ГОРЕЛОЧНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2008 года по МПК F23D14/24 F23K3/14 

Изобретение относится к устройствам для сжигания топлива, и может быть использовано в нагревательных печах и камерах сгорания газотурбинных установок.

Известно горелочное устройство, 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, после чего подготовленная смесь поступает в камеру сгорания (Патент GB №2272756, МКИ F23R 3/14).

Недостатком этого устройства является невозможность сжигать топливовоздушную смесь в виде плоского факела, а также то, что устройство только формирует топливовоздушную смесь, вследствие чего не может быть использовано для нагрева рабочего объема, например, печи.

Известно горелочное устройство, принятое в качестве прототипа, содержащее центральную топливную форсунку, коаксиальные кольцевые обечайки, образующие воздухоподводящие каналы, снабженные разнонаправленными лопаточными завихрителями, причем наружная обечайка выполнена в виде топливного коллектора, топливоподающие отверстия которого направлены перпендикулярно отверстиям центральной форсунки, и конические отражатели, установленные на выходе из каждого канала с возможностью отклонения воздушных потоков от центра к периферии (Патент RU №2183798, МКИ F23R 3/14).

Это горелочное устройство позволяет создать систему параллельных веерных закрученных потоков воздуха, в местах контакта которых наблюдается возрастание интенсивности турбулентности потока, что обеспечивает быстрое перемешивание топлива с воздухом и в сочетании с указанным направлением струй топлива позволяет организовать плоский факел с улучшенной организацией сжигания топливовоздушной смеси, позволяющий нагреть топочный объем до заданной температуры.

Однако в данном горелочном устройстве струи, выходящие из соседних (смежных) каналов-завихрителей, взаимодействуют между собой, и, вследствие стандартного, равного угла наклона лопаток завихрителей, создаются результирующие коаксиальные струи. Это не обеспечивает достаточно качественного перемешивания потоков воздуха из смежных каналов между собой и с топливом, вследствие чего факел имеет слишком большую рассредоточенность и центральную зону, в которую эжектируется холодный воздух из периферии топки, в результате чего поле температур, создаваемое факелом, недостаточно равномерно.

Задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в повышении равномерности нагрева топочного объема путем усиления интенсивности турбулентности воздуха за счет перекрещивания его веерных закрученных потоков.

Эта задача решается следующим образом.

В известном горелочном устройстве, содержащем центральную топливную форсунку и коаксиальные кольцевые обечайки, образующие воздухоподводящие каналы, снабженные разнонаправленными лопаточными завихрителями, а также конические отражатели, установленные на выходе из каждого канала с возможностью отклонения воздушных потоков от центра к периферии, согласно изобретению углы наклона лопаток смежных каналов завихрителей выполнены разновеликими с соотношением 0,5-0,8.

Последовательное уменьшение или увеличение угла наклона лопаток завихрителей в указанных пределах, а также произвольное сочетание данного условия обеспечивает оптимальный угол перекрещивания струй, выходящих из смежных каналов и высокое качество перемешивания потоков воздуха с топливом.

На фиг.1 изображен общий вид предлагаемого горелочного устройства.

На фиг.2 изображена векторная схема потоков воздуха, выходящих из смежных каналов завихрителей.

На фиг.3 представлена тепловизионная картина факела предлагаемого горелочного устройства.

Горелочное устройство содержит центральную топливную форсунку 1 с топливоподающими отверстиями 2, кольцевые обечайки - наружную 3, внутреннюю 4 и промежуточные 5. В коаксиальных полостях 6 между обечайками установлены лопатки 7, 8, 9, образующие разнонаправленные каналы-завихрители 10, 11, 12. Угол наклона β лопаток 8 составляет 0,5-0,7 аналогичного угла α лопаток 7, а угол наклона γ лопаток 9 составляет 0,5-0,7 аналогичного угла β лопаток 8. На выходе коаксиальных полостей 6 на торцах внутренней и промежуточных обечаек 4 и 5 выполнены отражатели 13 в виде образующих конуса, торцы 14 которых размещены над топливоподающими отверстиями 2 форсунки 1. Горелочное устройство установлено в торцевую стенку 15 камеры сгорания 16.

Пример конкретного исполнения при последовательном уменьшении угла наклона лопаток:

α=45°

β=30°

γ=15°

Количество каналов завихрителей ограничено предельным значением угла γ=15° и предельным значением угла α=75°.

При β<0,5 α и γ<0,5 β происходит следующее: угол пересечения результирующих струй воздуха, выходящих из смежных каналов, становится слишком большой, что приводит к уменьшению импульса результирующего потока. Это отрицательно сказывается на перемешивании топлива с воздухом.

При β>0,8 α и γ>0,8 β происходит следующее: результирующие струи воздуха, выходящие из смежных каналов, выходят практически параллельно, что ухудшает перемешивание.

Пример конкретного исполнения при последовательном увеличении угла наклона лопаток:

α=15°

β=30°

γ=45°

Количество каналов завихрителей ограничено предельным значением угла α=15° и предельным значением угла γ=75°.

Пример конкретного исполнения при произвольном сочетании заявленного соотношения угла наклона лопаток:

α=15°

β=30°

γ=15°

χ=30°

ϕ=45°

λ=60°

Количество каналов завихрителей не ограничено.

Горелочное устройство работает следующим образом.

Топливо поступает из центральной топливной форсунки 1 в камеру сгорания 16 в виде системы веерных струй, смешивающихся с потоками воздуха, выходящих 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 перекрещивающихся между собой струй. Последовательное уменьшение угла наклона лопаток завихрителей в указанных пределах обеспечивает оптимальный угол перекрещивания струй, выходящих из смежных каналов и высокое качество перемешивания потоков воздуха с топливом. В зонах контакта струй происходит резкое возрастание интенсивности турбулентности потока, что обеспечивает хорошее перемешивание воздуха с топливом и быстрое выгорание смеси.

Предложенное горелочное устройство позволяет создавать высокотурбулизованный факел с равномерным распределением температурного поля на расстоянии 2-3 калибров от среза горелочного устройства.

Изобретение относится к устройствам для сжигания топлива и может быть использовано в нагревательных печах и камерах сгорания газотурбинных установок. Горелочное устройство содержит центральную топливную форсунку и коаксиальные кольцевые обечайки, образующие воздухоподводящие каналы, снабженные разнонаправленными лопаточными завихрителями, а также конические отражатели, установленные на выходе из каждого канала с возможностью отклонения воздушных потоков от центра к периферии, при этом углы наклона лопаток смежных завихрителей выполнены разновеликими с соотношением 0,5-0,8. Технический результат заключается в повышении равномерности нагрева топочного объема путем усиления интенсивности турбулентности воздуха за счет перекрещивания его веерных закрученных потоков. 3 ил.

Горелочное устройство, содержащее центральную топливную форсунку и коаксиальные кольцевые обечайки, образующие воздухоподводящие каналы, снабженные разнонаправленными лопаточными завихрителями, а также конические отражатели, установленные на выходе из каждого канала с возможностью отклонения воздушных потоков от центра к периферии, отличающееся тем, что углы наклона лопаток смежных каналов завихрителей выполнены разновеликими с соотношением 0,5-0,8.