ТУРБУЛИЗАЦИОННАЯ ГОРЕЛКА "СТРУГ-ТГ" Российский патент 1998 года по МПК F23D11/10 

Изобретение относится к теплотехнике, в частности к горелочной технике, и может быть использовано в качестве форсунки для сжигания жидких топлив и горелки для сжигания газовых топлив в топках водогрейных и паровых котлов, промышленных печей различного назначения, применяемых в коммунальном хозяйстве, теплоэнергетической и других отраслях промышленности и сельского хозяйства.

Уровень техники
Известна форсунка внутреннего смешения, содержащая корпус с конфузорно-цилиндрическим выходным соплом, образующим камеру смешения и закручивания потоков окислителя (воздуха) и топлива, снабженную одним кольцевым рядом наклонных входных каналов для подачи в камеру топлива и двумя кольцевыми рядами наклонных входных каналов для подачи в камеру окислителя [1]
Недостатками форсунки являются грубое неоднородное распыливание топлива и низкое качество смесеобразования топлива с окислителем из-за недостаточной кинетической энергии струй воздуха, что обуславливает низкую эффективность сжигания топлива и большое количество экологически вредных веществ в продуктах сгорания топлива.

Известна также форсунка, содержащая корпус, в котором выполнена камера смешения, подключенная посредством наклонных отверстий, выполненных в виде кольцевого ряда, к кольцевому каналу для подачи воздуха и подключенная посредством радиальных отверстий к центральной топливной трубе. Внутренняя боковая поверхность камеры смешения снабжена завихрителем в виде винтовой нарезки [2]
Недостатками форсунки также является грубое неоднородное распыливание топлива и низкое качество смесеобразования топлива с воздухом в результате недостаточного возмущающего действия воздуха на потоки топлива, на весь объем воздухотопливной смеси и недостаточной кинетической энергии струй воздуха, что обуславливает неполное сгорание топлива, его повышенный расход и большое количество экологически вредных веществ в продуктах сгорания топлива.

Известна также пневматическая форсунка, выбранная в качестве прототипа, как наиболее близкая по своему техническому решению, содержащая корпус и размещенную в нем вставку с винтовыми канавками на наружной поверхности, образующую с корпусом кольцевой зазор, выполняющий функции воздушного коллектора. Вставка выполнена с центральным отверстием, имеющим конфузорный участок на входе, пережим и диффузорный участок на выходе. В теле вставки выполнены тангенциальные каналы, сообщающие кольцевой зазор с диффузорным участком центрального отверстия. Центральное отверстие на входе соединено с патрубком, подключенным к источнику жидкого топлива. Кольцевой зазор подключен к источнику распылителя (воздуха) посредством патрубка, установленного в стенке корпуса. Корпус выполнен с конической торцевой стенкой, в которой образовано конфузорно-цилиндрического выходного сопло корпуса. Между вставкой и конической торцевой стенкой выполнен кольцевой зазор, сообщающийся с воздушным коллектором и выполняющий функцию второй ступени смесителя [3]
Недостатками конструкции прототипа являются малая степень тонкости распыливания топлива и низкое качество смесеобразования топлива с воздухом, связанное с недостаточным возмущающим, диспергирующим действием воздуха на поток топлива и недостаточной кинетической энергии струй воздуха, что приводит к неполному сгоранию топлива, его неэкономному расходу и большому количеству экологически вредных веществ в продуктах сгорания топлива.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в повышение экономичности сжигания жидкого или газового топлива в котлах и промышленных печах различного назначения, повышении экологической чистоты продуктов сгорания топлива.

Основной технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, состоит в значительном улучшении полноты и однородности смесеобразования топлива, с воздухом, в повышении тонкости распыла топлива и воздухотопливной смеси и полном турбулентном сгорании топлива.

Технический результат изобретения основан на глубокой искусственной турбулизации потоков топлива и воздух, их полном турбулентном перемешивании в условиях высокой кинетической энергии струй воздуха и значительного ускорения турбулентного диффундирования воздуха и топлива, глубокой турбулизации внутри форсунки (горелки) всего объема воздухотопливной смеси с образованием в ней активно взаимодействующих микровихрей топлива и воздуха, создающих на входе форсунки тонко и однородно диспергированную с равномерной плотностью турбулизированную туманообразную воздухотопливную структуру факела распыла, обеспечивающую полное турбулентное сгорание топлива и значительное снижение экологически вредных веществ в продуктах сгорания топлива.

Полученный технический результат достигается наличием следующих существенных отличительных от прототипа признаков изобретения:
1) многоступенчатого (не менее двух ступеней) смесителя топлива и воздуха, имеющего в каждой ступени кольцевые ряды наклонных и радиально-наклонных каналов, соединяющих камеру смесителя с полостью воздушного коллектора, турбулизирующего кольцевого выступа на внутренней поверхности камеры смешения второй и последующих ступеней смесителя, расположенного между кольцевыми рядами наклонных и радиально-наклонных каналов для глубокой турбулизации процесса смешения потока топлива с воздухом, ускорения их диффундирования, образования и турбулизации тонко диспергированной воздухотопливной смеси;
2) бугорков шероховатости высотой 1-2 мм на внутренней поверхности входных патрубков топлива и воздуха для предварительной турбулизации этих потоков;
3) конфузоров входов в наклонные и радиально-наклонные каналы смесителя с углами сужения 150^o-170^o турбулизирующих и ускоряющих воздушные потоки;
4) радиально-наклонных каналов, имеющих форму углов сверхзвуковых сопел Лаваля со спиральными турбулизирующими выступами высотой 0,7 1 мм в их радиальной части для турбулизации, ускорения до сверхзвуковой скорости и повышения кинетической энергии потоков воздуха;
5) кольцевого ряда наклонных каналов конфузорной формы с углом сужения 12 20^o в правой ступени смесителя для повышения кинетической энергии потоков воздуха и усиления степени их турбулизирующего воздействия на поток топлива при его выходе в многоступенчатый смеситель.

Все перечисленные существенные признаки изобретения необходимы и достаточны для всех случаев, на которые распространяется испрашиваемый объем паровой охраны изобретения.

В частном случае, при использовании легких жидких топлив или газового топлива дополнительным признаком изобретения является выходной кольцевой турбулизирующий зубчатый выступ с щелевыми соплами в выходной сопловой головке для турбулизации воздухотопливной смеси, дополнительного подогрева факела распыла и превращения воздухотопливной смеси жидкого топлива с воздухом в газовоздушную смесь в результате ее нагрева горячими зубьями кольцевого выступа.

На фиг. 1 изображен продольный разрез турбулизационной горелки; на фиг. 2 сечение по А-А наклонных конфузорных каналов первой, степени смесителя на фиг. 1; на фиг. 3 сечение Б-Б радиально-наклонных каналов первой, второй и третей ступеней смесителя на фиг. 1; на фиг. 4 сечение по В-В наклонных каналов второй и третей степеней смесителя на фиг. 1; на фиг. 5 продольный разрез выходной сопловой головки.

Турбулизационная горелка состоит из корпуса 1, в котором осесимметрично расположен многоступенчатый смеситель топлива и воздуха, в данном случае трехступенчатый смеситель 2, 3, 4 с соответствующими камерами смешения 5, 6, 7 потоков воздуха с топливом в каждой степени. Внутренняя поверхность корпуса 1 и наружные поверхности трех ступеней смесителя 2, 3, 4 образуют кольцевую коллекторную полость8, выполняющую функцию воздушного коллектора.

Камера смешения первой ступени смесителя 5 патрубком подачи топлива 9 подключена к источнику жидкого или газового топлива, а воздушный коллектор 8 подключен к источнику воздуха посредством патрубка подачи воздуха 10, установленного в стенке корпуса 1. На внутренней поверхности патрубков 9 и 10 выполнены хаотично расположенные бугорки шероховатости 11 высотой 1^oC2 мм для предварительной турбулизации пограничного слоя потоков топлива и воздуха, что обеспечивает ускорение процесса более глубокой турбулизации этих потоков в последующих частях горелки. (В.И.Субботин и др. "Особенности гидродинамики труб с регулярной искусственной шероховатостью стенок" в сборнике "Турбулентные течения"М: Наука, 1977; П.Дж.Билтджес "Эффекты запоминания в турбулентных потоках". Тезисы докторской диссертации. Пер. с англ. ВЦП N A-89016, 1979 c.3, 7, 8.).

В корпусах всех ступеней смесителя 2, 3, 4 выполнены кольцевые ряды наклонных 12 и радиально-наклонных каналов 13, сообщающих камеры смешения 5, 6, 7 с кольцевой полостью воздушного коллектора 8. Входные части всех этих каналов выполнены в виде конфузоров 14 с углами сужения θ 150^ooC 170^o, что обеспечивает образование в потоках воздуха существенных неоднородностей в виде скачков уплотнения и увеличивает степень турбулентности этих потоков. (Бонни Э.А. и др. "Аэродинамика. Реактивные двигатели. Практика конструирования и расчета". Пер. с англ. М. Физматгиз, 1960, с.257). В радиальной части каналов 13 выполнены спиральные выступы 15 высотой 0,7 ^oC 1 мм. для турбулизации и закручивания потоков воздуха, проходящих через эти каналы. Радиально-наклонные каналы 13 выполнены в виде угловых сверхзвуковых сопел Лаваля, ускоряющих проходящий через них поток воздуха до сверхзвуковой скорости и образующих в потоках существенные неоднородности в виде скачков уплотнения, что обеспечивает значительную концентрацию кинетической энергии этих потоков воздуха. (Т.М.Мелькумов и др. "Ракетные двигатели." М. Машиностроение, 1968, с.146; В.Е.Алемасов и др. "Теория ракетных двигателей." М. Машиностроение, 1969, с.370, 371). Наличие наклонных 12 и радиально-наклонных каналов 13 по всей длине многоступенчатого смесителя для инжекции воздуха в камеры смешения 5, 6, 7 обеспечивает глубокое и полное турбулентное перемешивание воздуха с топливом и образование мелкодисперсной турбулизированной воздухотопливной смеси. (Эдвард А.С. и др. "Турбулентное перемешивание при инжекции в поток поперечных ему струй." Пер. с англ. ВЦП-N M-23972, 1986. "Турбулентная диффузия", Химический энциклопедический словарь. М. Советская энциклопедия, 1983, с.601).

Камера смешения 5 первой ступени смесителя выполнена диффузорной формы для увеличения интенсивности турбулизации всего объема потока топлива и образования кольцевой вакуумной зоны между ее внутренней поверхностью на выходе диффузора и потоком топлива вследствие отрыва турбулизированного потока топлива от внутренней стенки диффузора. (Диффузор". Большая советская энциклопедия, 2 издание, том 14, М. 1952, с.547).

Кольцевой ряд наклонных каналов 12 первой ступени смесителя 2 выполнен конфузорной формы с углом сужения q₁ 12^ooC 20^o для повышения кинетической энергии потоков воздуха и усиления степени их турбулизирующего воздействия на поток топлива, входящего в смеситель.

На внутренних поверхностях камер смешения второй 6 и последующих ступеней смесителя 7 между выходами кольцевого ряда наклонных 12 и радиально-наклонных каналов 13 выполнены кольцевые турбулизирующие выступы 16 для глубокой турбулизации всего объема потока топлива, воздухотопливной смеси с образованием микромасштабных вихрей топлива и воздуха размером порядка 10^-4 мм и образования кольцевых вакуумных зон в районах выхода смешения срезов угловых сопел Лаваля 13. ("Турбулентность. Принципы и применение", под. ред. У.Фроста, Т.Моулдена. Пер. с анг. М. Мир, 1980, с.17).

К выходу последней, в данном случае третьей ступени камеры смешения 7, подсоединен выходной диффузор 17, угол расширения которого определяет необходимую величину корневого угла факела распыла воздухотопливной смеси.

В частном случае, при использовании легких жидких топлив (соляра, печное топливо) или газового топлива к выходу камеры смешения последней ступени смесителя 7 вместо выходного диффузора 17 подсоединяется сопловая головка 18 с кольцевым турбулизирующим зубчатым выступом 19 и щелевыми соплами 20, образованными зубьями 21 для турбулизации воздухотопливной смеси, дополнительного подогрева факела распыла и превращения воздухотопливной смеси жидкого топлива с воздухом и газовоздушную смесь в результате нагрева смеси горячими зубьями 21 кольцевого зубчатого выступа 19.

Турбулизационная горелка работает следующим образом.

Жидкое или газовое топливо и воздух подаются через соответствующие входные патрубки 9 и 10, где пограничные слои этих потоков предварительно турбулизируются бугорками шероховатостей 11, что обеспечивает ускорение процесса более глубокой турбулизации всего объема потоков воздуха и топлива в последующих частях горелки.

Поток предварительно турбулизированного топлива, войдя в диффузорную камеру первой ступени смешения 5 и взаимодействия с турбулентным потоком воздуха из наклонных каналов 12, глубоко тубрулизируется во всем объеме с отрывом пограничного слоя от внутренней стенки диффузора, что обеспечивает возникновение в районе выходных сечений угловых сопел Лаваля 13 кольцевой вакуумной зоны.

Поток предварительно турбулизированного воздуха из кольцевой камеры воздушного коллектора 8 проходит через наклонные 12 и радиально-наклонные каналы 13 в камеру смешения первой ступени смесителя 5, взаимодействуя при этом с входными конфузорами 14 каналов 12, 13, углы сужения 0 которых обеспечивают возникновение в потоках воздуха неоднородностей и увеличение степени их турбулизации, дополнительно турбулизируется спиральными выступами 15 угловых сопел Лаваля 13, приобретает существенную неоднородность в виде скачков уплотнения, ускоряется до сверхзвуковой скорости в расширяющихся наклонных частях сопел Лаваля в результате наличия вакуумной зоны в районе выходных срезов этих сопел и, приобретая повышенную кинетическую энергию, турбулентность и неоднородность, активно воздействует на турбулизированный поток топлива, образуя первичную турбулизированную воздухотопливную смесь.

Из диффузорной камеры смешения первой ступени смесителя 5 первичная турбулизированная воздухотопливная смесь поступает последовательно в камеры смешения второй 6, третей 7 (и последующих при их наличии) ступеней смесителя, где последовательно взаимодействует в каждой ступени смесителя с турбулизированными неоднородными струями воздуха наклонных каналов 12, кольцевым турбулизирующим выступом 16, сверхзвуковыми струями сопел Лаваля 13, образованными в результате возникновения кольцевой вакуумной зоны за задней гранью кольцевого выступа 16. При этом воздухотопливная смесь дополнительно перемешивается с воздухом, турбулизируется с образованием во всем своем объеме микромасштабных вихрей топлива и воздуха, в результате чего значительно углубляются и ускоряются процессы диффузии воздуха в топливо, диспергирования топлива, что обеспечивает их полное перемешивание и образование единого турбулизированного мелкодисперсного воздухотопливного потока туманообразной структуры.

Пройдя из камеры смешения последней ступени смесителя 7 через выходной диффузор 17, обеспечивающий необходимую величину корневого угла факела распыла, туманообразный турбулизированный с микромасштабной вихревой структурой воздухотопливный поток поступает в камеру сгорания котла (печи), где происходит полное турбулентное сгорание топлива с образованием минимального количества экологически вредных веществ сгорания топлива.

В частном случае, при использовании на выходе камеры смешения последней ступени смесителя 7 вместо диффузора 17, выходной сопловой головки 18, турбулизированный воздухотопливный поток жидкого топлива, проходят через щелевые сопла 20 кольцевого зубчатого турбулизатора 19, дополнительно турбулизируется и подогревается горячими зубьями кольцевого зубчатого выступа 21, превращаясь в газовоздушный поток и при этом жидкостная горелка работает как горелка газовая, обеспечивая полное турбулентное сгорание топлива в топке котла (печи) с минимальным количеством экологически вредных продуктов сгорания.

Возможность осуществления данного изобретения дополнительно подтверждается тем, что авторами в полном соответствии с вышеописанной конструкцией и формулой изобретения был разработан экспериментальный образец турбулизационной горелки, который прошел экспериментальные испытания на котле КС1М и показал, что турбулизационная горелка обеспечивает образование воздухотопливной смеси туманообразной структуры, полное турбулентное сгорание топлива, более экономичную работу котла с экономией топлива не менее 20% и значительное снижение экологически вредных веществ в продуктах сгорания топлива (полное отсутствие углекислого газа и сажи, уменьшение примерно в 6 раз концентрации окислов азота). ("Протокол испытаний экспериментального образца турбулизационной горелки ТГ-МД-3" от 20.12.1994г. г. Феодосия; Кузнецов В.Р. Сабельников В.А. "Турбулентность и горение" М. Наука, 1986. с. 180).

Использование: в качестве форсунки для сжигания жидких топлив и горелки для зажигания газового топлива в топках водогрейных и паровых котлов, промышленных печей различного назначения, применяемых в коммунальном хозяйстве, теплоэнергетической и других отраслях промышленности и сельского хозяйства. Сущность изобретения: турбулизационная горелка содержит корпус, в котором осесимметрично расположен смеситель с центральной камерой смешения потоков воздуха и топлива, кольцевой коллектор, образованный внутренней поверхностью корпуса и внешней поверхностью смесителя, кольцевые ряды наклонных и радиально-наклонных каналов, соединяющих полость воздушного коллектора с камерой смесителя, патрубки подачи топлива и воздуха соответственно на вход камеры смешения и в полость воздушного коллектора, выходной диффузор, подсоединенный к выходу камеры смешения или, в частном случае, при использовании легких жидких топлив или газового топлива, входную сопловую головку, присоединенную к выходу камеры смешения вместо диффузора. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Турбулизационная горелка, содержащая корпус, в котором осесимметрично расположен смеситель с центральной камерой смешения потоков воздуха и топлива, кольцевой воздушный коллектор, образованный внутренней поверхностью корпуса и внешней поверхностью смесителя, кольцевые ряды наклонных и радиально-наклонных каналов, сообщающих камеру смешения смесителя с полостью воздушного коллектора, патрубок подачи жидкого или газового топлива, установленный на входе камеры смешения смесителя, патрубок подачи воздуха в воздушный коллектор, установленный в стенке корпуса, выходной диффузор, подсоединенный к выходу камеры смешения смесителя или, в частном случае, выходную сопловую головку, подсоединенную к выходу камеры смешения смесителя вместо выходного диффузора, отличающаяся тем, что смеситель имеет несколько, не менее двух, ступеней смешения с соответствующими камерами смешения воздуха и топлива, в каждой ступени смесителя выполнено два кольцевых ряда каналов, первый из которых выполнен наклонным, а второй ряд выполнен радиально-наклонным, первый кольцевой ряд каналов первой ступени смесителя выполнен наклонными каналами конфузорной формы, радиально-наклонные каналы всех ступеней смесителя имеют форму угловых сверхзвуковых сопл Лаваля, а в их радиальной части выполнены спиральные турбулизирующие выступы, входы в наклонные и радиально-наклонные каналы выполнены конфузорной формы, на внутренней поверхности патрубков подачи воздуха и топлива выполнены бугорки шероховатости, на внутренней поверхности камер смешения второй и дальнейших ступеней смесителя выполнен кольцевой турбулизирующий выступ, при этом угол сужения первого кольцевого ряда конфузорных каналов первой ступени смесителя выбран 12 20^o, высота спиральных выступов в радиальной части радиально-наклонных каналов выбрана 0,7 1,0 мм, угол сужения конфузоров входа наклонных и радиально-наклонных каналов выбран 150 -170^o, высота бугорков шероховатости в патрубках подачи топлива и воздуха выбрана 1 2 мм. 2. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что при использовании, в частном случае, выходной сопловой головки она выполнена с кольцевым зубчатым турбулизирующим выступом, образующим своими зубьями щелевые выходные сопла.