Горелочное устройство

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Самусев Сергей Николаевич(72) Авторы Самусев Сергей Николаевич Ботнару Виктор Иванович(73) Патентообладатель Самусев Сергей Николаевич(57) Горелочное устройство, содержащее воздухоподающий корпус с передней и задней крышками, внутри которого соосно установлены газовая трубка, воздушная трубка, насадка, цилиндрическое сопло и обечайка, при этом насадка имеет цилиндрическую часть и коническую часть, к которой жестко присоединено цилиндрическое сопло с кольцевыми рядными отверстиями на участке, ограниченном передней крышкой воздухоподающего корпуса, обечайка установлена коаксиально конической части насадки и цилиндрическому соплу, на ее цилиндрической части выполнены отверстия, а коническая часть жестко прикреплена к воздухоподающему корпусу, газовая трубка, размещенная внутри насадки,с одного торца заглушена крышкой с наклонными отверстиями, а с другого закреплен штуцер, воздушная трубка размещена внутри газовой трубки с соосным отводом и открытым торцом, в полости насадки образована совмещенная камера смешения и каскаднодифференцируемого сжигания топлива круглой крышкой насадки с отверстиями и ее цилиндрическим участком с наклонными отверстиями, при этом наклонные отверстия цилиндрической части насадки и газовой трубки выполнены с пересечением их осей с осью 83052012.06.30 радиальных отверстий круглой крышки для стахометрического сгорания топлива и дополнительной подачи воздуха для дожигания сгорания продуктов горения, на конической части насадки выполнены отверстия с защитными козырьками, в соосные отверстия на цилиндрической части насадки и стенке воздухоподающего корпуса установлена пламенная трубка пусковой горелки, а в воздухоподающий корпус вмонтирован патрубок с фланцем, отличающееся тем, что на газовой трубке закреплена шпонка, входящая в шпоночный паз, выполненный в центральном отверстии круглой крышки насадки, а передняя крышка воздухоподающего корпуса установлена с зазором относительно цилиндрического сопла для обеспечения компенсации температурного расширения и удлинения.(56) 1. А.с. СССР 1599620, МПК 523 14/70, 1990. 2. Патент США 4708637, МПК 23 14/00,23 3/0023 6/0023 6/0423 7/00, 23 1/00, 1987. 3. Патент РФ 99596, МПК 23 14/02, 2010. Полезная модель относится к устройствам для сжигания газообразного топлива и может быть использована, например, в черной и цветной металлургии, машиностроении для отопления нагревательных и термических печей, котлов, бойлеров, печей расплава и обжига. Известна газовая горелка 1, содержащая воздухоподающий корпус, установленную по оси корпуса и заглушенную с выходного торца газовую трубку с выпускными отверстиями на ее боковой поверхности, наклоненными к оси корпуса, и соосно размещенную вокруг газовой трубы насадку, в полости которой выполнена камера предварительного смешения, образованная сопряженными коническим и цилиндрическим участками. Насадка на входе снабжена конической обечайкой, сопряженной своим большим внутренним диаметром с большим диаметром конического участка камеры. Между воздухоподающим корпусом и насадкой имеется кольцевой зазор, причем соотношение наружного и внутреннего диаметров кольцевого зазора равно 1,08-1,12. Известная горелка обладает недостаточной эксплуатационной надежностью, вызванной ухудшением нормальных режимов горения, приводящих к нестабильному, низкому качеству сжигания газа. Известно также горелочное устройство 2, содержащее воздухоподающий корпус, установленную по оси корпуса и заглушенную с выходного торца газовую трубку с выпускными наклонными отверстиями, а внутри газовой трубки врезана перпендикулярно оси воздушная трубка меньшего диаметра с соосным отводом и открытым торцом. Вокруг газовой трубки соосно размещена насадка, в полости которой выполнена совмещенная камера смешения и каскадного сжигания топлива, образованная установленной на входе в насадку крышкой с отверстиями и сопряженными цилиндрическим участком с наклонными отверстиями и коническим участком с отверстиями насадки. К насадке на выходе жестко прикреплено цилиндрическое сопло с кольцевыми рядными отверстиями на части сопла, ограниченной задней крышкой воздухоподающего корпуса. Коаксиально конической части насадки и соплу установлена обечайка, на цилиндрической части которой имеются отверстия. При этом на цилиндрической части насадки и стенке воздухоподающего корпуса выполнены отверстия, связывающие через пламенную трубку внутреннюю полость цилиндрической части насадки с открытым пламенем факела пилотной горелки с каскадным сжиганием газа при ударном противотоке газовых и воздушных струй, способствующих эффективному смешиванию газовоздушной смеси. Горелочное устройство также снабжено дополнительным цилиндрическим кожухом, размещенным коаксиально насадке, а обечайка своей конической частью соединена с цилиндрическим кожухом. 2 83052012.06.30 Основным недостатком известной конструкции является конструктивная сложность,приводящая к снижению эксплуатационной надежности. Кроме того, наличие большого количества полостных каналов, воздушных и газовых, затрудняет настройку газодинамических параметров, что приводит к возникновению непрогнозируемых режимов при переходных процессах работы горелочного устройства. Наиболее близким к заявляемому является горелочное устройство 3. Известное горелочное устройство содержит воздухоподающий корпус, установленную по оси корпуса и заглушенную с выходного торца газовую трубку с выпускными наклонными отверстиями, внутри которой врезана перпендикулярно оси воздушная трубка меньшего диаметра с соосным отводом и открытым торцом. Вокруг газовой трубки соосно размещена насадка, в полости которой выполнена совмещенная камера смешения и каскадного сжигания топлива, образованная установленной на входе в насадку крышкой с отверстиями и сопряженными цилиндрическим участком с наклонными отверстиями и коническим участком с отверстиями насадки. К насадке на выходе жестко прикреплено цилиндрическое сопло с кольцевыми рядными отверстиями, на части сопла, ограниченной передней крышкой воздухоподающего корпуса, коаксиально конической части насадки и соплу установлена обечайка, на цилиндрической части которой имеются отверстия. При этом на цилиндрической части насадки и стенке воздухоподающего корпуса выполнены отверстия, связывающие через пламенную трубку внутреннюю полость цилиндрической части насадки с открытым пламенем факела пилотной горелки. На конической части насадки встроены клапаны с биметаллическим приводом, кинематически связанным с конической частью насадки. При оптимальной реализации горелочного устройства наклонные отверстия цилиндрической части насадки и газовой трубки выполнены со спиральной накаткой при оппозитном их размещении, при этом оси упомянутых отверстий, размещенных на конической части насадки, смещены в сторону меньшего основания конуса на расстояние 0,5-0,7 длины образующей конуса. Недостатком устройства по прототипу является ненадежность его работы из-за возникающих вибраций в процессе эксплуатации, которые могут привести к смещению газовой трубки, что нарушит оптимальное смесеобразование воздуха и газа. Кроме того, известное устройство не предусматривает конструктивных решений, обеспечивающих компенсацию температурного расширения и удлинения конструктивных элементов в процессе эксплуатации, что может вызвать непрогнозируемые режимы работы. Также в известном решении затруднено эффективное поступление воздуха к насадке. В результате приведенных недостатков снижается эффективность процесса горения и работы устройства в целом. Задачей заявляемой полезной модели является повышение эффективности и надежности работы горелочного устройства за счет обеспечения стабильности и полноты процесса горения. Поставленная задача достигается тем, что горелочное устройство содержит воздухоподающий корпус с передней и задней крышками, внутри которого соосно установлены газовая трубка, воздушная трубка, насадка, цилиндрическое сопло и обечайка. При этом насадка имеет цилиндрическую часть и коническую часть, к которой жестко присоединено цилиндрическое сопло с кольцевыми рядными отверстиями на участке, ограниченном передней крышкой воздухоподающего корпуса. Обечайка установлена коаксиально конической части насадки и цилиндрическому соплу, на ее цилиндрической части выполнены отверстия, а коническая часть жестко прикреплена к воздухоподающему корпусу. Газовая трубка, размещенная внутри насадки, с одного торца заглушена крышкой с наклонными отверстиями, а с другого закреплен штуцер. Воздушная трубка размещена внутри газовой трубки с соосным отводом и открытым торцом. В полости насадки образована совмещенная камера смешения и каскадно-дифференцируемого сжигания топлива круглой крышкой насадки с отверстиями и ее цилиндрическим участком с наклонными отверстиями. При этом наклонные отверстия цилиндрической части насадки и газовой трубки выполне 3 83052012.06.30 ны с пересечением их осей с осью радиальных отверстий круглой крышки для стахометрического сгорания топлива и дополнительной подачи воздуха для дожигания сгорания продуктов горения. На конической части насадки выполнены отверстия с защитными козырьками. В соосные отверстия на цилиндрической части насадки и стенке воздухоподающего корпуса установлена пламенная трубка пусковой горелки, а в воздухоподающий корпус вмонтирован патрубок с фланцем. При этом на газовой трубке закреплена шпонка,входящая в шпоночный паз, выполненный в центральном отверстии круглой крышки насадки, а передняя крышка воздухоподающего корпуса установлена с зазором относительно цилиндрического сопла для обеспечения компенсации температурного расширения и удлинения. Отличительными признаками заявляемой полезной модели являются наличие нового элемента и его расположение, т.е. шпонки, закрепленной на газовой трубке иное взаиморасположение элементов, а именно установка передней крышки воздухоподающего корпуса относительно цилиндрического сопла с зазором. Благодаря приведенным отличиям обеспечивается оптимальное смесеобразование воздуха и газа, снижается вероятность непрогнозируемых режимов работы, повышается стабильность процесса горения. На фиг. 1 представлен общий вид горелочного устройства в разрезе на фиг. 2 - вид А-А с изображением расположения шпонки. Горелочное устройство содержит воздухоподающий корпус 1 с передней 2 и задней 3 крышками, внутри которого соосно установлены газовая трубка 4, воздушная трубка 5,насадка 6, цилиндрическое сопло 7 и обечайка 8. При этом насадка 6 имеет цилиндрическую часть и коническую часть, к которой жестко присоединено цилиндрическое сопло 7 с кольцевыми рядными отверстиями 9 для охлаждения его холодным воздухом на участке,ограниченном передней крышкой 2 воздухоподающего корпуса 1. Обечайка 8 установлена коаксиально конической части насадки 6 и цилиндрическому соплу 7, на ее цилиндрической части выполнены отверстия 10, а коническая часть жестко прикреплена к воздухоподающему корпусу 1. Газовая трубка 4, размещенная внутри насадки 6, с одного торца заглушена крышкой 11 с наклонными отверстиями 12, а с другого закреплен штуцер 13. Воздушная трубка 5 размещена внутри газовой трубки 4 с соосным отводом и открытым торцом. В полости насадки 6 образована совмещенная камера смешения и каскаднодифференцируемого сжигания топлива круглой крышкой 14 с отверстиями 15 насадки 6 и ее цилиндрическим участком с наклонными отверстиями 16. При этом наклонные отверстия 16 цилиндрической части насадки 6 и наклонные отверстия 17 газовой трубки 4 выполнены с пересечением их осей с осью радиальных отверстий 15 круглой крышки 14 для обеспечения стахометрического сгорания топлива и дополнительной подачи воздуха для дожигания продуктов горения. На конической части насадки 6 выполнены отверстия 18 для подогрева воздуха путем подачи незначительной части сгоревших газов из камеры горения с защитными козырьками 19. В соосные отверстия 20 и 21 на цилиндрической части насадки 6 и стенке воздухоподающего корпуса 1 установлена пламенная трубка 22 пусковой горелки (на фигурах не показана). В воздухоподающий корпус 1 вмонтирован патрубок 23 с фланцем для подачи воздуха от вентсистемы. При этом на газовой трубке 4 закреплена шпонка 24, входящая в шпоночный паз, выполненный в центральном отверстии круглой крышки 14 насадки 6 для предотвращения смещения точек пересечения осей отверстий 17 газовой трубки 4, отверстий 16 насадки 6, отверстий 15 крышки 14, а передняя крышка 2 воздухоподающего корпуса 1 установлена с зазором относительно цилиндрического сопла 7 для обеспечения компенсации температурного расширения и удлинения. Для крепления горелочного устройства при установке на рабочее место предусмотрены крепежные опоры 25, их количество определяется конкретными условиями эксплуатации. 4 83052012.06.30 Горелочное устройство работает следующим образом. Для запуска процесса горения используется пусковая горелка с пламенной трубкой 22,которые входят в каскадно-горелочную камеру. Пусковые горелки могут применяться разных типов и конструкций, соответствующих запуску горелки. В горелочное устройство через патрубок 23 подается воздух, который поступает в камеру, образованную воздухоподающим корпусом 1 и обечайкой 8. Через отверстия 10 в цилиндрической части обечайки 8 воздух попадает в камеру, образованную воздухоподающим корпусом 1 и обечайкой 8 и насадкой 6, где подогревается в зоне наклонных отверстий 16 насадки 6 газами, идущими через отверстия 18 и направляющие козырьки 19. В дальнейшем потоки воздуха подразделяются. Воздух через наклонные отверстия 16 насадки 6 поступает в камеру каскадно-дифференцируемого горения, где сталкивается в строго фиксированной точке с поступающим газом из газовой трубки 4 по наклонным отверстиям 17. Размеры наклонных отверстий 16 и 17 определяются конструктивно с учетом давления воздуха и газа, обеспечивая потоки воздуха и газа, близкие к стахометрическому. Через отверстия 15 задней крышки 14, расположенные по окружности, с осью, строго сориентированной на точки пересечения потоков воздуха и газа, часть воздуха попадает в камеру каскаднодифференцируемого горения, который является избыточным. Функция потоков излишнего воздуха заключается в охлаждении пламени и проталкивании продуктов горения и несгоревшего газа вперед, освобождая этим первую зону горения. Результирующий поток будет содержать несгоревший газ, продукты горения и большой избыток воздуха. Потоки воздуха, поступающие через второй ряд входных наклонных отверстий 16 насадки 6, и потоки газа, поступающие из второго ряда наклонных отверстий 17 газовой трубки 4,встречаются в своей точке пересечения с результирующим потоком первой зоны горения,и на этом участке, составляющем вторую зону, они и сгорают. Вначале во второй зоне горения сгорает недогоревший газ продуктов горения первой зоны горения, так как он предварительно нагрет в результирующем потоке. Результирующий поток первой зоны горения оказывает охлаждающее действие на вторую зону горения и способствует перемещению всех продуктов вперед. Результирующий поток второй зоны горения будет иметь большую скорость, так как состоит из суммы двух потоков первой и второй зоны горения. Таких зон горения можно сформировать множество за счет последующих совмещений наклонных отверстий 16 (воздушных) и 17 (газовых). Формы отверстий 16 и 17 могут разными. Общий поток всех камер горения ударяется в коническую часть насадки 6, в эту же точку направляется газ через последний ряд наклонных отверстий 12 из газовой трубки, где и сгорает, соединяясь с остатками кислорода общего потока камер горения. Потоки отклоняются конической частью камеры горения к цилиндрическому соплу 7. Одновременно подается воздух через воздушную трубку 5 и происходит окончательное догорание несгоревших частиц топлива и продуктов горения. Часть продуктов горения проходит из камеры горения через отверстия 18 в конической части насадки 6 в воздушную камеру, нагревает поступающий воздух и затем идет вместе с воздухом на повторное сжигание. Часть неподогретого воздуха через кольцевые рядные отверстия 9 цилиндрического сопла 7 поступает непосредственно в него, создает охлаждающий слой и способствует сгоранию остатков топлива и продуктов горения. Использование предлагаемого горелочного устройства обеспечит повышение эффективности и надежности его работы за счет обеспечения стабильности процесса горения при полном сгорании и максимально низком содержании загрязняющих веществ. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6