Изобретение относится к энергомашиностроению, в частности к горелочным устройствам камер сгорания газотурбинных установок или топок парогенераторов.
Известен запальник камер сгорания газовой турбины, содержащий корпус с установленной в нем электрозапальной свечой, электрокерамическими изоляторами, трубкой-электродом и каналом подачи горючего газа, в котором выполнены входное и выходное отверстия горючего газа, каналы для подачи воздуха и камеры стабилизации запального очага [1].
Недостатками известной конструкции запальника являются сложность и уязвимость к повреждениям в процессе эксплуатации (особенно хрупких изоляторов и электродных элементов).
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является вихревое запально-горелочное устройство с поверхностным трубчатым горением горючего газа внутри него, содержащее составную пламепередающую трубу, запально-вихревую головку, электрозапальную свечу, канал подачи горючего газа в зону действия запальной свечи и канал подачи воздуха [2].
Недостатками вышеуказанного вихревого запально-горелочного устройства являются неравномерный по периметру сечений и длине пламепередающей трубы процесс сгорания газа и, следовательно, невозможность достижения оптимальных характеристик его работы, а также увеличенный габарит в его поперечном сечении в месте входа воздуха в вихревое устройство, ухудшающий его технические характеристики.
Цель изобретения - улучшение характеристик процесса горения и технических характеристик запально-горелочного устройства.
Указанная цель достигается тем, что в известном вихревом запально-горелочном устройстве с поверхностным трубчатым горением горючего газа внутри него, содержащем пламепередающую трубу, состоящую по меньшей мере из одного участка, электрозапальную свечу, канал подачи горючего газа и по меньшей мере один канал подачи воздуха, во входном участке пламепередающей трубы установлен лопаточный завихритель, обеспечивающий закрутку проходящего через него потока воздуха, при этом лопаточный завихритель потока выполнен с центральным с соосным пламепередающей трубе отверстиями, по меньшей мере образованным кольцеобразным элементом, имеющим форму тела вращения, с наружном стороны которого размещены лопатки, а кольцевой входной для воздуха канал, обеспечивающий равномерный вход воздуха в межлопаточные каналы завихрителя потока, образован по крайней мере наружной поверхностью выступающего за входное сечение лопаток завихрителя потока в сторону, противоположную направлению движения входящего в завихритель потока воздуха, и расположенного внутри входного участка пламепередающей трубы участка кольцеобразного элемента и внутренней поверхностью вышеуказанного участка пламепередающей трубы, при этом по крайней мере торец кольцеобразного элемента со стороны входа воздуха в завихритель потока выполнен закрытым, в заглушке которого установлена электрозапальная свеча, а другим открытым торцем внутренняя полость вышеуказанного кольцеобразного элемента, образующая по крайней мере канал подачи горючего газа, в который в вышеуказанном случае последний подается по трубопроводу, соединенному с заглушкой кольцеобразного элемента, с выполненным в нем для вышеуказанной цели отверстием, сообщена с внутренней полостью пламепередающей трубы, при этом запальные электроды свечи размещены за выходным сечением кольцеобразного элемента в направлении движения горючего газа, а на трубопроводах подвода горючего газа и воздуха вихревого запально-горелочного устройства установлены регулирующие запорные устройства.
Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с аналогом и прототипом позволяет сделать вывод о наличии новых отличительных признаков, следовательно, заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна".
В известных науке и технике решениях нами не обнаружены совокупности отличительных признаков заявляемого решения, проявляющих аналогичные свойства и позволяющих достичь указанный в цели изобретения результат, следовательно, решение соответствует критерию изобретения "существенные отличия".
На фиг. 1 представлен продольный разрез вихревого запально-горелочного устройства; на фиг. 2 - завихритель потока; на фиг. 3 - завихритель потока; на фиг. 4 - завихритель потока; на фиг. 5 - завихритель потока; на фиг. 6 - вихревое запально-горелочное устройство; на фиг. 7 - вихревое запально-горелочное устройство; на фиг. 8 - пламепередающая труба; на фиг. 9 - пламепередающая труба; на фиг. 10 - вихревое запально-горелочное устройство; на фиг. 11 - вихревое запально-горелочное устройство; на фиг. 12 - вихревое запально-горелочное устройство; на фиг. 13 - вихревое запально-горелочное устройство; на фиг. 14 - вихревое запально-горелочнок устройство; на фиг. 15 - сечение по А-А на фиг. 14; на фиг. 16 - вихревое запально-горелочное устройство; на фиг. 17 - вихревое запально-горелочное устройство; на фиг. 18 - вихревое запально-горелочное устройство; на фиг. 19 - вихревое запально-горелочное устройство; на фиг. 20 - вихревое запально-горелочное устройство; на фиг. 21 - вихревое запально-горелочное устройство; на фиг. 22 - вихревое запально-горелочное устройство; на фиг. 23 - вихревое запально-горелочное устройство; на фиг. 24 - вихревое запально-горелочное устройство; на фиг. 25 - вихревое запально-горелочное устройство; на фиг. 26 - вихревое запально-горелочное устройство; на фиг. 27 - вихревое запально-горелочное устройство; на фиг. 28 - вихревое запально-горелочное устройство; на фиг. 29 - вихревое запально-горелочное устройство; на фиг. 30 - вихревое запально-горелочное устройство; на фиг. 31 - вихревое запально-горелочное устройство; на фиг. 32 - вихревое запально-горелочное устройство; на фиг. 33 - фрагмент процесса замещения частиц среды в сечении Б-Б на фиг. 1; на фиг. 34 - фрагмент процесса замещения частиц среды в сечении Б-Б на фиг. 1 ; на фиг. 35 - сечение В-В на фиг. 1 с закрученным потоком воздуха при симметричном его входе в завихритель потока; на фиг. 36 - сечение по В-В на фиг. 1 с закрученным потоком воздуха при несимметричном его входе в завихритель потока.
В вихревом запально-горелочном устройстве с поверхностным трубчатым горением горючего газа внутри его (фиг. 1), содержащем пламепередающую трубу 1, состоящую по меньшей мере из одного участка, электрозапальную свечу 2, канал подачи горючего газа 3 и по меньшей мере один канал подачи воздуха 4, во входном участке 5 пламепередающей трубы 1 установлен лопаточный завихритель 6, обеспечивающий закрутку проходящего через него потока воздуха, при этом лопаточный завихритель потока 6 выполнен с центральным и соосным пламепередающей трубе отверстием 7, по меньшей мере образованным кольцеобразным элементом 8, имеющим форму тела вращения, с наружной стороны которого размещены лопатки 9, а кольцевой входной для воздуха канал 10, обеспечивающий равномерный вход воздуха в межлопаточные каналы завихрителя потока 6, образован по крайней мере наружной поверхностью 11 выступающего за входное сечение 1-1 лопаток 9 завихрителя потока 6 в сторону, противоположную направлению движения входящего в завихритель потока 6 воздуха, и расположенного внутри входного участка 5 пламепередающей трубы 1 участка 12 кольцеобразного элемента 8 и внутренней поверхностью 13 вышеуказанного участка 5 пламепередающей трубы 1, при этом по крайней мере торец 14 кольцеобразного элемента 8 со стороны входа воздуха в завихритель потока 6 выполнен закрытым, в заглушку 15 которого установлена электрозапальная свеча 2, а другим открытым торцем 16 внутренняя полость 17 вышеуказанного кольцеобразного элемента 8, образующая по крайней мере канал подачи горючего газа 3, в который в вышеуказанном случае последний подается по трубопроводу 18, соединенному с заглушкой 15 кольцеобразного элемента 8, с выполненным в нем для вышеуказанной цели отверстием, сообщена с внутренней полостью пламепередающей трубы 1, при этом запальные электроды 19 свечи 2 размещены за выходным сечением 2-2 кольцеобразного элемента 8 в направлении движения горючего газа, а на трубопроводах подвода горючего газа 18 и воздуха 20 вихревого запального-горелочного устройства установлены регулирующие запорные устройства 21 и 22.
При этом выходное сечение 2-2 кольцеобразного элемента 8, с наружной стороны которого размещены лопатки 9, может совпадать с выходным сечением 3-3 лопаток 9 завихрителя потока 6 (фиг. 2); кольцеобразный элемент 8, с наружной стороны которого размещены лопатки 9, может выступать за выходное сечение 3-3 лопаток 9 завихрителя потока 6 в направлении движения горючего газа (фиг. 1, 3); выступающий за выходное сечение 3-3 лопаток 9 завихрителя потока 6 участок 23 кольцеобразного элемента 8 может быть выполнен с уменьшающейся толщиной стенки в сечениях элемента в направлении, совпадающем с направлением движения горючего газа (фиг. 1, 3); наружная поверхность 24 участка 23 кольцеобразного элемента 8, выступающего за выходное сечение 3-3 лопаток 9 завихрителя потока 6, может быть выполнена цилиндрической (фиг. 1, 3); внутренняя поверхность 25 участка 23 кольцеобразного элемента 8, выступающего за выходное сечение 3-3 лопаток 9 завихрителя потока 6, может быть выполнена цилиндрической (фиг. 1, 4); на наружной поверхности 24 участка 23 кольцеобразного элемента 8, выступающего за выходное сечение 3-3 лопаток 9 завихрителя потока 6, могут быть выполнены чередующиеся канавки 26 и выступы 27, наклоненные под острым углом ϕ к оси пламепередающей трубы 1, а их направление при этом совпадает с направлением закрутки воздуха в завихрителе потока 6 (фиг. 1, 4); на внутренней поверхности 25 участка 23 кольцеобразного элемента 8, выступающего за выходное сечение 3-3 лопаток 9 завихрителя потока 6, могут быть выполнены чередующиеся канавки 28 и выступы 29, наклоненные под острым углом β к оси пламепередающей трубы 1, а их направление при этом совпадает с направлением закрутки воздуха в завихрителе потока 6 (фиг. 1, 3); выходная кромка 30 торца 16, обращенного в сторону направления движения горючего газа, кольцеобразного элемента 8, с наружной стороны которого размещены лопатки 9 завихрителя потока 6, может быть выполнена острой (фиг. 5); выходной участок 31 трубопровода подвода горючего газа 18, соединенного с заглушкой 15 кольцеобразного элемента 8, может быть расположен внутри кольцеобразного элемента 8 (фиг. 1); выходное сечение выходного участка 31 трубопровода подвода горючего газа 18, соединенного с заглушкой 15 кольцеобразного элемента 8, может совпадать с выходным сечением 2-2 кольцеобразного элемента 8 (фиг. 1); подвод воздуха в кольцевой канал 10, образованный входным участком 5 пламепередающей трубы 1 и выступающим участком 12 кольцеобразного элемента 8 за входное сечение 1-1 лопаток 9 завихрителя потока 6 в сторону, противоположную направлению движения входящего в завихритель 6 воздуха, может осуществляться по меньшей мере через два симметрично относительно оси 32 пламепередающей трубы 1 расположенных участка 33 и 34 разветвляющегося в направлении движения воздуха трубопровода 20 (фиг.1, 6); по меньшей мере два симметрично относительно оси 32 пламепередающей трубы 1 расположенных участка 33 и 34 разветвляющегося трубопровода 20 в направлении движения воздуха могут быть соединены с кольцевой заглушкой 35 кольцевого канала 10, установленный со стороны входа воздуха в вышеуказанный канал 10, при этом в заглушке 35 выполняются по меньшей мере два отверстия 36, сообщающие вышеуказанные участки 33 и 34 разветвляющегося трубопровода 20 с кольцевым каналов 10 (фиг.1, 6); по меньшей мере два симметрично относительно оси 32 пламепередающей трубы 1 расположенных участка 33 и 34 разветвляющегося трубопровода 20 в направлении движения воздуха могут быть соединены с наружной поверхностью 37 входного участка 5 пламепередающей трубы 1 в зоне кольцевого канала 10, при этом в стенке пламепередающей трубы 1 выполняются по меньшей мере два отверстия 38, сообщающие вышеуказанные участки 33 и 34 разветвляющегося трубопровода 20 с кольцевым каналом 10 (фиг.7); оно (вихревое запально-горелочное устройство) может быть снабжено сменным комплектом завихрителей потока 6, каждый из которых выполнен сменным, при этом завихрители 6 выполняются с различными характеристиками (фиг.1); пламепередающая труба 1 может быть выполнена с одинаковой площадью проходного сечения на всем ее участке, расположенном за выходным сечением 2-2 лопаточного завихрителя потока 6 в направлении движения горючего газа (фиг.1); по меньшей мере участок 39 пламепередающей трубы 1, примыкающий к ее выходному сечению 4-4, может быть выполнен с увеличивающейся площадью проходного сечения в направлении к последнему 4-4 (фиг.8); по меньшей мере участок 39 пламепередающей трубы 1, примыкающий к ее выходному сечению 4-4, может быть выполнен с уменьшающейся площадью проходного сечения в направлении к последнему 4-4 (фиг.9); участок 39 пламепередающей трубы 1 с изменяющейся площадью проходного сечения 4-4 последней 1, может быть выполнен сменным, отделяемым от остальной части пламепередающей трубы 1 (фиг.8, 9); пламепередающая труба 1 может быть выполнена составной, с разъемом 40 в середине ее длины, обеспечивающим отделение одной ее части 41 от другой части 42 (фиг. 9); внутри вышеуказанного устройства соосно последнему по меньшей мере на участке пламепередающей трубы 1, примыкающем к ее выходному сечению 4-4, может быть размещена труба 43, наружный радиус r1 которой меньше минимального внутреннего радиуса r2 кольцеобразного элемента 8, с наружной стороны которого размещены лопатки 9 завихрителя потока 6, при этом один торец 44 вышеуказанной трубы 43 по меньшей мере совпадает с выходным сечением 4-4 пламепередающей трубы 1, а другой торец 45 выступает за наружную поверхность заглушки 15 вышеуказанного кольцеобразного элемента 8 (фиг.10); труба 43, размещенная внутри вышеуказанного устройства, своим выходным торцом 44 может выступать наружу за выходное сечение 4-4 пламепередающей трубы 1 (фиг.11); торец 44 трубы 43, размещенной внутри вышеуказанного устройства, расположенный на стороне выхода из пламепередающей трубы 1, может быть выполнен закрытым, а на ее участке 46, примыкающем к вышеуказанному закрытому торцу 44, могут быть выполнены отверстия 47, сообщающие внутреннюю полость первой трубы 43 с внешней средой (фиг.12); отверстия 47 могут быть выполнены на участке 46 трубы 43, размещенной внутри запально-горелочного устройства, примыкающем к ее закрытому торцу 44, на стороне участка 46, расположенной перед выходным сечением 4-4 пламепередающей трубы 1 по направлению движения горючего газа (фиг.12); отверстия 47 могут быть выполнены на участке 46 трубы 43, размещенной внутри запально-горелочного устройства, примыкающем к ее закрытому торцу 43, на стороне участка 46, расположенной за выходным сечением 4-4 пламепередающей трубы 1 по направлению движения горючего газа (фиг. 13); отверстия 47 могут быть выполнены на участке 46 трубы 43, размещенной внутри запально-горелочного устройства, примыкающем к ее закрытому торцу 44, расположенном по обе стороны от выходного сечения 4-4 пламепередающей трубы 1 (фиг. 14); отверстия 47 могут быть выполнены на участке 46 трубы 43, примыкающем к ее закрытому торцу 44, размещенной внутри запально-горелочного устройства, при этом вышеуказанные отверстия 47 размещаются симметрично относительно оси 48 трубы 43 и выполняются радиальными (фиг.14, 15); отверстия 47 могут быть выполнены на участке 46 трубы 43, примыкающем к ее закрытому торцу 44, размещенной внутри запально-горелочного устройства, при этом вышеуказанные отверстия 47 размещаются симметрично относительно оси 48 трубы 48 и располагаются под острым углом γ к плоскости поперечного сечения последней 43, а острый угол γ( обращен в сторону лопаточного завихрителя потока 6 (фиг.1, 16); заглушка торца 44 трубы 43, размещенной внутри вышеуказанного устройства, расположенного на стороне выхода из пламепередающей трубы 1, может быть выполнена со сменными соплами 49, имеющими различные характеристики (фиг.17); внутри вышеуказанного устройства соосно последнему по меньшей мере на участке пламепередающей трубы 1, примыкающем к ее выходному сечению 4-4, может быть размещена труба 43, наружный радиус r1 которой меньше минимального внутреннего радиуса r2 кольцеобразного элемента 8, с наружной стороны которого размещены лопатки 9, при этом один торец 45 вышеуказанной трубы 43 выступает за наружную поверхность заглушки 15 кольцеобразного элемента 8, а другой торец 44 трубы 43 по крайней мере совпадает с выходным сечением 4-4 пламепередающей трубы 1 и выполнен закрытым, а по меньшей мере участок 46 внутренней трубы 43, обращенный к выходному сечению 4-4 пламепередающей трубы 1, выполнен с уменьшающейся площадью поперечного сечения в направлении движения горючего газа внутри пламепередающей трубы 1 (фиг. 18); по меньшей мере участок 46 трубы 43, расположенной внутри вышеуказанного устройства, с уменьшающейся площадью поперечного сечения в направлении движения горючего газа внутри пламепередающей трубы 1 может быть выполнен с по меньшей мере симметрично относительно оси 32 запально-горелочного устройства расположенными отверстиями 50, сообщающими внутреннюю полость первой трубы 43 с внутренней полость пламепередающей трубы 1 (фиг.18); участок 46 трубы 43, размещенной внутри вышеуказанного устройства, расположенный за выходным сечением 4-4 пламепередающей трубы 1, может быть выполнен изогнутым (загнутым) (фиг.19); торец 45 трубы 43, размещенной внутри вышеуказанного устройства, выступающий за наружную поверхность заглушки 15 кольцеобразного элемента 8, может быть подсоединен участком трубы 51 к трубопроводу подачи воздуха 20 в вышеуказанное устройство через индивидуальное регулирующее запорное устройство 52 (фиг.20); торец 45 трубы 43, размещенной внутри вышеуказанного устройства, выступающий за наружную поверхность заглушки 15 кольцеобразного элемента 8, может быть подсоединен участком трубы 53 к трубопроводу подачи горючего газа 18 в вышеуказанное устройство через индивидуальное регулирующее запорное устройство 54 (фиг.20); в открытый торец 44 трубы 43, размещенной внутри вышеуказанного устройства, расположенный на стороне выхода из пламепередающей трубы 1, может быть установлено сменное сопло 55, отличающееся от других сменных сопл своими характеристиками (фиг. 21); по меньшей мере на участке пламепередающей трубы 1, примыкающем к выходному сечению 2-2 лопаточного завихрителя потока 6, во внутреннем пространстве пламепередающей трубы 1 на радиально установленном стержне 56, обладающем возможностью радиального перемещения (осевого) ±x и поворота вокруг своей оси (±ψ), может быть закреплен лепесток 57, поворачивающийся по направлению движения вихревого потока воздуха при работе запально-горелочного устройства, при этом вышеуказанный стержень 56, на котором закреплен лепесток 57, выходит через боковую стенку пламепередающей трубы 1 наружу, а на торце стержня 56 снаружи выполнена диаметральная риска, совпадающая с плоскостью симметрии лепестка 57 (фиг.1); на участке 46 трубы 43, размещенной внутри вышеуказанного устройства, примыкающем к выходному сечению 4-4 пламепередающей трубы 1, могут быть установлены опоры 58, жестко соединенные с наружной поверхностью вышеуказанной трубы 43 и выполненные в виде стержней, обтекаемой для потока формы, при этом торец 59 каждой опоры 58, обращенный к внутренней поверхности пламепередающей трубы 1, по меньшей мере может свободно опираться на внутреннюю поверхность последней 1 (фиг.22); по меньшей мере сходственные точки каждой опоры 58 внутренней трубы 43 могут быть расположены в одной и той же плоскости поперечного сечения запально-горелочного устройства (фиг. 22); по крайней мере каждая опора 58 внутренней трубы 43 может быть смещена (a) друг относительно друга в осевом направлении вышеуказанного устройства (фиг.23); опоры 58 внутренней трубы 43 могут быть расположены симметрично относительно оси 32 запально-горелочного устройства в проекции на плоскость, перпендикулярную оси 32 устройства (фиг.22); опоры 58 выходного участка 46 трубы 43, размещенной внутри вышеуказанного устройства, по крайней мере могут целиком размещаться за выходным сечением 4-4 пламепередающей трубы 1 и выполняться обтекаемой для выходящего потока при работе запально-горелочного устройства из последней 1 формы (фиг.24); на изогнутом (загнутом) участке 46 трубы 43, размещенной внутри вышеуказанного устройства, расположенном за выходным сечением 4-4 пламепередающей трубы 1, по меньшей мере на стороне 60, обращенной к выходному сечению 4-4 пламепередающей трубы 1, могут быть выполнены отверстия 61, обеспечивающие при работе запально-горелочного устройства выход через них наружу горючего газа (фиг. 19); к выходному сечению трубы 43, размещенной внутри вышеуказанного устройства, может примыкать съемное "паукообразное" распределительное устройство 62, в которое горючий газ входит по вышеуказанной трубе 43, а выходит из распределительного устройства 62 по меньшей мере через две загнутые в направлении от оси запально-горелочного устройства трубки 63 (фиг.25); по крайней мере в каждой замкнутой трубке 63 "паукообразного" распределительного устройства 62 по меньшей мере на стороне, обращенной к выходному сечению 4-4 пламепередающей трубы 1, по ее длине могут быть выполнены отверстия 64, обеспечивающие при работе запально-горелочного устройства выход через них горючего газа наружу (фиг.25); по крайней мере выходной торец 65 каждой замкнутой трубки 63 "паукообразного" распределительного устройства 62 может быть выполнен закрытым (фиг.25); в выходной торец 65 по крайней мере каждой изогнутой трубки 63 "паукообразного" распределительного устройства 62 может быть установлено сопло 66 (фиг.25); в выходной торец 65 по крайней мере каждой изогнутой трубки 63 "паукообразного" распределительного устройства 62 может быть установлен распылитель 67 с отверстиями (фиг.26), на участке 46 трубы 43, размещенной внутри вышеуказанного устройства, примыкающем к ее выходному сечению 5-5, могут быть выполнены продольные прорези (разрезы) 68, сообщающие внутреннее пространство вышеуказанной трубы 43 с наружным пространством (фиг. 27); на конце выходного участка 46 трубы 43, размещенной внутри вышеуказанного участка 46 выступает наружу за выходное сечение 4-4 пламепередающей трубы 1, может быть установлено съемное распыливающее устройство (насадок) 69 с отверстиями, сообщающими внутреннее пространство первой 43 с наружным пространством (фиг. 28); на конце выходного участка 46 трубы 43, размещенной внутри вышеуказанного устройства, причем торец 44 вышеуказанного участка 46 выступает наружу за выходное сечение 4-4 пламепередающей трубы 1, может быть установлен съемный завихритель потока 70, охватывающий своим кольцеобразным элементом 71 трубу 43 на конце вышеуказанного участка 46, а на наружной поверхности элемента 71 равномерно относительно его оси размещены лопатки 72 завихрителя потока 70, обеспечивающие закрутку последнего при работе запально-горелочного устройства (фиг.29); на конце выходного участка 46 трубы 43, размещенной внутри вышеуказанного устройства, причем торец 44 вышеуказанного участка 46 выступает наружу за выходное сечение 4-4 пламепередающей трубы 1, может быть установлен съемный завихритель потока 73, охваттывающий передней частью своего кольцеобразного элемента 74, обращенной в сторону, противоположную направлению движения выходящего из пламепередающей трубы 1 потока, при этом по крайней мере на наружной поверхности элемента 74 равномерно относительно его оси размещены лопатки 75 завихрителя потока 73, обеспечивающие закрутку последнего при работе запально-горелочного устройства, и на внутренней поверхности его задней части, обращенной по направлению движения выходящего потока из пламепередающей трубы 1, равномерно относительно его оси размещены лопатки 76 завихрителя потока 73, подобные вышеуказанным (фиг.30); направления закрутки потоков лопатками 75 и 76 завихрителя потоков, размещенных на наружной и внутренней поверхностях кольцеобразного элемента 74, могут совпадать (фиг.30); направления закрутки потоков лопатками 75 и 76 завихрителя потоков, размещенных на наружной и внутренней поверхностях кольцеобразного элемента 74, могут быть взаимно противоположны (фиг.30); передний торец каждой лопатки 72, 75, 76 завихрителя потока 70, 73, обращенный навстречу потока, выходящего из пламепередающей трубы 1, может быть выполнен обтекаемой формы (фиг.29, 30); передний торец каждой лопатки 72, 75, 76 завихрителя потока 70, 73, обращенный навстречу потока, выходящего из пламепередающей трубы 1, может быть выполнен с острой входной кромкой (фиг. 29, 30); на конце выходного участка 44 трубы 43, размещенной внутри вышеуказанного устройства, причем торец 44 вышеуказанного участка 46 выступает наружу за выходное сечение 4-4 пламепередающей трубы 1, может быть надет съемный кольцеобразный элемент 77, охватывающий трубу 43 по меньшей мере своей передней частью, обращенной в сторону, противоположную направлению движения выходящего из пламепередающей трубы 1 потока, при этом по крайней мере на наружной поверхности элемента 77 равномерно относительно его оси размещены разделители потока 78, обеспечивающие разделение потока горячего газа на ряд струй, выполненные в форме ребер, передний торец 79 которых обращен навстречу потока, а продольная плоскость их симметрии совпадает с продольной плоскостью симметрии пламепередающей трубы 1, и на внутренней поверхности его задней части, обращенной по направлению движения выходящего потока из пламепередающей трубы 1, равномерно относительно его оси размещены разделители потока 80, обеспечивающие разделение потока, выходящего из внутренней трубы 43, на ряд струй, подобные вышеуказанным разделителям потока 78 (фиг.31); передний торец 79, 81 каждого разделителя потока 78, 80, имеющего форму ребра, может быть выполнен обтекаемой формы (фиг.31); передний торец 79, 81 каждого разделителя потока 78, 80, имеющего форму ребра, может быть выполнен с острой входной кромкой (фиг.31); за выходным сечением 4-4 пламепередащей трубы 1 может быть установлен съемный завихритель потока 82, создающий вращательное движение последнего при работе устройства, расположенный соосно вышеуказанной трубе 1, внешний размер (контур) b которого по меньшей мере расположен в границах потока горючего газа, выходящего из устройства, при этом завихритель потока 82 закреплен на опорах 83, соединяющих последний 82 с пламепередающей трубой 1 (фиг.32); завихритель потока 82 может быть образован осью (стержнем круглого поперечного сечения) 84 жестко соединенными с ней винтообразными лопатками 85, при этом передний торец 86 оси 84 и передние кромки 87 лопаток 85, обращенные навстречу потока, выполнены острыми, а ось 84 жестко закреплена в опорах 83 (фиг.32).
Вихревое запально-горелочное устройство с поверхностным трубчатым горением горючего газа внутри него (фиг.1) работает следующим образом. В канал подачи горючего газа 3, которым по крайней мере является внутренняя полость 17 кольцеобразного элемента 8 лопаточного завихрителя потока 6, вводится вышеуказанный газ. Одновременно по меньшей мере через один канал подачи воздуха в кольцевой входной канал 10, обеспечивающий равномерный вход воздуха в межлопаточные каналы завихрителя потока 6, подается воздух, который, проходя в каналах между лопатками завихрителя потока 6, приобретает вращательное движение, образуя на выходе из завихрителя потока 6 интенсивный вихрь, вращающийся вокруг оси пламепередающей трубы 1 и одновременно перемещающийся вдоль оси последней 1 в направлении к ее выходу.
При этом за выходным сечением 2-2 кольцеобразного элемента 8 завихрителя потока 6 происходит соприкосновение потока горючего газа по своему внешнему контуру, перемещающегося в осевом направлении пламепередающей трубы 1, с вращающимся потоком воздуха, имеющем в сечениях форму кольца, внутренний радиус которого в соответствующем сечении пламепередающей трубы 1 равняется радиусу внешнего контура потока горючего газа в этом же сечении трубы 1. Перемещение горючего газа и воздуха в осевом направлении пламепередающей трубы 1 к ее выходу происходит вследствие ввода первых через соответствующие каналы подачи горючего газа 3 и воздуха 4 внутрь пламепередающей трубы 1 под избыточным давлением по отношению к наружному (атмосферному) давлению.
Запальные электроды 19 свечи 2 размещаются за выходным сечением 2-2 кольцеобразного элемента 8 в направлении движения горючего газа, в а радиальном направлении от оси пламепередающей трубы 1 размещаются в потоке горючего газа по крайней мере вплотную к цилиндрической поверхности, описанной радиусом наружной поверхности кольцеобразного элемента 8 в выходном сечении 2-2 последнего. При подаче напряжения на электрозапальную свечу 2, возникшая разрядная искра между запальными электродами 19, воспламеняет горючею смесь, образующуюся вследствие некоторого взаимного проникновения частиц воздуха (молекул и атомов) и горючего газа друг в друга при вышеуказанном соприкосновении за выходным сечением 2-2 кольцеобразного элемента 8 завихрителя потока 6.
Вследствие вращения воздушного потока, выходящего из лопаточного завихрителя потока 6, очаг горения газа приобретает форму кольца, которое по мере перемещения потоков горючего газа и воздуха в направлении к выходному сечению пламепередающей трубы 1 увеличивается в своей ширине, приобретая трубчатую форму.
С момента воспламенения горючей смеси от электрозапальной свечи 2 процесс поверхностного трубчатого горения горючего газа внутри пламепередающей трубы 1 протекает в соответствии с законом Ерченко Г.Н, который гласит: "В свободно вращающемся вихревом потоке среды (газа, жидкости, их смесей, диспергированной, двухфазной, пылегазовой и другой сред) с неоднородным полем плотностей и с разной молекулярной массой компонентов в процессе затухания вращательного движения потока за сечением по его длине, в котором максимальное значение окружной скорости достигает критического значения, обеспечивающего еще вращение наиболее тяжелых частиц среды в периферийной зоне потока, возникает процесс непрерывного замещения менее тяжелых частиц среды тяжелыми в направлении к оси вращения потока, продолжающийся до сечения, в котором среда во вращающемся потоке располагается кольцевыми слоями в порядке возрастания ее плотности в каждом последующем из них в направлении к оси вращения вихревого потока.
При максимальном значении окружной скорости, большем критического значения, процесс непрерывного замещения менее тяжелых частиц среды тяжелыми протекает в обратном вышеуказанному направлении, т.е. в направлении к периферии потока".
Процесс взаимного замещения частиц сред в вихревом потоке, имеющих разную плотность, сопровождается затратой работы замещения.
Из закона следует, что в вихревом запально-горелочном устройстве, в котором горение горючего газа в потоке происходит на его поверхности, охватываемой снаружи вращающимся вихревым потоком воздуха, максимальное значение окружной скорости Wмакс вращающегося потока воздуха в выходном сечении 3-3 лопаточного завихрителя потока должно быть меньше ее критического значения Wкр, при котором молекулы кислорода (O2) еще удерживаются в периферийной зоне вращающегося потока. Выходящий из завихрителя потока 6 вихревой поток воздуха в сечении 2-2 имеет кольцевую форму, а внутри выходящего потока воздуха образуется зона пониженного давления, которая остается таковой вплоть до выходного сечения 4-4 пламепередающей трубы 1, внешний радиус которой меньше минимального внутреннего радиуса пламепередающей трубы 1. Вышеуказанная зона пониженного давления подобна каналу, по которому движется горючий газ, подаваемый внутрь пламепередающей трубы 1 при избыточном давлении.
Для достижения вышеуказанного необходимо обеспечить оптимальное сочетание рабочих давлений горючего газа и воздуха во входных каналах 3 и 4 соответственно, что достигается с помощью регулирующих запорных устройств 21 и 22, установленных на трубопроводах подвода горючего газа 18 и воздуха 20 вихревого запально-горелочного устройства (фиг.1).
С возникновением очага горения горючего газа за выходным сечением 2-2 кольцеобразного элемента 8 завихрителя потока 6 возникает интенсивный процесс замещения менее тяжелых частиц 88 среды в свободно вращающемся вихревом потоке тяжелыми (большей плотности или большей молекулярной массы) частицами 89 (фиг. 33). Менее тяжелым частицами 88 в данном случае являются частицы (молекулы) продуктов сгорания горючего газа, имеющих высокую температуру. А тяжелыми частицами 89 являются частицы (молекулы) кислорода, так как основными компонентами атмосферного воздуха являются кислород (O2) и азот (N2), содержание которых (%) по объему и массе составляет соответственно 21,0 (O2); 78,1 (O2) и 23,1 (O2); 75,5 (N2), а молекулярные массы кислорода и азота равны соответственно 32 и 28.
Процесс замещения при вышеуказанном условии (Wмакс < Wкр воздуха в выходном сечении 2-2 завихрителя потока 6) происходит следующим образом (фиг. 33). Тяжелые частицы 89, молекулы кислорода воздуха, перемещаются по спиралеобразной траектории с уменьшением радиуса их вращения. При этом при переходе на меньший радиус вращения молекулы кислорода 89, обладающие большей окружной скоростью, увеличивают угловую скорость вращения менее тяжелых частиц воздуха, а именно молекул азота и молекул, образующихся в результате сгорания горючего газа 8, отдавая часть кинетической энергии вышеуказанным частицам, менее тяжелым.
В свою очередь, менее тяжелые частицы 88, молекулы азота и молекулы продуктов сгорания, вращаясь в потоке и одновременно перемещаясь в осевом направлении вихревой трубы 1, удаляются от оси вращения, с увеличением радиуса их вращения, по спиралеобразной траектории (фиг.33). Таким образом, к поверхности горючего газа, движущегося в осевом направлении пламепередающей трубы 1, непрерывно подходят молекулы кислорода, вступая в химическую реакцию окисления (горения) горючего газа, передавая целиком всю свою кинетическую энергию вновь образованным молекулам в процессе сгорания горючего газа на поверхности потока последнего.
Следовательно, процесс поверхностного горения происходит при смешивании кислорода с горючим газом, в результате интенсифицируется процесс сгорания газа и получается пламя с высокой температурой, так как горение горючего газа в практически чистом кислороде протекает быстрее, чем в воздухе, и характеризуется высокой концентрацией выделяющегося тепла. Последнее объясняется тем, что в данном случае тепло не тратится на нагревание азота, содержащегося в воздухе и не участвующего в реакции окисления.
Толщина зоны горения по фронту пламени составляет 0,1 мм и зависит от режимных и конструктивных факторов: давлений горючего газа и воздуха во входных каналах 3 и 4 соответственно запально-горелочного устройства (фиг.1), геометрических характеристик лопаточного завихрителя потока 6, геометрических характеристик пламепередающей трубы 1 и других факторов, определяющих скорости вихревого и осевого движений потоков воздуха и газа.
В соответствии с вышеуказанным по фронту пламени в направлении к выходному торцу пламепередающей трубы 1 происходит непрерывный процесс отвода продуктов горения горючего газа, имеющих максимальную температуру в каждом сечении запально-горелочного устройства, на периферию вихревого потока воздуха, а холодные частицы кислорода, обеспечивающие интенсивный процесс горения на границе раздела двух (сред) потоков, непрерывно перемещаются внутрь вихря в зону горения, т.е. к внутренней границе вихря.
В результате в направлении к выходному торцу пламепередающей трубы 1 средняя температура вихря в единице его объема возрастает, увеличивается удельный объем вихревого потока, а следовательно, резко растет скорость осевого перемещения вихревого потока, движущегося снаружи фронта пламени, а давление указанного потока (температура растет) по его длине к торцу пламепередающей трубы 1 при этом уменьшается. Соответственно, за счет теплового излучения растет и температура горючего газа, движущегося внутри вихревого потока, что приводит к увеличению удельного объема горючего газа и расширению внешних границ потока вышеуказанного газа в направлении к открытому торцу пламепередающей трубы 1.
В случае, когда максимальное значение окружной скорости Wмакс вращающегося потока воздуха в выходном сечении 3-3 лопаточного завихрителя потока оказывается больше ее критического значения Wкр, при котором молекулы кислорода (O2) еще удерживаются в периферийной зоне вращающегося потока, что может происходить при повышении давления воздуха во входном канале 4 сверх допустимого, процесс замещения менее тяжелых частиц 88 более тяжелыми частицами 89 среды в свободно вращающемся вихревом потоке меняет направление на противоположное (фиг. 34). В этом случае молекулы кислорода за выходным сечением 2-2 кольцеобразного элемента 8 завихрителя потока 6 во вращающемся потоке начнут перемещаться к его периферии, а более легкие, т.е. азот и продукты горения, образовавшиеся в очаге воспламенения, будут перемещаться по спиралеобразной траектории к оси пламепередающей трубы 1, отдавая свою кинетическую энергию частицам горючего газа. В результате процесс горения прекращается до выхода фронта пламени за выходное сечение 4-4 пламепередающей трубы 1 или же процесс горения внутри последней 1 становится обычным объемным процессом горения горючей смеси, т.е. горючего газа, перемешанного с воздухом.
Образовавшийся внутри запально-горелочного устройства трубчатый огнепровод формирует на открытом торце последнего огненный факел, форма и длина которого определяются режимом подачи воздуха и горючего газа, и при этом форма факела может быть клиновидно-кинжальной и стреловидной.
При установившемся режиме работы запально-горелочного устройства фронт пламени, представляющий из себя трубчатый огнепровод, как бы взвешен в приосевой области пламепередающей трубы 1, не касается ее стенок. При этом форма фронта пламени 90 может быть правильной, т.е. симметричной (центр О) относительно оси 32 пламепередающей трубы 1 (фиг.35), а также может иметь четкие волнообразные контуры (зафиксированные на установившемся режиме). В последнем случае прежде всего, когда воздух подается несимметрично относительно оси 32 пламепередающей трубы 1 (фиг.1, 6) (запально-горелочного устройства) в кольцевой входной канал 10 или подается как в прототипе, т.е. через одно тангенциальное отверстие, что сказывается на нижеследующем. Центр О огненного кольца 91 в каждом сечении пламепередающей трубы 1 оказывается смещенным в радиальном направлении последней 1 относительно ее оси 32 (фиг. 36), а сами кольца в смежных сечениях пламепередающей трубы 1 повернутыми на угол друг относительно друга вокруг оси 32 пламепередающей трубы 1. Лопаточные завихрители потока обеспечивают симметричный ввод воздуха в пламепередающую трубу 1 по сравнению с тангенциальными и другими завихрителями потока среды.
Выбор всех геометрических характеристик, режимных параметров вихревого запально-горелочного устройства с поверхностным трубчатым горением горючего газа внутри него определяется из условия достижения требуемых технических характеристик устройства и обеспечения необходимого качества процесса горения горючего газа.
Размер огненного кольца 90 (фронта пламени) (фиг.35) при прочих равных условиях в значительной мере определяется давлением воздуха на входе в канал подачи 4 последнего.
Предложенная конструкция вихревого запально-горелочного устройства обеспечивает симметричную форму фронта пламени трубчатого огнепровода и увеличивает осевую скорость вихревого потока, что обеспечивает получение оптимальных характеристик процесса горения, а соответственно, позволяет улучшить технические характеристики запально-грелочного устройства с поверхностным трубчатым горением горючего газа внутри него.
Кольцевой входной для воздуха канал 10 (фиг.1), обеспечивающий равномерный вход воздуха в межлопаточные каналы завихрителя потока 6, может быть образован по крайней мере наружной поверхностью 11 выступающего за входное сечение 1-1 лопаток 9 завихрителя потока 6 в сторону, противоположную направлению движения входящего в завихритель потока 6 воздуха, и расположенного внутри входного участка 5 пламепередающей трубы 1 участка 12 кольцеобразного элемента 8 и внутренней поверхностью 13 вышеуказанного участка 5 пламепередающей трубы 1. Также кольцевой входной для воздуха канал 10 может быть выполнен иным путем, например вместо выступающего за входное сечение 1-1 лопаток 9 завихрителя потока 6 участка 12 кольцеобразного элемента 8 может быть использована полая цилиндрическая вставка, вплотную прилегающая (или соединенная) к кольцеобразному элементу 8 завихрителя потока 6.
По крайней мере торец 14 кольцеобразного элемента 8 со стороны входа воздуха в завихритель потока 6 может быть выполнен закрытым (фиг. 1). В этом случае в его заглушке 15 устанавливается электрозапальная свеча 2. Может быть и иное выполнение вышеуказанного торца кольцеобразного элемента 8, при котором обеспечивается возможность установки электрозапальной свечи 2. При наличии заглушки 15 в торце 14 кольцеобразного элемента 8 в ней предусматривается отверстие для подсоединения трубопровода 18 подачи горючего газа (фиг. 1).
Расположение выходного сечения 2-2 кольцеобразного элемента 8, с наружной стороны которого размешаются лопатки 9 завихрителя потока 6, по отношению к выходному сечению 3-3 вышеуказанных лопаток 9 может быть различным. Так, вышеуказанные выходные сечения 2-2 и 3-3 могут совпадать (фиг. 2) или выходное сечение 2-2 кольцеобразного элемента 8 может быть смещено за выходное сечение 3-3 лопаток 9 завихрителя потока 6 в направлении движения потока горючего газа (фиг. 1, 3), что определяется условием достижения устойчивого процесса воспламенения горючей смеси от электрозапальной свечи 2 и другими техническими требованиями.
В целях устойчивого образования очага горения при подаче напряжения на электрозапальную свечу 2 форма участка 23 кольцеобразного элемента 8, выступающего за выходное сечение 3-3 лопаток 9 завихрителя потока 6, может быть разнообразной. Так, вышеуказанный участок 23 кольцеобразного элемента 8 может быть выполнен с уменьшающейся толщиной стенки в сечениях элемента 8 в направлении, совпадающем с направлением движения горючего газа (фиг. 1, 3); наружная поверхность 24 участка 23 может быть цилиндрической (фиг. 1, 3) и внутренняя его поверхность 25 может быть также цилиндрической (фиг. 1, 4); на наружной поверхности 24 участка 23 могут быть выполнены чередующиеся канавки 26 и выступы 27, наклоненные под острым углом ϕ к оси пламепередающей трубы 1, а их направление при этом совпадает с направлением закрутки воздуха в завихрителе потока 6 (фиг. 1, 4), а также канавки 28 и выступы 29, наклоненные под острым углом β к оси пламепередающей трубы 1, могут быть выполнены на внутренней поверхности 25 вышеуказанного участка 23, а их направление при этом также совпадает с направлением закрутки воздуха в завихрителе потока 6 (фиг. 1,3).
Чередующиеся вышеуказанные канавки и выступы на выходном участке 23 кольцеобразного элемента 8 выполняются мелкими, например, в виде насечки, в виде насечки, что позволяет достичь (хорошее) надлежащее местное перемешивание частиц горючего газа с частицами воздуха, необходимое для устойчивого возникновения очага горения при подаче напряжения на электрозапальную свечу 2.
Надлежащее взаимопроникновение частиц горючего газа и воздуха, а следовательно, достаточное местное перемешивание последних, может быть также достигаться за счет выполнения выходной кромки 30 торца 16, обращенного в направлении движения горючего газа, кольцеобразного элемента 8 острой (фиг. 5).
В зависимости от геометрических размеров вихревого запально-горелочного устройства и других факторов выходной участок 31 трубопровода подвода горючего газа 18, соединенного с заглушкой 15 кольцеобразного элемента 8, может располагаться внутри кольцеобразного элемента 8 (фиг. 1); может своим выходным торцем соединяться с заглушкой 15 кольцеобразного элемента 8, а также выходное сечение выходного участка 31 трубопровода подвода горючего газа 18 может совпадать с выходным сечением 2-2 кольцеобразного элемента 8 (фиг. 1). В последнем случае роль канала подачи горючего газа 3 выполняет выходной участок 31 трубопровода подвода горючего газа 18.
Для обеспечения возможности размещения в заглушке 15 кольцеобразного элемента 8 или в заглушке соответствующей проставки, устанавливаемой по меньшей мере при совмещении входного торца кольцеобразного элемента 8 с входным сечением 1-1 лопаток 9, размещенных на его наружной поверхности, электрозапальной свечи 2, и с целью обеспечения симметричного входа воздуха в лопаточный завихритель потока 6 подвод воздуха в кольцевой канал 10 может осуществляться по меньшей мере через два симметрично относительно оси 32 пламепередающей трубы 1 расположенных участка 33 и 34 разветвляющегося в направлении движения воздуха трубопровода 20 (фиг. 1,6). Выполнение вышеуказанного условия целесообразно при короткой электрозапальной свече 2, так как в этом случае длина кольцевого канала 10 оказывается недостаточной для достижения полной симметричности фронта пламени трубчатого огнепровода при отсутствии вышеуказанного разветвляющегося трубопровода 20.
При этом по меньшей мере два вышеуказанных участка 33 и 34 разветвляющегося трубопровода 20 могут соединяться с кольцевой заглушкой 35 кольцевого канала 10, установленной со стороны входа воздуха в вышеуказанный канал 10, при этом в заглушке 35 выполняются по меньшей мере два отверстия 36, сообщающие вышеуказанные участки 33 и 34 разветвляющего трубопровода 20 с кольцевым каналом 10 (фиг. 1, 6), а также вышеуказанные участки 33 и 34 разветвляющего трубопровода 20 могут соединяться с наружной поверхностью 37 входного участка 5 пламепередающей трубы 1 в зоне кольцевого канала 10, при этом в стенке пламепередающей трубы 1 выполняются по меньшей мере два отверстия 38, сообщающие вышеуказанные участки 33 и 34 разветвляющего трубопровода 20 с кольцевым каналом 10 (фиг. 7).
Для достижения универсальности в применении запально-горелочного устройства оно может снабжаться сменным комплектом завихрителей потока 6 (фиг. 1), каждый из которых выполняется сменным и имеет свои индивидуальные характеристики, отличающиеся от характеристик других завихрителей потока, входящих в комплект.
Форма пламепередающей трубы 1 в зависимости от технических характеристик запально-горелочного устройства может быть различной, при этом в большинстве случаев она может быть следующей: пламепередающая труба 1 может быть выполнена с одинаковой площадью проходного сечения на всем ее участке, расположенном за выходным сечением 2-2 лопаточного завихрителя потока 6 в направлении движения горючего газа (фиг. 1); по меньшей мере участок 39 пламепередающей трубы 1, примыкающий к ее выходному сечению 4-4, может быть выполнен с увеличивающейся и с уменьшающейся площадью проходного сечения в направлении к последнему 4-4 (фиг. 8, 9), пори этом указанный участок 39 пламепередающей трубы 1 может выполняться сменным (как набор участков 39, имеющих различную форму). Первая форма участка 39 пламепередающей трубы 1 может использоваться для уменьшения скорости выхода вихревого потока из последней 1, а вторая форма участка 39 - для увеличения скорости выхода вышеуказанного потока, что при этом увеличивает длину выходящего из пламепередающей трубы горючего факела. Кроме того, указанные формы участка 39 пламепередающей трубы 1 могут быть использованы и в других случаях, связанных с достижением требуемых технических характеристик запально-горелочного устройства. Исходя из технологических и других условий, в том числе при выполнении исследовательской работы, пламепередающая труба 1 может выполняться составной, с разъемом 40 в середине ее длины, обеспечивающим отделение одной ее части 41 от другой ее части 42 (фиг. 9).
С целью улучшения технических характеристик запально-горелочного устройства и расширения возможного использования его внутри вышеуказанного устройства соосно последнему по меньшей мере на участке пламепередающей трубы 1, примыкающем к ее выходному сечению 4-4, может размещаться труба 43 с наружным радиусом r1, меньшим минимального внутреннего радиуса r2 кольцеобразного элемента 8 завихрителя потока 6, при этом один торец 44 вышеуказанной тубы 43 может совпадать с выходным сечением 4-4 пламепередающей трубы 1 (фиг. 10) или может выступать наружу за выходное сечение 4-4 вышеуказанной трубы 1 (фиг. 11), а другой ее торец 45 выступает за наружную поверхность заглушки 15 вышеуказанного кольцеобразного элемента 8 (фиг. 10, 11). Вышеуказанная труба 43 может размещаться соосно запально-горелочному устройству на всем протяжении пламепередающей трубы 1. Основным условием ее расположения является, чтобы труба 43 целиком внутри пламепередающей трубы находилась в потоке горючего газа и, таким образом, не нарушала процесс вихревого движения воздуха. Выбор способа размещения трубы 43 внутри пламепередающей трубы 1 зависит от геометрических размеров запально-горелочного устройства и определяется конструктивными соображениями.
Торец 44 трубы 43, размещенной внутри запально-горелочного устройства, расположенный на стороне выхода из пламепередающей трубы 1, может выполняться закрытым, а на ее участке 46, примыкающем к вышеуказанному закрытому торцу 44, выполняются отверстия 47, сообщающие внутреннюю полость первой трубы 43 с внешней средой (фиг. 12).
Вышеуказанные отверстия 47 могут быть выполнены на участке 46 трубы 43, примыкающем к ее закрытому торцу 44, на стороне участка 46, расположенной перед выходным сечением 4-4 пламепередающей трубы 1 по направлению движения горючего газа (фиг. 12); отверстия 47 могут быть выполнены на стороне участка 46, расположенной за выходным сечением 4-4 пламепередающей трубы 1 по направлению движения горючего газа (фиг. 13), а также отверстия 47 могут быть выполнены на участке 46 трубы 43, расположенном по обе стороны от выходного сечения 4-4 пламепередающей трубы 1 (фиг. 14).
Выполнение трубы 43, размещенной внутри запально-горелочного устройства, с заглушкой на торце 44 и с заглушкой на торце 44 и с отверстиями 47 целесообразно, например, при необходимости уменьшить наружный диаметр пламепередающей трубы 1 и увеличить длину последней, а также в ряде других случаев. При этом отверстия 47 могут размещаться симметрично относительно оси 48 трубы 43 и выполняться радиальными (фиг. 14, 15), а также отверстия 47 могут размещаться симметрично относительно оси 48 трубы 43 и располагаться под острым углом γ к плоскости поперечного сечения последней, при этом острый угол γ обращен в сторону лопаточного завихрителя потока 6 (фиг. 16). Выполнение отверстий 47 может быть и иным.
По трубе 43 к отверстиям 47 может подводиться как горючий газ, так и воздух, что определяется комплексно характеристиками запально-горелочного устройства. Целесообразные места размещения отверстий 47 на трубе 43, их размеры, форма, которая может быть различной, и расположение по отношению к оси 48 трубы 43 устанавливаются опытным путем из условий получения требуемых технических характеристик вихревого запально-горелочного устройства с поверхностным трубчатым горением горючего газа внутри него.
В заглушке торца 44 трубы 43 в необходимых случаях могут устанавливаться сменные сопла 49 (фиг. 17), которые в зависимости от режима работы запально-горелочного устройства могут заменяться друг другом, имеющими различные характеристики.
С целью улучшения технических характеристик запально-горелочного устройства торец 45 внутренней трубы 43 может выступать за наружную поверхность заглушки 15 кольцеобразного элемента 8, а другой ее торец 44 по крайней мере может совпадать с выходным сечением 4-4 пламепередающей трубы 1 и выполняться закрытым (фиг. 18). При этом торец 44 трубы 43 может быть расположен и внутри пламепередающей трубы 1. А по меньшей мере участок 46 трубы 43, обращенный к выходному сечению 4-4 пламепередающей трубы 1, может выполняться с уменьшающейся площадью поперечного сечения в направлении движения горючего газа внутри пламепередающей трубы 1 (фиг. 18) или, что то же самое, к выходному сечению 4-4 последней 1.
В рассматриваемой конструкции устройства внутрь трубы 43 может подаваться как горючий газ, так и воздух. При подаче воздуха в трубу 43 процесс сгорания горючего газа на участке 46 в пламепередающей трубе 1 становится объемным, т.е. трубчатый огнепровод исчезает. При подаче в трубу 43 горючего газа может быть уменьшен габаритный наружный диаметр пламепередающей трубы 1, а также улучшены и другие характеристики запально-горелочного устройства.
Отверстия 50 на участке 46 трубы 43 могут располагаться симметрично относительно оси 32 вышеуказанного устройства (фиг. 18). Расположение отверстий 50 трубы 43 при этом может быть различным, что определяется опытным путем.
При необходимости обеспечить воспламенение горючей смеси, выходящей из основного горелочного устройства, расположенного сбоку от запально-горелочного устройства, участок 46 трубы 43, расположенный за выходным сечением 4-4 пламепередающей трубы 1, может выполняться изогнутым (загнутым) под углом к оси 32 последней (фиг. 19). Длина загнутого участка и угол изгиба определяются требованиями к запально-горелочному устройству, которые зависят от его применения.
С целью интенсификации процесса горения за выходным сечением 4-4 пламепередающей трубы 1 торец 45 трубы 43, размещенной внутри запально-горелочного устройства, выступающий за наружную поверхность заглушки 15 кольцеообразного элемента 8, может быть подсоединен участком трубы 51 к трубопроводу подачи воздуха 20 в вышеуказанное устройство через индивидуальное регулирующее запорное устройство 52 (фиг. 20). Увеличение длины факела на выходе из запально-горелочного устройства достигается подсоединением торца 45 трубы 43 участком трубы 53 к трубопроводу подачи горючего газа 18 в вышеуказанное устройство через индивидуальное регулирующее запорное устройство 54 (фиг. 20). Кроме того, с целью универсальности запально-горелочного устройства может осуществляться комбинированный подвод к торцу 45 трубы 43 воздуха и горючего газа вышеуказанными участками 51 и 53 трубы соответственно при установке на каждом из последних 51 и 53 индивидуального регулирующего запорного устройства 52 и 54 (фиг. 20).
С целью обеспечения возможности изменять характеристики запально-горелочного устройства в открытый торец 44 трубы 43 может устанавливаться сменное сопло 55, отличающееся от других сменных сопел своими характеристиками (фиг. 21).
В связи с открытием авторами в изобретении ранее не известной в науке физической природы поверхностного трубчатого горения горючего газа внутри свободно вращающегося вихревого потока воздуха встают вопросы в плане детального изучения данного физического явления с целью получения необходимых расчетных зависимостей, номограмм и других нормативных материалов, необходимых для выбора оптимальных характеристик вихревого запально-горелочного устройства с поверхностным трубчатым горением горючего газа внутри него, а также оптимизации работы устройства, связанной с его доводкой.
Для вышеуказанной цели по меньшей мере на участке пламепередающей трубы 1, примыкающем к выходному сечению 2-2 лопаточного завихрителя потока 6, во внутреннем пространстве пламепередающей трубы 1 на радиально установленном стержне 56, обладающем возможностью радиального перемещения (осевого) ±x и поворота вокруг своей оси (±ψ), , может быть закреплен лепесток 57, поворачивающийся по направлению движения вихревого потока воздуха при работе запально-горелочного устройства, при этом вышеуказанный стержень 56 выходит наружу через боковую стенку пламепередающей трубы 1. Для контроля за поворотом лепестка, соответственно стержня 56, на торце последнего выполняется диаметральная риска, совпадающая с плоскостью симметрии лепестка 57 (фиг. 1).
Возможность радиального перемещения стержня 56 с закрепленным на нем лепестком 57 позволяет устанавливать последний в любой зоне (по радиусу) внутренней полости пламепередающей трубы 1. Последнее позволяет определить границу раздела между вихревым потоком воздуха и потоком горючего газа в заднем сечении пламепередающей трубы 1. В свою очередь, возможность поворота стержня 56 с лепестком 57 на угол ±ψ вокруг своей оси позволяет определить направление абсолютного движения вращающегося воздушного потока в соответствующем сечении пламепередающей трубы 1, что очень важно при выполнении научных исследований, связанных с оптимизацией характеристик рассматриваемого устройства. В общем случае места установки стержня 56 с лепестком 57 по длине пламепередающей трубы 1 и количество их может быть различным, что определяется поставленной задачей при выполнении исследований.
Крепление трубы 43, размещенной внутри запально-горелочного устройства, на участке, примыкающем к выходному сечению 4-4 пламепередающей трубы 1, может осуществляться с помощью опор 58 обтекаемой для потока формы, жестко соединяемых с наружной поверхностью трубы 43 и по меньшей мере свободно опирающихся на внутреннюю поверхность пламепередающей трубы 1 (фиг. 22). В необходимых случаях может также осуществляться жесткое соединение вышеуказанных опор 58 трубы 43 с внутренней поверхностью пламепередающей трубы 1. При этом сходственные точки каждой опоры 58 внутренней трубы 43 могут располагаться в одной и той же плоскости поперечного сечения запально-горелочного устройства (фиг. 22), а также опоры 58 могут быть смещены (a) друг относительно друга в осевом направлении вышеуказанного устройства (фиг. 23). При этом опоры 58 могут в вышеуказанных случаях быть расположены симметрично относительно оси запально-горелочного устройства в проекции на плоскость, перпендикулярную оси последнего (фиг. 22). Опоры 58 могут иметь также и иное расположение, отличающееся от вышеуказанного. Смещение опор 58 в осевом направлении друг относительно друга уменьшает их влияние на свободно вращающийся вихревой поток внутри пламепередающей трубы 1 устройства.
Для уменьшения влияния опор на вихревой поток последние могут размещаться по крайней мере целиком за выходным сечением 4-4 пламепередающей трубы 1 (фиг. 24).
Вышеуказанные опоры целесообразно выполнять обтекаемой для выходящего при работе запально-горелочного устройства потока из пламепередающей трубы 1 формы.
Для обеспечения надежного воспламенения горючего газа, выходящего из трубы 43 при работе устройства, на изогнутом участке 46 вышеуказанной трубы 43 за выходным сечением пламепередающей трубы 1 по меньшей мере на стороне 60, обращенной к выходному сечению 4-4 племепередающей трубы 1, могут выполняться отверстия 61, обеспечивающие при работе запально-горелочного устройства выход через них наружу горючего газа (фиг. 19), благодаря чему выходящий из отверстий газ горит, обеспечивая воспламенение газа, выходящего из открытого торца трубы 43.
Целесообразные форма, количество и размеры отверстий 61 определяются опытным путем. Указанные отверстия 61 могут иметь различную форму, в том числе цилиндрическую, щелевую или иную форму.
Для усиления запального действия запально-горелочного устройства к выходному сечению трубы 43, размещенной внутри устройства, может примыкать съемное "паукообразное" распределительное устройство 62, в которое горячий газ входит по вышеуказанной трубе 43, а выходит из распределительного устройства 62 по меньшей мере через две загнутые в направлении от оси запально-горелочного устройства трубки 63 (фиг. 25). Для обеспечения стабильности в воспламенении выходящего газа из "паукообразного" распределительного устройства загнутые трубки 63 могут со стороны, обращенной к выходному сечению 4-4 пламепередающей трубы 1, иметь отверстия 64 (фиг. 25), обеспечивающие при работе запально-горелочного устройства выход через них горючего газа наружу (фиг. 25). Форма, размеры, количество отверстий 64 могут быть различными, которые зависят от требуемых характеристик запально-горелочного устройства и определяются опытным путем.
В необходимых случаях для интенсификации процесса горения газа на выходе из отверстий 64 по крайней мере выходной торец 65 каждой загнутой трубки 63 "паукообразного" распределительного устройства 62 может выполняться закрытым (глухим) (фиг. 25), а также в выходной торец 65 по крайней мере каждой изогнутой трубки 63 может быть установлено сопло 66 (фиг. 25) или распределитель 67 с отверстиями (фиг. 26).
Для увеличения размеров (габарита) выходящего факела из запально-горелочного устройства на участке 46 трубы 43, примыкающем к ее выходному сечению 5-5, могут выполняться продольные прорези (разрезы) 68, сообщающие внутреннее пространство вышеуказанной трубки 43 с наружным пространством (фиг. 27). Для вышеуказанной цели на конце выходного участка 46 трубы 43 за выходным сечением 4-4 пламепередающей трубы 1 может устанавливаться съемное распыливающее устройство (насадок) 69 с отверстиями, сообщающими внутреннее пространство первой 43 с наружным пространством (фиг. 28).
Интенсификация процесса горения горючего газа на выходе из пламепередающей трубы 1 за счет перемешивания горючего газа, выходящего из пламепередающей трубы 1, с выходящим из последней вихревым потоком может достигаться путем установки на конце выходного участка 46 трубы 43 за выходным сечением 4-4 пламепередающей трубы 1 съемного завихрителя потока 70, охватывающего своим кольцеобразным элементом 71 трубу 43, а на наружной поверхности элемента 71 равномерно относительно его оси размещаются лопатки 72 завихрителя потока 70, обеспечивающие закрутку последнего при работе запально-горелочного устройства (фиг. 29). Лопатки 72 завихрителя потока 70 выполнятся винтообразной формы.
Благодаря тому что завихритель потока выполняется съемным, запально-горелочное устройство в необходимых случаях может использоваться и без него, что расширяет возможности в использовании вышеуказанного устройства. Для указанной выше цели и одновременной закрутки газа или воздуха, выходящего из трубы 43, на выходной конец последней 43 может надеваться съемный завихритель потока 73, выполненный в форме кольцеобразного элемента 74, охватывающего своей передней частью вышеуказанный конец трубы 43, при этом по крайней мере на наружной поверхности элемента 74 равномерно относительно его оси размещаются лопатки 75 завихрителя потока 73, обеспечивающие закрутку последнего при работе запально-горелочного устройства и на внутренней поверхности его задней части, обращенной по направлению движения выходящего потока из пламепередающей трубы 1, равномерно относительно его оси размещаются лопатки 76 завихрителя потока 73, подобные вышеуказанным 75 (фиг. 30).
Причем закрутка потоков сред винтообразными лопатками 75 и 76, размещенными на наружной и внутренней поверхностях соответственно кольцеобразного элемента 74 завихрителя потока 73, может осуществляться как в одном и том же направлении, так и в противоположных друг другу направлениях (фиг. 30).
Размещение лопаток завихрителя потока 73 может также выполняться только на наружной или внутренней поверхности кольцеобразного элемента 74, что определяется техническими требованиями к характеристикам запально-горелочного устройства. С целью улучшения условий входа потока среды и лопаточный завихритель потока 73 передний торец каждой винтообразной лопатки 72, 75, 76 вышеуказанных завихрителей потока 70, 73, обращенный навстречу потока, выходящего из пламепередающей трубы 1, выполняется обтекаемой формы или с острой входной кромкой (фиг. 29, 30).
Для выполнения функций аналогичным функциям завихрителя потока 73 на конце выходного участка 46 трубы 43 может устанавливаться съемный кольцеобразный элемент 77, охватывающий трубу 43 по меньшей мере своей передней частью, обращенной в сторону, противоположную направлению движения выходящего из пламепередающей трубы 1 потока, при этом по крайней мере на наружной поверхности элемента 77 размещаются равномерно относительно его оси разделители потока 78, обеспечивающие разделение потока горючего газа на ряд струй, выполненные в форме ребер с передним торцом 79, обращенным навстречу потока, причем продольная плоскость их симметрии совпадает с продольной плоскостью симметрии пламепередающей трубы 1, и на внутренней поверхности его задней части, обращенной по направлению движения выходящего потока из пламепередающей трубы 1, равномерно относительно его оси размещаются разделители потока 80, обеспечивающие разделение потока, выходящего из внутренней трубы 43, на ряд струй, подобные вышеуказанным разделителям потока 78 (фиг. 31).
Улучшение условий для разделения потока среды на ряд струй достигается тем, что передний торец 79, 81 каждого разделителя потока 78, 80, имеющего форму ребра, выполняется обтекаемой формы или с острой входной кромкой (фиг. 31).
Расширение технического применения запально-горелочного устройства может достигаться путем установки за выходным сечением 4-4 пламепередающей трубы 1 съемного завихрителя потока 82, обеспечивающего при работе устройства закрутку последнего, расположенного соосно вышеуказанной трубе 1, внешний размер b (контур) которого по меньшей мере располагается в границах потока горючего газа, выходящего из устройства. Крепление завихрителя потока 82 осуществляется на опорах 83, соединенных с пламепередающей трубой 1 (фиг. 32). Завихритель потока 82 может иметь различную конструкцию, в том числе он может быть образован осью 84, представляющей из себя, например, стержень круглого поперечного сечения, с жестко соединенными с ней винтообразными лопатками 85, при этом передний торец 86 оси 84 и передние кромки 87 лопаток 85, обращенные навстречу потока, выполняются острыми, а ось жестко закрепляется в опорах 83 (фиг. 34).
Лопаточный завихритель потока 6, установленный во входном участке 5 пламепередающей трубы 1, может иметь различное конструктивное выполнение. Так, например, лопатки 9 завихрителя потока 6 могут размещаться внутри полого цилиндра и жестко соединяться с его внутренней поверхностью, а кольцеобразный элемент 8 может свободно входить в отверстие, образованное внутренними торцами лопаток 9. При этом полый цилиндр устанавливается внутри входного участка 5 пламепередающей трубы 1 и фиксируется от проворачивания в последней.
Таким образом, в изобретении открыта ранее неизвестная науке физическая природа поверхностного трубчатого горения горючего газа внутри свободно вращающегося вихревого потока воздуха, а при использовании первого для автоматического розжига тепловых объектов или других целей в энергетике, а также в других отраслях техники достигаются лучшие технические характеристики и компактность вихревого запально-горелочного устройства в сравнении с прототипом за счет достижения симметричности формы фронта пламени трубчатого огнепровода, расширения диапазона регулирования скорости вихревого потока как в осевом, так и в окружном направлениях, а также за счет оптимизации конструктивного исполнения, зависящего от его применения.
Изобретение относится к энергомашиностроению, в частности к горелочным устройствам камер сгорания газотурбинных установок или топок парогенераторов. В вихревом запально-горелочном устройстве с поверхностным трубчатым горением горючего газа внутри него (фиг.1) содержащем пламепередающую трубу 1, состоящую по меньшей мере из одного участка, электрозапальную свечу 2, канал подачи горючего газа 3 и по меньшей мере один канал подачи воздуха 4, во входном участке 5 пламепередающей трубы 1 установлен лопаточный завихритель 6, обеспечивающий закрутку проходящего через него потока воздуха, при этом завихритель потока 6 выполнен с центральным отверстием 7, образованным кольцеобразным элементом 8, с наружной стороны которого размещены лопатки 9, а кольцевой входной для воздуха канал 10 образован наружной поверхностью 11 участка 12 кольцеобразного элемента 8 и поверхностью 13 участка 5 пламепередающей трубы 1, а торец 14 элемента 8 выполнен закрытым, в заглушке 15 которого установлена электрозапальная свеча 2, а внутренняя полость 17 элемента 8 сообщена с внутренней полостью пламепередающей трубы 1, при этом запальные электроды 19 свечи 2 размещены за выходным сечением 2-2 элемента 8, а на трубопроводах подвода горючего газа 18 и воздуха 20 вихревого запально-горелочного устройства установлены регулирующие запорные устройства 21 и 22. Изобретение позволяет улучшить характеристики процесса горения. 59 з.п. ф-лы, 36 ил.
| Щенников К.А | |||
| и др | |||
| Новые запальные системы вихревого типа для газотурбинных установок и других энергетических объектов | |||
| - Теплоэнергетика, N 5, 1986, с.55-56 | |||
| Щенников К.А | |||
| Пламенный "жгут" В вихре | |||
| Техника и наука, N 9, 1984, с.8-9. |
