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

при условии, что течение жидкости осесимметричное, путь отдельных частиц относительно чаши распылителя прямо­ линеен, скольжение относительно барабана отсутствует. При решении уравнений можно .пренебречь толщиной пленки из-за ее малости по сравнению с радиусом барабана и измерять толщину пленки не по радиусу, а по дуге. Вывод уравнений дается в полярных координатах, хотя все изменения переменных достаточно рассмотреть только вдоль радиуса кольцевого сечения жидкой пленки. Более просто, не прибегая к двум последним допущениям, урав­ нение для расчета движения топлива внутри стакана распылителя можно получить из условия равенства силы, действующей на элементарный объем жидкости, и силы сопротивления движению этого объема (см. рис. 86):

170

Постоянная интегрирования уравнения (120) опре­

Траектория частиц топлива, вылетающего из вращаю­ щегося сопла, представляет собой гиперболоид вращения. Угол образующей асимптотического конуса этого гипербо­ лоида может быть определен из отношения суммы радиаль­ ной и тангенциальной составляющих скорости к осевой составляющей. Поэтому тангенс половины угла факела подсчитывается по уравнению

171

Вследствие резкого изменения направления движу­ щейся пленки топлива на выходе из форсунки и преобра­ зования частоты вращения в скорость поступательного движения изменится толщина пленки топлива, которая согласно уравнению неразрывности определяется по фор­ муле

ô = (Rn.— rm) cos ß.

По приведенным уравнениям произведен расчет фор­ сунки при различных параметрах работы (табл. 9). В рас-

Т а б л и ц а 9

четах принято, что диаметр распылителя равен 100 мм, наклон образующей конуса 1 : 12. Для проверки полу­ ченных результатов использовался косвенный метод опре­ деления толщины пленки топлива. Внутри распылителя

172

на значительном расстоянии от торца было установлено кольцо и в зоне питателя просверлены радиальные отвер­ стия (см. рис. 86). Изменяя внутренний диаметр кольца, а также количество подаваемого в распылитель топлива, можно получить при постоянной частоте вращения за­ висимость количества топлива, прошедшего через отвер­ стия, от глубины потока в зоне отверстий. Глубина по­ тока равна ширине кольца и тодщине пленки топлива. Изменяя ширину кольца и определяя максимальное ко­ личество топлива, проходящего через отверстие без пере­ текания за кольцо, могут быть построены тарировочные кривые для различной частоты вращения форсунки. Опыты проводились без колец, и по количеству топлива, прошед­ шего через отверстия, по кривым определялась толщина пленки топлива. Результаты измерения толщины пленки близки к результатам, полученным расчетом (см. табл. 9). Опубликованные результаты измерения толщины пленки топлива и результаты, полученные по приведенным выше уравнениям, различаются всего на 8%. Как следует из табл. 9, тангенциальная и суммарная скорости топлива на выходе из форсунки во много раз превышают осевую скорость, и топливо практически распыливается в торцо­ вой плоскости сопла (под углом 85—87° к оси, т. е. с от­ клонением на 3—5° от плоскости сопла). Поэтому можно рассматривать дальнейшее движение топлива в одной пло­ скости.

В случае непосредственного образования капель за кромкой распылителя их траектория будет прямой линией, совпадающей по направлению с направлением суммарной скорости в момент отделения капель. При выходе топ­ лива из распылителя в форме струй каждая частица будет иметь траекторию, близкую к прямой линии, но вслед­ ствие вязкости топлива эта линия искривляется по на­ правлению вращения форсунки. Сами же струи имеют форму спиралей. Условия перехода режима истечения отдельными струями к пленочному характеризуются не­ равенством вида

(124)

При работе форсунки в режиме пленочного распыли­ вания траектории отдельных частиц близки к прямоли­ нейной, а сама пленка по мере удаления от форсунки де­ лается тоньше. Из рис. 90 видно, что с удалением пленки

173

от края распылителя угол между направлением скорости и радиусом уменьшается и согласно уравнению (123) пленка топлива становится тоньше.

Из геометрических соотношений следует, что угол у в зависимости от удаления пленки от кромки распылителя а определяется уравнением

(125)

Уравнение (125) получено в предположении, что каж­ дая частица пленки топлива движется прямолинейно. Это

сунки

справедливо лишь для идеальных жидкостей. В пленках вязкой жидкости траектория движения частиц искрив­ ляется по направлению вращения форсунки. Следова­ тельно, угол у уменьшается с удалением частиц от фор­ сунки на величину, меньшую чем следует из уравне­ ния (125). Отсюда можно сделать вывод, что с повышением вязкости топлива толщина пленки уменьшается более плавно, чем получено в расчетах.

По аналогии с центробежными форсунками качество распыливания ротационными форсунками можно характе­ ризовать критериальной зависимостью вида (72V, при этом скорость W — 2ш(л, а за толщину пленки принимать толщину у края чаши. Тогда по опытным данным (рис. 91)

значения постоянной и степеней отношений - ^ - и

174

в уравнении типа (72) соответственно будут равны 4750; —0,9 и 0,485.

Для придания факелу необходимой конфигурации в большинстве ротационных форсунок вдоль чаши рас­ пылителя подают мощную струю воздуха, а иногда и пара. Воздушный поток оказывает существенное влияние не только на траекторию капель, но и на процесс дробления пленки топлива. Энергия воздушного потока во много раз превышает энергию пленки топлива и практически

/ — пленочным; 2 — струйным

Учитывая площадь воздушной струи Fp и периметр топ­ ливной пленки Dp (границу контакта обоих потоков), ка­ чество распыливания для ориентировочных расчетов можно оценивать критериальной зависимостью вида

• if= f l ( £ )"(W -

Обработка опытных данных в указанных критериях показывает, что большинство результатов измерений опи­ сывается одной общей зависимостью (рис. 92) со значе­ ниями г|; = 1, В = 0,126, п = 0,8 и m = —0,4. Однако некоторые точки не соответствуют этой зависимости. Ана­ лиз точек показывает, что в опытах согласно условию (124) имел место режим распыливания с образованием отдель­ ных струй. Вследствие того, что неизвестны количество и диаметр этих струй, не представляется возможным опре­ делить ô и Dp. Так как кривая, построенная по опытным

175

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ФОРСУНКАМ И ИХ РАСЧЕТ

Выбор конструкций форсунок и пути повышения их надежности

Конструкция форсунки, ее производительность и дру­ гие факторы влияют на основные показатели работы агре­ гата. При выборе форсунки важно знать энергию, затра­ чиваемую на распыливание, и потери на преодоление сил сопротивления внутри распылителя. Форсунка должна быть простой по конструкции, технологичной, удобной в эксплуатации, не засоряться в процессе работы, а также давать определенный по форме и длине симметричный от­ носительно оси незатухающий стабильный факел пламени, активно заполняющий объем топочной камеры и не вы­ ходящий за ее пределы. При практикуемых условиях ра­ боты горелки, включающие форсунки, должны иметь вы­ сокую эксплуатационную надежность, обеспечивать бы­ строе и совершенное смешение мелкораспыленного топ­ лива с воздухом, сгорание смеси без сажеобразования и химического недожога топлива.

В зависимости от назначения форсунки и условий экс­ плуатации указанные требования к отдельным показате­ лям неодинаковы. Однако достижение быстрого и каче­ ственного образования смеси путем хорошего распылива­ ния и перемешивания топливных частиц и воздуха яв­ ляется важнейшим этапом эффективного ее сгорания во всех топочных агрегатах.

Форсунки необходимо подбирать из расчета их сум­ марной производительности для обеспечения номинальной мощности агрегата. Паровые и механические форсунки обычно рассчитывают на несколько большую производи­ тельность, чем это требуется для установки. '

При выборе производительности и числа форсунок на определенный агрегат надо иметь в виду, что чем меньше

проходные сечения форсунки, тем они более чувствительны к загрязнению и закоксовыванию, а это ограничивает нижний предел устойчивой работы. Кроме того, при боль­ шом числе форсунок малой производительности затруд­ няется их эксплуатация. Однако при их замене имеет место меньшее колебание мощности агрегата. При не­ большом числе высокопроизводительных форсунок облег­ чается распределение воздуха по форсункам. Так, при

Нормативным методом теплового расчета котельных агрегатов рекомендуется, чтобы кинематическая вязкость топлива для механических форсунок при работе на всех режимах была не выше 44 мм2 /сек. Многочисленные иссле­ дования показали, что этот уровень вязкости является достаточным для надежного сжигания топлив с исполь­ зованием распылителейразличных конструкций и при работе на разных по качеству топливах, в том числе и на тяжелых. Как известно, вязкость топлива при исполь­ зовании его в ротационной форсунке не должна превышать 90 ммѴсек. Для некоторого увеличения эффективности распыливания при сжигании сернистых и высокосерни­ стых мазутов их вязкость при работе центробежных фор­ сунок должна быть на уровне 12—30 мм2 /сек, а при ра- *• боте ротационных форсунок — не превышать 60 мм2 /сек.

178

Однако для центробежных форсунок производительностью свыше 2000 кг/ч при сжигании топлив, предусмотренных ГОСТами 10583—63 и 1667—68, их кинематическая вяз­ кость должна быть не выше 12 мм2 /сек.

Увеличение вязкости топлива приводит к укрупнению фракций. При этом удлиняется факел, а иногда имеет место попадание топливных частиц на стенки топки или камеры с последующим их закоксовыванием. Капли боль­ ших размеров затрудняют образование смеси и полное ее сгорание. Кроме того, влияние вязкости топлива на хими­ ческий недожог растет ^повышением производительности форсунки. Для форсунок большой мощности характерна прямая зависимость этих потерь от вязкости, особенно при сжигании мазутов с малым избытком воздуха. Однако понижение вязкости топлива связано с его перегревом. Чрезмерный перегрев топлива обусловливает выпадение из топлив, особенно тяжелых, карбоидов и способствует быстрому закоксовыванию отдельных элементов форсунки, сокращая срок ее эксплуатации.

Выбор типа форсунки оказывает определяющее влия­ ние на расход энергии при распыливании топлив. По при­ веденным в Японии данным удельный расход энергии на распыливание 1 кг топлива ротационными форсунками составляет 5 Дж, центробежными форсунками при давле­ нии подачи топлива на уровне 4,5 МН/м2 — более 500 Д ж и 2000 Д ж — пневматическими форсунками.

При использовании форсунки центробежного типа вы­ бор ее конструкции оказывает влияние на характер ис­ пользования давления топлива внутри распылителя. Для получения смеси одного и того же качества при определен­ ных условиях работы с изменением конструкции распы­ лителя необходимо изменять и давление подачи топлива. Чем нерациональнее используется давление топлива и большее сопротивление ему приходится преодолевать внутри распылителя, тем выше должно быть давление подачи.

Опытные данные показываю^ что наиболее эффективно используется давление топлива при работе центробежных форсунок с тангенциальным направлением каналов. При этом топливо в камере закручивания движется почти по плоской спирали и получает наибольший момент коли­ чества движения по сравнению с топливом, распыливаемым форсунками, имеющими другие направления подво­ дящих каналов. В форсунках с тангенциальными каналами