Aerodynamic research of AGG-type burner flowing part

Full Text

В трубчатых печах с излучающими стенами топки для процессов нефтегазо-переработки широко применяются вихревые веерные горелки типа АГГ [1]. Для создания равномерного температурного поля кладки печей за счет веерных настильных факелов горелок типа АГГ необходимо в первую очередь обеспечить высокую степень равномерности выходных потоков топливо-воздушной смеси из сопла горелок. Неравномерность выходного газовоздушного потока из сопла горелки связана с закруткой его в нескольких каналах завихрителя и геометрией проточной части от выходных каналов завихрителя до среза сопла. С целью определения оптимальных конструктивных размеров проточной части горелок типа АГГ, позволяющих достичь необходимой степени равномерности выходного вихревого потока газовоздушной смеси, проведены аэродинамические испытания натурных образцов горелок типа АГГ-2 и АГГ-3 на стенде. Течение закрученного потока в цилиндрическом канале характеризуется двумя участками. На первом участке (в непосредственной близости от завихрителя) структура потока определяется конструкцией закручивающего устройства и его геометрическими характеристиками. Нами использовался завихритель (с каналами, выполненными по профилю двухзаходной полуспирали Архимеда), позволяющий максимально сократить длину этого участка. Характерная особенность второго (основного) участка состоит в том, что структура потока на этом участке уже не зависит от вида завихрителя и определяется только интенсивностью закрутки, которая уменьшается по мере удаления рассматриваемого сечения от завихрителя. Качественное представление о структуре потока в проточной части модели горелки АГГ объясняется рис. 1. Рис. 1. Схема измерения скоростного напора в проточной части горелки АГГ: а-а, б-б, в-в, г-г - исследуемые сечения проточной части модели горелки; 112 - точки замера тангенциальной и радиальной составляющих скорости потока в указанных сечениях Для создания большого фронта распространения потока за горелкой необходимо сохранить высокую крутку потока и высокие выходные скорости газо-воздушной смеси, поэтому длину этого участка также необходимо сократить до минимума. При этом основным условием эффективной работы горелки является равномерность поля скоростей газовоздушной смеси по периметру камеры смешения у среза сопла. Для исследования аэродинамики проточной части горелок типа АГГ был разработан и смонтирован аэродинамический стенд, схема которого представлена на рис. 2. Исследуемая модель 1 горелки АГГ жестко устанавливалась на специальном столике 2. Рабочим телом при испытаниях являлся атмосферный воздух, подаваемый в горелку под давлением за счет компримирования его в компрессорной установке 3. Расход подаваемого на горелку воздуха регулировался вентилем 4 на байпасной линии и замерялся с помощью камерной диафрагмы 5 и дифманометра 6. Давление воздуха в газопроводе до диафрагмы и непосредственно перед горелкой измерялось манометрами 7, а его температура - ртутным термометром 8. Рис. 2. Схема стенда для исследования проточной части горелки: 1 - исследуемая модель горелки; 2 - столик; 3 - компрессорная установка; 4 - регулировочный вентиль; 5 - камерная диафрагма; 6 - дифманометр; 7 - манометр; 8 - термометр; 9 - координатник с датчиком; 10 - U-образный манометр Расход воздуха от компрессора определялся измерением перепада давления, показываемого дифманометром, и далее по зависимости , нм3/ч, (1) где - постоянный для данной диафрагмы коэффициент, взятый из расчета диафрагмы; - перепад давления по дифманометру, кгс/м2. При определении размеров измерительной диафрагмы принимались определенные расчетные значения температуры, избыточного давления и плотности компримируемого воздуха, поэтому его расход соответствует измеренному по шкале дифманометра значению только при соблюдении расчетных параметров воздуха. При проведении испытаний измерениями параметров среды выявлялось отклонение указанных величин от расчетных и к показаниям дифманометра дополнительно вводились поправки [2]. Поскольку осевая составляющая скорости у среза сопла мала, оценка неравномерности проводилась по тангенциальной составляющей скорости потока , вырождающейся в радиальную у среза сопла за счет полуторовой выходной амбразуры. В качестве параметра неравномерности принималось соотношение , (2) где - экстремальные значения тангенциальной составляющей скорости газовоздушного потока , определяемой по периметру камеры смешения модели горелки и на срезе сопла; - номер направления измерения в данном сечении; - количество направлений. Для измерения скоростей воздушного потока в проточной части горелки применялся пневмометрический метод. Для определения направления скоростного напора и его значения в соответствующих точках воздушного потока использовалась трубка Пито и цилиндрический зонд, изготовленный в виде трубки диаметром 1 мм, заглушенной с торца, с боковым отверстием, равным и расположенном на расстоянии от торца. Положение пневмометрической трубки и зонда в соответствующих точках воздушного потока устанавливалось при помощи координатника 9, обеспечивающего перемещение трубки и зонда в вертикальной и горизонтальной плоскостях, а также круговое вращение относительно оси модели горелки. Тангенциальная составляющая скорости воздушного потока внутри и на выходе из камеры смешения (на срезе сопла) определялась по перепаду давления, измеренного при помощи цилиндрического зонда и -образного манометра по формуле , м/с, (3) где - тарировочный коэффициент зонда; - показания -образного манометра при измерениях, кгс/м2. Измерения величины напора, вызванного тангенциальной составляющей скорости газового потока, проводились в двенадцати точках по периметру камеры смешения (), в трех сечениях по ее длине и на срезе сопла горелки (на расстоянии от внутренней поверхности камеры смешения, соответствующем максимальному значению скоростного напора). Исследуемые сечения выбирались на расстоянии от выходной части завихрителя, соответствующем 0,7; 1,2 и 1,55 диаметров камеры смешения, и на срезе сопла горелки (см. рис. 1). Результаты исследований аэродинамики проточной части горелок типа АГГ 3 и АГГ-2 (при расходе компримируемого воздуха, близком к номинальному) представлены на рис. 3, где графически показано угловое распределение относительной тангенциальной составляющей скорости воздушного потока по сечениям проточной части и на выходе из сопла (на срезе) исследованных типоразмеров горелок. По характеру представленной картины видно, что распределение танген-циальной составляющей скорости газового потока по периметру камеры смешения в каждом из сечений имеет по два явно выраженных максимума, соответствующих числу выходных каналов завихрителя, которые по мере удаления от завихрителя сглаживаются. На расстоянии более 1,55 диаметра камеры смешения параметр неравно-мерности близок к 10 % (при нагрузках, близких к номинальным). Полученные результаты соответствуют теоретическим представлениям о диссипации энергии при смешении закрученного и осевого потоков газа в цилиндрическом канале. Дальнейшее снижение неравномерности может быть достигнуто путем увеличения числа выходных каналов завихрителя и (или) увеличения длины камеры смешения, однако в первом случае усложняется конструкция горелки из-за дополнительной нарезки каналов, при этом уменьшаются также размеры газовых каналов, а во втором - снижается момент количества движения (закрутка) потока и, как следствие, сужается диапазон устойчивой работы горелки. Диаметр камеры смешения и ее длина определены из условий сохранения средних значений момента количества движения и скоростных характеристик у среза сопла в рабочем диапазоне производительности горелки по топливу. Таким образом, установлено соотношение длины камеры смешения и ее диаметра, принятое для конструктивного исполнения изготавливаемых горелок: , м, (4) где - диаметр камеры смешения, м. а б Рис. 3. Угловое распределение тангенциальной составляющей скорости потока в проточной части горелки типа АГГ-3 при производительности 56 м3/ч (а) и горелки типа АГГ-2 при производительности 122 м3/ч (б) Получив разомкнутый газовый поток на срезе сопла горелки с минимальной неравномерностью по периметру сопла, следует ожидать минимальный градиент температур излучающей стенки печи по концентрическим окружностям вокруг горелок, что было выявлено и доказано последующими огневыми испытаниями горелок типа АГГ.

About the authors

Aleksandr S Petchnikov

Samara State Technical University

Email: PetchnikovAS@mail.ru
(Ph.D. (Techn.)), Senior Lecture 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

Leon G Grigoryan

Samara State Technical University

(Dr. Sci. (Techn.)), Professor 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

References

Supplementary files