Воспламенитель Советский патент 1992 года по МПК F23Q9/00 

(Л

С

Использование: для разжига основного или вспомогательного топлива в различных типах энергетических установок и котлов, например камер сгорания газотурбинных двигателей. Сущность изобретения: воспламенитель содержиттопливные сопла на входе в смеситель, соосную с ним камеру воспламенения и расположенный поосито- коведущий стержень с электродом, образующий зазор с корпусом камеры воспламенения, выполненный в виде диффузора с углом раскрытия 18...24° и соединенный со смесителем через его участок, выполненный в виде промежуточной камеры длиной, лежащей в определенных пределах. 3 ил.

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для розжига основного или вспомогательного топлива в различных типах энергетических установок и котлов, напримг камер сгорания газотурбинных двигателей.

Наиболее близким техническим решением из известных к заявленному является воспламенитель, содержащий топливные сопла на входе в смеситель, соосную с ним камеру воспламенения, расположенный по оси токоведущий стержень с электродом, образующий зазор с корпусом камеры воспламенения.

В известном воспламенителе топливо поступает через центральное сопло в ин- жекционный смеситель. В расширяющемся по ходу потока инжекционном смесителе

топливо и воздух перемешиваются, и смесь поступает в камеру воспламенения, где поджигается воспламенителем (свечой зажигания), расположенным в области рециркуляционного движения горючей смеси, образованного за счет взаимного смещения осей инжекционного смесителя и камеры воспламенения, что позволяет стабилизировать воспламеняющий факел.

Недостатками известного воспламенителя являются следующие: состав и режим течения горючей смеси, ее однородность сложным образом зависят от рода и параметров истечения топлива, параметров воздуха, типа, мощности и реакционной способности воспламенителя, линейных размеров и геометрии инжекционного смесителя. Поэтому обеспечить с помощью опи

v

-ч

О

4 О

ы

санного устройства значения рабочих параметров воспламеняющего факела (температуру, степень выгорания топлива, скорость истечения горячих газов, стабильность воспламенения, глубину проникновения факе- ла в камеру сгорания в зависимости от скорости поперечно движущегося потока) от соответствующих входных параметров во всем рабочем диапазоне, охватывающем как режим стабилизирующего горения при скорости смеси меньше или равной скорости распространения пламени, так и при скорости, значительно превышающей скорость распространения пламени, удается не во всех случаях. Одна из причин состоит в том, что инжекционный смеситель переменного сечения не обеспечивает однородность смеси топливо-воздух вплоть до расслоения потоков, так как поперечные пульсации скорости и осевая скорость пото- ка уменьшаются по ходу потока в расширяющемся смесителе известного воспламенителя. Это приводит к забросам далекой от отехиометрического состава горючей смеси в область расположения восп- ламенителя, что резко снижает надежность ее воспламенения. Тщательное же перемешивание компонентов потока сопряжено с увеличением габаритов расширяющегося инжекционного смесителя. Другая причина снижения надежности воспламенения горючей смеси состоит в возрастании мертвого пространства, в особенности богатых топливных смесей, при больших значениях скорости истечения смеси в камеру воспла- менения, а также при больших расходах, когда теплоотвод превосходит тепловыделение, приводящее к затуханию пламени. Мертвое пространство факела может простираться за пределы выходного сечения камеры воспламенения, тогда отрыв пламени наблюдается при скорости сносящего потока менее 1 м/с, надежность воспламенения топливной смеси снижается из-за однобокого взаимодействия смеси с восп- ламенителем особенно при скорости потока, превышающей скорость пламени. Кроме того, вектор скорости истечения горячих газов из выходного сечения камеры воспламе- нения ввиду смещения осей камеры воспламенения и смесителя отклонен от нормали выходного сечения, что снижает глубину проникновения в камеру сгорания при поперечном сносящем потоке воздуха в камере вплоть до срыва и потухания пла- мени. При малых расходах топлива скорость истечения меньше скорости распространения пламени, что приводит к проскоку пламени. Дополнительно необходимы значительные габариты известной конструкции воспламенителя для надежного воспламенения, что ограничивает область ее применения, например, для розжига топлива в ГГД и других энергетических агрегатах.

Целью изобретения является повышение надежности воспламенителя. Указанная цепь достигается тем, что камера воспламенения выполнена в виде диффузора с углом раскрытия 18-24° и соединена со смесителем через его участок, выполненный в виде цилиндрической камеры, длина которой лежит з поеделах:

6(dc - cb)/n 1С 15{dc - d3)/n, где 1С - длина камеры смешения;

dc - диаметр камеры смешения;

d3 - диаметр токоведущего стержня;

п - количество сопел для подачи топлива.

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что сокращение габаритов инжекционного смесителя за счет применения нескольких топливных сопел, создание рециркуляции потока в расширяющемся диффузоре за счет увеличения угла раскрытия больше 18 известно (см. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. ГУ.: Наука, 1976). а также известно повышение надежности воспламенения топливо-воздушной смеси искровым воспламенителем. Однако при введении приведенных признаков в связи с остальными элементами в заявляемом воспламенителе топливо-воздушной смеси вы- шеуказанные элементы и размеры проявляют новые свойства, что приводит к повышению надежности воспламенения и работы воспламенителя. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию существенные отличия.

На фиг.1 представлен продольный разрез воспламенителя: на фиг.2 - вид А при Г-образном расположении электрода; на фиг.З - то же, при Т-образном расположении электрода.

Воспламенитель содержит расположенные последовательно по ходу потока инжекционный смеситель 1 с отверстиями 2 для поступления воздуха и камеру воспламенения 3. В камере смешения 4 установлен изолированный от корпуса токоведущий стержень 5. на конце которого закреплен электрод 6, образующий разрядный промежуток 7 с внутренней поверхностью камеры воспламенения 3, которая выполнена в виде диффузора с углом раскрытия 18-24°. Сопла для подачи топлива 8 направлены в кольцевой зазор, образованный токоведущим стержнем 5 и внутренними стенками камеры смешения 4. Длина

камеры смешения выбрана из интервала 6(dc-d3)/n lc 15(dc-da)/n.

Воспламенитель работает следующим образом.

Струи топлива, истекающие из сопел 8, перемешиваются с инжектируемым через отверстия 2 воздухом в инжекционном смесителе 1, после чего топливовоздушная смесь поступает в камеру воспламенения 3. На электрод б и камеру воспламенения 3 подают напряжение от источника питания (на рисунках не показан) с емкостным разрядом. В разрядном промежутке 7 возникает электрический разряд. За время разряда топливовоздушная смесь выдувает плаз- менную струю в камеру воспламенения 3, где происходит поджигание топливовоз- лушной смеси. Отрыв потока топливовоз- душной смеси от стенок камеры воспламенения 3, благодаря углу раскрытия а - 18-24°, обеспечивает стабильную рециркуляцию струй топливовоздушной смеси в область поджигания, что обеспечивает надежное воспламенение этой смеси и предупреждает выход мертвого пространства за пределы выходного сечения камеры воспламенения, что в свою очередь, обеспечивает стабильность факела в сносящем потоке воздуха.

Были испытаны несколько вариантов воспламенителя с различным количеством топливных сопел и различной длиной ин- жекционного смесителя. При испытании использован импульсный источник питания мощностью 0,5 кВт частотой импульсов 7 , расход газа 5 г .

Диаметр инжекционного смесителя dc 16 мм, диаметр токоведущего стержня da 6 мм, центральный электрод Т-образный. Размер разрядного промежутка 1,3 ±0,4 мм, камера воспламенения имеет следующие размеры: длина 52 мм, диаметр входного сечения 36 мм, диаметр выходного сечения 53 мм. Испытания воспламенителей проводили при скоростях сносящего воздушного потока от 0 до 72 м/с и при разном количестве сопел для подачи топлива.

Первый вариант. Воспламенители с двумя соплами по 0,5 мм и следующими длинами инжекционного смесителя ic 25, 28, 30, 40. 45. 50, 60, 70, 75, 77, 82 мм.

При длине инжекционного смесителя 25 мм поджигания топливовоздушной сме

си не происходит из-за снихения коэффициента инжекции воздуха, образуется богатая, за пределами воспламенения топлизовоз- душная смесь. При с 28 мм возникают сбои в поджигании топливовоздушной смеси. Начиная с 1с 30 мм запальная горелка устойчиво работает. При с 40, 35, 50, 60, 70,75 мм наблюдается надежное воспламенение топливовоздушной смеси и устойчивое горение факела при скоростях сносящего потока от 0 до 70 м/с. При 1С 77 мм и более при подаче напряжения на электроды наблюдается задержка воспламенения разной длительности, что создает опасность взрывообразного воспламенения.

Второй вариант. Воспламенители с тремя топливными соплами по 0,5 мм, расположенными под углом 120°. Длины ин- жекционных смесителей Ic 18, 20, 30, 45, 50, 55 мм. При 1С 18 мм факел заметно отклонен от нормали при скорости сносящего потока 5 м/с, а при скорости 10 м/с этот угол близок к 90°. При длинах с 20. 30, 45, 50 мм зафиксировано надежное воспламенение и устойчивое горение факела при скоростях сносящего потока до 72 м/с. При длине смесителя 55 мм появляется характерное для горения богатой смеси дымление, что говорит о снижении полноты сгорания топлива.

В заявляемом устройстве достигнуто повышение надежности воспламенителя.

Формула изобретения

Воспламенитель, содержащий топливные сопла на входе в смеситель, соосную ему камеру воспламенения и расположенный по оси токоведущий стержень с электродом, образующий зазор с корпусом камеры воспламенения, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности при выполнении смесителя инжекционным, камера воспламенения выполнена в виде диффузора с углом раскрытия 18-24° и соединена со смесителем через его участок, выполненный в виде цилиндрической камеры, длина которой лежит в пределах

6(dc - ds)/n с 15(dc - d3)/n, где Ic - длина камеры смешения;

dc - диаметр камеры смешения;

da - диаметр токоведущего стержня;

п - количество сопел для подачи топлива.

tyuZ.i

Вид b(l Вариант)Вид A/fr вариант)

tyuz. 2

фигЪ