Низконапорная регулируемая горелка

Изобретение относится к области теплоэнергетики и предназначено для сжигания жидкого топлива в котлах, нагревательных устройствах и камерах сгорания. Может быть использовано в судовых и стационарных тепловых установках.

Известна низконапорная регулируемая горелка (Патент №2118752, Бюл. №28 от 10.09.98), содержащая камеру подвода воздуха (воздушную камеру), завихритель подаваемого воздушного потока с поворотными радиальными направляющими лопатками, встроенными с возможностью поворота вокруг своей оси посредством привода, размещенного снаружи воздушной камеры, и сообщенными своей выходной оконечностью с соплом Вентури, образованным каналами конфузора суженного сечения и диффузора, и трубопровод подачи топлива, коаксиально вмонтированный в суженное сечение и снабженный на своей оконечности распыливающими отверстиями, оси которых поперечно ориентированы к оси сопла Вентури, регулятор расхода топлива, кинематически связанный с механизмом угла поворота лопаток, и стабилизатор горения, снабженный торцевой стенкой и цилиндрической обечайкой.

Недостатками известной низконапорной регулируемой горелки являются: сложность приводного устройства поворота осевого лопаточного аппарата и регулятора расхода топлива, что обусловлено тем, что оси вращения лопаток направлены по радиусу канала подачи воздуха, и индивидуальные приводы лопаток расположены снаружи канала, и требуется согласование их угла поворота; малая глубина регулирования производительности горелки, определяемая малой величиной закручивания потока воздуха вследствие опасности выпадения капель топлива в закрученном потоке на стенки диффузорного канала. Все это снижает надежность работы и глубину регулирования горелки, что приводит к необходимости увеличения числа горелок на фронте котла.

Известна низконапорная регулируемая горелка, являющаяся горелкой-прототипом (Сень Л.И. Оптимизация технико-экономических решений при проектировании и эксплуатации котельных установок малой мощности. Владивосток: Мор. гос. ун-т, 2004, стр.62-66), содержащая камеру подвода воздуха, камеру завихрения, лопаточный завихритель подаваемого воздушного потока с поворотными направляющими лопатками, оси вращения которых сосны потоку воздуха и размещены внутри воздушного канала, сообщенными своей выходной оконечностью с камерой завихрения, сопло Вентури, образованное каналами конфузора, суженного сечения и диффузора, и сопряженное входной оконечностью конфузора соосно с камерой завихрения на ее выходе, трубопровод подачи топлива, коаксиально вмонтированный в суженное сечение и снабженный на своей оконечности распыливающими отверстиями, оси которых поперечно ориентированы к оси сопла Вентури, и стабилизатор горения, снабженный торцевой стенкой и цилиндрической обечайкой, регулятор нагрузки, регулятор расхода топлива и рычаг регулятора нагрузки, кинематически связанный с поворотными лопатками посредством поворотного дискового пальчикового привода со стержнем, и регулятором расхода топлива. Такой привод уже проще, поскольку оси вращения лопаток сосны потоку воздуха и размещены внутри воздушного канала, и поворотный дисковый пальчиковый привод лопаток также расположен внутри канала, а снаружи канала установлен только один стержень привода угла поворота диска, связанный с рычагом (вращения) регулятора расхода топлива. При этом ось вращения рычага регулятора нагрузки соосна воздушному каналу.

Недостатком известной горелки-прототипа, проявившимся в эксплуатации, является малая глубина регулирования нагрузки горелки, которая составляет величину от 100 до 50%. Это связано с тем, что уменьшение расхода воздуха на горелку и соответственно снижение ее тепловой мощности достигается путем увеличения степени закрутки потока при увеличении угла установки лопаток завихрителя. При этом увеличивается центробежная сила закрученного потока воздуха, что приводит к сепарации капель распыленного топлива на выходной оконечности диффузорного канала с образованием пленки, испарение которой сопровождается отложениями на диффузоре, требующими периодической чистки в процессе эксплуатации. Это в конечном итоге затрудняет эксплуатацию горелки. Для исключения этого недостатка устанавливают на фронте котла не менее двух горелок. Однако при этом усложняется привод управления работой нескольких горелок с периодическим отключением одной из них при снижении тепловых нагрузок котла.

Таким образом, горелка-прототип не обеспечивает широкий диапазон тепловых нагрузок котла, работающего на одной горелке.

Технической задачей предлагаемой низконапорной регулируемой горелки является устранение указанного недостатка, а именно увеличение диапазона тепловых нагрузок котла при работе на одной горелке.

Это достигается тем, что в известной низконапорной регулируемой горелке, содержащей камеру подвода воздуха, камеру завихрения, лопаточный завихритель подаваемого воздушного потока с поворотными направляющими лопатками, сообщенными своей выходной оконечностью с камерой завихрения, сопло Вентури, образованное каналами конфузора, суженного сечения и диффузора, и сопряженное входной оконечностью конфузора соосно с камерой завихрения на ее выходе, трубопровод подачи топлива, коаксиально вмонтированный в суженное сечение и снабженный на своей оконечности распыливающими отверстиями, оси которых поперечно ориентированы к оси сопла Вентури, и стабилизатор горения, снабженный торцевой стенкой и цилиндрической обечайкой, регулятор нагрузки, рычаг регулятора нагрузки, кинематически сообщенный с поворотными направляющими лопатками и регулятором расхода топлива, в ОТЛИЧИЕ от нее диффузор сопла Вентури состоит из канала входной неподвижной охватываемой части и канала выходной охватывающей ее в оконечности с возможностью скольжения, подвижной части и выполнен с сохранением поверхностью канала диффузора во всех положениях его переменной длины своего плавно расширяющегося профиля, при этом входная неподвижная часть диффузора сообщена с суженным сечением, а выходная подвижная часть диффузора в выходной оконечности сообщена с торцевой стенкой стабилизатора горения и снабжена во входной оконечности стержнями осевого перемещения ее по внешней поверхности входной неподвижной части диффузора. Наиболее целесообразным является такое исполнение рычага регулятора нагрузки, при котором стержни осевого перемещения подвижной части диффузора кинематически сообщены с регулятором нагрузки.

Заявленная совокупность ограничительных и отличительных признаков обеспечивает увеличение глубины регулирования горелки без ухудшения эффективности ее работы за счет исключения выпадения капель топлива на стенку диффузорного канала сопла Вентури посредством уменьшения длины диффузора при высокой степени крутки потока воздуха на низких нагрузках горелки. Использование составного диффузора с переменным значением его длины расширяет область нагрузок работы горелки от 100 до 25% без выпадения капель распыленного топлива на стенки канала.

Заявляемое изобретение поясняется чертежом, на котором приведена схема предлагаемой горелки.

Низконапорная регулируемая горелка содержит камеру подвода воздуха 1 (короб), сопряженную с притопочным фронтом котла 2. В камере подвода воздуха 1 установлен лопаточный завихритель подаваемого воздушного потока с прямоугольными поворотными направляющими лопатками 3, обладающими входной 4 и выходной 5 оконечностью. Вблизи входной оконечности 4 размещены по окружности оси вращения 6 лопаток 3. На диаметре, несколько меньшем диаметра осей лопаток, в камере подвода воздуха 1 с внутренней стороны задней диаметральной стенки 7 горелки размещен дисковый привод лопаток (не показан) с пальцами 8, установленными между лопатками 3. Снаружи камеры подвода воздуха 1 установлен стержень дискового привода поворота лопаток 9, связанный с рычагом регулятора нагрузки 10. Боковые поверхности лопаток 3 ограничены плоскими диаметральными задней 7 и передней 11 стенками. За выходной оконечностью 5 лопаток в пределах стенок 7 и 11 размещена цилиндрическая камера завихрения (не показана), соосно сообщенная с соплом Вентури. Сопло Вентури образовано конфузорным участком канала 12, цилиндрическим участком суженного сечения канала 13, входной неподвижной, охватываемой диффузорной частью канала 14 и выходной, охватывающей ее в оконечности, посредством цилиндрической поверхности 15, подвижной диффузорной частью канала 16, содержащей на своей входной оконечности эту цилиндрическую поверхность 15 с внутренним диаметром, несколько большим внешней цилиндрической поверхности 17 участков сопла, содержащих каналы 13 и 14. При этом части каналов сопла 12, 13 и 14 сообщены друг с другом без возможности перемещения относительно друг друга, а выходная подвижная диффузорная часть канала 16 выполнена с возможностью осевого перемещения (скольжения) своей поверхности 15 по поверхности 17 с сохранением поверхностью канала 14 диффузора во всех положениях его длины плавно расширяющегося профиля.

Выходная оконечность подвижной выходной диффузорной части канала 16 сообщена неподвижно с торцевой стенкой 18 полости стабилизатора горения 19. Над внешней цилиндрической поверхностью 20 торцевой стенки 18 размещена цилиндрическая обечайка 21 полости стабилизатора горения 19 с внутренним диаметром, несколько большим внешнего диаметра торцевой стенки 18. Входная оконечность выходной подвижной диффузорной части канала 16 сообщена неподвижно с внутренней торцевой стенкой 22, над внешней цилиндрической поверхностью 23 которой в камере подвода воздуха 1 размещена цилиндрическая обечайка 24 с внутренним диаметром, несколько большим внешнего диаметра цилиндрической поверхности 23 торцевой стенки 22. Обечайка 24 жестко связана с притопочным фронтом 2. Стенка 22 снабжена стержнями осевого перемещения 25, жестко связанными со стенкой 22 на диаметре, несколько меньшим диаметра поверхности 23, и соответственно с выходным диффузорным участком канала 16. Трубопровод подачи топлива 26 коаксиально вмонтирован в цилиндрический участок суженного сечения канала 13 и снабжен на своей оконечности распыливающими отверстиями 27, оси которых поперечно ориентированы к оси сопла Вентури. Стержни осевого перемещения 25 с внешней стороны короба 1 кинематически сообщены посредством рычага регулятора нагрузки 10 со стержнем привода поворота лопаток 9 и регулятором расхода топлива 28.

Низконапорная регулируемая горелка работает следующим образом. Воздух от вентилятора (не показан) поступает в камеру подвода воздуха 1, как показано стрелками, и далее поступает на поворотные лопатки 3 завихрителя воздушного потока, установленные под определенным углом β к перпендикуляру оси горелки. Проходя по лопаткам 3, воздух поступает в камеру завихрения и далее в сопло Вентури с участками каналов 12, 13, 14 и 16. Топливо подводится в регулятор расхода 28, затем поступает в трубопровод 26 и через отверстия 27 вытекает в поток воздуха суженного сечения канала 13 и распыливается с образованием мелких капель. На выходе из сопла Вентури образовавшаяся топливно-воздушная смесь поступает в полость стабилизатора горения 19, образованную стенкой 18 и обечайкой 21. Полость стабилизатора горения содержит воспламенитель смеси (не показан), который обеспечивает первоначальное поджигание. Горящая топливно-воздушная смесь выбрасывается из полости стабилизатора горения 19 в объем топки (не показана).

Регулирование тепловой мощности (нагрузки) горелки осуществляется поворотом рычага регулятора нагрузки 10 относительно оси горелки. При этом оказывается воздействие на регулятор расхода топлива 28, через стержень поворота лопаток 9 - на дисковый привод поворота лопаток с пальцами 8 и - стержни осевого перемещения 25. При этом изменяются соответствующим образом расход топлива путем его дросселирования в регуляторе расхода 28, степень крутки потока воздуха и длина диффузорного канала сопла Вентури.

Степень крутки потока воздуха, определяющая соотношение тангенциальной и аксиальной составляющих скорости воздуха в суженном сечении канала 13 сопла Вентури, зависит от геометрических характеристик горелки и находится по формуле

где d_зав - диаметр описанной окружности выходных оконечностей 5 поворотных лопаток 3, м;

b_Л - ширина лопаток в пределах расстояния от задней стенки 7 до передней стенки 11, м;

d_сж - диаметр суженного сечения канала 13 сопла Вентури, м;

π=3,1416.

При угле β≈0 степень крутки потока n_K≈0 и поток воздуха проходит через сопло Вентури прямотоком без крутки. Коэффициент аэродинамического сопротивления сопла Вентури при прочих одинаковых условиях зависит от степени диффузорности канала n_диф=d_диф ²/d_сж ², где d_диф - диаметр канала на выходе потока из диффузора, м. С ростом величины угла установки лопаток β с одновременным увеличением диаметра описанной окружности выходных оконечностей 5 лопаток 3 поток воздуха поступает в сопло Вентури во все более закрученном виде с ростом тангенциальной составляющей скорости потока. При этом увеличивается коэффициент аэродинамического сопротивления сопла Вентури и уменьшается расход воздуха на горелку в соответствии со снижением расхода топлива (обеспечивается соотношение расходов топлива и воздуха, близкое к стехиометрическому значению). Однако с ростом степени крутки потока растет и центробежная сила потока, в результате которой распыленное топливо может попадать на выходную часть стенки диффузорного канала сопла Вентури. При высокой степени крутки потока для исключения оседания капель топлива на стенки длинного диффузорного канала и еще большего увеличения коэффициента аэродинамического сопротивления (снижение расхода воздуха на горелку) длину диффузорного канала уменьшают путем воздействия на стержни осевого перемещения 25, что обеспечивает перемещение выходной диффузорной части канала 16 по поверхности 17. При этом обеспечивается расширение пределов регулирования нагрузки (тепловой мощности) горелки от 100 до 25%.

Проверка пределов регулирования производительности горелки с соблюдением соотношения расходов топлива и воздуха и исключением попадания капель на стенки диффузорного канала осуществлена на лабораторном стенде кафедры.

1. Низконапорная регулируемая горелка, содержащая камеру подвода воздуха, камеру завихрения, лопаточный завихритель подаваемого воздушного потока с поворотными направляющими лопатками, сообщенными своей выходной оконечностью с камерой завихрения, сопло Вентури, образованное каналами конфузора, суженного сечения и диффузора и сопряженное входной оконечностью конфузора соосно с камерой завихрения на ее выходе, трубопровод подачи топлива, коаксиально вмонтированный в суженное сечение и снабженный на своей оконечности распыливающими отверстиями, оси которых поперечно ориентированы к оси сопла Вентури, и стабилизатор горения, снабженный торцевой стенкой и цилиндрической обечайкой, регулятор нагрузки, рычаг регулятора нагрузки, кинематически сообщенный с поворотными направляющими лопатками и регулятором расхода топлива, отличающаяся тем, что диффузор сопла Вентури состоит из канала входной неподвижной охватываемой части и канала выходной охватывающей ее в оконечности с возможностью скольжения подвижной части и выполнен с сохранением поверхностью канала диффузора во всех положениях его переменной длины своего плавно расширяющегося профиля, при этом входная, неподвижная часть диффузора сообщена с суженным сечением, а выходная, подвижная часть диффузора в выходной оконечности сообщена с торцевой стенкой стабилизатора горения и снабжена во входной оконечности стержнями осевого перемещения по внешней поверхности входной, неподвижной части диффузора.

2. Низконапорная регулируемая горелка по п.1, отличающаяся тем, что стержни осевого перемещения подвижной части диффузора кинематически сообщены с рычагом регулятора нагрузки.