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

топливо-воздушных струй, направленных под углом, не­ сколько большим, чем угол основного топливного факела. С увеличением давления и расхода воздуха образуется второй, больший конус, окружающий основной и состоя­ щий из более мелких капель. При этом происходит неко­ торое уменьшение угла факела и смещение зоны макси­ мальной плотности потока к центру с резким уменьше­ нием диаметра капель на периферии топливного конуса. Затем с дальнейшим увеличением подачи распыливаю­ щего агента или с уменьшением расхода топлива струя воздуха полностью «размывает» внутренний топливный конус, образуя один общий топливо-воздушный факел.

Измерение диаметров капель при подаче распыливаю­ щего агента, обладающего различной кинетической энер­ гией, показало, что качество распыливания определяется единой зависимостью от суммарной удельной энергии, рассчитываемой по уравнению (114) при значении коэф­ фициента использования энергии ß = 0,24. Коэффи­ циент ß подсчитавается как отношение потенциальной энергии давления топлива к энергии распыливающего агента.

В форсунках с внутренним взаимодействием потоков из-за наличия противодавлений увеличение давления и расхода одного из потоков (топлива или воздуха) приводит к уменьшению расхода второго компонента. В таких фор­ сунках при подаче распыливающего агента с постоянным давлением по мере увеличения давления и расхода топ­ лива происходит автоматическое уменьшение расхода рас­ пыливающего агента до полного прекращения его подачи. При этом противодавление топлива превысит величину напора распыливающего агента. В воздушной или паровой системе таких форсунок для исключения возможности по­ падания в них топлива необходимо устанавливать обрат­ ный клапан. По такой схеме работает двухкамерная фор­ сунка (см. рис. 44 и 45) локомотивного газотурбинного двигателя на режимах запуска и малых нагрузок.

Распыливающий воздух в этой форсунке подается на вторую ступень с постоянным давлением 0,5 МН/м2 . Из­ менение отношений энергии воздушной струй к энергии топлива EJET и дисперсность факела этой форсунки в за­ висимости от давления топлива приведены на рис. 81 (кривые / и 3). Для сравнения на рис. 81 нанесены ре­ зультаты измерения диаметров капель при работе фор­ сунки без подачи воздуха (кривая 2). Как и для форсунок

с внешним взаимодействием потоков, качество распыли­ вания можно оценить единой зависимостью от суммарной удельной энергии со значением коэффициента ß = 0,33.

хм мм

Рис. 82. Зависимость медианного диаметра капель от суммарной удель­ ной энергии, расходуемой на распыливание

В форсунках, которые в основном работают на режиме пневматической форсунки, с ростом давления топлива медианные диаметры капель увеличиваются, а затем после достижения максимальной величины — уменьшаются. Та­ кое изменение качества распыливания получено экспери-

ментально при исследовании форсунки с двусторонним подводом воздуха (рис. 83). Кинетическая энергия распы­ ливающего агента для всех режимов распыливания оста­

ная энергия снижается, что оказывает более сущест­ венное влияние на качество распыливания. Увеличение диаметра капель происходит до тех пор, пока потенциаль­ ная энергия давления топлива не станет соизмеримой с ки-

было замечено при исследовании паромеханических фор­ сунок (см. рис. 79) с диаметром топливного сопла, рав­ ным 3,2 мм, при распыливании парафина. Так, при давлении подачи топлива 0,2 МН/м2 с изменением давле­ ния воздуха от 0 до 0,5 МН/м2 дисперсионная харак­ теристика выражается кривой с двумя резко выраженными

максимумами (рис. 84). При давлении топлива, равном 0,5 МН/м2 , разность между значениями максимального и минимального диаметров капель несколько уменьшается. Отмеченные зависимости не являются характерными для пароили пневмомеханических форсунок и лишь указы­ вают на возможность истечения топлива и распыливающего агента с определенной частотой колебаний при соответ­ ствующем выборе размеров форсунки.

Ротационные форсунки

В топках паровых котлов среди ротационных форсунок наибольшее распространение получили форсунки с вра­ щающимися распылителями, выполненными в форме ко­ нусного стакана. Образующая стакана имеет угол наклона 5—6°, а на расстоянии нескольких миллиметров от торца распылителя угол увеличивается до 30° и, таким образом, создается широкая фаска. Стакан вращается с помощью электродвигателя или турбины с частотой вращения 4— 5 тыс. об/мин. В ротационных форсунках отсутствуют до­ зирующие элементы малого сечения (сопла), что значи­ тельно повышает надежность работы всей топливной си­ стемы. Кроме того, упрощается топливоподача, так как нет насоса высокого давления, фильтров тонкой очистки и предохранительных клапанов. Давление подачи топ­ лива определяется только сопротивлением топливопро­ водов. Этими форсунками можно эффективно распыливать топливо с вязкостью до 90 мм2 /сек.

Наибольшее предпочтение ротационным форсункам от­ дается в установках с малыми расходами топлива, когда центробежные форсунки работают ненадежно из-за очень малых проходных сечений. Поэтому в первую очередь ротационные форсунки получили распространение в мало­ мощных топочных установках.

Большинство конструкций ротационных форсунок ра­ ботает как комбинированные с подачей воздушного потока к пленке топлива, образующейся за распылителем. Воз­ дух необходим прежде всего для уменьшения угла факела, так как топливо выходит из форсунки под углом к оси распылителя, близким 90°.

Как и в пневматических форсунках, расход воздуха, необходимого для придания соответствующей формы фа­ келу и дополнительного воздействия на топливную пленку, зависит от его напора. Например, в форсунке Карабина

164

{8] весь необходимый для горения воздух с давлением 1,5 кН/м2 поступает через кольцевой диффузор вдоль рас­ пылителя. Во многих конструкциях форсунок, в том числе и в конструкции форсунки завода Ильмарине (рис. 85), непосредственно к топливной пленке подается первичный воздух с давлением до 10 кН/м2 в количестве 10—20%

расходуемого на горение. Остальной воздух в зависимости от условий работы топливной системы или подсасывается вследствие разрежения в топке, или нагнетается вентиля­ тором.

В форсунках малой производительности поток распыливающего (первичного) воздуха направляется от встроен­ ного в общий корпус форсунки вентилятора, крыльчатка которого укрепляется на оси с распылителем (рис. 85). В форсунках большой производительности первичный воздух подается вентилятором, установленным независимо от форсунки. Для обеспечения лучшего взаимодействия воздуха с топливом на выходе из кольцевой щели уста­ навливают лопатки, сообщающие воздуху встречное тан­ генциальное движение.

165

В качестве привода для вращения распылителя, а в не-, которых случаях и вентилятора, применяют высокооборот­ ные электродвигатели, а также паровые, воздушные и даже гидравлические турбины. Например, фирма X. Зааке выпускает ротационные форсунки с расходом топлива 0,8—4,0 и 2—10 кг/ч с приводом от электродвигателя с встроенным вентилятором; в форсунках с расходом 70—2500 кг/ч вентилятор устанавливают отдельно; в фор­ сунках с расходом 160—3000 кг/ч привод осуществляется воздушной турбиной, отработавший воздух из которой поступает в качестве первичного к стакану распылителя.

Подачу топлива к распылителю осуществляют или через полый вал, или с помощью питателя, расположен­ ного вокруг вала. В первом случае стакан распылителя крепится непосредственно на валу, во_ втором — с по­ мощью кронштейна, входящего внутрь стакана. Через центральную трубку подача топлива осуществляется по топливопроводу, соединенному с центральным валом через сложную систему уплотнений, или по топливопроводу, проходящему внутри вала. Равномерная подача топлива к форсунке имеет очень большое значение, так как, не­ смотря на высокую частоту вращения и относительно большую длину чаши распылителей, неравномерно по­ данное топливо не успевает распределиться по всей окруж­ ности, что создает несимметричный факел.

При подаче топлива на стенку вращающегося распыли­ теля в месте удара пленка утолщается, в результате чего топливо внутри стакана распространяется по спирали в виде гребня. На выходе из форсунки этот гребень нару­ шает однородность топливной пленки, создавая местные утолщения. Отдельные гребни после разрушения пленки сливаются в толстые кольца, из которых затем образуются крупные капли.

Относительную неравномерность в распределении топ­ лива по окружности можно оценить значением коэффи­ циента 8 [см. формулу (12)].

При подаче топлива в центр форсунки в результате действия центробежных сил давление топлива на боковые стенки распылителя определяется зависимостью вида [11 ]

гт — радиус полости, не заполненной жидкостью.

166

В случае поступления топлива не по центру форсунки ^отклонение на величину z), радиусы полости, не запол­ ненной жидкостью, будут изменяться в пределах rm + z, r m — z. В соответствии с этим и давление топлива на бо­ ковые стенки может максимально различаться на ве­ личину

топлива.

В результате того, что давление топлива в секторах различное, симметричность факела нарушается. Так как расход пропорционален избыточному давлению в сте­ пени 0,5, то

Количество топлива, поступающего в форсунку, про­ порционально площади живого сечения на границе с по­ лостью, не заполненной жидкостью:

fe ]Ap;

топлива по 16 секторам с распылителем (рис. 86), имеющим диаметр чаши на выходе 75 мм, высоту до плотинки 90 мм и конусность 1 : 12, параметр kp для широкого диапазона изменения условий работы форсунки оставался в среднем равным около 1,2 (рис. 87).

Так как в эксплуатируемых форсунках эксцентриситет •составляет небольшую величину, то все измерения про­ водились при смещении оси подачи топлива от оси вра­ щения на величину 3,2 мм, что соответствует значению ••фѴ ^ 0,085.

167

Увеличение частоты вращения чаши распылителя от 1800 до 4800 об/мин влияния на значение коэффициента т|эг не оказало. Наблюдалось лишь смещение экстремальных

точек qmax и <7min по окруж­ ности. При повышении ча­

стоты вращения чаши на­ ряду с увеличением цен­ тробежных сил, способ­ ствующих выравниванию потока, увеличивается осе­ вая скорость жидкости и уменьшается время пребы­ вания каждого ее элемен­ та внутри чаши. Поэтому результирующее влияние обоих факторов не изме-

Выше были приведены результаты для одной вели­ чины -фу. При проведении опытов был также сделан ряд

168

замеров при различных значениях г|)г. Опытные данные соответствовали зависимости (117) при изменении -фГ от

зультаты опытов, возникшая неравномерность подачи топ­ лива только усиливается с ростом его расхода и практи­ чески сохраняется неизменной при изменении других пара­ метров (h, со, V, р).

Для получения симметричного потока топлива пред­ ложены конструкции с питателями, распределяющими топ-

£

0/t

Oß ÀV

О 0,1 0,2 0,3 0Л 0,5 0,6 0,7

ливо через систему радиальных отверстий, тарельчатый насадок или наконечник, выполненный по типу центро­ бежной форсунки. Имеются конструкции с вращающимися питателями и промежуточными резервуарами, из которых топливо в распылитель поступает через плотнику, и т. п.

Наиболее эффективна конструкция питателя с затоп­ ленным объемом (рис. 89). Проведенные исследования ра­ боты форсунки с таким питателем показали, что неравно­ мерность факела даже при относительном эксцентриситете подачи топлива 4ѵ = 0.85 в пределах точности измерения. Заслуживает внимания и конструкция питателя с кольце­ вым пазом, заполненным пористой набивкой, так как в этом случае форсунка может работать и при кратковре- * менном прекращении подачи топлива.

Поступившее из питателя топливо движется вдоль рас­ пылителя в виде тонкой пленки с осевой скоростью, зави­ сящей от формы чаши и параметров работы форсунки. При