ГОРЕЛОЧНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1998 года по МПК F23D14/44 

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а конкретно к горелочным устройствам для сжигания газообразного топлива и предназначенным для работы в составе генераторов горячего воздуха (ГГВ) и термогазогенератора со смешением продуктов сгорания балластируемым воздухом.

Известно горелочное устройство (см. а.с. N 1686260, МКИ F 23 D 14/02, 1991 г.), содержащее корпус с входным узлом для подвода топлива и воздуха в жаровую трубу со свечей зажигания и выходным соплом. Жаровая труба установлена по оси корпуса с кольцевым зазором. Входной узел имеет отверстия для подвода воздуха, в которых установлены топливные форсунки.

Известна газовая горелка (см.а.с. N 1242684, МКИ F 23 D 14/44, 1986 г.) принятая за прототип, содержащая корпус, фронтовое устройство, установленное с кольцевым зазором в жаровую трубу, коллектор подвода топлива в основной поток, свечу зажигания, установленную внутри фронтового устройства по его оси с образованием полости на выходе фронтового устройства. Запускается эта горелка, когда подготовленная топливовоздушная смесь, попадая в канал с внезапным расширением, образованный за фронтовым устройством, и образуя зону обратных токов, окажется в зоне действия свечи зажигания, способной ее воспламенить. Однако не вся топливно-воздушная смесь оказывается в зоне обратных токов, часть горючей смеси проходит прямым током в жаровую трубу, заполняя ее объем. Поэтому возможен "пушечный" запуск горелки, что нежелательно при работе горелки в составе ГГВ. Кроме того, горелка работает при фиксированном коэффициенте избытка воздуха, что неизбежно приводит к повышенным выбросам одного или двух газообразных вредных веществ.

Задачей, решаемой предлагаемым изобретением является повышение надежности и безопасности работы горелочного устройства в составе ГГВ и снижение выхода вредных веществ и сажи.

Поставленная задача решается тем, что в горелочном устройстве, содержащем корпус, фронтовое устройство, установленное с кольцевым зазором в жаровую трубу, свечу зажигания, установленную внутри фронтового устройства по его оси с образованием полости на выходе фронтового устройства, коллектор подвода топлива в основной поток, между корпусом и жаровой трубой установлена направляющая втулка с образованием двух коаксиальных кольцевых каналов, заглушенных на выходе и сообщающихся на входе, входной воздушный патрубок установлен радиально и расположен на выходном участке корпуса, жаровая труба снабжена системами отверстий для подвода воздуха в первичную и вторичную зоны горения, а также дополнительно введен канал подвода топлива и канал подвода воздуха в полость за свечей зажигания. Отверстия подвода воздуха в полость за свечой зажигания выполнены тангенциальными. Канал подвода топлива в полость за свечой зажигания снабжен струйной форсункой, выполненной тангенциальной.

На чертеже представлена схема горелочного устройства.

Горелочное устройство содержит корпус 1, фронтовое устройство 2, установленное с кольцевым зазором 3 в жаровую трубу 4, свечу зажигания 5, установленную внутри фронтового устройства 2 по его оси с образованием полости 6 на выходе фронтового устройства 2, коллектор подвода топлива в основной поток 7 с системой струйных форсунок 8, направляющую втулку 9, образующую между корпусом 1 и жаровой трубой 4 два коаксиальных кольцевых канала 10 и 11, заглушенных на выходе торцевой стенкой и сообщающихся между собой на входе. Входной воздушный патрубок 12 установлен радиально и расположен на выходном участке корпуса 1. Жаровая труба 4 снабжена системой отверстий для подвода воздуха в первичную зону горения 11 и системой отверстий 14 для подвода воздуха в зону смешения 111. Кроме того, дополнительно введен канал 15 подвода топлива в полость 6 за свечой зажигания 5 со струйной форсункой 16, выполненной тангенциальной, и канал 17 подвода воздуха в полость 6. В полости 6 образована зона зажигания 1 (дежурная горелка). Воздух в канал 17 для подвода его в зону зажигания 1 поступает из кольцевого зазора 3 между фронтовым устройством 2 и жаровой трубой 4. Отверстия для подвода воздуха в зону зажигания 1 выполнены тангенциальными.

Работает горелочное устройство следующим образом.

Общий поток воздуха поступает через радиально расположенный входной патрубок 12 с окружной закруткой по каналу 10 в кольцевой канал 11 между корпусом 1 и направляющей втулкой 9. В канале 10, частично выполняющем роль воздушного коллектора, выравниваются окружные скорости течения воздуха, что обеспечивает окружную равномерность подвода и течения воздуха в горелочном устройстве. Далее воздух разделяется на два потока, сохраняя крутку.

Первый поток воздуха через систему отверстий 13 поступает в первичную зону горения 11 жаровой трубы 4, а часть этого воздуха через систему отверстий 17 во фронтовом устройстве 2 поступает в зону горения 1 полости 6, в которой образована зона зажигания, выполняющая роль дежурной горелки. Система отверстий 17 выполнена тангенциальной, и воздух в зону горения 1 дежурной горелки поступает с дополнительной круткой.

Часть топлива (в пределах до 10% от номинального расхода) через канал 15, струйную форсунку 16, выполненную также тангенциальной, подается в зону горения 1 дежурной горелки с круткой в том же направлении, что и воздух, где поджигается свечой зажигания 11, образуя диффузионный факел пламени дежурной горелки. Диффузионный факел пламени обладает широким диапазоном устойчивости как от проскока, так и от срыва пламени, что определяет его высокие стабилизирующие способности (см. Ахмедов Р.Б., Брюханов О.Н., Иссерлин А.С. и др. Рациональное использование газа в энергетических установках. Справочное руководство. - Л. : Недра, 1990, с.423). После розжига дежурной горелки свеча зажигания 5 отключается.

Основная часть топлива через коллектор подвода топлива в основной поток 7 и систему струйных форсунок 8 подается в спутный закрученный поток воздуха, поступающий через систему отверстий 13.

Крутка улучшает смесеобразование. Топливовоздушная смесь, попадая в первичную зону 11 жаровой трубы 4, воспламеняется от факела дежурной горелки. Горение в первичной зоне 11 жаровой трубы происходит при коэффициенте избытка воздуха, близком к стехиометрическому, что обеспечивает минимальный выход окиси углерода, несгоревших углеводородов и сажи. Но высокая температура пламени в первичной зоне 11 при сжигании смеси, близкой к стехиометрической, является одним из главных факторов, определяющих повышенный выход окислов азота из пламени (см. Иссерлин А.С. Основы сжигания газового топлива. Справочное пособие. Л.: Недра, 1987, с. 336).

Чтобы снизить температуру пламени, а следовательно, и выход окислов азота, через систему отверстий 14 в жаровой трубе 4 подается второй поток воздуха в зону смешения III, который кроме этого способствует завершению процесса горения в первичной зоне II.

Кроме того, количеством воздуха, поступающим через систему отверстий 14 в зону смешения III, устанавливается заданная температура продуктов сгорания на выходе из горелочного устройства. При этом этот воздух охлаждает стенки жаровой трубы 4, предохраняя их от перегрева и прогара, особенно в области первичной зоны горения II.

Таким образом, наличие дежурного факела пламени, образованного в полости 6, обеспечивает мягкий запуск горелочного устройства и надежную стабилизацию пламени во время работы горелочного устройства в составе ГГВ. Наличие высокотемпературной первичной зоны исключает возможность образования большого количества окися углерода, несгоревших углеводородов и сажи. Кроме того, в зоне происходит догорание окиси углерода, несгоревших углеводородов и сажи, выходящих из диффузионного факела дежурной горелки. Наличие зоны смешения снижает выход окислов азота и определяет необходимую температуру продуктов сгорания на выходе из горелочного устройства.

Наличие крутки воздуха обеспечивает хорошее смесеобразование, что позволяет сократить размеры основного факела пламени и завершить процесс горения в пределах горелочного устройства.

Использование: в горелочных устройствах для сжигания газообразного топлива и предназначенных для работы в составе генераторов горячего воздуха (ГГВ) и термогазогенераторов со смешением продуктов сгорания балластируемым воздухом. Сущность изобретения: горелочное устройство содержит корпус, фронтовое устройство, установленное с кольцевым зазором в жаровую трубу, свечу зажигания, установленную внутри фронтового устройства по его оси с образованием полости на выходе, коллектор подвода топлива в основной поток с системой струйных форсунок. Направляющая втулка образует между корпусом и жаровой трубой два коаксиальных кольцевых канала, заглушенных на выходе и сообщающихся между собой на входе. Входной воздушный патрубок установлен радиально и расположен на выходном участке корпуса. Жаровая труба снабжена системами отверстий для подвода воздуха, соответственно, в первичную зону горения и зону смешения. Горелочное устройство снабжено каналом подвода топлива и каналом подвода воздуха в полость, где образуется зона зажигания, представляющая собой дежурную горелку. Технический результат выражается в снижении выхода вредных веществ и сажи. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Горелочное устройство, содержащее корпус, фронтовое устройство, установленное с кольцевым зазором в жаровую трубу, свечу зажигания, установленную внутри фронтового устройства по его оси с образованием полости на выходе фронтового устройства, коллектор подвода топлива в основной поток, отличающееся тем, что между корпусом и жаровой трубой установлена направляющая втулка с образованием двух коаксиальных кольцевых каналов, заглушенных на выходе и сообщающихся на входе, входной воздушный патрубок установлен радиально и расположен на выходном участке корпуса, жаровая труба снабжена системами отверстий для подвода воздуха в первичную и вторичную зоны горения, дополнительно введены канал подвода топлива и канал подвода воздуха в полость за свечой зажигания. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что отверстия подвода воздуха в полость за свечой зажигания выполнены тангенциальными. 3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что канал подвода топлива в полость за свечой зажигания снабжен струйной форсункой, выполненной тангенциальной.