ГОРЕЛОЧНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2002 года по МПК F23D5/06 

Изобретение относится к области энергетики, в частности горелочным устройствам, и может быть использовано в автомобильной промышленности.

Известно горелочное устройство, содержащее корпус с испарительным огнеупорным элементом, пропитанным топливом, которое выгорает с открытой поверхности элемента (SU 361568, 31.01.1973).

Однако данное устройство характеризуется низким уровнем смешения паров горючего с воздухом и, соответственно, низкой интенсивностью горения. Кроме того, непосредственный контакт испарительного элемента с зоной горения вызывает нагарообразование на испарительном элементе и его постепенное закоксовывание.

Известно также горелочное устройство, содержащее корпус и концентрично размещенную в нем трубу с образованием подключенной к смесителю эжектора полости, снабженной испарительным элементом, подсоединенным к топливному коллектору, причем испарительный элемент выполнен в виде слоя капиллярной структуры (SU 717490 А, 27.02.1980).

Данное устройство исключает нагарообразование на испарительном элементе, однако, не обеспечивает достаточно высокой плотности тепловыделения в зоне горения, достаточной мощности.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению, выбранным в качестве прототипа, является горелка испарителя (DE-OS 19529994 А1, 15.05.1996). Горелка содержит топочную камеру с цилиндрической ограничительной стенкой по периметру, имеющей пористую обшивку с внутренней стороны корпуса, с торцевой ограничительной стенкой, в которой выполнено центральное отверстие с входящим коаксиально с осью в топочную камеру соплом подачи воздуха. Сопло подачи воздуха имеет радиальные выходы. Подача топлива происходит через штуцер свечи, установленный на наружном кожухе или через кольцевой канал на днище топочной камеры.

Недостатками данной конструкции горелочного устройства являются, во-первых, возможность нагарообразования на пористом материале капиллярной структуры, непосредственно контактирующей с зоной горения, что снижает надежность работы горелочного устройства, во-вторых, недостаточно высокий уровень интенсивности горения, мощности.

Техническим результатом данного изобретения является повышение интенсивности горения и предотвращение коксообразования в капиллярной структуре испарительного элемента и, следовательно, повышение надежности и мощности работы горелочного устройства.

Технический результат достигается тем, что на боковой поверхности сопла подачи воздуха выполнено не менее двух рядов разнесенных по высоте сопла подачи воздуха одинаковых по количеству и симметрично размещенных продольных радиальных отверстий, причем каждое отверстие верхнего ряда размещено на линии, равноудаленной от двух ближайших нижних отверстий, дополнительно введен формирователь вихревых потоков, расположенный между соплом подачи воздуха и испарительной капиллярной структурой, имеющий осесимметричную поверхность, в котором выполнены продольные отверстия, причем отверстия на формирователе вихревых потоков смещены относительно отверстий на сопле подачи воздуха на 1/2 угла, образованного двумя соседними отверстиями последнего, а участок поверхности формирователя вихревых потоков между отверстиями имеет радиус кривизны, меньший, чем расстояние от оси сопла подачи воздуха до ближайшего элемента поверхности формирователя вихревых потоков.

На фиг. 1 представлено предлагаемое горелочное устройство, состоящее из топочной камеры с цилиндрической ограничительной стенкой 1 по периметру, с торцевой ограничительной стенкой 2, в которой выполнено центральное отверстие с входящим коаксиально с осью в топочную камеру соплом 3 подачи воздуха, причем на его боковой поверхности выполнено не менее двух рядов разнесенных по высоте сопла 3 одинаковых продольных радиальных отверстий 9 (фиг. 2), с внутренней стороны цилиндрической и торцевой ограничительных стенок 1 и 2 расположена испарительная капиллярная структура 4, формирователя 5 вихревых потоков с рядами продольных отверстий 10 (фиг.3), штуцера 6 для установки свечи, жаровой трубы 7, стабилизатора 8 пламени.

Известно, что интенсивность горения определяется степенью турбулизации горючей смеси и, соответственно, с целью повышения интенсивности горения необходимо увеличить уровень турбулентности.

Для уменьшения потерь кинетической энергии воздушных струй из отверстий сопла 3 подачи воздуха в конструкцию горелочного устройства введен дополнительный элемент - формирователь 5 вихревых потоков, размещенный между соплом 3 подачи воздуха и испарительной капиллярной структурой 4, выполненный в виде осесимметричной поверхности (фиг.3), в котором выполнены продольные отверстия 10 для выхода паров топлива, испаряемых капиллярной структурой 4, причем отверстия 10 на формирователе 5 вихревых потоков смещены относительно отверстий 9 на сопле 3 подачи воздуха на 1/2 угла, образованного двумя соседними отверстиями последнего (фиг.4).

Такое размещение отверстий 10 на формирователе 5 вихревых потоков соответствует месту столкновения и "разворота" огибающих воздушных потоков и создает эжекторный эффект "подсасывания" паров топлива из полости, образуемой формирователем 5 вихревых потоков и поверхностью испарительного элемента.

Для минимизации потерь кинетической энергии огибающих воздушных потоков участки поверхности формирователя 5 вихревых потоков имеют форму с радиусом кривизны меньше, чем расстояние от оси сопла 3 подачи воздуха до ближайшего элемента поверхности формирователя 5 вихревых потоков. Кроме того, между отверстиями 10 на поверхности формирователя 5 вихревых потоков на месте попадания струи воздуха на формирователь 5 вихревых потоков с целью уменьшения потерь кинетической энергии выполнен локальный продольный выступ 11 длиной, равной высоте отверстий 9 на сопле 3 подачи воздуха (см. фиг.2), который выполняет функцию рассекателя струи из сопла 3 подачи воздуха на два огибающих потока (фиг.5).

Кроме того, положительный эффект, усиливающий турбулизации вихревых зон и создающий полезную составляющую движения горячих газов из зоны горения в жаровую трубу 7 возникает при изготовлении на боковой поверхности сопла 3 подачи воздуха не одного, а двух или более рядов продольных отверстий 9, смещенных друг относительно друга. Если каждое отверстие 9 верхнего ряда размещено на линии, равноудаленной от двух ближайших нижних отверстий 9, то в верхнем и нижнем слоях, образованных кольцевыми зазорами между боковой поверхностью сопла 3 подачи воздуха по высотам нижнего и верхнего ряда отверстий соответственно, и поверхностью формирователя 5 вихревых потоков образуется система взаимодействующих вихревых потоков. Под каждым вихревым потоком верхнего слоя образуется поток нижнего слоя, закрученный в противоположном направлении. На границе раздела противоположно закрученных потоков существенно повышается уровень турбулентности, и возникает сила отталкивания, которая способствует "выталкиванию" горячих газов верхнего слоя вдоль сопла 3 к жаровой трубе 7.

Устройство работает следующим образом. В момент запуска горелочного устройства к испарительному элементу, выполненному, например, в виде металловолокнистой структуры, через штуцер 6 для установки свечи подводится жидкое горючее. Под действием капиллярных сил горючее впитывается и растекается по поверхности металлических волокон. При нагревании пропитанного топливом испарительного элемента осуществляется интенсивное испарение. С участков поверхности испарительного элемента, размещенных на торцевой ограничительной стенке, пары горючего поступают непосредственно в топочную камеру. Пары горючего с участков поверхности, отделенных от рабочего объема топочной камеры формирователем 5 вихревых потоков, создают избыточное давление и проникают в топочную камеру через отверстия 10 в формирователе 5 вихревых потоков и через зазоры между формирователем 5 вихревых потоков и торцевой ограничительной стенкой, а также между формирователем 5 вихревых потоков и стабилизатором 8 пламени. Формирователь 5 вихревых потоков может газоплотно прилегать нижним основанием к испарительной капиллярной структуре 4, размещенной на торцевой поверхности, а верхним - к стабилизатору 8 пламени. В этом случае пар из испарительного элемента, находящегося под формирователем 5 вихревых потоков, поступает в топочную камеру только из отверстия 10 формирователя 5 вихревых потоков. Струи воздуха из продольных отверстий 9 на боковой поверхности сопла 3 подачи воздуха, попадая на поверхность формирователя 5 вихревых потоков, распадаются на симметрично огибающие поверхность формирователя 5 вихревых потоков потоки, которые, сталкиваясь с соответствующими потоками соседних струй в области отверстий 10 формирователя 5 вихревых потоков, образуют вихревые зоны. Турбулентный характер вихревых зон обеспечивает эффективное перемешивание паров горючего с воздухом. При поджиге данной горючей смеси осуществляется интенсивное горение с выделением тепловой энергии большой мощности.

Наличие двух рядов отверстий 9 на боковой поверхности сопла 3 подачи воздуха, смещенных друг относительно друга, приводит к формированию по высоте топочной камеры двух кольцевых слоев со смещенными по фазе вихрями. При смещении двух рядов отверстий 9 на сопле 3 подачи воздуха и формирователе 5 вихревых потоков вихри верхнего и нижнего слоя будут размещаться друг под другом и находиться в противофазе, т.е. будут вращаться в противоположных направлениях. При этом на границе раздела слоев возникает еще более высокая турбулизация и, как следствие, еще более интенсивное горение. Кроме того, как известно противофазные вихри отталкиваются, что приводит к возникновению дополнительной силы, выталкивающей горячие газы верхних слоев в направлении жаровой трубы 7. Соответственно уменьшается давление горячих газов на контактирующие с зоной горения элементы топочной камеры, сопла 3 подачи воздуха и формирователя 5 вихревых потоков и вследствие этого уменьшается теплонапряженность данных элементов, что обеспечивает повышенную надежность работы горелочного устройства. В предлагаемой конструкции испарительная капиллярная структура 4 экранируется от зоны горения формирователем 5 вихревых потоков, что существенно повышает надежность горелочного устройства, поскольку на поверхности испарительной капиллярной структуры не образуется нагар и закоксовывание.

Изобретение относится к области энергетики, в частности горелочным устройствам, и может быть использовано в автомобильной промышленности. Для повышения интенсивности горения и предотвращения коксообразования в капиллярной структуре испарительного элемента и, следовательно, повышения надежности и мощности работы горелочного устройства на боковой поверхности сопла подачи воздуха выполнено не менее двух рядов разнесенных по высоте сопла подачи воздуха одинаковых по количеству и симметрично размещенных продольных радиальных отверстий, причем каждое отверстие верхнего ряда размещено на линии, равноудаленной от двух ближайших нижних отверстий. Дополнительно введен формирователь вихревых потоков, расположенный между соплом подачи воздуха и испарительной капиллярной структурой, имеющий осесимметричную поверхность, в котором выполнены продольные отверстия, причем отверстия на формирователе вихревых потоков смещены относительно отверстий на сопле подачи воздуха на 1/2 угла, образованного двумя соседними отверстиями последнего, а участок поверхности формирователя вихревых потоков между отверстиями имеет радиус кривизны, меньший, чем расстояние от оси сопла подачи воздуха до ближайшего элемента поверхности формирователя вихревых потоков. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Горелочное устройство, содержащее топочную камеру с цилиндрической ограничительной стенкой по периметру, с торцевой ограничительной стенкой, в которой выполнено центральное отверстие с входящим коаксиально с осью в топочную камеру соплом подачи воздуха, с внутренней стороны цилиндрической ограничительной стенки расположена испарительная капиллярная структура, штуцера для установки свечи, жаровую трубу и стабилизатор пламени, отличающееся тем, что на боковой поверхности сопла подачи воздуха выполнено не менее двух рядов разнесенных по высоте сопла подачи воздуха одинаковых по количеству и симметрично размещенных продольных радиальных отверстий, причем каждое отверстие верхнего ряда размещено на линии, равноудаленной от двух ближайших нижних отверстий, дополнительно введен формирователь вихревых потоков, расположенный между соплом подачи воздуха и испарительной капиллярной структурой, размещенной как на цилиндрической, так и на торцевой ограничительных стенках топочной камеры, формирователь вихревых потоков имеет осесимметричную поверхность с продольными отверстиями, причем отверстия на формирователе вихревых потоков смещены относительно отверстий на сопле подачи воздуха на 1/2 угла, образованного двумя соседними отверстиями последнего, а участок поверхности формирователя вихревых потоков между отверстиями имеет радиус кривизны, меньший, чем расстояние от оси сопла подачи воздуха до ближайшего элемента поверхности формирователя вихревых потоков. 2. Горелочное устройство по п. 1, отличающееся тем, что формирователь вихревых потоков газоплотно или с зазором прилегает нижним основанием к испарительной капиллярной структуре, размещенной на торцевой поверхности топочной камеры, а верхним к стабилизатору пламени. 3. Горелочное устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что между отверстиями на поверхности формирователя вихревых потоков на месте попадания струи воздуха выполнен локальный продольный выступ длиной, равной высоте отверстия на сопле подачи воздуха.