ГОРЕЛОЧНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2002 года по МПК F23R3/14 

Изобретение относится к машиностроению и может быть применено, например, в нагревательных печах и камерах сгорания газотурбинных установок.

Известны горелочные устройства, в которых плоский факел создается за счет специальной формы горелочного туннеля и высокой степени закрутки топливовоздушной смеси [1]. Недостатками указанной конструкции являются большие энергетические затраты на создание плоского факела, узкий диапазон устойчивой работы, низкая надежность конструктивных элементов.

Для создания рассредоточенного факела используется конструкция, имеющая специальный кольцевой выступ, служащий для отклонения потока топливовоздушной смеси в радиальном направлении [2]. Недостатками указанной конструкции являются низкая интенсивность взаимодействия топлива с воздухом, расположение кольцевого выступа в зоне факела, снижающие надежность работы горелки.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство впрыска топлива газотурбинного двигателя [3], содержащее центральную топливную форсунку, несколько последовательно расположенных тангенциальных лопаточных разнонаправленных завихрителей воздуха, снабженных на выходе криволинейными отражателями, преобразующими движение воздуха из первоначально направленного радиально внутрь в осевое. Топливная струя из центральной форсунки, пересекая воздушные потоки, попадает на систему кольцевых выступов криволинейных отражателей, в процессе этого движения обеспечивается распыливание, испарение и смешение топлива с воздухом, которое заканчивается в смесительном канале, далее подготовленная смесь поступает в камеру сгорания. Недостатками такой конструкции являются невозможность сжигать топливовоздушную смесь в виде разомкнутого или плоского факела, возможность проскока пламени в смесительное устройство, большие габариты смесителя. Технологически область применения устройства ограничена. Оно только формирует топливовоздушную смесь и не может быть использовано для нагрева рабочего объема, например, печи.

Указанные недостатки стимулировали поиск нетрадиционных решений.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи улучшения организации сжигания топливовоздушной смеси для равномерного нагрева горелочного объема до заданной температуры.

Эта задача решается путем изменения геометрии формирования факела за счет максимального отклонения топливовоздушной смеси радиально от центра к периферии и перераспределения подачи топлива между центральной форсункой и топливным коллектором.

Согласно изобретению в горелочном устройстве, содержащем центральную топливную форсунку, коаксиальные кольцевые обечайки, образующие воздухоподводящие каналы, снабженные разнонаправленными лопаточными завихрителями с установленными на выходе из каждого канала коническими отражателями, топливоподающие отверстия центральной форсунки размещены под обрезом конических отражателей, наружная обечайка выполнена в виде топливного коллектора, топливоподающие отверстия которого направлены перпендикулярно отверстиям центральной форсунки, а конические отражатели установлены с возможностью отклонения воздушных потоков от центра к периферии. Площади проходных сечений рядов разнонаправленных лопаточных каналов по направлению от центра к периферии соотносятся как 1: 2, 5:4, а конические отражатели воздухоподающих каналов установлены так, что площади проходных сечений выпускной части этих каналов не превышают площади сечений лопаточных завихрителей.

Технический результат при осуществлении изобретения выражается в ускорении процесса перемешивания топлива с воздухом и интенсификации выгорания топлива со значительным снижением эмиссии вредных веществ. При этом повышается КПД устройства в целом.

Установка конических отражателей на выходе из коаксиальных воздухоподводящих каналов, отклоняющих закрученные потоки воздуха от осевого движения и направляющих эти потоки радиально от центра к периферии, позволяет создать систему веерных закрученных потоков воздуха и в сочетании с указанным направлением струй топлива организовать плоский факел.

При этом размещение центральной форсунки под нижним обрезом кольцевых обечаек, выполнение наружной обечайки в виде коллектора, определенное соотношение сечений рядов разнонаправленных лопаточных каналов как в радиальном направлении устройства, так и в выпускной части этих каналов в совокупности позволяет рационально решить проблему равномерного смешения топлива с окислителем и обеспечить эффективное сгорание.

Это позволяет сделать вывод о нетрадиционном решении разработки устройства, его новизне, изобретательском уровне и не вызывает проблем реализации в условиях машиностроительного предприятия.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения, поясняются фиг.1, где изображено сечение по оси устройства. На фиг.2 показана зависимость эмиссии окислов азота от температуры за камерой сгорания, отнесенная к 15% концентрации кислорода в продуктах сгорания.

Горелочное устройство содержит центральную топливную форсунку 1 с топливоподающими отверстиями 2, периферийный топливный коллектор 3 с топливоподающими отверстиями 4, кольцевые обечайки - наружную 5, внутреннюю 6 и промежуточные 7.

В коаксиальных полостях 8 между обечайками установлены лопатки 9, образующие разнонаправленные каналы-завихрители 10, 11, 12. На выходе коаксиальных полостей 8 на торцах внутренней и промежуточных обечаек 6, 7 выполнены отражатели 13 в виде образующих конуса, торцы 14 которых размещены над топливоподающими отверстиями 2 форсунки 1.

Горелочное устройство установлено в торцевую стенку 15.

Работа горелочного устройства осуществляется следующим образом. Топливо поступает из центральной топливной форсунки 1 в камеру сгорания 16 параллельно потокам воздуха в виде системы струй, смешивающихся с воздухом, выходящим из разнонаправленных лопаточных каналов 10, 11, 12. При этом потоки воздуха отклоняются в радиальном направлении от центра к периферии коническими отражателями 13 и распространяются в виде плоских закрученных веерных струй вдоль торцевой стенки 15 камеры сгорания 16. В зонах контакта веерных струй резко возрастает интенсивность турбулентности потока, что обеспечивает быстрое перемешивание воздуха с топливом и выгорание смеси с малым временем пребывания в высокотемпературной зоне факела. Поскольку веерные струи характеризуются большим отношением поверхности к объему и именно на этих поверхностях происходит выгорание факела, он быстро охлаждается и горение происходит при пониженных температурах, что наряду с относительно малым временем пребывания позволяет существенно уменьшить эмиссию вредных веществ, что подтверждается графиком фиг.2.

Подача части топлива (до 80%) из коллектора 3 позволяет еще более ускорить перемешивание и выгорание топлива и дает возможность перейти от разомкнутого факела к плоскому. Таким образом, перераспределяя подачу топлива от центра к периферии, можно управлять формой факела. При этом повышается КПД устройства и улучшаются экологические условия эксплуатации.

Предложенное горелочное устройство позволяет управлять формой факела и создать плоский или рассредоточенный факел в зависимости от формы камеры сгорания в широком диапазоне нагрузок с низким уровнем эмиссии вредных выбросов.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 238068, МПК F 23 F, 1965 г.

2. Патент США 3880571, МПК F 23 М 3/00,1975 г.

3. Патент Великобритании 2272756, МПК F 23 R 3/14, 1994 г. (прототип).

Изобретение может быть применено, например, в камерах сгорания газотурбинных установок или нагревательных печах. Предложенное устройство содержит центральную топливную форсунку и коаксиальные кольцевые обечайки, образующие воздухоподводящие каналы, снабженные разнонаправленными лопаточными завихрителями, на выходе из каждого канала установлен конический отражатель. Топливоподающие отверстия центральной форсунки размещены под обрезом конических отражателей. Наружная обечайка выполнена в виде топливного коллектора, топливоподающие отверстия которого направлены перпендикулярно отверстиям центральной форсунки. Конические отражатели установлены с возможностью отклонения воздушных потоков воздуха от центра к периферии. Площади проходных сечений рядов разнонаправленных лопаточных каналов по направлению от центра к периферии относятся как 1:2 или 5:4. Конические отражатели воздухоподводящих каналов установлены так, что площади проходных сечений выпускной части этих каналов не превышают площади сечений лопаточных завихрителей. Предложенное горелочное устройство позволяет управлять формой факела и создать плоский или рассредоточенный факел в зависимости от формы камеры сгорания в широком диапазоне нагрузок с низким уровнем эмиссии вредных выбросов. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Горелочное устройство, содержащее центральную топливную форсунку, коаксиальные кольцевые обечайки, образующие воздухоподводящие каналы, снабженные разнонаправленными лопаточными завихрителями с установленными на выходе из каждого канала коническими отражателями, отличающееся тем, что топливоподающие отверстия центральной форсунки размещены под обрезом конических отражателей, наружная обечайка выполнена в виде топливного коллектора, топливоподающие отверстия которого направлены перпендикулярно отверстиям центральной форсунки, а конические отражатели установлены с возможностью отклонения воздушных потоков воздуха от центра к периферии. 2. Горелочное устройство по п. 1, отличающееся тем, что площади проходных сечений рядов разнонаправленных лопаточных каналов по направлению от центра к периферии соотносятся как 1: 2, 5: 4. 3. Горелочное устройство по п. 1, отличающееся тем, что конические отражатели воздухоподводящих каналов установлены так, что площади проходных сечений выпускной части этих каналов не превышают площади сечений лопаточных завихрителей.