Форсунка камеры сгорания и горелочное устройство с такой форсункой
Изобретение относится к области энергетики. Форсунка камеры сгорания содержит первый канал (14) для горючей среды с выпускным отверстием (14') для горючей среды, второй канал (15) для распыливающей среды с выпускным отверстием (17) для распыливающей среды, в области которого установлен генератор Гартмана. В качестве распыливающей среды используется чистый кислород, и внешний диаметр (D2) сопла (19) генератора Гартмана имеет такой размер, при котором скорость выпуска чистого кислорода из форсунки (3) настолько велика, что максимальная рабочая температура материала форсунки и/или генератора Гартмана в области кожуха (11) форсунки (3) не превышается. Изобретение позволяет повысить эксплуатационную надежность форсунки. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к форсунке камеры сгорания с первым каналом для горючей среды, с выпускным отверстием для горючей среды, со вторым каналом для распыливающей среды и с выпускным отверстием для распыливающей среды, в области которого установлен генератор Гартмана.
Далее изобретение относится к горелочному устройству с кислородным копьем и форсункой камеры сгорания.
Из уровня техники известны форсунки камеры сгорания с генератором Гартмана, посредством которых горючие среды, например масло или жидкая сера, распыляются или сжигаются при помощи распыливающей среды. В качестве распыливающей среды применяется в большинстве случаев сжатый воздух или пар. Недостаток при применении сжатого воздуха или пара заключается в том, что может быть достигнута только определенная температура пламени. Для того чтобы устранить данный недостаток, в качестве распыливающей среды может быть использован чистый кислород, при помощи которого возможно достичь значительно более высоких температур пламени. Так как при применении чистого кислорода к тому же повышается и скорость воспламенения, на практике обнаружилось, что пламя настолько близко подходит к форсунке камеры сгорания, что она повреждается, даже если изготовлена из жаропрочного материала.
Задача изобретения заключается в том, чтобы предоставить форсунку камеры сгорания, за счет которой можно избежать названных проблем.
Решается данная задача согласно изобретению при помощи форсунки камеры сгорания, которая имеет признаки пункта 1 формулы изобретения.
Предпочтительные и благоприятные модификации форсунки камеры сгорания согласно изобретению являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.
Согласно изобретению предусмотрено, что в качестве распыливающей среды используется чистый кислород, причем внешний диаметр сопла генератора Гартмана имеет такой размер, при котором скорость выпуска чистого кислорода из форсунки при том же кислородном копье горелочного устройства настолько велика, что не превышается максимальная допустимая рабочая температура для материала форсунки и/или генератора Гартмана в области кожуха. При использовании диаметров дисков для распыления сжатого воздуха, пара и подобного возникает названная вначале проблема, что при сжигании чистого кислорода форсунка повреждается вследствие превышения максимальной рабочей температуры в области форсунки. При использовании форсунки камеры сгорания согласно изобретению возникает эффект, при котором форсунка оказывается устойчивой также и при длительном воздействии температур, достигаемых при сжигании чистого кислорода.
В особенно предпочтительном варианте осуществления форсунки камеры сгорания согласно изобретению предусмотрено, что не превышается максимальная рабочая температура материала форсунки и/или генератора Гартмана на передней торцевой стороне кожуха форсунки, так как именно здесь воздействующие на форсунку температуры наиболее высоки.
Кольцевой канал форсунки для чистого кислорода соединен с кислородным резервуаром, то есть с резервуаром для хранения чистого кислорода.
Максимальная температура применения в зависимости от используемого материала может находится, например, в области 600°С или 1500°С. Если же форсунка и сопло генератора Гартмана сформированы из различных материалов, то диаметр сопла в рамках изобретения устанавливается таким, при котором не превышается та температура, которая соответствует наименьшей максимальной рабочей температуре для используемых материалов.
В частности, внешний диаметр сопла генератора Гартмана для чистого кислорода по сравнению с внешним диаметром сопла генератора Гартмана для сжатого воздуха, пара или подобного при том же кислородном копье горелочного устройства уменьшено настолько, что скорость выпуска распыливающей среды из форсунки увеличивается. При уменьшенном по сравнению с внешним диаметром сопла генератора Гартмана для сжатого воздуха, пара или подобного диаметре сопла для чистого кислорода при сохранении того же выпускного отверстия для распыливающей среды возникает эффект, что смешение и сжигание распыливающей среды, здесь - чистый кислород, и горючей среды происходит на таком расстоянии от форсунки камеры сгорания, что форсунка камеры сгорания больше не повреждается высокой температурой пламени.
Особенно благоприятным оказалось, если скорость выпуска распыливающей среды из сопла по существу будет удвоена.
В способе изготовления горелочного устройства этот подход осуществляется таким образом, что форсунка с генератором Гартмана устанавливается на кислородном копье, диаметр сопла которого имеет такой размер, при котором скорость выпуска чистого кислорода из форсунки - при том же кислородном копье, что и в случае форсунки для распыления пара, сжатого воздуха, и т.п. - настолько велика, что максимальная рабочая температура материала форсунки и/или генератора Гартмана на передней торцевой части кожуха форсунки не превышается.
В частности, применяется генератор Гартмана, через диаметр диска которого скорость выпуска чистого кислорода по отношению к скорости выпуска в генераторе Гартмана для пара, сжатого воздуха или подобного по существу удваивается.
Другие детали, признаки и преимущества изобретения являются предметом дальнейшего описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых изображены предпочтительные варианты осуществления и которые показывают:
Фиг.1 - кислородное копье с обычной форсункой камеры сгорания, в разрезе,
Фиг.2 - кислородное копье с форсункой камеры сгорания согласно изобретению, в разрезе,
Фиг.3 - форсунка камеры сгорания по Фиг.1, в разрезе,
Фиг.4 - форсунка камеры сгорания по Фиг.2, в разрезе,
Фиг.5 - фрагмент из Фиг.4 в увеличенном масштабе.
На Фиг.1 и 2 изображено горелочное устройство с кислородным копьем 1 и форсункой 2, 3 камеры сгорания. Кислородное копье 1 содержит основное тело 4, внутри которого установлено проходящее вдоль продольной оси 5 горелочное устройство, первый канал 6 для горючей среды и второй канал 7 для распыливающей среды. Первый канал 6 установлен по центру, а второй канал 7, напротив, выполнен в виде обходящего вокруг центрального канала 6 кольцевого канала.
На конце кислородного копья 1, противоположном форсунке 2 камеры сгорания, установлено кислородное копье 8 для горючей среды, которая впадает в центральный канал 6. Кроме того, предусмотрена подводящая труба 9 для распыливающей среды, которая впадает в кольцевой канал 7 и которая установлена по существу перпендикулярно продольной оси 5. Через центральный канал 6 и кольцевой канал 7 горючая среда и распыливающая среда попадают в форсунку 2, 3 камеры сгорания.
На Фиг.1 на кислородном копье 1 установлена обычная форсунка 2 камеры сгорания, при этом в качестве распыливающей среды используется сжатый воздух или пар или т.п. При использовании кольцевого уплотнителя О′ проблема состоит в том, что сжатый воздух либо пар может проникнуть в центральный канал 6 для горючей среды. Проникновение распыливающей среды при распылении сжатого воздуха или пара, однако, неопасно.
На Фиг.2 на кислородном копье 1 установлена форсунка 3 камеры сгорания согласно изобретению, при этом в качестве распыливающей среды используется чистый кислород. При применении кислорода возникает опасность, если он проникнет в центральный канал 6 для горючей среды, поэтому О-образный уплотнитель О на кислородном копье 1 с форсункой 3 камеры сгорания согласно изобретению герметизирует от внешней окружающей среды.
В качестве горючей среды в обоих случаях можно использовать, например, масло или жидкую серу.
На Фиг.3, соответственно, 4 изображена форсунка 2, 3 камеры сгорания по Фиг.1, соответственно, 2. Форсунка 2, 3 камеры сгорания содержит основное тело 10, которое установлено внутри цилиндрического кожуха 11 и имеет в области передней торцевой части 12 кожуха 11 кольцевую канавку, служащую в качестве объемного резонатора 13 генератора Гартмана. В основном теле 10 первый, центральный канал 14 проходит в качестве продолжения центрального канала 6 для горючей среды, который впадает в выпускное отверстие 14′. Выпускное отверстие 14′ может быть снабжено распределительным устройством для горючей среды.
Между основным телом 10 форсунки 2, 3 камеры сгорания и цилиндрическим кожухом 11 сформирован второй, кольцевой канал 15 в качестве продолжения кольцевого канала 7 для распыливающей среды, который заканчивается в направленной к продольной оси 5 камере 16 форсунки. Камера 16 форсунки впадает в объемный резонатор 13 генератора Гартмана, таким образом, что распыливающая среда проникает в объемный резонатор 13 и приводится в колебание. Распыливающая среда при этом проникает через кольцевое отверстие 17, ширина которого - в проекции на форсунку 2, 3 камеры сгорания - складывается из расстояния между внутренним диаметром D1, D1′ колпака 18 цилиндрического кожуха 11 и внешним диаметром D2, D2′ сопла 19 генератора Гартмана.
Посредством генератора Гартмана создается диапазон колебаний, благодаря которому выходящая из центрального канала 14 горючая среда распыляется тончайшим образом. Распыленная горючая среда тщательно смешивается и сжигается посредством распыливающей среды, которая приводит в действие генератор Гартмана.
На Фиг.3 внешний диаметр D2′ сопла 19 генератора Гартмана составляет больше 15 мм. Пар либо сжатый воздух и масло смешиваются непосредственно после кольцевого отверстия 17 и там сжигаются. Если на форсунке 2 камеры сгорания в качестве распыливающей среды применять чистый кислород, то более высокая температура пламени повредит форсунку 2 камеры сгорания. Внутренний диаметр D1′ колпака 18 цилиндрического кожуха 11 составляет 18 мм, так что соотношение между внешним диаметром D2′ сопла 19 генератора Гартмана и внутренним диаметром D1′ колпака 18 кожуха 11 форсунки 3 камеры сгорания составляет 0,83.
Например, внешний диаметр D2 сопла 19 генератора Гартмана в рамках изобретения может быть меньше 15 мм, предпочтительно меньше 12 мм, в частности примерно 11 мм. При уменьшении диаметра сопла генератора Гартмана с 15 мм до 11 мм скорость выпуска кислорода по отношению к форсункам с диаметром сопла от 15 мм при том же размере выпускного отверстия 17 для распыливающей среды почти удваивается.
На Фиг.4 внешний диаметр D2 сопла 19 генератора Гартмана составляет 11 мм. Чистый кислород и масло смешиваются и сжигаются только на расстоянии от форсунки 3 камеры сгорания, так как за счет меньшего диаметра сопла D2 по отношению к диаметру сопла D2′ согласно Фиг.3 скорость выпуска чистого кислорода возрастает. Внутренний диаметр D1 колпака 18 цилиндрического кожуха 11 составляет 14 мм, так что соотношение между внешним диаметром D2 сопла 19 генератора Гартмана и внутренним диаметром D1 колпака 18 кожуха 11 форсунки 3 камеры сгорания составляет 0,79.
Соотношение между внешним диаметром D2 сопла 19 генератора Гартмана и внутренним диаметром D1 колпака 18 кожуха 3 форсунки 11 камеры сгорания в рамках изобретения составляет меньше 0,83, предпочтительно меньше 0,80, в частности, соотношение D2/D1 составляет между 0,80 и 0,75, так как при таком варианте выполнения предлагается особенно благоприятная схема потока кислорода для сжигания среды. Несмотря на то, что скорость выпуска чистого кислорода определяется диаметром сопла генератора Гартмана, неожиданным образом обнаружилось, что для функции кислородной форсунки существенным оказывается соотношение D2/D1, и форсунка 3 прежде всего в области соотношения D2/D1 от 0,75 до 0,83 предпочтительно при соотношении менее 0,8 работает правильно на протяжении длительного периода времени.
Форсунка 3 согласно изобретению для чистого кислорода при названном соотношении D2/D1 не будет работать при использовании сжатого воздуха и пара или т.п., так как при этом возникшее пламя срывалось бы из-за слишком большой скорости выпуска.
Расстояние между внутренним диаметром D1, D1′ колпака 18 кожуха 11 и внешним диаметром D2, D2′ сопла 19 генератора Гартмана для форсунок 2, 3 камеры сгорания согласно Фиг.3 и 4 одинаково.
Фиг.5 показывает область кольцевого отверстия 17 для чистого кислорода в увеличенном масштабе, диаметр выпускного отверстия 17 для кислорода соответствует расстоянию между нижним внешним краем 20 сопла 19 генератора Гартмана и верхним внутренним краем 21 колпака 18 кожуха 11. Воображаемая боковая поверхность между внешним краем 20 и внутренним краем 21 при высоте h в 4 мм составляет примерно 315 мм2. В рамках изобретения является предпочтительным, если сформированная между нижним внешним краем сопла генератора Гартмана и верхним внутренним краем колпака кожуха боковая поверхность составляет менее 415 мм2, предпочтительным образом менее 350 мм2, в частности менее 315 мм2. Также и при этом варианте выполнения предлагается особенно благоприятная схема потока кислорода.
Резюмируя, пример осуществления изобретения можно обобщить следующим образом.
Форсунка 3 камеры сгорания имеет первый канал 14 для горючей среды, выпускное отверстие 14′ для горючей среды, второй канал 15 для распыливающей среды и выпускное отверстие 17 для распыливающей среды, в области которого установлен генератор Гартмана. В качестве распыливающей среды используется чистый кислород. Внешний диаметр D2 сопла 19 генератора Гартмана имеет такой размер, при котором скорость выпуска чистого кислорода из форсунки 3 настолько велика, что максимальная рабочая температура материала форсунки и/или генератора Гартмана в области кожуха 11 форсунки 3 не превышается. Возникает эффект, при котором происходит смешение и сжигание кислорода и горючей среды на таком расстоянии от форсунки 3 камеры сгорания, при котором форсунка 3 камеры сгорания не повреждается высокой температурой пламени.
1. Форсунка камеры сгорания с первым каналом (14) для горючей среды, с выпускным отверстием (14') для горючей среды, со вторым каналом (15) для распыливающей среды и с выпускным отверстием (17) для распыливающей среды, в области которого установлен генератор Гартмана, отличающаяся тем, что в качестве распыливающей среды используется чистый кислород и внешний диаметр (D2) сопла (19) генератора Гартмана имеет такой размер, при котором скорость выпуска чистого кислорода из форсунки (3) настолько велика, что максимальная рабочая температура материала форсунки и/или генератора Гартмана в области кожуха (11) форсунки (3) не превышается.
2. Форсунка камеры сгорания по п.1, отличающаяся тем, что соотношение между внешним диаметром (D2) сопла (19) генератора Гартмана и внутренним диаметром (D1) колпака (18) кожуха (11) форсунки (3) составляет менее 0,83, предпочтительно составляет менее 0,8.
3. Форсунка камеры сгорания по п.2, отличающаяся тем, что соотношение между внешним диаметром (D2) сопла (19) генератора Гартмана и внутренним диаметром (D1) колпака (18) кожуха (11) форсунки (3) составляет между 0,75 и 0,80.
4. Форсунка камеры сгорания по п.1, отличающаяся тем, что максимальная рабочая температура материала форсунки и/или генератора Гартмана на передней торцевой стороне (12) кожуха (11) форсунки (3) не превышается.
5. Форсунка камеры сгорания по п.1, отличающаяся тем, что внешний диаметр (D2) сопла (19) генератора Гартмана для чистого кислорода по сравнению с внешним диаметром (D2') сопла (19) генератора Гартмана для сжатого воздуха или пара уменьшен настолько, что скорость выпуска распыливающей среды из форсунки (3) увеличивается.
6. Форсунка камеры сгорания по п.5, отличающаяся тем, что скорость выпуска распыливающей среды из форсунки (3) по существу удваивается.
7. Горелочное устройство с кислородным копьем (1) и форсункой (3) камеры сгорания, отличающееся тем, что на кислородном копье (1) установлена форсунка камеры сгорания по одному из пп.1-4.
8. Горелочное устройство по п.7, отличающееся тем, что на кислородном копье (1) установлен О-образный уплотнитель (О) для герметизации от внешней окружающей среды.
