CZ197492A3 - Burner for an internal combustion engine operation, combustion chambers of a group of gas turbines or furnaces - Google Patents

Description

(57) Hořák sestává z vnějšího dutého kuželového tělesa (1) s vnějším palivovým potrubím (8) a s vnitřní vstupní válcovou částí (la), v němž je umístěno alespoň jedno vnitřní dutě kuželově těleso (2) s vnitřním palivovým potrubím (9), vnitřní kuželovou dutinou (14) a s vnitřní vstupní válcovou částí (2a), v níž je umístěna nejméně jedna tryska (3) pro vstřikování paliva (4), kolem níž jsou umístěny dvě zapalovací elektrody (24a, 24b), jejichž konce (25a, 25b) jsou umístěny ve vnitřní kuželové dutině (14). Podélné osy dutých kuželových těles (1, 2) jsou vzhledem k podélné ose trysky (3) pro vstřikování paliva (4) umístěny vzájemně excentricky. Mezi vnitřním a vnějším dutým kuželovým tělesem (2,1) je vytvořena první tečná štěrbina (19) pro vstup spalovacího vzduchu (15) a k ní protilehlá druhá tečná štěrbina (20) pro vstup spalovacího vzduchu (15). V obou palivových potrubích (8, 9) jsou vytvořeny palivové trysky (17) pro vstup plynného paliva (13) do vnitřní kuželové dutiny (14).

7375 - I - ί

Horák pro provoz spalovacího motoru, spalovací komory skupiny plynových turbin nebo topeniště

2Iast_te ch n iky

Předložený vynález se týká horáku podle předvýznako vé části patentového nároku 1. Týká se také způsobu provozu takového hořáku.

Dosavadní stav technikv

U každého hořáku pro topeniště nebo spalovací motor nebo spalovací komoru skupiny plynových turbin lze vždy opět zjistit, že v oblasti zapalovacích elektrod se vytváří trvale příliš vysoká rychlost vzduchu nebo směsi. Zejména u hořáků s vytvořenou předsměsí, tedy u hořáků, u kterých je oblast předsměšování integrovanou součástí hořáku, jak je to patrno například z EP-A1-0 321 809, se musí zajistit, že zapalování směsi paliva se vzduchem se uskutečňuje na místě nebo k němu dochází tam, kde není žádná velká rychlost proudění tohoto média. Současně je však třeba zajistit, aby nárůst čela plamene nebo jazýčků plamene se uskutečňoval ve směru výstupu z hořáku, kde se vytváří oblast zpětného proudění, a přitom probíhal definovaně. Je samozřejmě třeba také zajistit, aby se zapalování uskutečňovalo na místě, kde je k dispozici zapálení schopná stechiometrická směs nebo směs, která je s výhodou poněkud pod stechiometrickou hodnotou, přičemž se zde má také získat první vytvoření plamene a dosáhnout požadovaného čela plamene na místě stabilizace na výstupu z hořáku. Jak je patrno, zejména u předsměšovacích hořáků nebylo navrženo ještě takové uspořádání, které by mohlo vytvořit požadované předpoklady a odstranit uváděné nedostatky při zapalování.

Podstata vynálezu

Vynález si klade za úkol odstranit uvedené nedostatky. Úkolem vynálezu, tak jak je vyznačen v patentových nárocích, je navrhnout zařízení pro zapalování v úvodu uvedeného typu, které umožňuje definované chování při zapalování a definovaný průběh zapalování.

Podstatné výhody vynálezu spočívají v tom, že se zapalování šíří po určitém průběhu, a to tak, že se předsrněšovací oblast přemostí cíleně a nikoli chaoticky, to znamená, že čelo plamene na výstupu z hořáku je trvale napájeno plamenným jazýčkem. Protože se zapalování uskutečv nuje na jednom místě, kde panuje malá rychlost média, a protože toto místo je poměrně vzdáleno od vlastní oblasti spalování, zůstávají zapalovací elektrody studené, což znač ně zvyšuje jejich použitelnost a provozní spolehlivost.

Další výhoda vynálezu spočívá v tom, že takto iniciovaný plamen je možné lépe zachovat a lépe se rozšiřuje, to znamená ve smyslu definovaného rozšiřování, čímž se umož ní dosáhnout cíleného zapálení různých stabilizačních oblastí hořáku.

Výhodná a účelná další vytvoření řešení úkolu podle vynálezu jsou vyznačena v dalších závislých patentových nárocích.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález je v dalším podrobněji vysvětlen na příkladech provedení ve spojení s výkresovou částí. Všechny elementy, které nejsou potřebné pro porozumění vynálezu, jsou vynechány. Na různých obrázcích jsou shodné elementy označeny shodnými vztahovými znaky. Směr proudění médií je označen šipkami.

Na obr. 1 je schematicky v axonometrickéra pohledu znázorněn horák s integrovanou předsměšovací oblastí.

Na obr. 2 je schematický pohled na horák podle obr. 1.

Na obr. 3 je znázorněn rez rovinou podle čáry III - III z obr. 1, na obr. 4 rez rovinou podle čáry IV - IV z obr. 1 a na obr. 5 řez rovinou podle čáry V - V z obr. 1, přičemž tyto řezy znázorňují jen schematické vyobrazení hořáku.

Fř í

Pro lepší porozumění konstrukci hořáku je výhodné, když při vysvětlování současně s obr. 1 budou použity jednotlivé řezy podle obr. 3 až 5. Dále, pro zprehled nění obr. 1, jsou na obr. 3 až 5 schematicky znázorněné vodicí plechy 21a, 21b jen naznačeny. V následujícím bu de při popisu obr. 1 podle potřeby odkazováno na obr. 3 až 5, případně na obr, 2.

Na obr. 1 je znázorněn axonometrický pohled na horák, který má integrovanou předsměšovací oblast. Horák sestává ze dvou dutých kuželových dílčích těles Á» 2» která jsou vzhledem ke svým podélným osám souměrnosti uložena navzájem radiálně přesazené. Přesazení odpovídajících podélných os lb, 2b souměrnosti - viz obr, 3 až δ - vytváří na obou stranách kuželových dílčích těles 1, 2 v protilehlém uspořádání vstupního proudění vždy jednu tečnou štěrbinu 1 á, 20 pro vstup vzduchu - viz obr. 3 až 5, kterou proudí spalovací vzduch 15 do vnitřního prostoru horáku, to znamená do kuželové dutiny 14, vytvořené oběma kuželovými dílčími tělesy _1, 2. Kuželový tvar znázorněných kuželových dílčích těles 1., 2 má ve směru proudění stanovený pevný úhel. Je samozřejmé, že kuželová dílčí tělesa 1^, 2 mohou mít ve směru proudění, progresivní nebo degresivní sklon kužele. Obě posledně uvedená provedení nejsou na výkrese znázorněna, protože je lze uskutečnit bez dalšího vysvětlení. Jaký tvar kužele se nakonec použije, závisí v podstatě na předem stanovených parametrech spalování. Obě kuželová dílčí tělesa 1., 2 mají vždy jednu válcovou začáteční část la, 2a, které jsou analogicky jako kuželová dílčí tělesa 1_> 2 uspořádány navzájem přesazené, takže tečné štěrbiny 19, 20 pro vstup vzduchu procházejí celým horákem. V této válcové začáteční části la, 2a je upravena tryska 3, jejíž vstřikování 4 paliva spadá do nejužšího průřezu kuželové dutiny 14, vytvářené prostřednictvím dvou kuželových dílčích těles 1^ 2. Velikost této trysky 3 se v zásadě řídí typem hořáku, například podle toho, zda se jedná o řídicí horák nebo hlavní hořák. Je samozřejmé, že horák může být vytvořen jen ve tvaru kužele, tedy bez obou válcových začátečních částí la, 2a. Obě kuželová dílčí tělesa 1^, 2 mají vždy svoje palivové potrubí 8, 9, které je opatřeno otvory vytvářejícími palivové trysky 17 a kterými se přivádí například plynné palivo 13. Toto palivo 13 se směsuje v oblasti tečných štěrbin 19, 20 pro vstup vzduchu se spalovacím vzduchem 15, který proudí do kuželové dutiny 14. Proto jsou palivová potrubí 8, 9 v tečných štěrbinách 19, 20 pro vstup vzduchu umístěna tak, aby se vytvářela optimální směs. Podle toho bude místo vyústování paliva z palivových potrubí 8, 9 z velké části záviset na druhu odpovídajícího paliva, takže se například uskuteční vyústění kapalného paliva ve srovnání s plynným palivem dále po proudu tečných štěrbin 19, 20 pro vstup vzduchu. Pokud se tedy přivádí plynné palivo 13 prostřednictvím palivových potrubí 8, 9, uskutečňuje se vytváření směsi se spalovacím vzduchem £5, jak již bylo uvedeno, přímo v oblasti tečných štěrbin £9, 20 pro vstup vzduchu, na vstupu do kuželové dutiny 14. Tryska 3 může být vytvořena jak pro kapalné, tak i pro plynné palivo. U atmosferického topeniště se pracuje například s kapalným palivem 12, přičemž toto palivo 12 se do kuželové dutiny 14 vstřikuje v ostrém úhlu, a to tak, aby se ve výstupní rovině hořáku vytvářel pokud možno homogenní kuželový výstřik, což je možné jen tehdy, pokud nejsou vnitřní stěny kuželových dílčích těles 1., 2 prostřednictvím vstřikování 4 paliva, u kterého se může jednat o rozprašování podporované vzduchem nebo tlakem, zkropeny. K tomu účelu je kuželovitý profil 5 kapalného paliva tangenciálně vstupujícím proudem spalovacího vzduchu 15 obklopen tímto proudem, a v případě potřeby ještě dalším axiálním proudem spalovacího vzduchu, který není na výkrese znázorněn. U tohoto axiálního proudu spalovacího vzduchu je důležité, aby jeho rychlost byla malá, přičemž je v každém případě třeba přivádět tento axiální spalovací vzduch do kuželové dutiny 14 ve směru proudění za zapalovacími elektrodami 24a, 24b. V axiálním směru proudění se koncentrace kapalného paliva 12 plynule snižuje přimíchávaným spalovacím vzduchem 15. V souladu se vstřikováním kapalného paliva 12 se dosahuje v oblasti víření, tedy v oblasti 6 zpětného proudění, optimální homogenní koncentrace paliva v průřezu. Zapalování směsi se uskutečňuje na vhodných místech, přičemž se tato zapálení potom rozšiřují až ke špičce oblasti 6_ zpětného proudění Teprve v tomto místě může vzniknout stabilní čelo 7 plamene. Zpětného skoku plamene dovnitř hořáku, což se může potenciálně stát u všech známých predsměšovacích ústrojí kde se potom hledá záchrana prostřednictvím komplikovaných plamenných hrází, se zde není třeba obávat. Pokud je spalovací vzduch předehřát, vytváří se urychlené celkové odpaření kapalného paliva 12 ještě před tím, než je dosažen bod na výstupu horáku, ve kterém se vytváří čelo 7 plamene. Stupeň odpařování je samozřejmě závislý na ve likosti hořííku, na velikosti kapek vstřikovaného paliva jakož i na teplotě spalovacího vzduchu 15. Minimální hodnoty škodlivých emisí vznikají tehdy, pokud je možné zajistit úplné odpaření před vstupem do spalovací oblasti. Totéž platí i pro provoz blízký stechiometrické hodnotě, kdy je přebytečný vzduch nahražen recirkulujícími spalinami. Při vytváření kuželových dílčích těles 1., 2_ z hlediska úhlu kužele a šířky tečných štěrbin 19, 20 pro vstup vzduchu je třeba dodržet úzké meze, aby se nastavilo požadované pole proudění vzduchu s jeho oblastí 6 zpětného proudění v oblasti vyústění horáku pro zajištění stabilizace plamene. Všeobecně lze říci, že zmenše7 ní tečných štěrbin 13, 20 pro vstup vzduchu posunuje oblast 6 zpětného proudění dále proti směru proudění, čímž se potom dostává směs dříve k zapálení. Dále je zde ještě třeba poznamenat, že jednou zafixovaná oblast 6 zpětného proudění je sama o sobě polohově stabilní, protože počet zákrutu narůstá ve směru proudění v oblasti kužele hořáku. Konstrukce hořáku je možné a vhodné v případě potřeby upravovat tak, že se mění konstrukční délky hořáku, že se mění velikosti tečných štěrbin 19, 20 pro vstup vzduchu, a to tak, že se upraví prostředky, které umožňují navzájem zasouvat nebo vysouvat kuželová dílčí tělesa Á, 2, čímž se zmenšuje, případně zvětšuje vzdálenost mezi oběma středními osami l_b, 2b a v souladu s tím se také mění velikost štěrbin tečných štěrbin 19, 20 pro vstup vzduchu, jak je to nejlépe patrno z obr. 3 až 5.

U určitých zařízení pro technické spalování je také možné spirálovité zasouvání obou kuželových dílčích těles do sebe navzájem, jakož i jejich vzájemné axiální posouvání. Tak je možné ovládat libovolné měnění tvaru a velikosti tečných štěrbin 19, 20 pro vstup vzduchu, což umožňuje přizpůsobovat hořák zcela individuálně bez změny jejich konstrukční délky v určité provozní oblasti» Na straně spalovacího prostoru 11 přechází výstupní otvor hořáku do čelní stěny 10, ve které je upraven stanovený počet otvorů 10a. Tyto otvory 10a vstupují do činnosti v případě potřeby a zabezpečují, že je možné přivádět rozreďovací vzduch nebo chladicí vzduch do přední části spalovacího prostoru 11. Mimoto tento přívod vzduchu zabezpečuje přídavnou stabilizaci plamene na výstupu hořáku. T^to stabilizace je velmi důležitá, protože

- -3 se jí zabezpečuje plamen a jinak by mohlo dojít k nebezpečí, že dojde ke ztrátě kompaktnosti čela Ί_ plamene jeho radiálním zploštěním. Na obr. 1 je znázorněno černými skvrnami, kde jsou přednostní místa pro zapalování.

V zásadě k tomu lze uvást, že se má zapalování uskutečňovat v místě, kde je zajištěno, že zde se vytvářející plamen přemostí předsměšovací oblast podél kuželové dutiny 14 cíleně, definovaně a nikoli chaoticky a že čelo 7. plamene bude na výstupu hořáku trvale zásobováno plamenem. To je možné uskutečnit jen tak, pokud se místo zapálení upraví tam, kde panuje malá rychlost médií, čímž se vytvoří podmínky, aby měl plamen kompaktní vydutí. Pokud je místo zapalování navíc velmi vzdáleno od vlastního čela 7 plamene, zůstávají tam působící zapalovací elektrody 24a, 24b v průběhu celého provozu poměrně chladné.

Dvě taková místa jsou označena jako místo 18a, 18b zapálení, přičemž jejich prostorové umístění je dobře patrno z obr. 3 až 5. Dvě další výhodně upravená místa 22a, 22b zapálení jsou uspořádána v oblasti konce hořáku, přičemž zde uskutečňované zapalování je umístěno bezprostředně v oblasti jejich činného pole. Je samozřejmé, že ohřev elektrod zde bude ve srovnání se zbývajícími dvěma zapalovacími elektrodami vyšší. Prostorové umístění zapalovacích elektrod v místech 22a, 22b zapálení je rovněž patrno z obr. 3 až 5.

Obr. 2 znázorňuje schematický pohled na hořák, přičemž jsou zde zejména dobře patrná místa 22a, 22b zapálení, uspořádaná na koncové straně hořáku. Mimoto je zde dobře patrno umístění zapalovacích elektrod 24a, 24b pro místo 18a zapálení. Konce 25a, 25b elektrod jsou v místech zapalování, přičemž oba konce 25a, 25b elektrod těchto zapalovacích elektrod 24a, 24b mají s výhodou vzájemnou rozteč o hodnotě zhruba 4 mm. Pro jiná místa zapalování budou mít zapalovací elektrody samozřejmě jinou konfiguraci. Dále je zde patrno, jak se plamenný jazýček 16 vyvíjí kompaktním způsobem podél štěrbiny pro vstup vzduchu ve směru proudění, přičemž tomuto plamennému jazýčku 26 je prostřednictvím vstupujícího spalovacího vzduchu 15, který vstupuje tečnými štěrbinami 19, 20 pro vstup vzduchu, vnucován lehký šroubovicový pohyb.

Z obr. 3 až 5 je patrná nyní geometrická konfigurace vodicích plechů 21a, 21b, přičemž je zde ještě jednou znázorněno přesné umístění míst 18a, 19b, 22a, 22b zapálení. Vodicí plechy 21a, 21b mají funkci spočívající, ve vedení proudění, přičemž tyto vodicí plechy 21a, 21b v souladu se svoji délkou prodlužují příslušný konec kuželového dílčího tělesa 2» 2 ve směru vstupního proudění proti spalovacímu vzduchu 15. Kanalizaci spalovacího vzduchu 15 do kuželové dutiny 14 lze otevřením, případně uzavřením vodicích plechů 21a, 21b optimalizovat kolem v oblasti vstupu tohoto kanálu do kuželové dutiny 14 umis těného otočného bodu 23 vodícího plechu 21a, 2lb, což je nutné zejména tehdy, pokud se mění původní velikost štěrbiny tečné štěrbiny Π), 20 pro vstup vzduchu. Je samozřejmé, že tato dynamicky působící opatření lze také upravit jako statická uspořádání, a to tak, že se v případě potřeby vytvoří vodicí plechy jako pevné součásti kuželových dílčích těles χ, 2. Hořák může být také použit bez vodicích plechů, nebo mohou být v jeho provozu k tomu účelu upraveny jiné pomocné prostředky.

Claims (4)

1. Hořák pro provoz spalovacího motoru, spalovací komory skupiny plynových turbin nebo topeniště, přičemž hořák sestává v podstatě z nejméně dvou dutých kuželových dílčích těles, která jsou ve směru proudění uložena na sobě a jejichž podélné osy souměrnosti jsou upraveny proti sobě navzájem přesazené, čímž jsou vytvořeny z hlediska proudění protilehlé tečné štěrbiny pro vstup vzduchu pro spalovací vzduch, přičemž v kuželové dutině, vytvořené kuželovými dílčími tělesy, je umístěna nejméně jedna trys ka pro vstřikování paliva, a přičemž kuželová dílčí tělesa jsou doplněna s nebo bez odpovídajících prostředků pro přívod dalšího paliva v oblasti tečných štěrbin pro vstup vzduchu, vyznačující se tím, že v kuželové dutině (14) na místě (18a, 18b, 22a, 22b) zapálení s menší rychlostí proudění spalovacího vzduchu (15) jsou umístěny konce (25a, 25b) elektrod zapalovacích elektrod (24a, 24b),

2. Horák podle nároku 1, vyznačující se tím, že tryska (3) je vzduchem podporovaná tryska,

3. Horák podle nároku 1, vyznačující se tím, že konce (25a, 25b) elektrod zapalovacích elektrod (24a, 24b) jsou upraveny v oblasti tečných štěrbin (19, 20) pro vstup vzduchu.

4. Způsob provozu hořáku podle nároku 1, vyznaču11 jící se tím, že malé rychlosti proudění vzduchu se dosahuje škrcením spalovacího vzduchu.