RU2752447C2

RU2752447C2 - Vane flow-through axial-radial separator

Info

Publication number: RU2752447C2
Application number: RU2019126156A
Authority: RU
Inventors: Борис Петрович Толкачев
Original assignee: Борис Петрович Толкачев
Priority date: 2019-08-20
Filing date: 2019-08-20
Publication date: 2021-07-28
Also published as: RU2019126156A3; RU2019126156A

Abstract

FIELD: heat and power engineering.

SUBSTANCE: invention relates to inertial vane devices that are used in heat and power engineering, it can be used in boiler plants that operate on fuel with abrasive ash. A vane flow-through axial-radial separator placed in the flow of a gas-ash mixture, for example, in front of the economizer of an energy boiler, has a shaft on which hollow vanes with longitudinal and end slits are fixed, a hollow shell with an annular slit surrounding the separator and connected to the ash collection network of the boiler, through channels located on the shaft connected to the cavities in the vanes. Gas flows into this flow-through system from an external source, which is repelled by a jet from the grid of vanes installed at subcritical angles of attack in the annular slit of the separator shell.

EFFECT: separator is characterized by a strong structure, a high degree of separation of abrasive ash from the flowing gas-ash stream, small dimensions and hydraulic resistance in the convective shaft of the boiler.

5 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к инерционным лопастным аппаратам, которые используются в теплоэнергетике и может быть использовано в котельных установках, работающих на топливе с абразивной золой.The invention relates to inertial vane apparatus, which are used in heat power engineering and can be used in boiler plants operating on fuel with abrasive ash.

Известно устройство см. описание изобретения АС 1558440 от 02.11.87 г., [1] целью которого снижение гидравлического сопротивления и энергетических затрат, повышение эффективности пылеулавливания. Стержни ротора выполнены полыми с отверстиями в кормовой по отношению к направлению вращения части поперечного сечения и в торцовой части, обращенной к крыльчатке, установленной со стороны, примыкающей к вентилятору на роторе. При вращении ротора и колеса запыленный газ, втягиваемый в камеру, закручивается вокруг ротора. Возникающее при этом поле центробежных сил отбрасывает частицы от оси вращения, а очищенный газ проходит между стержнями, между лопатками вентиляторного колеса и поступает к потребителю. Вращение крыльчатки позволяет отсасывать через отверстия стержней пограничный слой газа с частицами пыли, которые через торцовые отверстия поступают на лопатки крыльчатки и выбрасываются вновь в зону сепарации.A known device, see the description of the invention AC 1558440 from 02.11.87, [1] the purpose of which is to reduce hydraulic resistance and energy costs, increase the efficiency of dust collection. The rotor rods are made hollow with holes in the stern with respect to the direction of rotation of the part of the cross-section and in the end part facing the impeller installed on the side adjacent to the fan on the rotor. When the rotor and wheel rotate, dusty gas drawn into the chamber swirls around the rotor. The resulting field of centrifugal forces throws particles away from the axis of rotation, and the cleaned gas passes between the rods, between the blades of the fan wheel and enters the consumer. The rotation of the impeller makes it possible to suck through the holes of the rods the boundary layer of gas with dust particles, which through the end holes enter the impeller blades and are thrown out again into the separation zone.

Пылеотделитель по описанию изобретения к АС №598623 от 21.06.76 г. [2] работает следующим образом. Загрязненный воздух поступает через тангенциальный патрубок в корпусе. При движении по спиральному каналу взвешенные частицы под действием центробежной силы отбрасываются к стенке корпуса, за счет чего и происходит послойная очистка воздуха. При этом наиболее чистым будет воздух, протекающий вдоль жалюзийной решетки и обходящий ее с очень малым углом атаки (угол между направлением движения воздуха и плоскостью каждой пластины), что ведет к увеличению эффективности очистки в аппарате.The dust separator according to the description of the invention to the AC No. 598623 dated 06.21.76 [2] works as follows. Contaminated air enters through a tangential connection in the housing. When moving along the spiral channel, suspended particles under the action of centrifugal force are thrown to the wall of the housing, due to which layer-by-layer air cleaning occurs. In this case, the most clean air will be the air flowing along the louver and bypassing it with a very small angle of attack (the angle between the direction of air movement and the plane of each plate), which leads to an increase in the cleaning efficiency in the apparatus.

Для сохранения заданной скорости движения загрязненного воздуха постоянной вокруг жалюзийной решетки крепится спиральная направляющая, являющаяся продолжением крышки и выполненная с переменным шагом. Сквозь жалюзийную решетку отводится до 85% чистого воздуха, а через патрубок направляется до 15% воздуха, уносящего с собой основную массу отсепарированной пыли, идущую затем на дополнительное отделение золы.To keep the preset speed of the contaminated air constant, a spiral guide is attached around the louvered grill, which is a continuation of the cover and is made with a variable pitch. Up to 85% of clean air is discharged through the louvered grill, and up to 15% of the air is directed through the branch pipe, taking with it the bulk of the separated dust, which then goes to the additional ash separation.

Другой пылеуловитель по изобретения АС 1210881 от 08.12.82 г. [3] работает следующим образом. Запыленный газ, поступающий на ротор под действием разрежения, создаваемого вентиляторным колесом, закручиваемого ротором. Частицы пыли под действием центробежных сил отбрасываются от ротора, а очищенный газ всасывается в ротор и через улитку отводится потребителю.Another dust collector according to the invention AC 1210881 from 08.12.82 [3] operates as follows. Dust-laden gas entering the rotor under the action of a vacuum created by a fan wheel, twisted by the rotor. Dust particles are thrown away from the rotor under the action of centrifugal forces, and the cleaned gas is sucked into the rotor and discharged to the consumer through the scroll.

При подходе к ротору окружная скорость газа Ur изменяется по сложному закону, достигая на уровне внешней поверхности ротора величины, равной окружной скорости последней. На уровне верхней кромки входного конца лопасти вентиляторного колеса окружные скорости колеса Uк и газового потока Uг практически раины между собой. Однако по радиусу (на входном участке) эти скорости изменяются по разным законам: окружная скорость колеса - по закону вращения твердого тела, окружная скорость газа практически постоянна, так как энергия закрутки, полученная от ротора, не успевает рассеяться под действием сил трения: газ постоянно отсасывается из ротора со скоростью W.When approaching the rotor, the peripheral gas velocity Ur changes according to a complex law, reaching at the level of the outer surface of the rotor a value equal to the peripheral speed of the latter. At the level of the upper edge of the inlet end of the fan wheel blade, the circumferential speeds of the wheel Uc and the gas flow Ug are practically equal to each other. However, along the radius (at the entrance section), these velocities change according to different laws: the circumferential speed of the wheel - according to the law of rotation of a rigid body, the circumferential velocity of the gas is practically constant, since the swirling energy received from the rotor does not have time to dissipate under the action of friction forces: the gas is constantly sucked out of the rotor at a speed W.

В результате появляется разница между окружными скоростями колеса н газа Uг - Uк=U, которая увеличивается по мере, приближения к валу.As a result, there is a difference between the circumferential speeds of the gas wheel Ug - Uk = U, which increases as it approaches the shaft.

Угол атаки набегающего потока по отношению к плоскости лопаток вентиляторного колеса, который практически равен нулю у верхней кромки увеличивается с ростом величины U, что приводит к возникновению отрывных зон в межлопаточном пространстве колеса. Эффективность пылеуловителя резко снижается, увеличивается опасность возникновения помпажа, поток газа и частиц турбулизируется и частицы труднее отсепарировать.The angle of attack of the incident flow with respect to the plane of the fan blades, which is practically zero at the upper edge, increases with increasing U, which leads to the appearance of separation zones in the interscapular space of the wheel. The efficiency of the dust collector is drastically reduced, the risk of surge increases, the flow of gas and particles is turbulized and the particles are more difficult to separate.

Их общим недостатком являются большие габариты, значительное увеличение гидравлического сопротивления протекающей по газоходу котла газо-золовой смеси и сложность конструкции для установки в ограниченные габариты действующих котлов. Такие устройства выдерживают ограниченное число циклов нагружения, и низкую эффективность золозащитного аппарата в условиях высокотемпературного режима эксплуатации.Their common disadvantage is their large dimensions, a significant increase in the hydraulic resistance of the gas-ash mixture flowing through the boiler gas duct and the complexity of the design for installation in the limited dimensions of existing boilers. Such devices can withstand a limited number of loading cycles and low efficiency of the ash protection device under high-temperature operating conditions.

Известен также вентилятор пылеуловитель, по АС 523989 от 17.06.74 г. [4], включающий корпус, рабочее колесо с диском, перфорированную обечайку и водоподводящий патрубок, заключенный в сетчатый цилиндрический каплеобразователь. Каплеобразователь соединен с диском рабочего колеса с возможностью совместного вращения, внутри которого расположен водоподводящий патрубок. Внутри корпуса установлена сетчатая обечайка, а в корпусе вентилятора-пылеуловителя выполнение отверстие для слива шлама. Запыленный воздушный поток засасывается в вентилятор- пылеуловитель, где струи воды из патрубка через прорези поступают на сетчатый вращающийся цилиндрический каплеобразователь и разбрызгиваются на капли. Водовоздушная смесь проходит в рабочую полость пылеуловителя, где происходит контакт образовавшихся капель с частицами пыли. Смоченные частицы пыли и капли воды отбрасываются лопатками рабочего колеса на сетчатую обечайку, где происходит их улавливание. Шлам и пыль попадают за сетчатую обечайку и выводятся из пылеуловителя.Also known is a dust collector fan, according to AC 523989 dated 06/17/1974, [4], including a housing, an impeller with a disc, a perforated shell and a water supply pipe, enclosed in a mesh cylindrical droplet generator. The droplet generator is connected to the impeller disk with the possibility of joint rotation, inside which a water supply pipe is located. A mesh shell is installed inside the casing, and a hole for sludge discharge is made in the casing of the dust collector fan. The dust-laden air flow is sucked into the fan-dust collector, where water jets from the branch pipe through the slots enter the rotating cylindrical mesh droplet generator and spray onto the droplets. The water-air mixture passes into the working cavity of the dust collector, where the formed droplets come into contact with dust particles. Moistened dust particles and water droplets are thrown by the impeller blades onto the mesh shell, where they are collected. Sludge and dust fall behind the mesh shell and are removed from the dust collector.

Недостатком этого известного устройства является низкая эффективность пылеулавливания, сложность конструкции и необходимость использования воды, что не может быть использовано в теплонапряженных конструкциях котла. Это аналоги.The disadvantage of this known device is the low efficiency of dust collection, the complexity of the design and the need to use water, which cannot be used in heat-stressed boiler structures. These are analogs.

Пропеллер - радиатор по АС 951 от 13.09.24 г. [5], характеризующийся применением пустотелых лопастей пропеллера в качестве радиатора, С этой целью горячая вода из мотора поступает в лопасти по каналу, вращающемуся с валом, а охлажденная, таким образом, вода гонится обратно насосом из лопастей через соединительные трубки, через имеющиеся в них отбойные клапаны и обратные каналы, причем общее количество воды регулируется расширительным сосудом.The propeller is a radiator according to AC 951 dated 09/13/24 [5], characterized by the use of hollow propeller blades as a radiator. For this purpose, hot water from the motor enters the blades through a channel rotating with a shaft, and thus cooled water is driven back with a pump from the blades through the connecting pipes, through the baffle valves and return channels located in them, the total amount of water being regulated by the expansion vessel.

Выбранное устройство [5] является наиболее близким аналогом - прототипом заявленному устройству.The selected device [5] is the closest analogue - a prototype to the claimed device.

Технический результат, достигаемый заявляемым изобретением, состоит в создании динамической стабильности и торможения золового потока, втекающего в теплообменный аппарат, сепарации значительной части абразивной золы, достижении термостабильности и эффективного охлаждения лопастей, эксплуатируемых в термонапряженных условиях, в повышении технологичности монтажа и ремонта при замене золозащитных элементов лопастного осерадиального сепаратора, без разрушения труб сопряженных тешюобменных аппаратов.The technical result achieved by the claimed invention consists in creating dynamic stability and inhibition of the ash flow flowing into the heat exchanger, separating a significant part of the abrasive ash, achieving thermal stability and effective cooling of the blades operated in thermally stressed conditions, in increasing the manufacturability of installation and repair when replacing ash protection elements vane axial radial separator, without destroying the pipes of the coupled heat exchangers.

Изобретение поясняется чертежами, которые не охватывают и, тем более, не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, а являются лишь иллюстрирующими материалами частного случая выполнения:The invention is illustrated by drawings, which do not cover and, moreover, do not limit the entire scope of the claims of this technical solution, but are only illustrative materials of a particular case of implementation:

На фиг. 1 Устройство вид сверху.FIG. 1 Device top view.

На фиг. 2 Устройство вид сбоку и в разрезе по сечению А - А на фиг. 1.FIG. 2 The device is a side view and in section along the section A - A in FIG. one.

На фиг. 3 Сечение лопасти по Б - Б, наложенное на проекцию лопасти в масштабе 2:1 на фиг. 1.FIG. 3 Section of the blade along B - B, superimposed on the projection of the blade on a scale of 2: 1 in Fig. one.

Описание заявляемого изобретенияDescription of the claimed invention

Лопастной проточный осерадиальный сепаратор 1, помещен в потоке газо-золовой смеси 5, например, перед экономайзером энергетического котла 3, имеющий вал 2, на котором укреплены полые лопасти 4 с продольными 6 и концевыми щелями 7, полую обечайку 8 с кольцевой щелью 9, окружающей сепаратор и соединенную с золосборной сетью котла 10, на валу имеются каналы 11, связанные с полостями в лопастях 12, и от внешнего источника 13 протекает газ, который реактивной струей отталкивается от решетки лопаток 14, установленных на докритических углах атаки в кольцевой щели обечайки сепаратора 15, и на верхней стенке лопастей, обращенной к газо - золовому потоку, выполнен желоб 16 в виде угольника, открытого в сторону вращения пакета, а на законцовках золосборных каналов на лопастях имеются щели 17, которые расположены напротив решетки лопаток 14, соединенных с золосборными каналами в обечайке 10, суммарная площадь лопастей в плоскости вращения сепаратора не превосходит суммарную площадь труб в первом ряду сопряженного теплообменного аппарата, чтобы не увеличивать гидравлическое сопротивление движению газо золовой смеси в конвективной (опускной) шахте котла, при этом лопасти 4 на валу 2 установлены в пакеты последовательно одни над другим и сепаратор 15 имеет на валу четное количество пакетов лопастей 4, приводимых во вращение по встречным направлениям, чтобы минимизировать в потоке газо золовой смеси турбулизацию, связанную с закручиванием потока и гидравлическое сопротивление её движению, при этом натекающий поток газо золовой смеси сохраняет свое первоначальное направление после устройства, также полая обечайка 8 имеет за кольцевой щелью 9 конфузорно – диффузорную форму соединенную с золосборными каналами 10, чтобы минимизировать гидравлическое сопротивление движению газо золовой смеси, вытекающей в через полую обечайку 8 в золосборные каналы и увеличить сепарирующую способность по отделению золы всего устройства, а золосборный желоб 16 на верхней, обращенной к газо - золовому потоку, стенке лопасти 4, выполнен по траектории, подобной траектории движения твердых частиц под действием центробежных и кариолисовых сил, чтобы уменьшить трение золы о стенки лопасти 4 и золосборного желоба 16 и увеличить сепарирующую способность по отделению золы всего устройства, и наружные стенки лопастей 4 и решетки лопаток 14 имеют поверхностное уплотнение закалкой, азотацией, цементацией или лазерным напылением абразивно стойких материалов, чтобы уменьшить абразивный износ поверхностей наружных стенок лопастей 4 и решеток лопаток 14, соприкасающихся с золой и увеличить межремонтный срок службы всего устройства".A vane flow-through axial radial separator 1, placed in the flow of a gas-ash mixture 5, for example, in front of an economizer of an energy boiler 3, has a shaft 2, on which hollow blades 4 with longitudinal 6 and end slots 7 are fixed, a hollow shell 8 with an annular slot 9 surrounding separator and connected to the ash collection network of the boiler 10, there are channels 11 on the shaft, connected with cavities in the blades 12, and gas flows from the external source 13, which is repelled by the jet stream from the array of blades 14 installed at subcritical angles of attack in the annular slot of the shell of the separator 15 , and on the upper wall of the blades, facing the gas-ash flow, a chute 16 is made in the form of a square, open in the direction of rotation of the package, and on the tips of the ash-collecting channels on the blades there are slots 17, which are located opposite the lattice of blades 14 connected to the ash-collecting channels in shell 10, the total area of the blades in the plane of rotation of the separator does not exceed the total area of the pipes in the first p the poison of the coupled heat exchanger, so as not to increase the hydraulic resistance to the movement of the gas-ash mixture in the convective (lowering) shaft of the boiler, while the blades 4 on the shaft 2 are installed in packs one after the other, and the separator 15 has an even number of packs of blades 4 on the shaft, driven during rotation in opposite directions in order to minimize turbulization in the flow of the gas-ash mixture associated with swirling of the flow and hydraulic resistance to its movement, while the flowing flow of the gas-ash mixture retains its original direction after the device, also the hollow shell 8 has a confusor-diffuser behind the annular slot 9 a form connected to the ash-collecting channels 10 in order to minimize the hydraulic resistance to the movement of the gas-ash mixture flowing through the hollow shell 8 into the ash-collecting channels and to increase the separating ability to separate the ash of the entire device, and the ash-collecting chute 16 is on the upper, facing the gas-ash sweat oku, the wall of the blade 4, is made along a trajectory similar to the trajectory of movement of solid particles under the action of centrifugal and karyolis forces, in order to reduce the friction of ash against the walls of the blade 4 and ash chute 16 and increase the separating ability to separate the ash of the entire device, and the outer walls of the blades 4 and blades 14 are surface sealed by quenching, nitrogen, carburizing or laser sputtering of abrasive-resistant materials to reduce abrasive wear of the surfaces of the outer walls of the blades 4 and the blades 14 in contact with ash and to increase the overhaul life of the entire device. "

Лопастной проточный осерадиальный сепаратор действует следующим образом: через подающую магистраль 13 в полость 11 на валу 2 подается охлаждающий газ в полость 12 полой лопатки 4, который вытекает через концевую щель 7 на решетку из лопаток 14, установленных под закритическим углом к натекающему из лопаток потоку. В результате, лопаточный сепаратор вращается под действием гидродинамической реакции, отталкивающейся от решетки струи газа, причем меняя расход газа можно регулировать скорость вращения лопастного сепаратора. Вращаясь сепаратор сгребает золу из газо-золового потока своими скребками 16, расположенными на верхней стороне лопасти 4, обращенной к натекающему потоку 5 и под действием центробежных и кариолисовых сил отбрасывает отсепарированную часть золы в кольцевые полости 9 в обечайке 8 и далее, удаляет ее через с помощью транспортеров в золосборную магистраль котла 10.The vane flow-through axial radial separator operates as follows: through the supply line 13 into the cavity 11 on the shaft 2, cooling gas is supplied to the cavity 12 of the hollow blade 4, which flows out through the end slot 7 onto the lattice from the blades 14, installed at a supercritical angle to the stream flowing from the blades. As a result, the vane separator rotates under the action of a hydrodynamic reaction, which is repelled by the gas stream, and by changing the gas flow rate, the rotational speed of the vane separator can be controlled. Rotating the separator rakes ash from the gas-ash flow with its scrapers 16, located on the upper side of the blade 4 facing the oncoming flow 5 and, under the action of centrifugal and karyolis forces, throws the separated part of the ash into the annular cavities 9 in the shell 8 and then removes it through using conveyors to the boiler ash collection line 10.

Лопастной проточный осерадиальный сепаратор действует следующим образом: через подающую магистраль 13 в полость 11 на валу 2 подается охлаждающий газ в полость 12 полой лопатки 4, который вытекает через концевую щель 7 на решетку из лопаток 14, установленных под докритическим углом к натекающему из лопаток потоку. В результате, лопаточный сепаратор вращается под действием гидродинамической реакции, отталкивающейся от решетки струи газа, причем меняя расход газа можно регулировать скорость вращения лопастного сепаратора. Вращаясь сепаратор сгребает золу из газозолового потока своими скребками 16, расположенными на верхней стороне лопасти 4, обращенной к натекающему потоку 5 и под действием центробежных и кариолисовых сил отбрасывает отсепарированную часть золы в кольцевые полости 9 в обечайке 8 и далее, удаляет ее через с помощью транспортеров в золосборную магистраль котла 10.The vane flow-through axial radial separator operates as follows: through the supply line 13 into the cavity 11 on the shaft 2, cooling gas is supplied to the cavity 12 of the hollow blade 4, which flows out through the end slot 7 onto the grating from the blades 14, installed at a subcritical angle to the stream flowing from the blades. As a result, the vane separator rotates under the action of a hydrodynamic reaction, which is repelled by the gas stream, and by changing the gas flow rate, the rotational speed of the vane separator can be controlled. Rotating the separator rakes ash from the gas ash flow with its scrapers 16 located on the upper side of the blade 4 facing the oncoming flow 5 and, under the action of centrifugal and karyolis forces, throws the separated part of the ash into the annular cavities 9 in the shell 8 and then removes it through the conveyors into the boiler ash collection line 10.

Claims

1. A vane flow-through axial radial separator, placed in the flow of the gas-ash mixture, for example, in front of the economizer of a power boiler, having a shaft on which hollow blades with longitudinal and end slots are fixed, a hollow shell with an annular slot surrounding the separator, and connected to the ash-collecting network of the boiler, characterized in that there are channels on the shaft connected with cavities in the blades, and gas flows from an external source, which is repelled by a jet stream from the array of blades installed at subcritical angles of attack in the annular slot of the separator shell, and on the upper wall of the blades facing the gas ash flow, the chute is made in the form of a square, open in the direction of rotation of the package, and at the ends of the ash collection channels on the blades there are slots that are located opposite the lattice of blades connected to the ash collection channels in the shell, the total area of the blades in the plane of rotation of the separator does not exceed the total area of the pipes in the first row of conjugate heat exchange apparatus.

2. A vane flow-through axial radial separator according to claim 1, characterized in that the blades on the shaft are installed in packs one after the other, and the separator has an even number of blade packs on the shaft, which are rotated in opposite directions.

3. Blade flow-through axial radial separator according to claim 1, characterized in that the shell has a converging-diffuser shape with internal cavities and ash conveyors, which are connected to external vibration generators to accelerate the movement of ash.

4. Blade flow-through axial radial separator according to claim 1, characterized in that the ash-collecting chute on the upper blade wall facing the gas ash flow is made along a trajectory similar to the trajectory of solid particles under the action of centrifugal and Coriolis forces.

5. A vane flow-through axial radial separator according to claim 1, characterized in that the outer walls of the blades and the blade cascade have surface compaction by quenching, nitrogenation, carburizing or laser spraying of abrasive-resistant materials.