перемешивания газа с воздухом в конструкции горелки предусмотрены следующие мероприятия. Во-первых, полость перемешивания газа с воздухом в зоне выхода кольцевой щели головки (форсунки горючего газа) имеет сужение и выполнена расширяющейся по направлению к продольной оси завихрительного кольца, а от косых пазов до зоны выхода кольцевого сектора выполнена сужающейся. При выходе воздуха из косых пазов скорость его возрастает за счет сужения полости перемешивания, достигает своего максимума в зоне выхода кольцевой щели, а затем уменьшается в расширяющейся части полости. Выход пленки газа из кольцевой щели происходит в тонкую пленку воздуха, имеющего максимальную скорость в полости перемешивания, это способствует захвату частиц газа воздухом и их смешению. После этого происходит торможение потока в расширяющейся части полости перемешивания, сопровождающееся интенсивным вихреобразованием. В результате чего происходит полное перемешивание газа с воздухом и горючая смесь поступает в камеру сгорания. Второе назначение сужения полости перемешивания в зоне выхода форсунки горючего создать эжекцию газа воздухом, что способствует повышению надежности запуска и устойчивости процесса горения. Дело в том, что в момент воспламенения горючей смеси давление в камере сгорания резко повышается, что приводит к резкому уменьшению расхода воздуха, уменьшается и его скорость, что вызывает дополнительное уменьшение расхода газа за счет эжекции его воздухом. Это снижение расходов газа и воздуха, благодаря эжекции газа, не приводит к их существенному отклонению от стехиометрического соотношения и процесс горения не прекращается, горелка работает устойчиво, что повышает его надежность и простоту эксплуатации. Во-вторых, полнота перемешивания газа с воздухом зависит от длины пути смешения. Для увеличения пути смешения форсунка воздуха выполнена в виде косых пазов, выходя из которых воздух приобретает тангенциальную составляющую скорости, путь, проходимый воздухом и вовлекаемым им в движение газа в полости перемешивания, увеличивается, что способствует более полному перемешиванию газа с воздухом и повышению полноты сгорания. В результате улучшается экологическая чистота продуктов сгорания. В-третьих, качество горючей смеси зависит также от осесимметричности газодинамического поля скоростей газа и воздуха в полости перемешивания. При отклонении от осесимметричности в камеру сгорания поступает хорошо перемешанная, но различающаяся по составу горючая смесь на конце полости перемешивания (диаметр отверстия завихрительного кольца). Это ухудшает полноту сгорания топлива. Для получения осесимметричной картины течения в конструкции горелки предусмотрено следующее. Завихритель выполнен в виде кольца, на боковой поверхности которого равномерно по окружности расположены косые пазы.

Завихрительное кольцо зафиксировано в радиальном и осевом направлениях в цилиндрическом корпусе, например, головка, завихритель и оболочка закреплены соосно относительно друг друга, головка плотно прилегает к завихрительному кольцу по кольцевому буртику, выполненному на торцевой поверхности головки или завихрительного кольца, при этом оболочка камеры сгорания опирается на концентрические цилиндрические уступы завихрительного кольца и сопловой крышки, которая скреплена с корпусом. Это конструктивно обеспечивает равномерность расхода воздуха по окружному сечению завихрительного кольца, т.е. на входе в полость перемешивания. Причем кольцевая щель в головке расположена соосно завихрительному кольцу, а равномерный зазор охлаждающего тракта между корпусом и оболочкой камеры сгорания обеспечивает равенство скоростей на входе в косые пазы завихрительного кольца. Коллекторы для газа и воздуха обеспечивают равенство скоростей газа на входе в кольцевую щель в любой его точке и равномерность поля скоростей на входе в охлаждающий тракт. Кроме того, полость перемешивания осесимметрична, что достигается плотным прилеганием головки в завихрительному кольцу по кольцевому буртику. В результате получается осесимметричная газодинамическая картина течения газа и воздуха, их смешения и состава смеси, следовательно, и процесса горения, что способствует повышению полноты сгорания горючей смеси и повышает экологическую чистоту продуктов сгорания.

При работе горелки на дозвуковых режимах охлаждение воздухом становится малоэффективным и температура оболочки камеры возрастает. Чтобы исключить изменение формы оболочки камеры при работе горелки на нерасчетных режимах, на наружной поверхности оболочки камеры сгорания равномерно размещены проставки, обеспечивающие гарантированный зазор охлаждающего тракта при работе горелки на нерасчетных режимах. Для простоты проставки могут быть выполнены из проволоки.

При проведении работ с использованием горелки в цехах воздух используется от цеховой системы сжатого воздуха, давление в которой не превышает обычно 0,6 МПа. С другой стороны, необходимо иметь как можно большее давление в камере сгорания для повышения мощности струи горелки, т.е. ее производительности при малых габаритах. Это решается правильным выбором максимальной площади дросселирующих отверстий для воздуха и горючего газа. Выбор производится по минимальному перепаду давления на них, обеспечивающего устойчивость процесса горения в камере сгорания горелки. Дросселирующие отверстия позволяют уменьшить влияние резкого изменения давления в камере сгорания на изменение расхода газа и воздуха в соответствующие коллекторы, следовательно, и в камеру сгорания. Это позволяет обеспечить надежный запуск горелки и ее устойчивую работу. Значение минимального перепада давления найдено экспериментально и составляет 0,08 МПа; 0,1 МПа для газа и воздуха соответственно.

При сгорании газовоздушной смеси происходит нагрев деталей горелки и он может привести к их расплавлению и прогару камеры сгорания. Для снижения температуры деталей горелки предусмотрено охлаждение. Головка охлаждается горючим газом, поступающим в коллектор, а оболочка камеры сгорания охлаждается воздухом, проходящим по охлаждающему тракту от воздушного коллектора к косым пазам завихрительного кольца. Зона горения начинается от выхода полости перемешивания и распространяется за завихрительное кольцо, здесь самая высокая температура. Для дополнительного охлаждения в этой зоне юбки завихрительного кольца и оболочки камеры сгорания в конструкции предусмотрено следующее.

Оболочка камеры сгорания установлена на завихрителе с зазором между цилиндрической поверхностью кольца и внутренней поверхностью оболочки камеры сгорания, при этом на оболочке или на кольце выполнен ряд равномерно расположенных по окружности каналов для прохода воздуха из охлаждающего тракта в зазор. Равномерности поля скоростей в струе способствует равномерное расположение по окружности каналов для прохода воздуха. В результате охлаждается часть оболочки камеры сгорания, контактирующая с зоной горения.

Сопловая крышка со стороны камеры сгорания охлаждается воздухом, поступающим через дросселирующее отверстие в коллектор. Для исключения попадания воздуха в камеру сгорания через сочленение оболочки камеры сгорания и сопловой крышки первая опирается на вторую без зазора. Наиболее теплонапряженной частью горелки является критическое сечение сопла. Для охлаждения сопла в конструкции горелки предусмотрено следующее. Ось дросселирующего отверстия для воздуха и ось сопла выполнены пересекающимися. Струя воздуха из дросселирующего отверстия омывает наружную поверхность сопла, охлаждает его тормозится в коллекторе и поступает в охлаждающий тракт. Это позволяет исключить перегрев, сплавление и эрозию деталей камеры сгорания и повысить ресурс работы горелки и ее надежность. Оболочка камеры сгорания имеет большую температуру, чем корпус и поэтому температурные деформации у первой больше. Чтобы уменьшить температурные напряжения, в горелке конструктивно предусмотрено подвижное в осевом направлении опирание оболочки камеры сгорания на завихрительное кольцо. Это позволяет исключить деформацию деталей горелки и разгерметизацию соединений корпуса с головкой и сопловой крышкой, что повышает безопасность, надежность и ресурс работы горелки.

На ресурс работы горелки оказывает влияние и эрозия электродов искровой свечи зажигания, ввернутой в сквозное отверстие на головке. Для уменьшения эрозии электродов искровой свечи и повышения надежности многократного запуска горелки в конструкции предусмотрено сужение сквозного отверстия в головке со стороны камеры сгорания. Минимальный диаметр отверстия в головке со стороны камеры сгорания подобран экспериментально и составляет 5-6 мм. Меньшее отверстие затрудняет доступ горючей смеси к электродам свечи, что затрудняет запуск, а большее отверстие приводит к увеличению теплового воздействия на электроды свечи, что приводит к их эрозии. Поэтому экспериментальный подбор минимального диаметра отверстия производился из условия надежного зажигания горючей смеси в камере сгорания. В случае отсутствия сужения отверстия в головке происходит эрозия электродов свечи, появляются отказы при повторных запусках. Кроме того, в отверстии со стороны головки появляется кольцевой вихрь горящей смеси, что увеличивает подвод тепла к головке и она нагревается (на некоторых образцах до темно-вишневого цвета), что увеличивает опасность в работе с горелкой.

Для проведения некоторых работ, например, при очистке внутренней поверхности отливок от окалины в труднодоступных местах газовоздушная горелка имеет сопловую крышку в форме конуса, а сопловое отверстие расположено на его боковой поверхности. Это делает более удобным обработку отверстий, карманов и других стесненных мест отливок, что упрощает проведение работ по очистке. Горелкой с таким расположением сопла можно обрабатывать и наружные поверхности, что, в конечном итоге, снижает стоимость проводимых работ.

Описанные выше конструктивные решения позволяют улучшить взаимодействие газовой струи газовоздушной горелки с твердой поверхностью при ее очистке или разрушении. Причем, при очистке отливок от окалины и формовочной смеси или при очистке любых других металлических поверхностей от отложений, металл очищаемой поверхности не оплавляется, а за счет сверхзвуковой скорости струи улучшается взаимодействие ее с разрушающейся окалиной или отложениями. Разрушение обрабатываемого материала происходит в очень тонком слое, который сразу же удаляется благодаря воздействию сверхзвуковой струи.

Сущность изобретения поясняется чертежами:
на фиг.1 показан общий вид газовоздушной горелки со сверхзвуковой струей с центральным расположением сопла; на фиг.2 первый вариант выполнения косых пазов завихрительного кольца; на фиг.3 1- 0второй вариант выполнения косых пазов завихрительного кольца; на фиг.4 вид по стрелке А фиг.3 на косые пазы по второму варианту завихрительного кольца; на фиг.5 вид I (фиг.1) выполнения каналов для прохода воздуха из охлаждающего тракта в зазор по первому варианту; на фиг.6 вид I (фиг. 1) выполнения каналов для прохода из охлаждающего тракта в зазор по второму варианту; на фиг.7 вариант конструкции горелки с составной головкой и конической сопловой крышкой; на фиг.8 схема пульта управления горелкой.

Общий вид газовоздушной горелки со сверхзвуковой струей и с центральным расположением сопла показан на фиг.1. Горелка состоит из головки 1, внутри ее расположен коллектор 2, имеющий сообщение с форсункой горючего газа в виде кольцевой щели 3. Газ в коллектор подается через магистраль подвода газа 4 и дросселирующее отверстие 5. Выход кольцевой щели 3 совмещен с сужением полости перемешивания 6, образованной торцевой поверхностью головки 1 и поверхностью завихрительного кольца 7. По наружной образующей завихрительного кольца выполнены косые пазы 8 для прохода воздуха из охлаждающего тракта 9. Последний образован внутренней поверхностью корпуса 10 и наружной поверхностью оболочки камеры сгорания 11. К корпусу 10 с одного конца герметично прикреплена головка 1, а с другого сопловая крышка 12. Сопловая крышка 12 имеет коллектор 13, который соединен с магистралью подвода воздуха 14 через дросселирующее отверстие 15. Сопло 16 выполнено в центре сопловой крышки 12. На концентрические поверхности сопловой крышки 12 опираются корпус 10 и без зазора оболочка камеры сгорания 11. Другим концом оболочка камеры сгорания 11 опирается подвижно в осевом направлении на завихрительном кольце 7. Косые пазы 8 на завихрительном кольце 7 могут быть выполнены на двум вариантам. На фиг. 2 показан первый вариант выполнения косых пазов 8, а на фиг.3 и фиг.4 показан второй вариант выполнения косых пазов 8 на завихрительном кольце 7. Как показали испытания, оба варианта обеспечивают на выходе из косых пазов закрутку потока, вектор скорости которого показан на фиг.2 и 3. Это позволяет получить хорошее перемешивание газа с воздухом и обеспечить полное сгорание газа.

Охлаждающий тракт 9 (фиг.1) соединен равномерно расположенными по окружности каналами 17 с зазором 18. Каналы 17 выполнены в виде ряда отверстий в оболочке камеры сгорания, равномерно расположенных по окружности. Число отверстий 17 на реализованных горелках выполнены ⊘ 1 мм и их число колеблется от 16 до 32. На фиг.5 показан вариант каналов 17, выполненных на внутренней поверхности оболочки камеры сгорания 11, например, фрезерованием. На фиг.6 показан второй вариант каналов 17, выполненных на уступе завихрительного кольца 7, например, фрезерованием, долблением или накаткой. Наиболее технологичный вариант выполнения каналов показан на фиг.1 и 7.

По центру головки 1 имеется сквозное отверстие с сужением 19 для защиты электродов свечи 20 от эрозии (см. фиг.1). На наружной поверхности оболочки камеры сгорания 11 (см. фиг.1) прикреплены проволочные проставки 21, равномерно расположенные по окружности (6-8 штук). Ось отверстия 15 направлена на наружную поверхность критического сечения сопла 16. Постоянство зазора охлаждающего тракта 9 обеспечено центрированием корпуса 10 и оболочки камеры сгорания 11 по концентрическим поверхностям сопловой крышки 12, а с другого конца корпус 10 и оболочка камеры сгорания 11 зацентрированы относительно друг друга по концентрическим поверхностям завихрительного кольца 7. Головка 1 и завихрительное кольцо 7 плотно прижаты друг к другу по кольцевому буртику на наружной части косых пазов 8 завихрительного кольца 7 и обе зацентрированы в проточке корпуса 10. Это обеспечивает осесимметричность каналов для прохода воздуха и газа в горелке.

Конструкция реализованной на практике горелки с составной головкой и конической сопловой крышкой показана на фиг.7. Сопловая крышка состоит из корпуса 22, внутреннего конуса 23 и сопловой втулки 24, приваренной к коническому корпусу 22 и внутреннему конусу 23. Ось дросселирующего отверстия для воздуха 15 направлена на поверхность сопловой втулки 24. Конический корпус 22 и внутренний конус 23 образуют коллектор 13 для воздуха. Сборка и сварка конической сопловой крышки 12 осуществляется в специальном приспособлении, обеспечивающем концентричность посадочных поверхностей оболочки камеры сгорания 11 и корпуса 10, что обеспечивает постоянный зазор охлаждающего тракта 9. Головка состоит из корпуса головки 1, вкладыша 25 и кольца 26. Вкладыш 25 зацентрирован в осевом и радиальном направлении в корпусе головки 1 и приварен к нему. Это обеспечивает постоянство зазора цилиндрической щели в головке. Во вкладыше просверлено дросселирующее отверстие 5 для газа. Оно соединяет магистраль подвода газа 4 с коллектором 2. С торца вкладыша 25 сделана расточка. В нее вставляется кольцо 26 с диаметром отверстия 5,5±0,5 мм и приваривается в четырех точках. Места сварки зачищаются заподлицо с торцовой поверхностью головки. Кольцо 26 служит для защиты электродов свечи 20 от воздействия высокой температуры продуктов сгорания, что уменьшает их эрозию. Завихрительное кольцо 7 и головка 1 зацентрированы в проточке корпуса 10 в осевом и радиальном направлении, плотно прижаты друг к другу и в таком положении корпус 10 и головка 1 приварены друг к другу. Это обеспечивает осесимметричность каналов в горелке для прохода воздуха и газа. Управление горелкой осуществляется при помощи пульта управления, схема которого показана на фиг. 8. Горелка 27 подключена к магистрали сжатого воздуха при помощи вентиля-дросселя 28. Давление сжатого воздуха на входе в горелку 27 контролируется по манометру 29. К газовой магистрали горелка подключается при помощи вентиля-дросселя 30, для контроля давления газа на входе в горелку установлен манометр 31. Зажигание осуществляется от высоковольтного блока 32, включаемого в сеть тумблером 33.

Работа горелки. При запуске горелки подается воздух в горелку, для этого вентиль-дроссель 28 (см. фиг.8) открывается и по манометру 29 контролируется (заданное) давление воздуха на входе в дросселирующее отверстие 15 (см. фиг. 1). После этого включается тумблер 33 (см. фиг.8) и блок высокого напряжения вырабатывает периодические импульсы напряжения порядка 40 кВ. Между электродами свечи 20 возникает периодический искровой разряд. Открывается вентиль-дроссель 30 и по манометру 31 контролируется заданное давление пропан-бутана на входе в дросселирующее отверстие 5 (см. фиг.1). Происходит воспламенение горючей смеси в горелке 27 (см. фиг.8), после чего тумблер 33 отключается, а колпачок высоковольтного провода снимается с электрода свечи и производится работа горелкой. В процессе работы заданное соотношение воздуха и пропан-бутана контролируется с помощью манометров 29 и 31 (см. фиг.8) и при необходимости вносятся поправки с помощью вентиль-дросселей 28 и 30. Выключение горелки осуществляется закрытием вентиль-дросселя 30. После прекращения горения остатков газа в горелке закрывается вентиль-дроссель 28 и подача воздуха в горелку 27 прекращается. Такой порядок запуска и останова горелки сводит к минимуму массу несгоревшего газа, находящегося через сопло в окружающую среду, что повышает пожарную безопасность горелки и улучшает экологическую чистоту воздуха в цехе. В моменты запуска, работы и остановки горелки в ней происходит следующее. Воздух поступает через трубку 14 (см. фиг. 1) и дросселирующее отверстие 15 в воздушный коллектор 13 в виде струи, омывает сопло 16 с наружной поверхности, охлаждает его, тормозится в коллекторе 13 и поступает в охлаждающий тракт 9, движется по нему, охлаждая оболочку камеры сгорания 11. Вблизи завихрительного кольца 7 часть воздуха проходит через ряд отверстий 17, равномерно расположенных по окружности на оболочке камеры сгорания 11, и далее движется по зазору 18 в обратном направлении, создавая на выходе из зазора 18 пристенную струю воздуха, охлаждающую изнутри часть оболочки камеры сгорания 11, контактирующей с зоной горения. Другая часть воздуха проходит через косые пазы 8 завихрительного кольца 7, закручивается и поступает на вход полости перемешивания 6. В последней воздух разгоняется, проходя сужающуюся часть полости перемешивания 6, проходит сужение полости перемешивания, куда входит пленка газа из кольцевой щели 3. Газ поступает через трубку 4 и дросселирующее отверстие 5 в коллектор 2, откуда поступает в кольцевую щель 3, выходит из нее, подхватывается воздухом и перемешивается с ним. Затем смесь газа с воздухом поступает в расширяющуюся часть полости перемешивания 6, где тормозится с интенсивным вихреобразованием и полностью завершается перемешивание газа с воздухом. Далее смесь поступает в камеру сгорания и через отверстие 19 к электродам свечи. Происходит воспламенение горючей смеси от искры между электродами свечи, и начинается процесс устойчивого горения в камере сгорания. Продукты сгорания истекают через сопло 16, где разгоняются до сверхзвуковой скорости, что можно констатировать по "цепочке" скачков уплотнения на струе. При снижении давления воздуха и газа на входе в горелку происходит уменьшение скорости струи продуктов сгорания и может наступить дозвуковой режим истечения, при котором горелка работает также устойчиво.

На фиг. 7 показан конструкция горелки, реализованная на практике. Основные параметры горелки: длина 140 мм (не включая свечу), диаметр 38 мм, давление воздуха на входе 0,65 МПа, давление пропан-бутана на входе 0,43 МПа, суммарный расход воздуха и пропана-бутана 10 г/с, расчетное соотношение компонентов топлива 1:15, рабочий диапазон соотношения компонентов топлива 1: 12 1:20, мощность струи продуктов сгорания на выходе из сопла ≈11 кВт, скорость истечения продуктов сгорания 1500 м/с, температура торможения струи 1000-1300^oС. Разборка горелки после 60 часов работы показала, что на внутренней поверхности завихрительного кольца, оболочке камеры сгорания, сопловой крышке и соплового отверстия признаков эрозии и оплавления не обнаружено. Горелка изготовлена из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, что придает ей эстетический вид и снижает требования по ее хранению и эксплуатации в агрессивных средах, а также повышает срок службы.

Сверхзвуковая газовая струя, направленная на обрабатываемую твердую поверхность, плавит или растрескивает ее, в зависимости от материала, в тонком слое. Продукты разрушения вымываются сверхзвуковой струей с очень большой скоростью, обнажая неразрушенную поверхность. Таким образом идет удаление окалины и остатков формовочной смеси с отливок, очистка поверхности от отложений, разрушение твердых пород. Основной металл поверхности не разрушается, т. к. низкая температура торможения струи, не превышающая 1300^oС, и высокая теплопроводность металла не позволяет нагреться ей выше температуры плавления. Горелки с низкой скоростью струи не позволяют получить такой технический результат. Происходит только растрескивание или оплавление поверхностного слоя, а вынос частиц породы из зоны разрушения затруднен. Поэтому горелки с низкой скоростью струи газов, при прочих равных условиях, обладают меньшей производительностью при разрушении пород, удалении окалины. С точки зрения класса работ, проводимых предлагаемой горелкой, ее эффективность можно оценить по мощности струи, определяемой по кинетической энергии струи газов по известной формуле:

где массовый расход газовоздушной смеси через горелку, кг/с;
V скорость истечения продуктов сгорания через сопло, м/с.

Очевидно, что отношение мощности предлагаемой газовоздушной горелки к мощности существующего аналога газовоздушной горелки при равных массовых расходах газовоздушной смеси через горелку и дает критерий эффективности предлагаемой горелки по сравнению с существующими. Он определяется по следующей формуле:

где V_n, V_A скорость истечения продуктов сгорания из сопла предлагаемой горелки и аналога соответственно. Сравнение проведем с горелкой, показанной на фиг. 7, и аналогами: камерно-вихревой горелкой (V_A=250.350 м/с) и с высокоскоростной горелкой без предварительного смешения (V_A=100.900 м/с). В результате получим, что предлагаемая горелка эффективнее камерно-вихревой ξ = 18...36 и высокоскоростной ξ = 2,8...225.
Предлагаемая горелка обладает высокой эффективностью, проста по конструкции, имеет большой ресурс работы, надежна, проста и безопасна в эксплуатации, имеет низкую стоимость, продукты сгорания экологически чистые.

Промышленная применимость заявляемой горелки:
для снятия окалины и остатков формовочной смеси с отливок в черной металлургии;
для очистки поверхностей от отложений в химической промышленности;
для очистки подводной части судов от органических отложений и отслужившего слоя краски в судоремонтной отрасли;
для разрушения горных пород типа известняк, гранит, песчаник в горнодобывающей промышленности;
для разрушения бетона, асфальта и кирпича в строительстве;
для очистки аэродромов, дорог и тротуаров от льда и снега в авиации и коммунальном хозяйстве;
для нанесения покрытий (при условии доработки горелки и известных устройств) из металлов с температурой плавления менее 1100^oС и из полимерных материалов;
для получения металлических порошков из металлов с температурой плавления менее 1100^oС, при условии совершенствования конструкции горелки и создания дополнительных устройств.

Использование: автогенная техника. Сущность изобретения: газовоздушная горелка со сверхзвуковой струей включает форсуночную головку 1 с коллектором 2, соединенную с форсункой горючего газа в виде кольцевой щели 3, магистраль подвода газа 4 и дросселирующее отверстие 5, полость перемешивания 6, завихрительное кольцо 7, с косыми пазами 8 для прохода воздуха из охлаждающего тракта 9, образованное корпусом 10 и оболочкой камеры сгорания 11, сопловую крышку 12 с коллектором 13, соединенным с магистралью подвода воздуха 14 через дросселирующее отверстие 15, сопло 16, корпус 10. Тракт 9 с помощью отверстий 17 соединен с зазором 18. По центру головки 1 выполнено отверстие с сужением для защиты электродов свечи 20. Головка обеспечивает объемное горение горючей смеси без срыва пламени, что позволяет повысить расход газа и воздуха в камеру сгорания, увеличить давление в ней и получить сверхзвуковую струю продуктов сгорания. 7 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Газовоздушная горелка со сверхзвуковой струей, содержащая головку с кольцевым коллектором горючего газа, сообщающимся дросселирующим отверстием с магистралью подвода горючего газа и форсункой горючего газа, воздушный коллектор, сообщающийся с магистралью подвода воздуха, камеру сгорания с завихрителем в цилиндрическом корпусе, скрепленным одним концом с головкой, и сопловую крышку, закрепленную на другом конце цилиндрического корпуса, при этом форсунка горючего газа с одной стороны сообщена с коллектором горючего газа, а с другой с полостью перемешивания горючего газа и воздуха, образованной торцевой поверхностью головки и поверхностью завихрителя, отличающаяся тем, что головка выполнена со сквозным отверстием, в котором установлена свеча зажигания, форсунка горючего газа выполнена в виде кольцевой щели, завихритель выполнен в виде кольца с косыми пазами, равномерно расположенными по окружности по его боковой поверхности, зафиксированного в радиальном и осевом направлениях в цилиндрическом корпусе, воздушный коллектор выполнен в сопловой крышке и сообщен с магистралью подвода воздуха дросселирующим отверстием, камера сгорания снабжена оболочкой, между наружной поверхностью цилиндрического корпуса образован охлаждающий тракт, в котором размещены проставки, сообщающийся с одной стороны косыми пазами завихрителя с полостью перемешивания горючего газа и воздуха, а с другой стороны с воздушным коллектором, при этом оболочка камеры сгорания одним концом жестко закреплена на сопловой крышке, а другим концом закреплена на завихрителе с возможностью осевого перемещения относительно него. 2. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что оболочка камеры сгорания установлена на завихрителе с зазором между цилиндрической поверхностью кольца и внутренней поверхностью оболочки, при этом на оболочке или кольце выполнен ряд равномерно расположенных по окружности каналов для прохода воздуха из охлаждающего тракта. 3. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что полость перемешивания горючего газа и воздуха выполнена расширяющейся по направлению к продольной оси завихрителя, а от косых пазов до зоны выхода кольцевой щели выполнена сужающейся. 4. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что сквозное отверстие в головке со стороны камеры сгорания выполнено диаметром 5-6 мм. 5. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что сопловая крышка выполнена в форме конуса, а сопловое отверстие расположено на боковой поверхности последнего. 6. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что максимальная площадь дросселирующих отверстий для горючего газа и воздуха выбрана из условия обеспечения минимальной разности давления на входе дросселирующих отверстий и давления в камере сгорания не менее 0,08 и 0,1 МПа соответственно. 7. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что головка, завихритель и оболочка закреплены соосно относительно друг друга. 8. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что ось дросселирующего отверстия для воздуха и ось сопла выполнены пересекающимися.