ГОРЕЛКА Российский патент 2004 года по МПК F23D14/02 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для сжигания газообразного топлива в топках энергетических котлов, камерах сгорания газотурбинных и парогазовых установок, а также в промышленных печах и других топливосжигающих устройствах.

Известна горелка (патент США №4587809), содержащая камеру предварительного смешения, на входе в которую имеются топливные отверстия, а на выходе - лопаточный завихритель. Воздух, попадая в камеру предварительного смешения, смешивается с газообразным топливом, образуя гомогенную газо-воздушную смесь, которая, проходя через завихритель, попадает в зону обратных токов за завихрителем, где сгорает. Недостатком аналога является узкий диапазон устойчивой работы.

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является горелка по патенту РФ №2012839, выбранная в качестве прототипа.

Горелка содержит центральный лопаточный завихритель, центральный газовый насадок с двумя каналами подвода топлива и с газораздающими отверстиями, размещенными между лопатками центрального завихрителя, наружный кольцевой газораздающий коллектор с газораздающими отверстиями, соединенный с газовым насадком, и наружный лопаточный завихритель, в межлопаточном пространстве и перед входными кромками лопаток которого организована камера предварительного смешения топлива с воздухом.

Получение требуемых экологических характеристик, полноты выгорания и достаточной стабилизации факела на всех нагрузках в рассматриваемой горелке достигается при оптимальном избытке воздуха с помощью организации предварительного смесеобразования топлива с воздухом и создания двух зон окисления топлива, из которых центральная является диффузионной и выполняет функции “пилотной” горелки.

Недостатком такой конструкции является необходимость двухканального подвода газообразного топлива к горелке и связанное с этим усложнение конструкции системы топливоподачи и ее регулирования, а также затрудненный переброс пламени к соседним горелкам устройства, в состав которого они входят, на пусковых режимах, когда газообразное топливо подается только в центральную зону горелки, а через наружный завихритель поступает холодный воздух, окружающий факел, что также снижает полноту выгорания топлива.

Задачей заявляемого изобретения является упрощение конструкции системы топливоподачи и ее регулирования и увеличение полноты выгорания топлива при условии сохранения требуемых экологических характеристик.

Для решения поставленной задачи в горелке, содержащей газовый насадок с газораздающими отверстиями, камеру предварительного смешения топлива с воздухом, поступающим в нее по воздушному проходу и, по меньшей мере, два лопаточных завихрителя, установленных на входах в зоны горения, согласно изобретению нижняя по потоку часть камеры предварительного смешения, посредством соосно установленных в ней перегородок, разделена по меньшей мере на два отсека, при этом каждый отсек, кроме центрального, имеет дополнительный канал подвода воздуха.

От прототипа предлагаемая горелка отличается тем, что нижняя по потоку часть камеры предварительного смешения разделена на несколько отсеков, каждый из которых, кроме центрального, имеет дополнительный канал подвода воздуха и представляет собой камеру предварительного смешения для одной из зон горения.

Наличие в камере предварительного смешения общего пространства позволяет иметь только один подвод топлива для питания всех зон горения. Подача топлива по одному каналу существенно упрощает систему топливоподачи, за счет снижения числа топливоподающих коллекторов, а также регулирующей и запорной арматуры.

Наличие при этом дополнительных каналов для подвода воздуха во все отсеки, кроме центрального, позволяет создавать газовоздушную смесь различной концентрации в разных зонах горения, при этом горелка в целом всегда работает в “бедном” режиме, что обеспечивает сохранение требуемых экологических характеристик.

Подача в центральную зону горения более “богатой”, по сравнению с остальными зонами, газовоздушной смеси обеспечивает горелку “пилотным” источником пламени, что позволяет сжигать очень “бедные” газовоздушные смеси в периферийных зонах, обеспечивая необходимый диапазон устойчивой работы горелки.

Поскольку процесс горения происходит сразу во всех зонах горения, то отсутствует пелена холодного воздуха вокруг факела, что облегчает переброс пламени к соседним горелкам и повышает полноту выгорания топлива.

Прилагаемые чертежи поясняют суть предложения. На фиг.1 показан продольный разрез варианта конструкции горелки, на фиг.2 - сечение горелки по газораздающим отверстиям, на фиг.3 - сечение по дополнительным каналам подачи воздуха.

Горелка (фиг.1, 2, 3) содержит газовый насадок 1, имеющий канал 2 подвода топливного газа с газораздающими отверстиями 3, воздушный проход 4, корпус 5, камеру 6 предварительного смешения, соосно расположенные перегородки 7 и 8, установленные в камере 6 предварительного смешения в нижней по потоку части и разделяющие ее на отсеки 9, 10 и 11, дополнительные каналы 12 и 13 подвода воздуха в отсеки 10 и 11, лопаточные завихрители 14, 15 и 16, установленные на выходе из отсеков 9, 10 и 11, а также зоны горения 17, 18 и 19. Зоны горения расположены последовательно, при этом центральная зона горения 17 начинается сразу за выходным сечением лопаточного завихрителя 14 центрального отсека 9 камеры 6 предварительного смешения и, в данном примере, ограничена по периферии стенкой практически цилиндрической формы. Каждая последующая зона горения располагается ниже по потоку предыдущей и ограничена выходным сечением завихрителя соответствующего ей отсека камеры предварительного смешения и стенкой цилиндрической или иной формы.

В данном примере перегородки 7 и 8 имеют цилиндрическую форму. Однако, в зависимости от компоновки горелки, они могут иметь форму полых конусов или иных тел вращения.

На выходе из завихрителей 14, 15 и 16 могут быть установлены практически конические пережимы 20, 21 и 22, что обеспечивает достаточную устойчивость работы горелки на всех нагрузках.

Горелка работает следующим образом.

На режиме пуска воздух через воздушный проход 4 подается в общее пространство камеры 6 предварительного смешения, образованной внутренней поверхностью корпуса 5 и внешней поверхностью газового насадка 1, куда по каналу 2 подвода газообразного топлива через газораздающие отверстия 3, выходящие в воздушный проход 4 на входе в камеру 6, подается газообразное топливо и происходит образование первичной газовоздушной смеси. При этом газообразное топливо подается в камеру предварительного смешения в таком количестве, чтобы образовалась умеренно “бедная” газовоздушная смесь такой концентрации, при которой возможно ее воспламенение от внешнего источника и устойчивое горение в “пилотной” зоне горения 17. Первичная смесь поступает в отсеки 9, 10 и 11, при этом в отсеках 10 и 11 она разбавляется воздухом, поступающим туда по дополнительным каналам 12 и 13 подачи воздуха. На выходе из отсеков 9, 10 и 11 расположены соответственно завихрители 14, 15 и 16, которые служат для образования зон обратных токов и стабилизации горения, для более качественного перемешивания газовоздушной смеси и для дозирования смеси, поступающей в каждый из отсеков 9, 10 и 11. Проходные сечения завихрителей выбираются таким образом, чтобы наименьшее количество смеси поступало в зону горения 17, а из оставшейся смеси большее количество поступало бы в более “бедную” зону горения 19. Для этого проходное сечение лопаточного завихрителя 14 выбирается наименьшим. Таким образом, появляется возможность одновременно питать зоны горения 17, 18 и 19 газовоздушной смесью различной концентрации, причем зона горения 17, питаемая из отсека 9, в который поступает более “богатая” первичная газо-воздушная смесь, выполняет функции “пилотного” источника пламени по отношению к зонам горения 18 и 19. Смесь воспламеняется от внешнего источника, образуя факел, который стабилизируется за завихрителем 14 в зоне 17, воспламеняя более “бедную” смесь, поступающую в зоны 18 и 19, за счет чего расширяется диапазон устойчивой работы горелки. При этом образуется общий факел, который стабилизируется в зоне обратных токов за завихрителем 16. Наличие горения во всех зонах на всех режимах облегчает переброс пламени между соседними горелками, что повышает надежность работы самой горелки и устройства, в состав которого они входят. При увеличении расхода топлива на горелку первичная смесь может становиться стехиометрической или умеренно “богатой”, но смесь, поступающая в зоны горения 18 и 19 всегда остается “бедной”, что обеспечивает низкий уровень эмиссии NО_х.

Размеры и количество дополнительных каналов 12 и 13 подачи воздуха, их расположение относительно друг друга, геометрия завихрителей 14, 15 и 16 окончательно определяются для каждого типоразмера горелочного устройства индивидуально в ходе натурных огневых испытаний.

Изобретение может быть использовано для сжигания газообразного топлива в топках энергетических котлов, камерах сгорания газотурбинных и парогазовых установок, а также в промышленных печах. Горелка содержит газовый насадок с газораздающими отверстиями, камеру предварительного смешения топлива с воздухом, поступающим в нее по воздушному проходу, и по меньшей мере два лопаточных завихрителя, установленных на входах в зоны горения. При этом нижняя по потоку часть камеры предварительного смешения посредством соосно установленных в ней перегородок разделена по меньшей мере на два отсека, при этом каждый отсек, кроме центрального, имеет дополнительный канал подвода воздуха. Использование изобретения упрощает конструкцию системы топливоподачи и ее регулирование и увеличивает полноту выгорания топлива при условии сохранения требуемых экологических характеристик. 3 ил.

Горелка, содержащая газовый насадок с газораздающими отверстиями, камеру предварительного смешения топлива с воздухом, поступающим в нее по воздушному проходу, и по меньшей мере два лопаточных завихрителя, установленных на входах в зоны горения, отличающаяся тем, что нижняя по потоку часть камеры предварительного смешения посредством соосно установленных в ней перегородок разделена по меньшей мере на два отсека, при этом каждый отсек, кроме центрального, имеет дополнительный канал подвода воздуха.