Форсунка - RU2011117C1
Код документа: RU2011117C1
Чертежи
Описание
Изобретение относится к распыливанию и сжиганию топливовоздушных смесей, в частности к форсункам.
Известна форсунка, состоящая из двух полых полуконусов, расположенных со смещением относительно друг друга. Коническая форма полуконусов имеет строго определенный угол относительно направления потока. Упомянутое смещение полуконусов относительно друг друга позволяет создать с обеих сторон корпуса форсунки по одной входной прорези, проходящей тангенциально по всей длине форсунки и имеющей ширину, соответствующую смеще- нию центральных осей полуконусов относительно друг друга. Через эти прорези воздух для горения протекает во внутреннюю полость форсунки.
Во внешней полости в начале форсунки размещено сопло для подачи топлива, впускное отверстие которого предпочтительно располагается посередине между смещенными относительно друг друга центральными осями полуконусов. В области тангенциальных входных прорезей предусмотрены другие сопла для подачи топлива. Через центральное сопло предпочтительно подводится жидкое топливо, а сопла в области тангенциальных входных прорезей предпочтительно предназначены для подачи газообразного топлива. При подаче в такую форсунку среднекалорийного газа, как правило, содержащего легко воспламеняемый водород, создается опасность такого сильного перемешивания этого газа с воздухом для горения уже во впускной области, в месте их встречи, и произойдет преждевременное воспламенение смеси. Это в свою очередь, ведет к диффузионному характеру горения с резко повышенным выделением NOx. Кроме того, установлено, что при таком перемешивании воздуха с газом легко образуются слои смешения, что приводит к неустойчивости процесса смешивания из-за сильных завихрений. Если подвод газа из-за упомянутой неустойчивости вызывает пульсации давления, это к тому же приводит к сильным колебаниям в cиcтеме.
Предложенное решение помогает устранить эту проблему. В основу изобретения, охарактеризованного пунктами формулы, положена задача предусмотреть в форсунке вышеописанного типа меры, предотвращающие преждевременное воспламенение смеси при использовании среднекалорийного газа в качестве топлива. Эти меры должны также способствовать стабилизации процесса смешивания.
Существенное преимущество изобретения состоит в том, что сохраняется невысокое выделение NOx, поскольку не создается преждевременного воспламенения.
Другое преимущество изобретения состоит в том, что инжектор, представляющий соответствующее цели решение, незначительно изменяет поле потока используемой форсунки, несмотря на высокую долю потока массы среднекалорийного газа в воздушно-газовой смеси. Это достигается с помощью соответствующего распределения ряда нагнетательных отверстий одинакового размера или с помощью системы отверстий, диаметр которых может изменяться. При этом плотность газоподводящих отверстий ( ρGB) пропорциональна усредненной по радиусу скорости подачи воздуха горения через тангенциальные прорези форсунки.
Предлагаемый инжектор не позволяет образовываться при смешивании другим сдвиговым слоям. Эти слои, возникающие в том случае, когда скорость газообразного топлива в месте смешивания больше, чем скорость воздуха, вызывают сильные завихрения, приводящие к нестабильности системы. Поэтому инжектор выполнен так, что в месте смешивания обе среды встречаются примерно с одинаковой скоростью, там не возникает завихрений; там не создается и пульсации давления, обязывающие отрицательное воздействие на процесс смешивания и сгорания, благодаря чему колебания системы исключены. Процесс смешивания рассчитан по скорости потока газообразного топлива на полную нагрузку; газообразное топливо "вдувается" в поток воздуха почти без давления. Другие преимущества изобретения относятся к снижению шума при введении топлива: при соответствующем расчете ширины зазора по длине инжектора поток может обладать такими параметрами, чтобы не возникал этот шум.
Другое преимущество изобретения состоит в том, что в определенных диапазонах температуры и давления возможно даже сжигание газов с низкой теплотворной способностью.
Предпочтительные и целесообразные варианты выполнения предлагаемого решения охарактеризованы в других пунктах формулы.
На фиг. 1 изображена форсунка с тангенциальным воздуховодом, частичный разрез, в перспективе; на фиг. 2 - разрез II-II на фиг. 1, упрощенная схема.
Для лучшего понимания конструкции форсунки 1 нужно одновременно рассматривать фиг. 1 и 2. При этом необходимо учитывать, что инжекторы, показанные на фиг. 2, не изображены на фиг. 1, чтобы не загромождать его.
На фиг. 1 показана форсунка 1, состоящая из двух полых полуконусов 2, 3, расположенных со смещением относительно друг друга. Коническая форма деталей 2,3 имеет строго определенный угол в направлении потока. Этот угол конуса может быть направлен вершиной как в одну сторону с потоком (сужение), так и в обратную сторону (расширение). Обе формы нельзя показать на чертеже - их легко себе представить. Какая форма должна быть использована - зависит от различных параметров процесса горения. Предпочтительно использовать показанный на чертеже вариант. Смещение соответствующих центральных осей 2а, 3а (см. фиг. 2) полуконусов 2,3 относительно друг друга создает с обеих сторон форсунки 1 в направлении потока по одной тангенциальной впускной прорези 2b, 3b с шириной S (см. фиг. 2), через которые во внутреннюю полость 17 форсунки 1 подается воздух для горения 8 (воздушно-топливная смесь).
Ширина S впускных прорезей представляет собой размер, образующийся в результате смещения центральных осей 2а, 3а полуконусов 2,3. Полуконусы 2,3 имеют цилиндрические начальные участки 2с, 3с, проходящие аналогично самим полуконусам 2,3 со смещением, благодаря чему тангенциальные впускные прорези 2b, 3b имеются уже в самом начале.
Конечно, форсунка 1 может иметь и чисто коническую форму, без цилиндрического начального участка. В этот начальный участок вставлено сопло, предпочтительное для подачи жидкого топлива 5, причем впускное отверстие 15 этого сопла расположено предпочтительно в середине между центральными осями 2а, 3а. В полуконусах 2,3 имеется также по одному каналу 10,11, снабженному отверстиями 21, распределенными в направлении потока по всей длине этих каналов. По каналам 10,11 подается газообразное топливо 6, выходящее в области тангенциальных впускных прорезей 2b, 3b, как видно особенно на фиг. 2. Еще один подвод топлива к форсункам 1, предпочтительно газообразного топлива 4, происходит через инжекторы 12,13, также действующие в области тангенциальных впускных прорезей 2,3 с помощью большого числа отверстий 14, наглядно показанных на фиг. 2. Описание их действия нужно сопроводить ссылками на фиг. 2. В принципе возможна эксплуатация форсунки 1 не со всеми каналами для подвода топлива или совместно с существующими возможностями подвода. Со стороны камеры сгорания 22 форсунка 1 имеет стенку 20 в виде фланца, через которую проходят отверстия для подвода воздуха для разбавления или охлаждения в камеру 22 (не показаны). Жидкое топливо, вводимое через сопло 9, распыляется во внутренней полости 17 под острым углом так, чтобы в выходной плоскости форсунки создавалось максимальное однородное конусообразное распределение.
Впускное отверстие 15 может создавать распыление с помощью воздушной струи или механическое распыление. Конический профиль 16 жидкого топлива окружен тангенциально подаваемым потоком 8 воздуха для горения и другим потоком 7а, подводимым по оси. О составе тангенциальной воздушно-топливной смеси 8 подробнее указано в описании к фиг. 2. В осевом направлении форсунки 1 концентрация вдуваемого жидкого топлива 5 последовательно уменьшается потоком воздуха или воздушно-топливной смеси 8. Если газообразное топливо 6 подается по обоим трубопроводам 10,11, образование смеси с воздухом (см. фиг. 2, поз. 7) начинается непосредственно в области тангенциальных впускных прорезей 2b, 3b, a именно отверстий 21.
При вдувании жидкого топлива 5 через сопло 9 в области отрыва вихрей, то есть в области образующегося противотока 18 создается оптимальная равномерная концентрация топлива по всему сечению. Процесс горения любой воздушно-топливной смеси начинается затем у вершин этой зоны 18 противотока. Только в этом месте может образоваться устойчивый фронт 19 пламени.
Обратный удар пламени внутрь форсунки 1, который всегда может произойти в известных зонах предварительного смешивания, против чего пытаются использовать сложные стабилизаторы пламени, здесь не наступает. Если предварительно нагревать используемый воздух (см. фиг. 2, поз. 7), создается ускоренное испарение жидкого топлива 5 во всем объеме прежде, чем оно достигнет точки выхода из форсунки 1, где начинается сгорание смеси. Степень испарения зависит от размеров форсунки 1, размера капель и от температуры воздушных потоков 7а, 7 или воздушно-топливной смеси 8. Независимо от того, достигается ли наряду с однородным капельным перемешиванием благодаря потоку воздуха пониженной температуры, дополнительно частичное или полное испарение капель с помощью предварительно нагретого воздуха для горения, выделение окиси азота или окиси углерода низко при избытке водорода не мене 60% , что дополнительно способствует снижению выделения.
В случае испарения используемого топлива в полном объеме перед попаданием его в зону сгорания величина выделения вредных веществ наименьшая. То же относится к режиму, близкому к стехиометрическому, когда избыточный воздух заменен рециркулирующим дымовым газом. При выборе конструкции полуконусов 2,3 с точки зрения угла при вершине и ширины тангенциальных впускных прорезей 2b, 3b следует придерживаться определенных пределов для создания заданного поля распределения потока воздуха с зоной противотока 18 и области выхода из форсунки в целях стабилизации пламени.
В общем случае уменьшение ширины S прорезей 2b, 3b (см. фиг. 2) смещает зону 18 противотока дальше по потоку, благодаря чему зажигание смеси наступает раньше. Если установлено, что геометрически фиксированная зона 18 противотока должна занимать стабильное положение, число завихрений возрастает в направлении потока в области конуса форсунки 1. На осевую скорость можно повлиять, в частности, осевым подводом упомянутого потока 7а воздуха. Конструкция форсунки 1 при заданной длине предпочтительно должна соответствовать размеру тангенциальных впускных прорезей 2b, 3b в зависимости от приближения или удаления полуконусов 2,3, что уменьшает или увеличивает расстояние между центральными осями 2а, 3а и соответственно изменяет ширину впускных прорезей (см. фиг. 2). Полуконуса 2,3 могут, конечно, смещаться относительно друг друга и в другой плоскости. Форсунку 1 можно отрегулировать, таким образом, без изменения продолжительности горения.
На фиг. 2 показан разрез примерно посередине форсунки 1, по линии II-II на фиг. 1. Входные патрубки 23,24, расположенные симметрично относительно оси и открытые во внутреннюю полость 17 форсунки, содержат по одному инжектору 12,13, проходящему по всей тангенциальной длине форсунки 1. Инжектор 12,13 имеет такую конструкцию, чтобы предпочтительно используемое газообразное топливо 4 подавалось из сквозного газоподводящего канала 12а, 13а, через несколько отверстий 14 во впускной канал 12b, 13b газового инжектора. Этот канал проходит до области тангенциальной впускной прорези 2b, 3b. Ширина инжектора 12,13 принимается такой, чтобы подводимый воздух 7 проходил по краям инжектора 12, 13 и начинал смешиваться в области тангенциальной впускной прорези 2b, 3b с газообразным топливом 4, после чего и образуется воздушно-топливная смесь 8.
Принципиальное
значение имеет свойство инжектора 12, 13 несущественно влиять на поле потока форсунки несмотря на высокую долю массового
потока используемого среднекалорийного газа в воздушно-газовой смеси. Это
удается с помощью соответствующего распределения отверстий 14 одинакового диаметра или с помощью расположения отверстий,
диаметр которых меняется подходящим образом. Плотность отверстий ρGB при этом пропорциональна усредненной по радиусу скорости воздуха 7 во впускных прорезях 2b, 3b форсунки 1 в
соответствии с формулой
где α - угол при вершине форсунки 1 (см. фиг. 1),
S - ширина впускной прорези,
R - средний радиус дуги в конкретном поперечном сечении прорези 2b, 3b (см. фиг. 1).
Направления отверстий 14 предпочтительно должны совпадать с преобладающим направлением потока во впускной прорези 2b, 3b. При этом важно, чтобы газообразное топливо 4 испытывало дросселирующее действие при входе из газоподводящего канала 12а, 13а в отверстия 14.
Поскольку среднекалорийные газы, как правило, содержат легковоспламеняемый водород, отверстия 14 расположены так, чтобы эти газы не могли свободно попадать во внутреннюю полость 17 форсунки 1. Эти отверстия 14 открыты в канал 12b, 13b, проходящий до впускной прорези 2b, 3b. Этот канал предпочтительно разделен в продольном направлении несколькими не изображенными перегородками, чтобы газообразное топливо 4 направлялось при эксплуатации, например, при полной нагрузке, в поток воздуха для горения. Эта мера способствует, в частности, подаче газообразного топлива 4 со скоростью подводного воздуха 7 в области впускной прорези 2, 3. Благодаря этому предотвращается возможность сильного перемешивания воздуха 7 и среднекалорийного газа 4, уже в области входа во внутреннюю полость 17 форсунки 1, поскольку это неизбежно привело бы к преждевременному воспламенению, и следовательно, диффузионному характеру горения с резко повышенным выделением NOx.
Для достижения этой цели переход от отверстий 14 для подачи газа к последующему инжекторному каналу 12b, 13b предпочтительно выполнять в виде расширения Борда-Карно. Что касается минимальной длины канала газового инжектора, здесь следует руководствоваться обычным правилом: 3-5 гидравлических диаметров или 6-10 - кратная ширина зазора. При такой конструкции существует гарантия перемешивания успокоенного газового потока 4 "вдуванием" с потоком воздуха 7, что предотвращает возникновение шума в процессе смешивания.
(56) Патент ЕРВ N 0321809, кл. F 23 D 17/00, опубл. 1985.
Реферат
Использование: для распыливания и сжигания топливовоздушных смесей. Сущность изобретения: форсунка 1 конусообразной формы, расширяющейся в направлении потока, составлена из двух расположенных друг над другом полуконусов 2, 3, центральные оси которых проходят в продольном направлении со смещением относительно друг друга. В результате этого смещения по длине форсунки 1 образуется с каждой стороны по одной тангенциальной впускной прорези во внутреннюю полость форсунки 1. Подвод топлива происходит в центре через сопло 9 и тангенциально в области впускных прорезей по топливопроводам 10, 11, снабженным отверстиями 21 для подачи топлива 6. Над каждой впускной прорезью образован канал, сдш инжектор 12, 13. Через этот инжектор подается другое топливо 4. Воздушно-топливная смесь с топливом из инжектора 12, 13 и/или топливом из топливопровода 10, 11 протекает в целом в виде воздушно-топливной смеси 8 через тангенциальную впускную прорезь во внутреннюю полость 17 форсунки 1. Там образуется в любом случае другая смесь с топливом 5 из сопла 9. 3 з. п. ф-лы, 2 ил.
Формула
где α - угол при вершине усеченного полого полуконуса;
S - ширина входной прорези;
R - средний радиус дуги в конкретном поперечном сечении прорези.
