RU2052720C1

RU2052720C1 - Fuel combustion method and device implementing this method

Info

Publication number: RU2052720C1
Authority: RU
Inventors: Г.С. Попыванов; А.А. Винтовкин; С.С. Попыванов
Original assignee: Попыванов Геннадий Серафимович
Priority date: 1992-09-10
Filing date: 1992-09-10
Publication date: 1996-01-20

Abstract

FIELD: fuel combustion. SUBSTANCE: some portion of air flow is passed in radial jets along exit edges of swirler blades. Exit section of bush is perforated and holes in swirler blades are made in their entrance portions. EFFECT: improved design. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к технике сжигания топлива в горелочных устройствах и может быть использовано в различных тепловых агрегатах. The invention relates to techniques for burning fuel in burner devices and can be used in various thermal units.

В металлургии и энергетике известен способ сжигания топлива, осуществляемый путем подачи топлива в закрученный поток воздуха, создаваемый лопаточным завихрителем [1]
Однако этот способ имеет недостаточную стабильность характеристик горения вследствие того, что за лопатками завихрителя всегда образуются застойные зоны. При работе горелки в эти зоны из туннеля проникают продукты горения и сажа, которые оседают на лопатках завихрителя, вызывая сильный нагрев лопаток и образование на них окалины. При продолжительной эксплуатации лопатки завихрителя начинает коробить, что приводит к изменению проходного сечения завихрителя. Вследствие этого происходит значительное изменение характеристик горения. Кроме того, наличие застойных зон за лопатками вызывает дополнительное сопротивление движению воздушного потока из-за отрыва течения от стенок канала и потерь энергии на завихрения.In metallurgy and energy, there is a known method of burning fuel, carried out by feeding fuel into a swirling air stream created by a blade swirler [1]
However, this method has insufficient stability of the combustion characteristics due to the fact that stagnant zones are always formed behind the blades of the swirler. During operation of the burner, combustion products and soot penetrate into these zones from the tunnel, which settle on the blades of the swirler, causing strong heating of the blades and the formation of scale on them. With prolonged use, the swirl blades begin to warp, which leads to a change in the flow cross section of the swirl. As a result of this, a significant change in the combustion characteristics occurs. In addition, the presence of stagnant zones behind the blades causes additional resistance to the movement of the air flow due to separation of the flow from the channel walls and energy losses due to turbulence.

Известно устройство, в котором в качестве завихрителя используют лопатки, имеющие переменную кривизну поверхности [2]
Однако эти лопатки очень сложны в изготовлении и также не обеспечивают безотрывное течение потока. Для управления углом поворота лопаток требуется применение сложных поворотных механизмов. Это устройство не устраняет полностью недостатки выше приведенного аналога. В процессе эксплуатации требуются частый контроль геометрии лопаток и точная их подгонка, кроме того, вследствие теплового излучения при горении кривизна поверхности этих лопаток изменяется, а следовательно, изменяются характеристики горения.A device is known in which blades are used as a swirler having a variable surface curvature [2]
However, these blades are very difficult to manufacture and also do not provide an uninterrupted flow. To control the angle of rotation of the blades requires the use of complex rotary mechanisms. This device does not completely eliminate the disadvantages of the above analogue. During operation, frequent control of the geometry of the blades and their precise adjustment are required, in addition, due to thermal radiation during combustion, the curvature of the surface of these blades changes, and therefore, the characteristics of combustion change.

Наиболее близкими по технической сущности к изобретению являются способ сжигания топлива, осуществляемый путем подачи топлива в закрученный поток воздуха, создаваемый лопаточным завихрителем, и устройство для сжигания топлива, содержащее воздухоподводящий корпус и размещенные в нем топливоподводящую трубу, втулку, лопаточный завихритель с отверстиями, установленный с кольцевым зазором относительно трубы и выполненный в виде плоских отклоняющихся пластин, жестко закрепленных на втулке завихрителя и образующих между собой межлопаточные проходы [3]
Такие способ и устройство для сжигания топлива не обеспечивают необходимую стабильность характеристик горения. Это объясняется тем, что часть воздуха, которая проходит в кольцевом зазоре между завихрителем и газовой трубой, истекает только в аксиальном направлении. При этом вытекающая струя, оттесняя циркулирующие потоки продуктов сгорания, предохраняет от перегрева в основном только газовое сопло и практически не оказывает никакого воздействия на зону циркуляции горячих газов за лопатками завихрителя. В такой ситуации плоскости выходных торцов лопаток завихрителя, обращенные в сторону топки, всегда подвергаются интенсивному нагреву излучением со стороны пламени и футеровки. Поэтому, несмотря на охлаждение противоположной стороны лопатки потоками воздуха, наблюдаются перегрев и разрушение их, особенно при больших углах поворота лопаток.Closest to the technical nature of the invention are a method of burning fuel, carried out by supplying fuel to a swirling air stream created by a blade swirl, and a device for burning fuel containing an air supply housing and a fuel supply pipe, a sleeve, a blade swirl with holes installed therein, installed with an annular gap relative to the pipe and made in the form of flat deflecting plates rigidly fixed to the swirl sleeve and forming an inter-path nye passages [3]
Such a method and apparatus for burning fuel do not provide the necessary stability of the combustion characteristics. This is because the part of the air that passes in the annular gap between the swirler and the gas pipe flows out only in the axial direction. In this case, the flowing jet, displacing the circulating flows of combustion products, protects only the gas nozzle from overheating and practically has no effect on the zone of circulation of hot gases behind the blades of the swirler. In such a situation, the planes of the outlet ends of the blades of the swirler, facing the fire chamber, are always subjected to intense heating by radiation from the flame and lining sides. Therefore, despite the cooling of the opposite side of the blade by air flows, overheating and their destruction are observed, especially at large angles of rotation of the blades.

Наибольшему тепловому разрушению подвергаются части лопаток, расположенные вблизи втулки. Это объясняется тем, что поток воздуха при закрутке в завихрителе за счет центробежных сил отжимается к периферии. Около втулки завихрителя скорость движения воздуха и соответственно интенсивность охлаждения лопаток минимальные. The parts of the blades located near the sleeve are subjected to the greatest thermal destruction. This is because the air flow during swirling in the swirl due to centrifugal forces is squeezed to the periphery. Near the swirl sleeve, the air velocity and, accordingly, the cooling intensity of the blades are minimal.

Целью изобретения является повышение стабильности характеристик горения при сжигании топлива. The aim of the invention is to increase the stability of the combustion characteristics when burning fuel.

Цель достигается тем, что способу сжигания топлива, осуществляемому путем подачи его в закрученный поток, создаваемый лопаточным завихрителем, часть воздушного потока направляют через перфорированные отверстия и/или щели, и/или и т.д. лопаточного завихрителя. The goal is achieved in that the method of burning fuel, carried out by feeding it into a swirling flow created by a scapular swirler, directs part of the air flow through perforated holes and / or slots, and / or etc. blade swirl.

Цель достигается также тем, что в устройстве сжигания топлива, содержащем воздухоподводящий корпус и размещенные в нем соосно топливоподводящую трубу и лопаточный завихритель, установленный с кольцевым зазором относительно трубы и выполненный в виде плоских отклоняющихся пластин, жестко закрепленных на втулке завихрителя и образующих между собой межлопаточные проходы, отклоняющие пластины со стороны входa воздушного потока в межлопаточные проходы и втулка за пластинами со стороны выхода этого же потока выполнены перфорированными. The goal is also achieved by the fact that in a fuel combustion device comprising an air supply housing and a coaxial fuel supply pipe and a blade swirl placed therein, mounted with an annular gap relative to the pipe and made in the form of flat deflecting plates rigidly fixed to the swirl sleeve and forming interscapular passages between them deflecting plates on the inlet side of the air flow into the interscapular passages and the sleeve behind the plates on the outlet side of the same stream are perforated.

Наличие перфорированных отверстий на лопатках и втулке завихрителя с заявляемыми условиями их размещения обеспечивают согласно способу возможность направить часть потока воздуха через эти отверстия и устранить отрицательное влияние застойной зоны за лопатками завихрителя и тем самым достичь цель изобретения. Это позволяет сделать вывод о том, что изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом. The presence of perforated holes on the blades and the swirl sleeve with the claimed conditions for their placement provide, according to the method, the ability to direct part of the air flow through these holes and eliminate the negative effect of the stagnant zone behind the swirl blades and thereby achieve the purpose of the invention. This allows us to conclude that the inventions are interconnected by a single inventive concept.

Сравнение заявляемых технических решений с прототипом позволило установить соответствие их критерию "новизна". При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие изобретение от прототипа, не были выявлены и потому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию "существенные отличия". Comparison of the claimed technical solutions with the prototype made it possible to establish compliance with their criterion of "novelty." In the study of other well-known technical solutions in this technical field, signs that distinguish the invention from the prototype were not identified and therefore they provide the claimed technical solution according to the criterion of "significant differences".

На фиг. 1 приведена конструкция горелочного устройства, реализующего способа; на фиг. 2 изображен лопаточный завихритель; на фиг. 3 показана схема движения потоков. In FIG. 1 shows the design of a burner device that implements the method; in FIG. 2 shows a scapular swirler; in FIG. 3 shows a flow pattern.

Горелочное устройство содержит воздухоподводящий корпус 1 и размещенные в нем соосно топливоподводящую трубу 2 и лопаточный завихритель 3, установленный с кольцевым зазором 4 относительно трубы и выполненный в виде плоских отклоняющихся пластин 5, жестко закрепленных на втулке 6 завихрителя 3 и образующих между собой межлопаточные каналы 7. Отклоняющие пластины 5 завихрителя 3 со стороны входа воздушного потока в межлопаточные каналы 7 и втулка 6 за пластинами 5 со стороны выхода этого же потока выполнены перфорированными, например, отверстиями 8 и 9. The burner device includes an air supply housing 1 and a coaxial fuel supply pipe 2 and a blade swirl 3 placed therein, mounted with an annular gap 4 relative to the pipe and made in the form of flat deflecting plates 5, rigidly fixed to the sleeve 6 of the swirl 3 and forming interscapular channels 7. The deflecting plates 5 of the swirl 3 from the side of the air flow in the interscapular channels 7 and the sleeve 6 behind the plates 5 from the outlet side of the same stream are made perforated, for example, holes yami 8 and 9.

Способ сжигания топлива заключается в том, что часть воздушного потока направляют через перфорированные отверстия и/или щели, и/или т.д. лопаточного завихрителя. Благодаря этому застойные зоны за лопатками завихрителя становятся управляемыми. The method of burning fuel is that part of the air flow is directed through perforated holes and / or slots, and / or so on. blade swirl. Due to this, the stagnant zones behind the blades of the swirler become controllable.

При движении воздуха в горелке на входных кромках плоских лопаток завихрителя возникает отрыв потока с образованием застойной зоны. Длина и ширина этой зоны зависят от угла установки лопатки относительно оси горелки. В любом случае эта зона уменьшает фактическое проходное сечение межлопаточного канала и создает сопротивление течению воздуха за счет подсасывания его в эти застойные зоны. When air moves in the burner at the inlet edges of the flat blades of the swirler, flow separation occurs with the formation of a stagnant zone. The length and width of this zone depend on the angle of installation of the blade relative to the axis of the burner. In any case, this zone reduces the actual cross section of the interscapular canal and creates resistance to the flow of air by sucking it into these stagnant zones.

При работе горелки по предлагаемому способу часть воздуха из набегающего на лопатки потока через перфорацию на входной кромке попадает в зону отрыва потока в межлопаточном канале. При этом естественное разрежение в зоне отрыва уменьшается и соответственно уменьшается поперечный размер застойной зоны и увеличивается проходное сечение межлопаточного канала. Площадь проходного сечения перфорации выбирают экспериментально таким образом, чтобы скорость струй воздуха, инжектируемого в застойную зону через пластину, была в пределах 0,01-0,2 скорости набегающего течения воздуха. Величина эта также зависит от толщины лопатки. During operation of the burner according to the proposed method, part of the air from the flow incident on the blades through the perforation at the inlet edge enters the flow separation zone in the interscapular channel. In this case, the natural rarefaction in the separation zone decreases and, accordingly, the transverse size of the stagnant zone decreases and the passage section of the interscapular canal increases. The area of the perforation through passage is chosen experimentally so that the speed of the jets of air injected into the stagnant zone through the plate is within the range of 0.01-0.2 of the speed of the incoming air flow. This value also depends on the thickness of the scapula.

При скорости инжектированного воздуха через лопатку менее 0,01 скорости течения воздуха в горелке количество воздуха, вдуваемого в застойную зону, недостаточно для компенсации создаваемого в ней разрежения и эффект снижения гидравлического сопротивления завихрителя незначителен. При скорости истечения струй более 0,2 скорости набегающего воздуха расход инжектированного воздуха за лопатку превышает количество, необходимое для организации воздушной прослойки, и возможно даже способствует увеличению размеров застойной зоны, что приводит к получению отрицательного эффекта. When the velocity of the injected air through the blade is less than 0.01, the air flow rate in the burner, the amount of air blown into the stagnant zone is insufficient to compensate for the vacuum created in it and the effect of reducing the hydraulic resistance of the swirl is insignificant. When the velocity of the outflow of the jets is more than 0.2 the speed of the incoming air, the flow rate of the injected air per blade exceeds the amount necessary for the organization of the air gap, and possibly even contributes to an increase in the size of the stagnant zone, which leads to a negative effect.

При поддержании скоростей истечения струй в пределах от 0,01 до 0,2 скорости потока воздуха на входе наблюдаются минимальные размеры застойной зоны и гидравлическое сопротивление межлопаточного канала становится близким к гидравлическому сопротивлению канала с криволинейными профильными лопатками. When maintaining the flow rates of the jets in the range from 0.01 to 0.2 of the air flow velocity at the inlet, the minimum stagnant zone sizes are observed and the hydraulic resistance of the interscapular channel becomes close to the hydraulic resistance of the channel with curved profile blades.

При движении воздуха в кольцевом зазоре 4 поток на выходе встречает сопротивление в виде уступа 10 или поджатия проходного сечения. Часть этого потока вытекает аксиально в направлении к очагу горения перед газовым соплом, защищая его от перегрева. Другая часть потока вытекает через отверстия во втулке 6 за лопатками завихрителя со стороны выхода потока воздуха из межлопаточного канала. Эти струи движутся радиально от центра к периферии вдоль плоскости лопатки настильно к ее поверхности. В этом случае происходит интенсивное охлаждение воздухом выходных кромок лопаток завихрителя, расположенных около втулки, где скорость движения основного потока воздуха в межлопаточном канале минимальная. When the air moves in the annular gap 4, the flow at the outlet encounters resistance in the form of a step 10 or preloading the bore. Part of this flow flows axially towards the combustion zone in front of the gas nozzle, protecting it from overheating. Another part of the flow flows through the holes in the sleeve 6 behind the blades of the swirler from the outlet side of the air flow from the interscapular channel. These jets move radially from the center to the periphery along the plane of the scapula flatly to its surface. In this case, intensive cooling by air of the outlet edges of the blades of the swirler, located near the sleeve, where the speed of the main air flow in the interscapular channel is minimal.

Регулирование количества воздуха и скорости его истечения через отверстия во втулке осуществляется за счет изменения диаметра отверстий и величины уступа 10. The regulation of the amount of air and its velocity through the holes in the sleeve is carried out by changing the diameter of the holes and the magnitude of the step 10.

Пример конкретной реализации устройства и способа. An example of a specific implementation of the device and method.

В камере сгорания объемом 8 м³ установлена газовая горелка с номинальной производительностью по газу 100 м³/ч, при этом по воздушному тракту подают от 800 до 1200 м³/ч воздуха. Часть воздуха в количестве 700-1100 м³/ч пропускают через межлопаточные проходы, а часть в количестве примерно 100-450 м³/ч направляют через перфорированные отверстия завихрителя, площадь, место и количество которых позволяет равномерно пропускать через себя указанную часть воздуха. Застойных зон за лопатками 5 завихрителя 3 не обнаружено.A gas burner with a nominal gas capacity of 100 m ³ / h is installed in the combustion chamber with a volume of 8 m ³ , while from 800 to 1200 m ³ / h of air is supplied through the air path. Part of the air in the amount of 700-1100 m ³ / h is passed through the interscapular passages, and part in the amount of about 100-450 m ³ / h is sent through the perforated openings of the swirler, the area, location and amount of which allows the specified part of the air to pass uniformly through itself. Stagnant zones behind the blades 5 of the swirler 3 was not found.

Изобретение позволяет обеспечивать наиболее стабильные характеристики горения при сжигании топлива, так как исключаются перегревы и разрушения основных элементов конструкции и устраняются полностью застойные зоны за лопатками завихрителя. The invention allows to provide the most stable combustion characteristics during fuel combustion, since overheating and destruction of the main structural elements are eliminated and completely stagnant zones behind the swirl blades are eliminated.

Claims

1. A method of burning fuel by supplying fuel to a swirl of air blown by a blade swirl, filtering part of the air through swirl blades, characterized in that part of the air flow is directed by radial jets along the outlet edges of the swirl blades.

2. Fuel-burning device containing a fuel supply pipe, a sleeve installed with an annular gap relative to the fuel supply pipe, a blade swirl rigidly mounted on the sleeve and made in the form of flat blades located at an angle to the longitudinal axis of the device, provided with holes and forming interscapular channels between them, characterized in that the output section of the sleeve is perforated, and the holes in the blades are made in their input sections.