ГОРЕЛКА Российский патент 1999 года по МПК F23D14/02 F23D17/00 

Изобретение относится к устройствам для факельного сжигания органических топлив в топках и печах.

При эксплуатации топок, например, газомазутных котлов или печей, работающих с низкими избытками воздуха, воздействие на развитие процесса выгорания топлива и конфигурацию факела, от которых зависит распределение тепловых потоков, воспринимаемых экранами, а также экологическая безопасность процесса, можно осуществить с помощью регулируемых горелок. Такими регулируемыми горелками оборудуются парогенераторы газомазутных электростанций и отопительных котельных, несущих переменную часть графика нагрузки.

Известна регулируемая газомазутная горелка. Горелка состоит из присоединенного к источнику воздуха корпуса и размещенных в нем узла подачи топлива, а также выходной трубы и центральной трубы (см. Адамов В.А. "Сжигание мазута в топках котлов". Л., Недра, 1989, с. 109, р. 4.28). Основной поток воздуха подается в корпус, в периферийном кольцевом канале которого установлен аксиальный лопаточный завихритель с поворотными лопатками. Остальная часть воздуха подается по центральной трубе горелки и закручивается установленным в ней аксиальным лопаточным завихрителем. Управление характеристиками факела осуществляется за счет изменения угла установки лопаток завихрителя при их повороте с помощью механизмов привода, а также изменением долей центрального и периферийного потоков воздуха.

Указанная горелка имеет ряд недостатков: наличие в конструкции механических приводов, обладающих низкой надежностью, и узкий диапазон регулирования без ухудшения характеристик, т.е. без возникновения пульсации, срыва факела, увеличения неполноты сгорания топлива и возрастания выбросов токсичных продуктов.

Наиболее близкой к заявленной горелке является горелка, содержащая корпус, соединенный с источником воздуха, лопаточный завихритель, расположенный в корпусе, по оси которого размещен узел подачи топлива, каналы, образованные соседними лопатками завихрителя, при этом лопатки завихрителя имеют полости (см. патент РФ N 2027105, МПК F 23 D 17/00, 1995).

Задачей изобретения является повышение надежности работы регулирующего устройства, расширение диапазона регулирования, предотвращение срывов горящего факела, снижение выбросов токсичных продуктов сгорания.

Задача решается тем, что горелка содержит корпус, соединенный с источником воздуха, лопаточный завихритель, расположенный в корпусе, по оси которого размешен узел подачи топлива, каналы, образованные соседними лопатками завихрителя, при этом лопатки завихрителя имеют полости, которые соединены с источником воздуха и сообщаются с каналами, образованными соседними лопатками завихрителя.

Воздух, подаваемый от источников в полости лопаток завихрителя, вытекает через каналы в стенках лопаток в каналы, образованные соседними лопатками завихрителя, и, взаимодействуя с основным потоком воздуха, вызывает изменение его направления на выходе из канала завихрителя, что приводит к изменению интенсивности крутки и структуры потока на выходе из горелки. Воздействие на основной поток осуществляется за счет влияния нормальной к стенке лопатки составляющей импульса потока воздуха, подаваемого через каналы в стенке. Величина этой составляющей импульса определяется расходом и направлением истечения вдуваемого воздуха.

Такое воздействие на поток исключает необходимость поворота лопаток завихрителя для управления круткой создаваемого им потока, и тем самым отпадает необходимость в наличии ненадежных механизмов привода поворота лопаток в конструкции горелки.

Сообщение полостей лопаток с каналами, образованными соседними лопатками завихрителя, реализуется в виде перфорации с различной формой, размерами и ориентацией отверстий или в виде пористых вставок в стенке лопаток. Выбор конструктивного исполнения полостей внутри лопаток осуществляется при проектировании конкретного устройства.

На фиг. 1 изображена развертка окружного сечения завихрителя с лопатками.

На фиг. 2 изображена схема взаимодействия основного и управляющих потоков воздуха.

Горелка содержит лопатки с полостями 1, соединенными с источниками воздуха и сообщающимися через соединительные каналы 2 в стенке лопаток 3 с каналами 4, образованными соседними лопатками завихрителя.

Горелка работает следующим образом.

Воздух, подаваемый от источников в полости 1 лопаток 3, вытекает через соединительные каналы 2 в каналы 4 и, взаимодействуя с основным потоком воздуха, вызывает изменение его направления на выходе из канала 4, образованного соседними лопатками 3 завихрителя, что приводит к изменению интенсивности крутки и структуры результирующего закрученного потока на выходе из горелки. Воздействие на основной поток осуществляется за счет влияния нормальной к стенке лопатки 3 составляющей импульса потоков воздуха, подаваемых через каналы 2. Величина этой составляющей импульса определяется расходом и направлением вдуваемого воздуха.

Возможность осуществления предлагаемого изобретения, т.е. возможность изменения крутки потока, выходящего из лопаточного завихрителя, путем его подачи через соединительные каналы 2 в стенке лопатки 3 потока управляющего потока основывается на следующем.

На фиг. 2 изображена схема взаимодействия основного и управляющих потоков на примере взаимодействия основного и одного из управляющих потоков воздуха.

Согласно соотношению по ОСТ 108.836.05-82 "Горелки газомазутные. Амбразуры стационарных паровых котлов" параметр крутки потока n на выходе из лопаточного завихрителя зависит от угла выхода потока (результирующего потока) из межлопаточного канала α как

где D - наружный диаметр канала завихрителя,
d - внутренний диаметр канала завихрителя.

В соответствии со схемой на фиг. 2 угол выхода результирующего потока из межлопаточных каналов равен
α = α_г+Δα, (2),
где α_г - угол установки лопаток (геометрический угол);
Δα - угол отклонения результирующего потока.

Величина Δα находится по закону сохранения количества движения (см. с. 102, Залманзон Л.А. "Теория элементов пневмоники", М., Наука, 1969, с. 508) в зависимости от соотношения количеств движения основного и управляющего потоков при постоянстве статического давления в зоне их взаимодействия:

где K₁, K₂ - соответственно количества движения основного и управляющего потоков;
γ - угол отклонения соединительного канала от нормали к стенке лопатки.

Величины K₁ и K₂ определяются как

где ρ₁,ρ₂ - соответственно плотности основного и управляющего потоков;
s - ширина межлопаточного канала;
h - высота лопатки;
b - ширина щели для подачи управляющего потока;
W₁ и W₂ - соответственно скорости основного и управляющего потоков.

Окончательный результат управления основным потоком будет проявляться как суммарный эффект воздействия всех управляющих потоков воздуха.

Формулы (1-4) составляют математическую модель работы предлагаемого устройства, которая, будучи основанной на известных закономерностях, является вполне достоверной. Усложнение схемы за счет введения более сложной системы отверстий в виде перфорации с различной формой, размерами и ориентацией отверстий или в виде пористых вставок в стенке лопаток не изменит качественных свойств модели.

Из модели (1-4) следует возможность изменять крутку потока на выходе завихрителя за счет изменения скорости управляющего потока (то есть его расхода) без поворота лопаток, тем самым достигается технический результат при использовании предлагаемой горелки.

Изобретение предназначено для факельного сжигания органических топлив в топках и печах. Горелка содержит лопаточный завихритель, каналы, образованные соседними лопатками завихрителя, полости лопаток завихрителя соединены с источниками воздуха и сообщаются с каналами, образованными соседними лопатками завихрителя. Изобретение позволяет повысить надежность работы регулирующего устройства, расширить диапазон регулирования, снизить выбросы токсичных продуктов сгорания. 2 ил.

Горелка, содержащая корпус, соединенный с источником воздуха, лопаточный завихритель, расположенный в корпусе, по оси которого размещен узел подачи топлива, каналы, образованные соседними лопатками завихрителя, при этом лопатки завихрителя имеют полости, отличающаяся тем, что полости лопаток завихрителя соединены с источниками воздуха и сообщаются с каналами, образованными соседними лопатками завихрителя.