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

Действие относительной скорости потоков изучено на дроблении отдельных капель и при испытании форсунок многих вариантов. При исследованиях авторами форсу­ нок Шухова, форсунок с двусторонним подводом воздуха (см. рис. 68) и ряда других конструкций влияние скорости на величину медианного диаметра капель оценивается

которой зависит от конструкции форсунок. Увеличение расхода воздуха свыше 6—10 кг/кг при наружном воз­ действии потоков и свыше 6 кг/кг при взаимодействии потоков внутри форсунки существенного влияния на ка­ чество распыливания не оказывает.

Результаты опытов обработаны в координатах - ^ - и

Go хм

- ~ , где — отношение медианного диаметра капель

150

при данном расходе воздуха G„ к минимальному диаметру (рис. 71).

Расход распиливающего агента в опытах авторы из­ меняли увеличением проходного сечения сопла.

В форсунках с постоянными геометрическими разме­ рами очень сложно разделить влияние расхода распыливающего агента и его скорости на дробление струи, что и не требуется при характеристике распыливания в за­ висимости от кинетической энергии струи. Опытные дан­ ные, представленные в координатах хм = f (Е) д/гя фор-

сунок каждой конструкции, хорошо описываются одной

но и от того, на какое количество топлива она расходуется. Например, для форсунки, представленной на рис. 72, кривые зависимости хм — f (Е) проходят ниже (рис. 73) с уменьшением расхода топлива. Если же эти данные представить в координатах хм — f (е) (е — удельная энергия распыливающего агента, приходящаяся на 1 кг топлива), то все три зависимости (рис. 73) будут изобра­ жаться одной кривой (рис. 74, кривая 1).

Результаты обработки опытных данных, полученных рядом исследователей при распыливании топлива прямоструйными форсунками, также характеризуются одной за­ висимостью хм = f (е). Основные размеры этих форсунок приведены в табл. 8. В процессе проведения опытов удель-

151

Представляет практический интерес рассмотреть влия­ ние плотности распыливающего газа, так как все экспери­ менты проводились при распиливании воздуха, плотность которого мало изменялась. Сравним результаты распыли­ вания жидкости соплами типа Вентури с использованием азота и гелия (плотность азота в 7 раз больше плотности гелия) [6]. Скорости истечения азота и гелия различались незначительно; следовательно, можно считать, что энер­ гия распыливающих газов при замене азота ге'лием изме­

ли мм

Рис. 74. Зависимость медианного диаметра капель от удельной энергии распыливающего газа:

1,2,3— по данным авторов; 4 — по данным Л. А. Витмана и др. 1б]

ліяется примерно в 7 раз. Если принять, что для форсунки с соплом Вентури качество распыливания и энергия рас­

в 2 раза. В результате измерений в процессе опытов по­ лучено увеличение среднего диаметра капель при переходе от азота к гелию также в 2 раза. Рассмотренные данные свидетельствуют о том, что качество распыливания опре­ деляется величиной энергии распыливающей среды вне зависимости от ее плотности. Этот вывод очень важен для расчета параметров работы паровых форсунок, так как в литературе отсутствуют опытные данные парового рас­ пыливания, и обычно качество работы паровой форсунки оценивают или по результату горения топлива в топке, а иногда и работе парового котла-, или по результату исследования при подаче воздуха.

В ЦНИИ МПС проведены измерения среднего диа­ метра капель для прямоструйных форсунок при подаче пара под давлением от 0,1 до 0,02 МН/м2 . Затрачиваемая

152

на распыливание энергия определялась по разности эн­ тальпий пара до и после расширения. Отклонения опыт­ ных точек при пневматическом и паровом распыливаниях, представленные в координатах хм и е, лежат в пределах точности эксперимента (рис. 75). Значительные отклоне­ ния диаметров капель получены при распыливании влаж­ ным паром. Однако, если из массы распыливающего пара

удельной энергии. Оказывает существенное влияние на результат распыливания топлива толщина (или диаметр) струи топлива. Чем тоньше струя, тем она менее устой­ чива. Из опытных данных известно, что медианный диа­ метр капель пропорционален толщине струи топлива. По­ этому обычно при обработке опытных данных средний диаметр капель относят к толщине струи топлива.

Таким образом, в форсунках с распыливающим аген­ том зависимость для определения медианного диаметра капель имеет вид

154

ков. В большинстве конструкций требуемый расход топ­ лива устанавливается изменением давления подачи с по­ мощью вентиля, расположенного в топливоподающей си­ стеме. Применяется регулирование дросселированием и созданием дополнительного сопротивления по ходу дви­ жения потока или за счет дренажа части топлива из топли­ вопровода, идущего к форсунке, в линию всасывания или расходный бак.

В некоторых конструкциях форсунок Стальпроекта, Бермана, Карабина и др. [8 ], где для создания кольцевого потока в топливном сопле установлена игла или шток, расход регулируют изменением проходного сечения сопла. Одновременно игла или шток служат для очистки сопла при его закоксовании и засорении. В этих форсунках на­ конечник штока или иглы должен точно центрироваться и иметь строго осевое перемещение для соосности с соплом. Иначе может произойти перекос факела с резким ухудше­ нием качества распыливания в зоне максимальной плот­ ности потока.

Ввиду того что потенциальная энергия давления топ­ лива в паровых и пневматических форсунках имеет не­ большую величину по сравнению с энергией распыливаю­ щего агента, уменьшение давления топлива практически не ухудшает качества распыливания. В результате же сокращения расхода топлива увеличивается удельная энергия, что приводит к снижению среднего диаметра капель. При значительном уменьшении расхода топлива неэкономично сохранять постоянным расход пара или воздуха.

В некоторых форсунках количество распыливающего агента изменяют дросселированием с помощью вентиля или заслонки, устанавливаемой на пароили воздухопро­ воде, или сужением проходных сечений на выходе из фор­ сунки. Схемы регулирования с помощью дросселирова­ ния менее целесообразны, так как при этом уменьшение расхода распыливающего агента происходит вследствие уменьшения его скорости, что снижает эффективность рас­ пыливания. Поэтому, несмотря на усложнение конструк­ ции во многих форсунках, начиная с паровой форсунки Шухова, применяют регулирование расхода изменением проходных сечений для пара или воздуха. При этом рас-

156

пыливающий агент проходит между конусными поверх­ ностями двух элементов форсунки, один из которых имеет осевое перемещение, благодаря чему происходит измене­ ние выходного сечения и расхода распыливающего агента. В некоторых конструкциях проходное сечение образуется между торцовыми выступами деталей форсунки.

В форсунке Бермана предусмотрены две подвижные детали и поэтому подвод воздуха регулируют в двух сту­ пенях. С изменением проходных сечений искажается их профиль, что влияет на направление, а иногда и на вели­ чину скорости распыливающего агента. Особенно сложно в переменных сечениях сохранить сверхзвуковые скорости. Для этого предложенопрямоугольное сопло с подвижными стенками. В этой конструкции одно из осевых сечений на всех режимах остается постоянным, а другое сечение с помощью системы рычагов и поворотных деталей сохра­ няет профиль сопла Лаваля с изменением внутренних размеров. В форсунках Карабина предложены поворот­ ные лопатки для изменения угла и дальнобойности факела. Однако такие сложные форсунки широкого применения не получили.

В случаях редкой смены режима работы (посезонной или посменной) предпочтительно применять форсунки с наиболее простой системой регулирования, а при необ­ ходимости смены режима устанавливать форсунки другой производительности.

Паро- и пневмомеханические форсунки

Среди комбинированных форсунок различных вариан­ тов наибольшее распространение получили паро- и пневмо­ механические форсунки, работающие на номинальном ре­ жиме с большим давлением топлива, а на малых расхо­ дах — с подачей распыливающего агента: пара или воз­ духа. В некоторых форсунках пар подается на всех режи­ мах, при этом воздействие его на макро- и микроструктуру факела с увеличением расхода топлива снижается. В боль­ шинстве конструкций топливу сообщают тангенциальную скорость и распылитель выполняют по одной из простей­ ших схем центробежных форсунок, а именно: с входными каналами прямоугольного или круглого сечений, с рас­ пределительной шайбой или без нее и т. д.

В форсунке, приведенной на рис. 77, распылитель для топлива представляет собой одну деталь с прямоуголь-

157

ными тангенциальными каналами, количество которых изменяется от 2 до 6, в зависимости от расхода топлива. Разработано 10 типоразмеров форсунок с максимальной

потоков сопло распылителя имеет форму цилиндрической или конической щели. В паро- и пневмомеханических фор­ сунках системы ЦКТИ и ВТИ [8 ] распыливающему агенту сообщают танген­ циальное направление дви­ жения, и форсунку вы­ полняют по схеме двухсопловой центробежной форсунки. Кроме того, в конструкции форсунок, приведенных на рис. 78, паровой завихритель вы­ полнен в одной детали с топливным распылителем, что создает определенные

неудобства при эксплуатации, так как мазутный рас­ пылитель быстрее изнашивается и заменять приходится более сложную деталь, чем при раздельном выполнении топливного и парового завихрителей. В форсунке ЦНИИ (Центрального научно-исследовательского института) Ми­ нистерства морского флота СССР пар подается отдельными струями по 12-ти фрезерованным каналам, направленным под углом 60° к оси форсунки.

158

В форсунках с внешним взаимодействием распыливаю­ щего агента расчет топливной части производят по урав­ нениям для одноступенчатых центробежных форсунок. Расчет паровой или воздушной части заключается в опре­ делении площадей сечений, обеспечивающих прохожде­ ние необходимого количества воздуха или пара. Расход распыливающего агента зависит от его давления и плот­ ности, а также эффективности использования энергии; последнее определяется конструкцией форсунок. Обычно для паро- и пневмомеханических форсунок удельный рас­ ход распыливающего агента находится в пределах 0,02— 0,06 кг/кг (удельный расход отнесен к максимальному расходу топлива), хотя на этом режиме форсунка работает как механическая, и участия воздуха или пара в дробле­ нии струи ничтожно. Чем больше расход распыливающего агента и выше его энергия, тем больше должно быть дав­ ление топлива, чтобы его кинетическая энергия оказы­ вала влияние на качество распыливания.

На максимальных расходах топлива дисперсность фа­ кела зависит только от потенциальной энергии давления топлива, и для оценки степени дробления струи приме­ нимы соответствующие критериальные зависимости для одноступенчатых форсунок. На малых расходах топлива, когда его давление практически не влияет на дробление струи, для оценки качества распыливания можно исполь­ зовать зависимости диаметров капель от энергии распы­ ливающего агента. На промежуточных режимах очень сложно определить степень влияния давления топлива и энергии распыливающего агента на качество распыли­ вания, и в этом случае средние диаметры капель зависят в основном от суммарной удельной энергии, затрачиваемой на дробление струи,

Влияние каждого слагаемого суммарной удельной энергии на процесс распыливания не равнозначно, так как не вся энергия распыливающего агента сообщается топ­ ливу. Для обработки результатов исследований и сравне­ ний конструкций форсунки с распыливающим агентом вводят понятие коэффициента использования энергии ß, который характеризуется отношением переданной топ­ ливу энергии к полной энергии распыливающего агента. Определение значения такого коэффициента для форсунок

159