вихревая горелка

Формула изобретения

1. Вихревая горелка, содержащая корпус с входным и выхлопным патрубками, и последовательно расположенные в нем цилиндрический тангенциальный лопаточный завихритель с торцевой стенкой, по оси которого размещен узел подачи топлива, конфузорное сопло, образующее с выхлопным патрубком кольцевой проход, диаметр выходного участка сопла составляет 0,8-0,85 диаметра поперечного сечения завихрителя, отличающаяся тем, что содержит вентилятор, выходная кромка сопла расположена на уровне кромки выхлопного патрубка, а входной патрубок установлен на корпусе аксиально и подключен к вентилятору, при этом диаметр узла подачи топлива составляет 0,25-0,40 диаметра сопла.

2. Вихревая горелка по п.1, отличающаяся тем, что входной патрубок смонтирован соосно с завихрителем, а на торцевой стенке со стороны вентилятора установлен обтекатель.

3. Вихревая горелка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что вентилятор смонтирован в канальной компоновке.

4. Вихревая горелка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что вентилятор смонтирован осевого типа.

5. Вихревая горелка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что последовательно смонтированы два вентилятора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано при сжигании легкого и тяжелого жидкого топлива, а также различных видов газообразного топлива в топках котлов и печей, в частности в конструкциях блочных горелок теплофикационных водогрейных котлов.

Известна вихревая горелка, содержащая корпус с входным и выхлопным патрубками и последовательно расположенные в нем цилиндрический тангенциальный лопаточный завихритель с торцевой стенкой, по оси которого размещен узел подачи топлива, конфузорное сопло, образующее с выхлопным патрубком кольцевой проход [1]. Недостатком ее является отсутствие информации для повышения эффективности работы горелки. Наиболее близким к изобретению техническим решением является вихревая горелка, содержащая корпус с входным и выхлопным патрубками и последовательно расположенные в нем цилиндрический тангенциальный лопаточный завихритель с торцевой стенкой, по оси которого размещен узел подачи топлива, конфузорное сопло, образующее с выхлопным патрубком кольцевой проход, диаметр выхлопного участка сопла составляет 0,8-0,85 диаметра поперечного сечения завихрителя [2]. Недостатком этого устройства также является недостаточный объем информации для повышения эффективности работы горелки.

d_c - диаметр сопла, м; d_з - диаметр завихрителя, м; F_вх - суммарная площадь сечения входа завихрителя, м²; F_з - площадь поперечного сечения завихрителя, м²; d_т - диаметр крайнего положения узла подачи топлива, м.

Задан очень широкий диапазон геометрических размеров горелки d _c/d_з=0,5-0,85 и F_вх/F_з =0,04-0,1, среди которых имеются и оптимальные, но они неизвестны, а также неизвестны предельные положения узла подачи топлива. Отсутствуют указания по оформлению кольцевого выхода вторичного воздуха. Целью изобретения является повышение эффективности работы горелки за счет снижения энергетических, массовых и габаритных характеристик, которые достигаются снижением аэродинамического сопротивления горелки без снижения качественных характеристик горения, когда становится возможным применение низконапорных вентиляторов. Указанная цель достигается тем, что в вихревой горелке, содержащей корпус с входным и выхлопным патрубками и последовательно расположенные в нем цилиндрический тангенциальный лопаточный завихритель с торцевой стенкой, по оси которого размещен узел подачи топлива, конфузорное сопло, образующее с выхлопным патрубком кольцевой проход, диаметр выходного участка сопла составляет 0,8-0,85 диаметра поперечного сечения завихрителя, согласно изобретению содержит вентилятор, выходная кромка сопла расположена на уровне кромки выхлопного патрубка, а входной патрубок установлен на корпусе аксиально и подключен к вентилятору, при этом диаметр узла подачи топлива составляет 0,25-0,4 диаметра сопла.

Кроме того, входной патрубок смонтирован соосно с завихрителем, а на торцевой стенке со стороны вентилятора установлен обтекатель.

Кроме того, вентилятор смонтирован в канальной компоновке.

Кроме того, что вентилятор смонтирован осевого типа.

Кроме того, последовательно смонтированы два вентилятора.

Указанная совокупность отличительных признаков позволяет обеспечить повышение эффективности нового изделия относительно известных, например, в предложенных прототипом границах величин d_c /d_з=0,5-0,85 и F_вх/F_з=0,04-0,1, коэффициент сопротивления горелки в форме числа Эйлера изменяется в пределах 1,87-0,51 с минимумом при соотношении d_с /d_з=0,8-0,85 и F_вх/F_з=0,04-0,43. В таблице 1 представлены результаты расчета характеристик горелок по следующим параметрам S₀=(d_c/d_з )/(F_вх/F_з), где S₀ - геометрическая характеристика горелки, Eu'= p/ (w')² - коэффициент сопротивления завихрителя горелки по первичному воздуху в форме числа Эйлера Eu=2 , = w²/2 p, где р - сопротивление или перепад давления на горелке, Па:

- плотность потока воздуха на входе в завихритель, кг/м ³.

w' - скорость воздуха в каналах тангенциального завихрителя, м/с.

w'=10 м/с и w'=30 м/с - значение скорости минимальной и максимальной мощности горелки К=110%/36%=3 коэффициент регулирования мощности для блочных горелок. По результатам измерений выведена зависимость величины числа Эйлера (тангенциальный завихритель) от геометрической характеристики: 10,6/(0,66+S ₀).

dc/d з	Fвх /Fз	S 0	Eu'	р
				10 м/с	30 м/с
0,5	0,1	5	1,87	224	2356
0,8	0,1	8	1,22	146	1496
0,85	0,1	8,5	1,16	139	1357
0,5	0,04	12,5	0,81	97	875
0,85	0,043	20	0,51	61	551
0,8	0,04	20	0,51	61	551

Размещение узла подачи топлива в пределах d_т/d_c=0,25-0,4 относительно диаметра сопла установлено экспериментально путем последовательного изменения диаметра распределения выходных отверстий для паромазутной эмульсии на горелке 5 МВт (две горелки на котле ДКВр-10-13). При увеличении d_т/d_c против значения 0,4 и уменьшении 0,25 происходит разогрев металла, особенно торца горелки, связанный с возникновением дополнительных осевых циркуляционных течений, инициируемых динамическим напором струй эмульсии противоположного направления. Значение d_т/d_c соответствует заявленной геометрической характеристике камеры S₀ =0,8/0,04=0,85/0,043=20, в узле подачи топлива на диаметре менее 0,25 относительно диаметра сопла установлен узел розжига, а по оси - механическая форсунка рабочей мощности со слабым динамическим напором факела. В пределах относительного диаметра d_т /d_c=0,25-0,4 предусмотрен выход закрученного потока газообразного топлива.

При работе на газе разогрев торца не наблюдался, т.к. отсутствовало влияние парогазового и капельного потоков. Он имел место только на максимальных нагрузках по мазуту при 0,4<d_т/d_c<0,25. Вывод выходной кромки сопла на уровень кромки выхлопного патрубка очень важен. Если кромка патрубка будет длиннее, горелка вообще не может качественно работать из-за разрушения структуры вихревого факела, а если кромка сопла будет длиннее, то неэффективно взаимодействие факела со вторичным воздухом, и возникает потребность в увеличении суммарного избытка воздуха. Подключение канального вентилятора соосно горелке без изменения диаметра канала между корпусами горелки и вентилятора снижает потери давления. Более того, динамический напор вращающегося потока воздуха максимально используется при входе в завихритель одинакового с ним направления вращения. Все это позволяет получить явные преимущества по сравнению с центробежными вентиляторами с тангенциальным выхлопным патрубком. Канальные вентиляторы применяются в системах вентиляции и представляют собой центробежные вентиляторы с патрубками входа и выхода одинакового диаметра на корпусе, размещенные по оси. В них используются электродвигатели с внешним ротором, которые размещаются в пределах лопаточного колеса. Они имеют малую длину и малошумны, позволяют компоновку "в линию" с горелкой, снижают массу и длину блока за счет упрощения конструкции корпуса. Потребляемая мощность их также существенно ниже, чем у центробежных вентиляторов с тангенциальным выхлопным патрубком. Они могут быть оборудованы системой частотного регулирования нагрузки.

Установка обтекателя на торцевой стенке горелки снижает аэродинамическое сопротивление на переходе от вентилятора к горелке. И позволяет разместить в его полости узел подачи топлива. А также элементы его распределения и регулирования. С увеличением единичной мощности блочных горелок, например, более 5 МВт, могут быть использованы осевые вентиляторы «Аксипал» типа FTDA.

В случае несоответствия производительности и напора для конкретного образца могут быть использованы два вентилятора, соединенные последовательно. Это незначительно увеличивает длину блока, но дает широкие возможности для регулирования с использованием двух ступеней при одновременной экономии электроэнергии против центробежных вентиляторов с тангенциальным выхлопом.

На фиг.1 изображен вид сбоку с разрезом вдоль оси завихрителя блочной вихревой горелки в комплекте с центробежным вентилятором. Входной патрубок установлен на корпусе аксиально с целью минимизации габаритов блока, т.к. установка тангенциального патрубка увеличивает ширину конструкции на 30%.

На фиг.2 показан вид с фронта блочной горелки по фиг.1.

На фиг.3 изображен продольный разрез блочной горелки с одним канальным вентилятором.

На фиг.4 представлена блочная горелка с двумя канальными, последовательно соединенными, вентиляторами. На ней указаны такие направления воздушных потоков, диаметр распределения выпускных отверстий для топлива (d_t) и диаметр для вихревого факела (d_ф).

На фиг.5 показана компоновка блочной горелки с осевым вентилятором и направлением потоков воздуха. Блочная вихревая горелка включает в себя тангенциальный лопаточный завихритель 1 и сопло 2, образующие проточную часть камеры горения с закруткой первичного воздуха, кольцевой проход 4 между соплом и выхлопным патрубком корпуса для подачи вторичного воздуха. Проточная часть заключена в корпусе 3. В едином корпусе установлен и канальный вентилятор, имеющий входной патрубок 5, крыльчатку 6 и двигатель 7 с внешним ротором. За вентилятором на торцевой стенке 12 вихревой камеры установлен обтекатель 8, внутри которого по оси размещен узел подачи топлива 10 с центральной и/или коаксиальной 11 форсунками, узлами распределения и регулирования подачи топлива (не показаны).

Горелку запускают следующим способом.

Включают вентилятор и узел розжига (не показан).

После появления устойчивого запального факела включают основное топливо на минимальной нагрузке в заданном соотношении с воздухом (соотношение топлива и первичного воздуха '=0,2-0,5). Возможен устойчивый запуск на любой нагрузке.

Распределение первичного и вторичного воздуха производится из общего корпуса за счет проходных сечений. При изменении нагрузки соотношение первичного и вторичного воздуха остается постоянным, что способствует высокому качеству сгорания во всем диапазоне рабочих нагрузок (36-110%).

При установке двух вентиляторов включают сначала один. А при необходимости, с увеличением нагрузки, и второй.

Остановка горелки может быть произведена при постепенном снижении нагрузки. В аварийной ситуации сначала отключают топливо, а затем через 2-3 минуты - воздух или топливо и воздух одновременно.

Максимальная тепловая нагрузка камеры составляет 25 МВт/м² площади поперечного сечения завихрителя для горелок 0,1-15 МВт единичной мощности. Температура стенки проточной части на рабочем режиме не превышает 100-150 °С. Горелки изготавливают из стали Ст.3, включая проточную часть.

Источники информации:

1. SU 1814714 A3, F 23 C 3/00.

2. SU 1740866 А1, F 23 C 3/00.