книги из ГПНТБ / Кулагин Л.В. Форсунки для распыливания тяжелых топлив

на рис. 52 трехконтурной форсунке первая и вторая сту­ пени объединены по схеме двухкамерной форсунки с об­ щим выходным соплом, а третья ступень имеет самостоя­ тельный контур со вторым соплом кольцевого сечения.

Рис. 52. Трехконтурная центро­ бежная форсунка:

/ — камера закручивания первой и второй ступеней; 2 — камера закручи­ вания третьей ступени; 3—5 — топливоподводящие каналы третьей, пер­ вой и второй ступеней

Так как трехконтурная форсунка представляет собой комбинацию двухконтурных форсунок, то их расчет можно проводить по зависимостям, полученным выше. Из-за сложности регулирования и затруднений в изго­ товлении трехконтурные форсунки широкого применения не нашли.

А

А

Рис. 53. Форсунка парового котла Велокс

Комбинированную схему имеют также форсунки кот­ лов Велокс (рис. 53). Характерно, что эти форсунки работают при постоянном давлении. На малых расходах топлива регулировка осуществляется за счет подъема штока /, открывающего сопло и тангенциальные отвер­ стия внутренней ступени. Повышение расхода после пол­ ного открытия тангенциальных отверстий достигается подъемом внутреннего распылителя 2, открывающего сопло и тангенциальные отверстия второй ступени. Таким об­ разом, в первый момент форсунка работает как односту­ пенчатая с регулируемыми проходными сечениями тан-

120

генциалыіых отверстий, а затем на больших расходах — по схеме дву.хконтурного распылителя.

Параметры работы двухконтурных форсунок на всех промежуточных режимах ' от холостого хода до 100% нагрузки зависят от соотношения давлений в ступенях. Например, при работе двухкамерных форсунок с общим выходным соплом зависимость среднемассового диаметра

Рис. 54. Зависимость медианного диаметра капель от относительного расхода топлива при различных схемах регулирования для двухка­ мерной форсунки

капель с изменением расхода топлива характеризуется кривой с одним минимумом и максимумом при общем снижении кривой в области 100% нагрузки и резком возрастании в области малых нагрузок. Положение точек минимума и максимума определяется соотношением дав­ лений и расходов по ступеням. При этом минимальный диаметр капель соответствует режиму работы перед

с зависимостью (80) средний диаметр капель характери­ зуется кривой 2 (рис. 54). Кривая /, приведенная для сравнения, отражает зависимость диаметра капель от расхода для одноступенчатой форсунки. Если увеличить расход в первой ступени до выполнения соотношения

— - = 1,2, то минимальный диаметр капель будет соот-

121

ветствовать большему расходу и максимум кривой сни­ зится, т. е. тонкость распыливания на режимах работы обеих ступеней улучшится. Однако резко возрастет сред­ ний диаметр капель в области малых расходов (кривая 3). Если уменьшить расход в первой ступени до соотноше­ ния -^— = 0,5, то качество распыливания в области

Gu

малых расходов улучшится, но возрастет средний диа­

Так как средний диаметр капель в двухконтурных форсунках зависит от толщины пленки топлива и затра­ чиваемой на распыливание энергии, то, варьируя давле­ нием и расходом топлива по ступеням, можно найти приемлемый режим работы форсунки. Увеличить общую энергию распыливания на промежуточных режимах можно путем повышения давления pj как в первой, так и во

увеличить расход топлива через первую ступень. Но увеличение расхода топлива при том же давлении воз­ можно путем увеличения проходных сечений, что при­ ведет к необходимости снижения давления на участке работы форсунки с одной ступенью. При этом качество распыливания в области малых расходов ухудшится. Следовательно, остается только одновременно увеличи­ вать давление и расход первой ступени, т. е. расширять зону работы этой ступени до максимального давления

тельно изменится дисперсионная характеристика фор­ сунки в зоне промежуточных режимов (кривые 4 я 5). Тонкость распыливания улучшается, и наихудший распыл для исследуемой форсунки будет характеризоваться сред­ ним диаметром капель, равным 160 мкм вместо 220 мкм, при схеме регулирования, осуществляемой при выпол­ нении уравнения (80) (см. кривую / ) . Однако при этом остается плохое качество распыливания на малых рас­ ходах. Существенно улучшить дисперсионную характе­ ристику рассматриваемой форсунки можно при ее работе как комбинированной с подачей сжатого воздуха во вторую ступень на режимах работы при небольших давлениях топлива в первой ступени. Осуществление такой регулировки при давлении воздуха 0,5 МН/м2 и макси-

122

мальном удельном расходе 0,4 кг на 1 кг топлива позво­ лило в форсунках газотурбинного двигателя, работающего на тяжелых топливах, увеличить диапазон регулирова­ ния до отношения максимального расхода топлива к ми­ нимальному, равному 10. Качество распыливания на всех режимах (кривые 4 и 6) изменяется незначительно.

Форсунки с перепуском топлива

К числу двухконтурных форсунок можно отнести и форсунки с перепуском топлива, в которых второй кон­ тур используют не для подачи топлива, а для его отвода. Эти форсунки имеют достаточно большие проходные сече­ ния, рассчитанные на максимальную производительность, что очень важно для обес­ печения надежной работы на тяжелом топливе. При­ меняемые в современных котельных установках фор­ сунки с перепуском топ­ лива (рис. 55, а, б) выпу­ скают с отводом топлива из камеры закручивания (конструкция фирмы Кертинг) или сопла (конст­ рукция фирмы Тодд).

В форсунках с пере­ пуском топлива хорошее качество распыливания при большом диапазоне изменения нагрузок дости­ гается за счет сохранения

вкамере закручивания

относительно высокого значения скорости топлива. Регулирование расхода можно осуществлять изменением сопротивления в топливопроводе перепускной системы. При максимальной нагрузке перепускная линия пол­ ностью закрыта, и все топливо поступает в зону горения. При снижении нагрузки к форсунке подается почти такое же количество топлива, но часть его из камеры закру­ чивания отводится в линию топливоподачи. При этом общая скорость на выходе Из форсунки уменьшается, но значительно меньше, чем скорость при такой же сте­ пени регулирования в одноступенчатых форсунках. По-

123

этому качество распыливания на промежуточных режимах остается хорошим. Этому способствует и уменьшение толщины топливной пленки, которое происходит из-за увеличений диаметра воздушного вихря и угла факела.

При теоретических исследованиях форсунок с пере­ пуском топлива обычно используют основные положения теории центробежных форсунок [5]. Так, введя коэффи­ циент кратности -п', определяющий отношение поступаю­ щего в форсунку топлива G к выходящему из сопла Gc, уравнение для расчета скорости топлива на входе в ка­ меру закручивания имеет вид

в первом приближении принять неизменным и рассчитать по формуле (30). Тогда по аналогии с одноступенчатой

Это выражение отличается от уравнения для расчета коэффициента расхода одноступенчатой форсунки зна­ чением геометрической характеристики, которая заменена эффективной характеристикой форсунки с перепуском

г]'А. При этом зависимости для расчета величин [i, tg-^-,

Экспериментальная проверка [5] показала удовлетво­ рительное совпадение опытных и расчетных данных как для коэффициента расхода, так и для угла факела.

124

В приведенных уравнениях коэффициент п/ прини­ мался заданным. Величина и' зависит от давлений в основ­ ной и перепускной системах, размеров перепускных отверстий и их расположения в форсунке. Для исследова­ ния характера этой зависимости представим сначала, что течение топлива внутри камеры закручивания .форсунки с перепуском топлива происходит, как и в одноступен­ чатой центробежной форсунке, но с двумя противопо­ ложно расположенными соплами. Если при постоянном напоре один из диаметров, например, перепускного отвер­ стия увеличить от нуля до размера воздушного вихря, то это не окажет влияния на работу форсунки. При даль­ нейшем увеличении перепускного отверстия общий расход начнет расти, а расход топлива через основное сопло уменьшаться. При этом увеличиваются воздушный вихрь, скорость топлива на входе в камеру закручивания и угол факела-. Если продолжать увеличивать диаметр перепускного отверстия, то при достижении диаметра воздушного вихря, равного диаметру основного сопла, все топливо будет поступать в перепускное отверстие. Таким образом, при большом и малом отношении диаметров осевых отверстий (соплового к перепускному, или на­ оборот) форсунка работает как простая центробежная с истечением топлива только через большее отверстие. Для изучения работы форсунки с двумя осевыми отвер­ стиями представляет интерес только случай, когда диа­ метр каждого отверстия больше диаметра воздушного вихря. Отношение расходов топлива через эти отверстия, как показали измерения при работе опытных форсунок различных вариантов, равно отношению их площадей живых сечений. Следовательно, величину отношения расходов T|ô при полностью открытом перепускном сече­

где Gn — объемный расход топлива через систему пере­ пуска;

г„ — радиус перепускного отверстия.

Для определения размера воздушного вихря рассмо­ трим движение топлива на границе с вихрем. Танген­ циальная скорость топлива

W - G R

w sum — mf r '

125

Пренебрегая падением давления топлива, суммарный расход топлива через сопло и перепускное отверстие

Коэффициент общего расхода топлива \іс, как и для одноступенчатых форсунок, может быть получен на основании равенства статического давления топлива перед

форсункой суммарному скоростному напору — — —

Величины S' и Л ' подобны относительному радиусу воздушного вихря S3 и геометрической характеристике А.

Применяя принцип максимального расхода для исте­ чения топлива из форсунки с двумя осевыми отверстиями, находим зависимость безразмерного комплекса А' от относительного радиуса воздушного вихря S'.

При d\i/dS' = 0

и (101) для ряда конструкций форсунок с перепуском топлива дали удовлетворительное совпадение с резуль­ татами экспериментов.

Полученные соотношения применимы в случае, когда в перепускной системе отсутствует сопротивление, пере­ пускное отверстие соосно с соплом форсунки и выходит прямо в атмосферу. Однако система перепуска не только обладает сопротивлением, но и оборудована специальным

126

дополнительным регулировочным устройством, увеличи­ вающим сопротивление перепуска. При сохранении общего напора топлива перед форсункой наличие в системе пере­ пуска дополнительного сопротивления снижает расход перепускаемого топлива, а следовательно, и общее коли­ чество топлива, проходящего через форсунку.

Так как сечения тангенциальных каналов при работе форсунки не изменяются, то сокращение общего расхода сопровождается уменьшением скорости топлива на входе в камеру закручивания и, соответственно, момента вра­ щения динамического вихря. Если на границе с воздуш­ ным вихрем значение тангенциальной скорости сохра­ нится такое же, как и без дополнительного сопротивления перепуска, то согласно зависимости (29) должен умень­ шиться радиус воздушного вихря. Это при сохранении неизменным динамического напора должно привести к уве­ личению расхода топлива через сопло.

Исследование течения жидкости в сопле форсунки показало, что при наличии динамического вихря уста­ навливается режим истечения с критической скоростью, равной скорости распространения длинных волн на по­ верхности жидкости. Скорость зависит от высоты теку­ щего слоя жидкости, т. е. от толщины пленки топлива. Поэтому с уменьшением радиуса воздушного вихря осе­ вая скорость должна увеличиться. Если предположить, что при уменьшении количества перепускаемого топлива вследствие' изменения сопротивления в перепускной си­ стеме сохраняется неизменным размер воздушного вихря, то [по уравнению (29) ] значение тангенциальной скорости снизится. При постоянном напоре должны возрасти осе­ вая скорость и расход топлива через сопло. Однако при сохранении напора и толщины пленки топлива скорость распространения длинных волн и критическая скорость истечения не изменяют своих значений. Следовательно, при изменении сопротивления в перепускной системе происходит одновременно уменьшение радиуса воздуш­ ного вихря и тангенциальной скорости. Вследствие того, что воздушный вихрь уменьшается при снижении коли­ чества перепускаемого топлива, перепускные отверстия можно выполнять значительно больше сопловых. Тогда расход топлива через сопло будет изменяться из-за сопро­ тивления в перепускной системе от нуля (при полностью открытом регуляторе перепуска) до максимального рас­ хода (при полностью закрытом регуляторе).

127

пускной системах форсунки в ЦНИИ МПС (Центральный научно-исследовательский институт Министерства путей сообщения) были проведены соответствующие экспери­

в системе перепуска. Обычно площадь перепускного сечения значительно превосходит площадь воздушного вихря, поэтому влияние изменения диаметра воздушного вихря на количество перепускаемого топлива очень мало. В большинстве конструкций форсунок с перепуском топ­ лива, применяемых на практике, во избежание попадания воздуха в топливную систему перепускные отверстия располагают на некотором расстоянии от воздушного вихря. Таким образом, количество перепускаемого топ­ лива, как и при обычном истечении, будет прямо пропор­ ционально корню квадратному из разности давлений до и после перепускного отверстия. Так как противодавление топлива прямо пропорционально общему напору перед

Величина kp определяет максимальное давление топ­ лива в перепускной системе, т. е. при ее полном закры­ тии; следовательно, k — это отношение максимального давления в перепускной системе к давлению топлива перед форсункой.

Измерения количества перепускаемого топлива, кото­ рые проведены для конструкций, представленных на рис. 56, показали, что соотношение (102) хорошо согла­

Дополнительное сопротивление в перепускной си­ стеме влияет и на общее количество вытекающего топлива,

128