Огнеструйная горелка

 

Использование: для сжатия горючего в газообразном окислителе и предназначено преимущественно для бурения, разрубания крепчайших пород природного камня. Сущность изобретения: в смесительном элементе выполнены центральный и коаксиальный каналы, при этом f_om_г/f_гm_o0,15, а W = W_r-W_o>0, где f_o, f_г - площади проходных сечений на выходе соответственно из центрального и коаксиального каналов смесительного элемента, m_o, m_г - массовые расходы соответственно газообразного окислителя и горючего, W_г, W_o - скорости поступления в камеру сгорания 7 соответственно горючего и окислителя. 2 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к высокоэффективным устройствам для сжигания горючего в газообразном окислителе и предназначено преимущественно для бурения, разрушения или иной обработки крепчайших пород природного камня.

Для оценки новизны и изобретательского уровня заявленного решения рассмотрим ряд известных технических средств аналогичного назначения.

При термическом способе обработки высокопрочных горных пород последняя разрушается под действием высокотемпературной газовой струи, выбрасываемой со сверхзвуковой скоростью из сопла горелки, в которой горючее сжигается в кислородной среде.

При этом в нагреваемой породе, обладающей низкой теплопроводностью, возникают большие перепады температур между поверхностными и глубинными слоями, происходит различное тепловое расширение кристаллов и в породе появляются высокие напряжения, разрушающие ее. При этом порода под действием высоких температур не плавится, а "шелушится". Образующиеся при таком разрушении частицы сбрасываются отраженным газовым потоком с поверхности, при этом обнажаются новые слои, на которые воздействует факел раскаленных газов горелки. В результате создается быстрое, непрерывное и направленное разрушение породы, причем чем крепче оказывается порода, тем быстрее она разрушается. Особо интенсивно этот процесс протекает в кварцесодержащих породах, т.к. кварц, претерпевая температурные полиморфные превращения, сильно и скачкообразно расширяется в объеме (до 17,4%).

Для разрушения или обработки крепчайшей горной породы таким перспективным и эффективным способом требуется, чтобы температура газов на выходе из сопла горелки была более 2000^oС, а скорость их истечения не менее 1900 м/сек. Такие высокие параметры газовой струи обеспечиваются далеко не всеми горелками, в которых используется принцип сжигания горючего в среде окислителя.

Известна, например, горелка, содержащая корпус с профилированным выходным соплом, в котором соосно установлены с возможностью продольного перемещения кольцевая перегородка с центральным проемом, снабженная на переднем торце цилиндрической обечайкой, и топливный коллектор с сопловым участком(см. а. с. N914876, кл.F 23D 13/00). В качестве топлива в этой горелке используется природный газ, а в качестве окислителя атмосферный воздух.

Указанная горелка представляет собой эжекторное устройство внутреннего сгорания, в котором топливо сгорает в специально образованной камере.

Существенными недостатками данного устройства, не позволяющими достичь поставленную нами цель, является фронтальный характер сгорания топлива, неоднородность получаемого газового потока, неполное сгорание горючего. Подобное устройство непригодно для разрушения крепких горных пород, т.к. температура на срезе горелки не превышает 1200 1500^oС и является явно недостаточной. Кроме того, скорость истечения продуктов сгорания из соплового отверстия этой горелки равна примерно 500 600 м/с, что явно ниже уровня, требуемого для ведения процесса разрушения породы.

Известны также горелки внутреннего сгорания типа ЛТ-1 и Т-3 и др. в которых сгорание происходит в камере под избыточным давлением (свыше 0,6 МПа) (см. Ю.А.Берлин и др. Обработка строительного декоративного камня. Л. Стройиздат, 1979, рис.70, 72).

Подобные устройства обеспечивают температуру газовой струи на срезе сопла горелок в пределах 1800 1850^oC и скорость истечения продуктов сгорания до 300 м/с. Попытки увеличить скорость истечения за счет соплового насадка в 2 раза приводит к снижению температуры до значений менее 1000^oC.

Все упомянутые режимы работы известных горелок не позволяют достичь поставленной нами цели.

Известен "струйный" прибор для резки высокопрочных горных пород, состоящий из огнеструйной горелки, рукоятки с пусковым механизмом, соединительной трубки и подводов для питания топливом и водой. Огнеструйная горелка в данном устройстве содержит корпус с каналами для подачи газообразного окислителя (кислород) и горючего (керосин), сообщенными со смесительным элементом, камеру сгорания, выходное сопло и водоохлаждаемую насадку (см. журнал "Строительные материалы", N1, 1959, Госстрой СССР).

В данной горелке горючее для смешения подается через центральный канал, а кислород через систему периферийных отверстий. Полученные в результате перемешивания и сгорания топливной смеси продукты сгорания вытекают из горелки через сопло со сверхзвуковой скоростью. Температура газов на срезе сопла горелки при этом достигает значения около 2300^oС при скорости истечения, равной примерно 2700 м/с.

Указанное устройство имеет с заявленным ряд сходных признаков и по достигаемому результату превосходит все известные нам средства аналогичного назначения.

По наибольшему количеству сходных признаков и достигаемому при использовании результату данное техническое решение выбрано в качестве прототипа заявляемого изобретения.

Недостатками прототипа является недостаточная надежность, долговечность и эффективность работы, не позволяющие достичь поставленной нами цели - эффективной обработки крепчайших горных пород.

Эти недостатки обусловлены рядом следующих обстоятельств.

1. В камере сгорания горелки-прототипе происходит фронтальное сгорание смеси горючего и кислорода, что определяется выбранной схемой смесеобразования (плоская форсуночная головка, однокомпонентные форсунки) и, в свою очередь, приводит к получению неоднородного газового потока, неполному сгоранию топливной смеси, повышенному сажеобразованию, а также появлению нежелательных акустических колебаний. Все это снижает потенциальную эффективность горелки.

2. В горелке-прототипе часть струй кислорода потоком горючего отбрасывается к стенке камеры, что заставляет ее работать в тяжелом температурном режиме и значительно ускоряет ее разрушение за счет появления пролизей, эрозии и мест прогаров. Смычные водоохлаждающие насадки не справляются с задачей достаточно эффективного охлаждения такой камеры сгорания, а создание специальных устройств для защиты камеры от разрушения (например, поясов завесы у ее стенок) при малых размерах горелки практически невыполнимо.

В конечном счете эти обстоятельства приводят к резкому снижению ресурса работы такой горелки, необходимости частой ее замены, снижают производительность обработки.

3. В существующей горелке отсутствует возможность регулирования режима ее работы (форсирование по давлению в камере), что также снижает ее эффективность при необходимости переналадки на иной вид выполняемой работы, сужает функциональные возможности прототипа.

Задачей изобретения является повышение надежности и эффективности работы горелки путем изменения характера процесса сгорания топлива и обеспечение неизменности этого процесса при форсировании режима работы горелки по давлению в камере.

Сущность заявляемого изобретения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше технического результата.

Согласно изобретению в огнеструйной горелке, содержащей корпус с каналами для подачи газообразного окислителя и горючего, сообщенных со смесительным элементом, камеру сгорания, выходное сопло и водоохлаждаемую насадку, смесительный элемент снабжен центральным и коаксиальным каналами, при этом центральный канал смесительного элемента сообщен с каналом для подачи газообразного окислителя, а коаксиальный канал с каналом для подачи газообразного горючего, кроме того, соотношение площадей выходных сечений каналов смесительного элемента, массовых расходов топлива и скоростей их поступления в камеру сгорания выбраны удовлетворяющими условиям где fо, Fг площади выходных сечений центрального и коаксиального каналов смесительного элемента соответственно; m_o, m_г массовые расходы газообразных окислителя и горючего соответственно, и W = W_г-W_o>0, где Wг, Wo скорости поступления в камеру сгорания горючего и окислителя соответственно.

В этом заключается совокупность существенных признаков, обеспечивающая получение технического результата вo всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.

Кроме этого, заявленное решение имеет факультативные признаки, характеризующие его частные случаи, конкретные формы его материального воплощения либо особые условия его использования, а именно: смесительный элемент может быть снабжен сменным насадком для изменения площади выходного сечения коаксиального канала; смесительный элемент может быть выполнен с образованием между ним и камерой сгорания дополнительной интенсифицирующей процесс смесеобразования камеры.

Заявленное техническое решение является новым, так как характеризуется наличием новой совокупности признаков, отсутствующей во всех известных нам объектах техники аналогичного назначения.

Непосредственный технический результат, который может быть получен при реализации заявленной совокупности признаков, заключается в том, что в заявленном устройстве реализуется иной характер взаимодействия горючего и окислителя, которые перемещаются двумя спутными потоками и вступают в постепенное взаимодействие, результатом которого является сгорание в некоторой пространственной распределенной зоне, объем которой увеличивается по длине камеры сгорания, достигая максимальных значений у ее выхода. При этом у стенки камеры сгорания постоянно находится постепенно уменьшающийся слой горючего.

Данный технический результат не является следствием известных свойств, проявляемых рядом порознь известных из других объектов техники признаков, таких как центральный и коаксиальный каналы, а является свойством только всей заявленной в первом пункте формулы совокупности признаков, в т.ч. таких полностью новых признаков, как взаимное размещение каналов смесительного элемента, соотношение геометрических размеров каналов и массовых расходов топлива и окислителя.

Получение упомянутого технического результата обеспечивает появление у объекта изобретения в целом ряда новых полезных свойств, а именно: объемное распределенное сгорание горючего обеспечивает максимально возможную интенсивность процесса сгорания, исключает вероятность неполного сгорания горючего, возможность сажеобразования; вся поверхность стенки камеры сгорания оказывается защищенной слоем горючего и нигде не подвергается разрушительному воздействию струй окислителя;
обеспечивает возможность простого изменения режима работы горелки в широком диапазоне значений давления в камере сгорания при постоянстве высокой расчетной полноты сгорания горючего;
исключает (или резко уменьшает) вероятность возникновения продольных акустических колебаний внутри камеры сгорания, являющихся трудноустранимой причиной большинства случаев преждевременного разрушения камеры сгорания существующих горелок со сверхзвуковым истечением продуктов сгорания.

Указанное позволяет признать заявленное техническое решение соответствующим критерию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 представлен разрез по предлагаемому устройству, на фиг.2 картина объемного распределенного взаимодействия спутных потоков горючего и окислителя, на фиг.3 разрез по предлагаемому устройству с установленным сменным насадком и образованием дополнительной камеры.

Устройство содержит корпус 1, в котором размещены канал для подачи газообразного окислителя 2, канал для подачи газообразного горючего 3 и смесительный элемент 4. Центральный канал 5 смесительного элемента 4 сообщен с каналом 2. Коаксиальный канал 6 смесительного элемента 4 сообщен с каналом 3.

Горелка содержит также камеру сгорания 7, выходное сопло 8, водоохлаждаемую насадку 9 с водяным каналом вдоль стенки 10 камеры сгорания 7.

Горелка может снабжаться сменным насадком 11. Смесительный элемент 4 может быть выполнен с образованием дополнительной камеры 12, интенсифицирующей процесс смесеобразования в камере сгорания 7.

Устройство работает следующим образом.

По каналу 3 в горелку поступает горючее, например метан, а по каналу 2 - кислород. Заявленная конструкция смесительного элемента 4 обеспечивает их совместное продвижение в виде двух спутных потоков потока кислорода, истекающего из центрального канала 5, и потока горючего, истекающего из коаксиального канала 6 смесительного элемента 4. В дополнительной камере 12 начинается процесс массообмена на границе раздела двух газовых потоков, что создает максимально благоприятные условия для последующего процесса сгорания в камере 7.

Процесс сгорания топлива в камере 7 происходит иным, принципиально отличным от всех известных горелок с газообразным окислителем, образом.

Процесс смешения потоков горючего и окислителя в его известном и традиционном виде, когда образуется фронтальный слой топливной смеси, в данном случае не происходит. Два спутных потока начинают взаимодействовать в некоторой объемной зоне по границе их раздела, где и начинает происходить процесс объемного распределенного сгорания, как условно показано на фиг.2.

Объемная зона сгорания (выгорания) топлива увеличивается по длине камеры сгорания 6, одновременно с этим выравнивается эпюра состава газовых потоков.

Наибольшая эффективность работы горелки достигается за счет взаимодействия двух спутных потоков с относительной скоростью
W = W_г-W_o>0
где Wг скорость потока горючего,
Wо скорость потока окислителя, при этом эффективность рaботы смесительного устройства тем выше, чем больше величинa этой разности.

Hа основании проведенных исследований установлено, что площади выходных сечений каналов 5 и 6 смесительного элемента 4 (f_о и f_г) и массовые соотношения расходов (m_o и m_г) должны удовлетворять условию
.

Следует отметить, что указанные соотношения обеспечивают эффективную работу смесительного устройства для горелок с внутрикамерным сжиганием топлива при достаточно больших давлениях в камере сгорания (более 0,3 0,5 МПа).

Последнее условие однозначно следует из того, что при значении указанного соотношения физических параметров горелки меньшем, чем 0,15, эффективный массообмен между двумя спутными потоками не обеспечивается.

В результате организации описанного выше объемного распределенного процесса сгорания горючего стенки камеры 7 находятся в существенно облегченных условиях, т. к. они постоянно оказываются защищенными восстановительным слоем горючего и не подвергаются разрушительному воздействию струй окислителя.

Сменные насадки 11 позволяют изменять эффективные площади сечений центрального и коаксиального каналов 5 и 6 смесительного элемента 4, чем обеспечивается изменение режима работы горелки при соблюдении указанных выше условий.

Возможность промышленного применения заявленного технического решения подтверждается успешными результатами испытаний опытного образца заявленного устройства, выполненных заявителями и подтвердивших высокие технические и эксплуатационные характеристики горелки.

Использование заявленного решения по сравнению со всеми известными средствами аналогичного назначения обеспечивает следующие преимущества:
независимость высокой расчетной полноты сгорания топлива от режима работы горелки в широком диапазоне значений давления в камере сгорания горелки;
надежную защиту огневой стенки камеры сгорания горелки от прогара за счет создания вдоль ее образующей однородного восстановительного газового слоя;
повышенный запас акустической устойчивости процесса сгорания топливной смеси, что предотвращает преждевременный износ камеры сгорания;
простота конструкции, дающая возможность создания горелки с малым поперечным сечением, что создает предпосылки для ее конструктивной трансформации в изделие малых форм.

Формула изобретения

1. Огнеструйная горелка, содержащая корпус с каналами для подачи газообразного окислителя и горючего, сообщенными со смесительным элементом, камеру сгорания, выходное сопло и водоохлаждаемую насадку, отличающаяся тем, что в смесительном элементе выполнены центральный и коаксиальный каналы, при этом центральный канал смесительного элемента сообщен с каналом для подачи газообразного окислителя, а коаксиальный канал с каналом для подачи газообразного горючего, при этом отношение произведения площади проходного сечения на выходе из центрального канала и массового расхода горючего к произведению площади проходного сечения на выходе из коаксиального канала и массового расхода газообразного окислителя больше или равно 0,15, т.е.

а разность между скоростями поступления в камеру сгорания горючего и окислителя больше О, т.е. W = W_г-W_o>0,
где f₀, f_г площади проходных сечений на выходе соответственно из центрального и коаксиального каналов смесительного элемента;
m₀, m_г массовые расходы соответственно газообразного окислителя и горючего;
W_г, W₀ скорости поступления в камеру сгорания соответственно горючего и окислителя.

2. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что смесительный элемент снабжен сменным насадком для изменения площади выходного сечения коаксиального канала.

3. Горелка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что смесительный элемент установлен с образованием между ним и камерой сгорания дополнительной камеры, интенсифицирующей процесс смесеобразования.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3