Кислородно-нефтяная центробежная форсунка - RU2212001C2
Код документа: RU2212001C2
Чертежи
Описание
Изобретение относится к форсунке для сжигания жидкого топлива и, в частности, но не исключительно, относится к нефтяной форсунке, имеющей низкое выделение NОх, и к применению вихревой технологии для обеспечения полного или практически полного сгорания.
В заявке на патент США US-A-3685740 предложена кислородно-нефтяная форсунка, типа реактивной форсунки, состоящая из цилиндрической камеры сгорания, имеющей открытый выпускной конец, и запальную пластину с отдельными отверстиями для кислорода и топлива, расположенными на противоположном конце камеры. Выступающая продольная ось кислородных отверстий вытянута в направлениях, сходящихся в одной точке с продольной осью камеры, но при этом находится в отклоненном, непересекающемся положении, так что точки на соответствующих осях, которые более тесно приближаются к осям камеры, определяют поперечно расположенную плоскость между запальной пластиной и выходом камеры. Выступающие продольные оси топливных отверстий являются практически параллельными осям камеры для смешивания кислорода и топлива на плоскости и за плоскостью наиболее тесного приближения. Предусмотрено средство регулирования продольного положения запальных пластин на оси камеры и тем самым более тесное приближение местоположения пластины по отношению к выходу из камеры для определения формы выходящего из форсунки пламени. Такая форсунка также имеет водоохлаждаемую рубашку, которая проходит вплоть до наконечника форсунки для охлаждения тем самым наконечника в процессе работы форсунки. Несмотря на то, что форсунка способна давать несколько различных видов пламени, у этих видов имеется тенденция к возникновению турбулентности, и поэтому они нестабильны в некоторых случаях применения. Примечательно также, что такая форсунка по конструкции предназначена для полного смешивания кислорода с топливом, так чтобы из форсунки выходили горячие, полностью сгоревшие в пламени газы. Таким образом, потребуется охлаждение наконечника форсунки и, следовательно, общий коэффициент полезного действия форсунки должен понизиться, поскольку часть выделившегося при горении тепла будет потеряна с охлаждающей водой в охлаждающей рубашке. Кроме того, эта форсунка является сравнительно шумной, и, несмотря на то, что она производит более низкое количество вредных выделений, таких как NOx , чем другие обычного типа форсунки (такие как так называемые форсунки "трубка в трубке"), благодаря методу смешивания кислорода с топливом, при ее работе этих выделений еще достаточно для того, чтобы вызвать проблемы.
Задачей настоящего изобретения является создание жидкотопливной форсунки, которая снижает и по возможности устраняет проблемы, связанные с вышеупомянутым устройством.
Поставленная задача решается тем, что в форсунке для сжигания кислорода и жидкого топлива, имеющей внешний кожух, содержащий первый входной конец, второй выходной конец для выхода пламени при горении и определяющий камеру сгорания и продольную ось X; средство подачи топлива для ввода потока распыленного топлива на входной конец и направления его к выходному концу и средство подачи кислорода для ввода кислорода во входной конец и для его направления к выходному концу, причем средство подачи кислорода имеет множество выходных отверстий для кислорода, расположенных по окружности вокруг средства подачи топлива и под углом радиально внутрь в направлении выходного конца и направленных косо относительно оси Х для образования тем самым сходящегося конусом потока кислорода, который пересекает поток топлива в первой, находящейся выше по ходу потока зоне, причем средство подачи топлива имеет по существу центральное выходное отверстие, имеющее внутреннюю поверхность в виде расходящегося конуса, по которому проходит топливо, по мере того как оно вытекает оттуда, при этом внутренняя поверхность расходящегося конуса содержит первую поверхность расходящегося конуса, смежную с центральным выходным отверстием, согласно изобретению, внутренняя поверхность расходящегося конуса дополнительно содержит вторую поверхность расходящегося конуса, прилегающую к первой поверхности расходящегося конуса, причем первая поверхность расходящегося конуса имеет более высокий угол отклонения от оси X, чем вторая поверхность расходящегося конуса.
Предпочтительно, первая поверхность расходящегося конуса составляет угол β от 15 до 30o относительно второй поверхности расходящегося конуса, более предпочтительно, от 20 до 25o относительно второй поверхности расходящегося конуса.
При этом вторая поверхность расходящегося конуса отклонена под углом ⌀ от 30 до 40o относительно оси X, а угол ⌀ составляет от 30 до 35o. Как правило, чем больше угол сдвига ⌀, тем больше полная длина пламени, и наоборот.
Выходные отверстия для подачи кислорода расположены радиально внутрь под углом α от 5 до 10o относительно оси Х и косо, под углом θ120 от 20 до 30o относительно нее.
Средства подачи топлива и кислорода смонтированы на узле форсунки внутри камеры сгорания, а узел форсунки способен перемещаться в осевом направлении вдоль оси X, что позволяет посредством этого изменять осевое положение выходных отверстий для топлива и кислорода внутри камеры сгорания, причем центральное выходное отверстие для топлива и первая поверхность расходящегося конуса образуют часть единого элемента, который установлен с возможностью демонтажа на узле форсунки.
Форсунка также содержит средство выпуска воздуха из выходного конца в направлении выхода горящего пламени, а средство выпуска воздуха содержит множество выходных отверстий для воздуха, расположенных по окружности и на расстоянии вокруг выходных отверстий для кислорода, при этом выходные отверстия для воздуха расположены под углом радиально внутрь относительно оси Х и косо относительно оси X.
Предпочтительно, выходные отверстия для воздуха расположены косо относительно оси Х в том же самом направлении, что и выходные отверстия для кислорода.
Форсунка содержит средство для изменения расхода, которое обеспечивает подачу воздуха внутрь и его выпуск из форсунки, а также подачу кислорода и/или топлива внутрь и их выпуск из форсунки.
При такой "изогнутой конической" поверхности, согласно изобретению, по меньшей мере некоторая часть жидкого топлива, выходящего из центрального выходного отверстия, движется вдоль первой поверхности расходящегося конуса перед тем, как попасть из нее в главный поток в точке перегиба, где первая поверхность переходит во вторую, улучшая тем самым смешивание кислорода и жидкого топлива. Посредством комбинирования аэродинамического регулирования замедления смешивания потока и придания потоку ламинарного течения с внутренней рециркуляцией (то есть, внутри пламени) газообразных продуктов горения и окислителей, можно обнаружить, что такая форсунка выделяет низкое количество СО, NОх и сажистых выделений, а коническая конструкция сопла существенно уменьшает шум по сравнению со 120 дБ в предшествующих технических решениях. В ней очень легко быстро изменять форму пламени, выходящего из форсунки, и, благодаря снижению образования сажи, при использовании форсунки (поскольку внутри пламени происходит рециркуляция газообразных продуктов горения и окислителя благодаря эффекту завихрения, образованная сажа сгорает без остатка в последней части пламени) возникает очень яркое пламя. Форсунка генерирует пламя, имеющее два участка горения: первый, соседний с выходным отверстием для топлива, находящийся в обогащенной топливом зоне, и второй, следующий участок, где происходит основное горение и где выделяется основное количество тепла. Такое положение основной зоны горения на расстоянии от форсунки предотвращает перегрев форсунки и соседних огнеупорных деталей, устраняя при этом необходимость какого-либо водяного охлаждения. Деление пламени на два участка известно как "зональность", причем точку, в которой смыкаются оба участка, называют "точкой зональности" (как правило, чем больше длина первой зоны, по сравнению с длиной второй зоны, тем больше зональность, и наоборот). Зональность уменьшается обратно пропорционально размеру выходных отверстий для топлива и кислорода.
Как указывалось ранее, первая поверхность расходящегося конуса может быть под углом β от 15 до 30o относительно угла второй поверхности, более предпочтительно, от 20 до 25o. Изменение угла β влияет на общую длину пламени, а также улучшает или ухудшает смешивание топлива с кислородом в соответствии с такими свойствами топлива, как вязкость, плотность, температура и т.д.
В особо предпочтительной конструкции форсунка имеет средство для изменения осевого положения выходных отверстий для топлива и кислорода внутри камеры сгорания, чтобы тем самым изменять форму истечения из форсунки. Средства подачи топлива и кислорода могут быть установлены, например, на узле форсунки внутри камеры сгорания, и узел форсунки имеет возможность осевого перемещения вдоль оси X, чтобы тем самым изменять осевое положение выходных отверстий для топлива и кислорода внутри камеры сгорания.
Выходное отверстие для топлива можно использовать как выходное отверстие для нефтепродуктов, а средство подачи кислорода можно использовать для подачи кислорода, воздуха или обогащенного кислородом воздуха.
В некоторых случаях применения для сгорания выгодно дополнительно подавать воздух или обогащенный кислородом воздух. Этого достигают преимущественно посредством выполнения множества выходных отверстий для воздуха, расположенных концентрично вокруг выпускных отверстий для кислорода, на некотором расстоянии от них, причем выходные отверстия для воздуха имеют такую форму, чтобы направлять течение воздуха радиально внутрь относительно оси X и к выходу относительно нее. Выходные отверстия для воздуха предпочтительно расположены косо в том же самом направлении, что и выходные отверстия для кислорода.
Настоящее изобретение далее будет более конкретно описано с помощью примеров только
со ссылками на следующие чертежи, в которых:
на фиг.1 представлен вид с частичным разрезом кислородно-топливной форсунки согласно настоящему изобретению;
на фиг. 2 показано
поперечное сечение узла форсунки, представленной на фиг.1;
на фиг. 3 представлен вид сверху узла форсунки, данный в направлении стрелки Т на фиг.2;
на фиг.4 представлена вертикальная
проекция концевой части узла форсунки в направлении стрелки А на фиг.2;
на фиг.5 представлено следующее поперечное сечение узла форсунки и показана связанная с ним форма течения;
на
фиг.6 представлена вертикальная проекция концевой части узла форсунки в направлении стрелки W на фиг.3;
на фиг. 7а представлен поперечный разрез другого варианта узла форсунки согласно
настоящему изобретению;
на фиг. 7b представлена вертикальная проекция концевой части блока форсунки с фиг.7а;
на фиг. 7с представлен поперечный разрез узла форсунки с фиг.7а и 7b,
модифицированный для сжигания газообразного топлива.
Кислородно-топливная форсунка 10, показанная в качестве примера на фиг. 1, состоит из трубчатого или цилиндрического кожуха 12, имеющего первый входной конец 12а, второй выходной конец 12b для выхода горящего пламени и продольной оси Х и центральной трубы 14 для подачи топлива между входным концом 12а и выходным концом 12b, к которому присоединен изготовленный из нержавеющей стали узел 16 форсунки, более подробно показанный на фиг.2-6. Труба 14 для подачи топлива заканчивается практически в центральном выходном отверстии 18, расположенном на оси Х и имеющем обычно внутреннюю поверхность 20 в виде расходящегося конуса, через которую проходит топливо, по мере того как оно выходит оттуда. На узле форсунки также предусмотрено множество выходных отверстий 22 для кислорода, расположенных концентрично и на расстоянии вокруг центрального выходного отверстия 18 для топлива и под углом радиально внутрь относительно выходного конца 12b и косо относительно оси X, для образования тем самым вихреобразного сходящегося конуса кислорода, который пересекает поток топлива в первой зоне Z1 выше по потоку. Далее, при ссылке только на фиг.1, следует отметить, что средство подачи кислорода содержит, кроме того, канал 24, образованный между кожухом 12 и трубопроводом 14 для подачи топлива, причем кислород подается через входное отверстие 26 и направляется затем вдоль канала 24 таким образом, чтобы он подходил к тыльной поверхности 16а узла 16 форсунки, от которой кислород поступает во множество выходных отверстий 22, которые заканчиваются в точке, которая расположена внутри поверхности 20. "Обычно расходящаяся" внутренняя поверхность 20 фактически состоит из двух, первой и второй, поверхностей 20а, 20b расходящегося конуса (см. фиг.2), причем расположенная по ходу потока поверхность 20а имеет больший угол расхождения относительно оси X, чем расположенная против хода потока поверхность 20b (угол между двумя поверхностями обозначен β). На фиг. 2 угол β составляет приблизительно 23o, а угол отклонения ⌀ поверхности 20b от оси Х составляет приблизительно 35o. К поверхностям 20а, 20b расходящегося конуса примыкают по окружности, предпочтительно смежной, выходные отверстия 22 для подачи кислорода (такие, как расположенные по окружности штрихпунктирной оси выходных отверстий 22, как показано на фигурах).
В процессе работы по меньшей мере некоторая часть жидкого топлива течет вдоль расположенной по ходу потока поверхности 20а перед тем, как отделиться от нее в месте ее соединения с расположенной против хода потока поверхности 20b, замедляя тем самым его попадание в основной поток топлива и улучшая при этом его смешивание с кислородом.
Из фиг.2 видно, что каждое из выходных отверстий 22 для кислорода расположено радиально внутрь под углом α от 5 до 10o относительно оси X, в результате чего каждая струя кислорода получает направление радиально внутрь, так что при этом она пересекается с потоком топлива, выходящего из центрального выпускного отверстия 18. Из вида сверху на фиг.3 видно, что каждое из выходных отверстий 22 для кислорода расположено косо под углом θ, составляющим от 20 до 30o относительно оси X. На фиг.4 представлена в дополнительных подробностях траектория входных отверстий 22 для подачи кислорода, по мере их прохода от торца 16а до поверхности 20. Углы выходных отверстий для кислорода, расходящаяся форма конуса сопла 20 и отношение скоростей кислорода и топлива очень важны и определяют количество выделений и форму пламени. При более подробном рассмотрении фиг. 2-6 должно стать ясно, что отклонение ⌀ поверхности 20b от 30o до 40o (предпочтительно от 30o до 35o) обеспечивает истечение топлива из центрального выходного отверстия 18 с получением плавного дальнейшего движения и относительно длинной, узкой, прямой струи, имеющей по существу ламинарный характер течения. Это полностью контрастирует со многими предшествующими техническими решениями, в которых топливо вводится в такой форме, которая является причиной возникновения турбулентного режима течения. Множество отверстий 22 для кислорода, расположенных так, чтобы направить поток кислорода радиально внутрь под углом α от 5o до 10o относительно оси X, являются такими, чтобы вызвать замедленное смешивание кислорода с потоком топлива так, чтобы поддерживать в зоне Z1 режим по существу с повышенным содержанием топлива, в то время как в зоне Z2 - режим с пониженным содержанием топлива. Преимуществом этого устройства является появление за счет замедления смешивания области яркого свечения, которая начинается на расстоянии приблизительно от 300 до 500 мм от форсунки, причем это предотвращает перегрев форсунки и любых огнеупорных материалов, находящихся там поблизости от выходного конца пламени. Поэтому такая конструкция способна поддерживать начальную температуру пламени не выше 1200oС и, таким образом, нет необходимости охлаждения форсунки водой. Можно поддерживать более высокую температуру, если использовать такие сплавы, как INCOALLOY, CuproNickel или Monel 400, или если предусмотреть водяное охлаждение, хотя водяное охлаждение можно совместить с использованием для всей форсунки материала с высокой теплопроводностью и повышенным сопротивлением коррозии, таким как CuproNickel. Обогащенная топливом зона Z1 простирается примерно на длину от 300 до 500 мм и заканчивается в начале второй, несколько большей зоне Z2, где происходит основное горение. Протяженность второй зоны Z2 можно регулировать посредством изменения угла α отвода сопла, или узла 16 форсунки, внутрь кожуха, или корпуса 12, что известно из предшествующих технических решений. Хотя должно быть понятно, что угол α обычно должен быть установлен для каждой конструкции форсунки в отдельности, положение узла 16 форсунки можно изменять вдоль оси Х посредством приведения в действие двигателя 36 (фиг.1), который в свою очередь двигает трубопровод 14 подачи топлива и узел 16 форсунки в осевом направлении вдоль оси X. Чем больше втянут узел 16 форсунки, тем большее влияние этот выходной конец 12b должен оказывать на форму пламени при уменьшении эффекта завихрения, по мере того как втягивание увеличивается. Такое уменьшение завихрения в результате связано с длиной пламени и изменением рециркуляции и, таким образом, дает возможность изменять форму пламени для удовлетворения потребностей заказчика. Очевидно, если узел 16 форсунки расположен так, что его конец находится на одном уровне с выходным отверстием, то конец 12b следует укоротить, если при этом возникает какая-то интерференция и форма пламени определяется в большой степени формой, положением и углами ориентации самих выходных отверстий для топлива.
Далее, при более конкретном рассмотрении фиг.3 и 4, должно стать ясно, что выходные отверстия 22 для кислорода также расположены косо под углом θ относительно продольной оси X, обеспечивая тем самым степень завихрения потока кислорода, который вращается в направлении стрелки R вокруг центрального потока топлива. Угол θ от 20o до 30o, предпочтительно от 20o до 25o, обеспечивает достаточное завихрение для возникновения эффекта рециркуляции, который должен возникать в зоне Z2 горения, с тем чтобы любые остаточные нежелательные продукты горения рециркулировали и смешивались с остаточным О2 для полного или по существу полного их сгорания, и поэтому значительно уменьшается количество NО2, СО и сажи перед зоной Z2 выхода пламени.
Далее, из краткого обращения снова к фиг.1 видно, что исполнительный механизм в виде двигателя 36 и устройство с зубчатой рейкой и шестерней 38, 40 предусмотрены на удаленном конце топливного канала 14 и способны вызвать перемещение упомянутого канала и узла 16 форсунки в осевом направлении вдоль оси Х для изменения осевого положения выходов 18, 22 для топлива и кислорода внутри камеры сгорания и, таким образом, для изменения формы выходной системы самой форсунки, как известно из технического решения. Насосы 34 и 42 на фиг. 1 предназначены для подачи топлива и кислорода в камеру сгорания с требуемым расходом и при отношении скоростей, достаточном для получения приблизительно равных скоростей кислорода и топлива в точке зональности. На практике, отношение скоростей кислород:топливо у их соответствующих выходных отверстий от 1: 1 до 10:1 даст одинаковые скорости в точке зональности; в иллюстрируемой форсунке предпочтительным является отношение скоростей приблизительно 2:1.
В процессе работы представленная форсунка снижает образование окислов азота за счет сочетания замедления смешивания топлива с кислородом при обеспечении ламинарного течения и внутренней рециркуляции. Такие способы в результате обеспечивают "зональность" или образование двух участков Z1, Z2 горения: первой зоны, сильно обогащенной топливом, длиной приблизительно от 300 до 500 мм, второй более длинной зоны, где происходит основное горение. Обе зоны имеют свои собственные характеристики, причем в первой, Z1, имеет место очень низкая температура и слабое свечение, что предотвращает таким образом образование NОх и перегрев форсунки и/или соседних с ней деталей из тугоплавкого материала, в то время как соседняя зона Z2 является гораздо более горячей. Как описано выше, длину второй зоны Z2 можно регулировать угловым положением отверстий для кислорода и втягиванием узла 16 форсунки с соплом внутрь кожуха 12. Зона Z2 имеет очень яркое свечение, причем основная часть топлива полностью сгорает, по меньшей мере частично, с возникновением эффекта рециркуляции за счет завихрения кислорода вокруг потока топлива. Таким образом, при этом предотвращается образование NOx, и образованная сажа, вызывающая увеличение свечения, сгорает без остатка. Кроме того, такая конструкция сопла способна значительно снизить уровни шума по сравнению со 120 дБ в предшествующих технических решениях.
Радиальный угол α выходных отверстий 22 для кислорода определяет характеристику замедления смешивания и прозрачную голубую, вначале низкотемпературную часть пламени, а угол скрещивания ⌀ определяет количество завихрений и соответствующую внутреннюю рециркуляцию с сажистым пламенем. Изменение угла α влияет и тем самым определяет регулирование длины пламени и образование NOx, тогда как изменение угла ⌀ влияет на ширину пламени, свечение и образование NOx. Диаметр центрального выходного отверстия 18 для топлива больше по сравнению с форсунками обычного типа и обеспечивает, по меньшей мере частично, необходимое отношение скоростей кислорода и топлива. Угол конусности θ, составляющий от 30o до 40o, предпочтительно приблизительно от 30o до 35o, определяет полную стабилизацию пламени в широком диапазоне форм истечения (т.е. "отклонение"), а также снижение уровня производственных шумов.
Далее, со ссылками на фиг.7а-7с, на которых элементы, идентичные тем, что уже описаны, обозначены числами со штрихом, иллюстрируется следующий вариант настоящего изобретения.
По окружности вокруг и на расстоянии от выходных отверстий 22' для кислорода расположено множество выходных отверстий 50 для подачи воздуха или обогащенного кислородом воздуха в зону сгорания. Выходные отверстия 50 для воздуха направлены под углом внутрь относительно оси X, но под углом, несколько большим, чем α, так чтобы они сходились в направлении пламени, в направлении пересечения первой и второй зон Z1 и Z2 (см. фиг.5). Выходные отверстия 50 для воздуха, кроме того, направлены косо в том же самом направлении, что и выходные отверстия 22' для кислорода (см. фиг.7b), с тем чтобы добавить положительный эффект завихрения, возникающий за счет косого расположения выходных отверстий 22' для кислорода. Можно получить такое же преимущество в содействии дальнейшему развитию турбулентности при косом расположении выходных отверстий 50 для воздуха в противоположном направлении по отношению к косому направлению выходных отверстий 22' для кислорода (не показано).
В варианте, показанном на фиг.7а, средство подачи топлива состоит из узла колпачка 52а, на переднем конце которого предусмотрена первая поверхность 20а' расходящегося конуса, который является соосным с осью Х и установлен с возможностью демонтажа внутри узла 16' форсунки. Это обеспечивает особое преимущество устройству, поскольку позволяет быстро удалять узел колпачка 52' для профилактики или ремонта, или для изменения угла первой поверхности расходящегося конуса, которое может оказаться желательным, если изменяется тип топлива, подаваемого в форсунку. На фиг.7с, например, показан узел колпачка 52b, в котором первая поверхность 54 составляет такой же угол β, который имеет вторая поверхность 20' относительно оси X; такое устройство подходит для сжигания газообразного топлива, при котором нет необходимости в наличии перегиба у внутренней конической поверхности, чтобы заставить топливо отделяться оттуда.
Как известно из данной области техники, существуют средства для изменения течения топлива, кислорода и воздуха как внутрь, так и наружу форсунки, для того чтобы тонко регулировать процесс горения при конкретном использовании.
В форсунках обычного типа обычно образуется длинное, "ленивое" пламя при подаче 21% кислорода (т.е. воздуха), а турбулентное, сильное, короткое пламя - при 100% кислорода. В процессе испытаний было обнаружено, что форсунка по настоящему изобретению сохраняет практически постоянными характеристики во всем диапазоне величины обогащения кислородом, особенно длины и ширины пламени, причем различимые изменения в пределах диапазона обогащения кислородом обнаружены только для температуры и свечения пламени.
В дополнение ко всем преимуществам, упомянутым выше, форсунка в соответствии с настоящим изобретением особенно пригодна для использования в процессах плавления и разливки железных и нежелезных материалов, таких как производство стекла, а также в процессах обработки стали в целом и в электродуговых печах в частности.
Реферат
Изобретение относится к сжиганию жидкого топлива, к форсункам для сжигания кислорода и жидкого топлива, причем форсунка имеет внешний кожух, содержащий первый входной конец, второй выходной конец для выхода пламени при горении и определяющий камеру сгорания и продольную ось X; средство подачи топлива для ввода потока распыленного топлива на входной конец и направления его к выходному концу и средство подачи кислорода для ввода кислорода во входной конец и для его направления к выходному концу, причем средство подачи кислорода имеет множество выходных отверстий для кислорода, расположенных по окружности вокруг средства подачи топлива и под углом радиально внутрь в направлении выходного конца и направленных косо относительно оси Х для образования тем самым сходящегося конусом потока кислорода, который пересекает поток топлива в первой, находящейся по ходу потока зоне, причем средство подачи топлива имеет по существу центральное выходное отверстие, имеющее внутреннюю поверхность в виде расходящегося конуса, по которому проходит топливо, по мере того как оно вытекает оттуда, при этом внутренняя поверхность расходящегося конуса содержит первую поверхность расходящегося конуса, смежную с центральным выходным отверстием, отличающаяся тем, что внутренняя поверхность расходящегося конуса дополнительно содержит вторую поверхность расходящегося конуса, прилегающую к первой поверхности расходящегося конуса, причем первая поверхность расходящегося конуса имеет более высокий угол отклонения от оси X, чем вторая поверхность расходящегося конуса. Изобретение позволяет снизить содержание Nox в продуктах сгорания. 15 з.п. ф-лы, 9 ил.
