Устройство для термического разрушения горных пород Советский патент 1993 года по МПК E21B7/14 E21C37/16 

Изобретение относится к устройствам для термического разрушения горных по$од и может найти применение в горной промышленности и при обработке поверхности различных изделий высокотемпературной газовой струей.

На фигЛ показан продольный разрез устройства; иа фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.З - сечение Б-Б на фиг, 1,

Устройство содержит корпус 1, распределительную головку 2 с полостью для подвода окислителя, сопловой аппарат 3 с полостью 4 охлаждения и соплом 5 для истечения продуктов сгорания, размещенный между корпусом f и жаровой трубой 7 дефлектор 8, образующий с корпусом 1 кольцевой канал 9 и с жаровой трубой 7 кольцевой канал 10. Со стороны головки 2 к устройству подведены магистраль 11 для подвода окислителя и магистраль 12 для подвода топлива. 8 головке 1 выполнена сообщенная с магистралью 11 полость 13 для подвода окислителя и выполнен ряд радиальных отверстий 14, сообщающих полость 13 для подвода окислителя с кольцевым каналом 9. Выполненный в нижней части дефлектора 8 лопаточный завихритель 6 сообщает тангенциальными каналами 15 кольцевой канал 9 с полостью 4 и через нее с кольцевым каналом 10. Совместно с головкой 2 в виде единой детали выполнен корпус 16 пневматической форсунки с сопловым отверстием 17, Жаровая труба 7, сопловой аппарат 3 и нижний торец корпуса 16 ограничивают полость камеры сгорания 18. В корпусе 16 форсунки вмонтирован эавихритель 19 с винтовыми каналами 20 и шток 21 с осевым глухим гнездом со смещенными друг относительно друга радиальными каналами 30, вход каждого из которых расположен на его внутренней полости глухого гнезда, и с расположенным на наружной поверхности корпуса 16 выступом 28 кольцевой формы.

Жаровая труба 7 имеет входную обечайку 22, которая свободно находит на корпус 16 и совместно с ним образует кольцевой канал 23, а совместно с торцом головки 2 образует торцевой зазор 24, сообщающий кольцевой канал 10 с кольцевым каналом 23, При этом площадь проходного сечения ка00

w

««а

О

4

СО

нала 23 составляет 1,0...1,2 площади критического сечения сопла 5. Равномерность кольцевого канала 23 по окружности обеспечивается радиальными вставками 25.

Шток 21 совместно с корпусом 16 образует смесительную камеру 26, которая через образованную выступом на штоке и торцом корпуса 16 форсунки кольцевую щель 27 сообщена с полостью для подвода окислителя 13, а винтовые канавки на боковой поверхности завихрителя 19 образуют со стенками полости винтовые каналы 20, вход которых сообщен со смесительной камерой 26, а выход сообщен с сопловым отверстием 17 в корпусе 16 форсунки.

В штоке 21 имеется осевой канал 29, соединенный с магистралью подвода топлива 12 и несколько радиальных каналов 30, сообщающих осевой канал 29 с камерой 26 смешения. При этом оси радиальных каналов 30 расположены равномерно по окружности перед входной кромкой 28 корпуса 16, проходят свободно через кольцевую щель 27 и смещены относительно друг друга в направлении продольной оси устройства. Суммарная площадь винтовых каналов 20 завихрителя 19 составляет 0,03...0,05 площади проходного сечения кольцевого канала 23.

Устройство работает следующим образом.

На пусковом режиме к головке. 2 по магистрали 11 окислителя и магистрали 12 топлива подаодят сжатый воздух и жидкое топливо. Расходы воздуха и топлива составляют 0,05...О,ТО номинальных расходов. Сжатый воздух проходит из магистрали Т1 в воздухоподводящую полость 13 головки 2, через отверстия 14 в кольцевой канал 9, затем через завихритель 6 в кольцевой канал 10. торцевой зазор 24 и по кольцевому каналу 23 входит в камеру 18 сгорания.

Часть сжатого воздуха, составляющая 5-8% от общего расхода, подаётся из возду- хоподводящей полости 13 в камеру 18 сгорания через пневматическую форсунку, при этом воздух проходит через кольцевую щель 27, камеру 26 смешения, винтовые каналы 20 и сопловое отверстие 17.

Топливо из магистрали 12 по каналу 29 штока 21 и через радиальные отверстия 30 поступает в камеру 26 смешения. Так как расход топлива на пусковом режиме значительно меньше номинальных расходов, то истечение топлива через радиальные отверстия 30 о камеру 26 смешения происходит с малой скоростью при ламинарном режиме точения, Капли топлива уносятся воздушным потоком из камеры 26 смешения через винтовые каналы 20 завихрителя 19 и через

сопловое отверстие 17 в камеру 18 сгорания.

Таким образом, на пусковых расходах топливо подается в камеру 18 сгорания непосредственно через пневматическую форсунку, минуя тракт охлаждения соплового аппарата 3 и жаровой трубы 7, при этом в пневматической форсунке происходит дробление капель топлива, смешение топлива с

0 воздухом и истечение топливо-воздушной смеси в камеру 18 сгорания закрученным потоком, что стабилизирует пламя после воспламенения смеси. Воспламенение смеси производится от свечи зажигания или от

5 внешнего источника путем втягивания пламени внутрь камеры сгорания. После воспламенения смеси производится вывод устройства на рабочий режим путем синхронного увеличения расходов сжатого воздуха и топлива.

0 При увеличении расхода топлива происходит увеличение скорости истечения топлива из радиальных отверстий 30 в камеру 26 смешения, при этом скоростной напор топливных струй увеличивается и деформа5 ция струй воздушным потоком уменьшается, топливные струи выпрямляются и истекают через кольцевую щель 27 в воздухоподводящую полость 13 головки 2, где дробятся и уносятся воздушным потоком в

0 кольцевой канал 9.Так как радиальные отверстия 30 смещены относительно друг друга в направлении продольной оси устройства, то расход топлива через пневматическую форсунку при выходе устройства на рабочий ре5 жим уменьшается постепенно, без резких

изменений, что уменьшает возможность

срыва пламени.

На рабочем режиме практически все

топливо выбрасывается из камеры 26 сме0 шения в воздухоподводящую полость 13, где, смешиваясь с потоком воздуха, поступает через отверстия 14 в кольцевой канал 9. Из этого канала топливо-воздушная смесь проходит через лопаточный завихритель 6,

5 в котором ей сообщается окружная составляющая скорости, в кольцевой канал 10, по которому поднимается вверх до головки 2,

Сообщение закрутки топливо-воздушной смеси в завихрителе 6 приводит к ин0 тенсивному перемешиванию топлива с воздухом, дроблению капель топлива и выравниванию концентрации топлива по поперечному сечению кольцевого канала 10, интенсивному испарению топлива и нагре5 ву топливо-воздушной смеси в этом канале. Все тепло, затраченное на нагрев смеси и испарение топлива, снимается со стенок наиболее нагретых элементов устройства - соплового аппарата 3 и жаровой трубы 7. Особенно интенсивно охлаждаются стенки

соплового аппарата и нижней части жаровой трубы, где теплоперепад между стенками и топливо-воздушной смесью наибольший. По мере движения топливо- воздушной смеси по каналу 10 к головке 2 температура смеси повышается и охлаждение жаровой трубы ухудшается.

Из кольцевого канала 10 топливо-воздушная смесь через торцевой зазор 24 и кольцевой канал 23 вводится в камеру 18 сгорания в виде кольцевой струи с высокой скоростью, равной 100...150 м/с. Высокая скорость истечения топливо-воздушной смеси из кольцевого канала 23 обеспечивается тем, что площадь проходного сечения канала 23 принята равной 1,0.,.1,2 площади критического сечения сопла 5. Скорость топливо-воздушной смеси в кольцевой струе значительно выше скорости распространения пламени, составляющей не более 15...20 м/с, поэтому кольцевая струя является защитным экраном для жаровой трубы со стороны камеры сгорания. Особенно эффективна защита для передней части жаровой трубы: на этом участке кольцевая струя не размыта продуктами сгорания. Кольцевая струя топливо-воздушной смеси эжектирует продукты сгорания и топливо-воздушную смесь из центральной зоны камеры сгорания и приводит к образованию в центральной части камеры сгорания интенсивных обратных токов. Наличие зоны обратных токов обеспечивают стабилизацию фронта пламени непосредственно за торцом корпуса 16 пневматической форсунки.

Используя известные зависимости, можно установить, что длина зоны обратных токов составляет около 1 /3 длины камеры сгорания, а максимальная скорость потока у стенки жаровой трубы в конце зоны обратных токов составляет около 50 м/с. Таким образом, можно сделать вывод, что передняя часть жаровой трубы надежно защищена от теплового воздействия кольцевым потоком топливо-воздушной смеси,

Часть сжатого воздуха, составляющая около 5...7% от общего расхода воздуха, вводимого в камеру сгорания, проходит из воздухоподводящей полости 13 через кольцевую щель 27, винтовые каналы 20 и сопловое отверстие 17 в камеру 18 сгорания. При этом холодный воздух, проходя через винтовые каналы 20, приобретает окружную составляющую скорости и при выходе из сопла 17 под действием центробежных сил образует конический закрученный воздушный поток. Закрученный конический поток холодного воздуха надежно защищает торец корпуса 16 пневматической форсунки от

теплового потока со стороны камеры 18 сгорания.

Предлагаемая конструкция газоструй- 5 ного устройства обеспечивает повышение надежности запуска и эксплуатации устройства. Дополнительным преимуществом предлагаемого устройства является возможность работы на низкосортных топливах при высо0 кой полноте сгорания топлива за счет качественной подготовки топливной смеси. Формула изобретения 1. Устройство для термического разрушения горных пород, включающее корпус,

5 установленную коаксиально внутри корпуса жаровую трубу, распределительную головку с полостью для подвода окислителя, сопло- вый аппарат с полостью для его охлаждения и с соплом для истечения продуктов сгора0 ния из внутренней полости камеры сгорания, размещенный между корпусом и жаровой трубой и образующий с последними кольцевые каналы дефлектор, образованную жаровой трубой, сопловым

5 аппаратом и распределительной головкой камеры сгорания, соединенную с распределительной головкой магистраль для подвода окислителя, которая последовательно через полость для подвода окислителя в распре0 делительной головке, каналы для прохода окислителя в распределительной головке, кольцевой канал между корпусом и дефлектором, полость для охлаждения соплового аппарата и кольцевой канал между дефлек5 тором и жаровой трубой сообщена с внутренней полостью камеры сгорания, расположенный по продольной оси устройства завихритель с винтовыми канавками на его боковой поверхности, шток с осевым

0 глухим гнездом со смещенными друг относительно друга по продольной оси штока радиальными каналами, вход каждого из которых расположен во внутренней полости глухого гнезда, и с расположенным на его

5 наружной поверхности выступом кольцевой формы, и магистраль для подвода топлива, от л и ч а ю щ е ее я тем, что оно снабжено расположенной в распределительной головке форсункой для запуска устройства,

0 расположённой в ее корпусе полостью для размещения завихрителя и с сопловым отверстием для подачи топливной смеси во внутреннюю полость камеры сгорания и установленным в полости для охлаждения соплового аппарата

5 дополнительным завихрителем с тангенциально расположенными к продольной оси устройства каналами, а магистраль для подвода топлива сообщена с внутренней полостью глухого гнезда в штоке, при этом наружная боковая поверхность штока и стенки полости для размещения завихрителя в корпусе форсунки образуют смесительную камеру, которая через образованную выступом на штоке и торцом корпуса форсунки кольцевую щель сообщена с полостью для подвода окислителя в распределительной головке, а винтовые канавки на боковой поверхности основного завихрителя образуют со стенками полости для его размещения в корпусе форсунки винтовые каналы, вход которых

бой и дефлектором сообщен с внутренней полостью камеры сгорания через торцевой зазор между торцом жаровой трубы и распределительной головкой и кольцевой канал между жаровой трубой и боковой поверхностью корпуса форсунки,

3. Устройство по пп.1 и 2, о т л и ч а ю- щ е е с я тем, что площадь проходного сечения кольцевого канала между жаровой

сообщен со смесительной камерой, а выход 10 трубой и боковой поверхностью корпуса

- С сопловым отверстием в корпусе форсунки,-причем выход радиальных каналов в штоке расположен в кольцевой щели равномерно по периметру штока.

2. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что корпус форсунки расположен коаксиально внутри жаровой трубы и образует своей боковой поверхностью с жаровой трубой кольцевой канал, а жаровая труба установлена с торцевым зазором относительно распределительной головки, при этом кольцевой канал между жаровой тру12

форсунки составляет 1,0-1,2 площади критического сечения сопла.

4. Устройство по пп.1-3, от л и ч а ю- щ е е с я тем, что корпус форсунки выполнен 15 за одно целое с распределительной головкой,

5. Устройство по пп.2 и 3, отличающее с я тем, что суммарная площадь винтовых каналов составляет 0,03-0,05 площа- 20 ди проходного сечения кольцевого канала между жаровой трубой и боковой поверхностью корпуса форсунки.

бой и дефлектором сообщен с внутренней полостью камеры сгорания через торцевой зазор между торцом жаровой трубы и распределительной головкой и кольцевой канал между жаровой трубой и боковой поверхностью корпуса форсунки,

3. Устройство по пп.1 и 2, о т л и ч а ю- щ е е с я тем, что площадь проходного сечения кольцевого канала между жаровой

форсунки составляет 1,0-1,2 площади критического сечения сопла.

4. Устройство по пп.1-3, от л и ч а ю- щ е е с я тем, что корпус форсунки выполнен за одно целое с распределительной головкой,

5. Устройство по пп.2 и 3, отличающее с я тем, что суммарная площадь винтовых каналов составляет 0,03-0,05 площа- ди проходного сечения кольцевого канала между жаровой трубой и боковой поверхностью корпуса форсунки.