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

течение топлива по длине сопла осуществляется по винто­ вой спирали с малым шагом. Это обусловливает образова­ ние на выходе из сопла воздушной полости большего раз­ мера, и истечение топлива происходит через кольцевое сечение в виде пленки наименьшей толщины. В свою оче­ редь, от толщины пленки зависит размер фракций, а также характер распределения капель.

Паровые, пневматические, паро- и пневмомеханические форсунки могут эффективно работать лишь при определен­ ном давлении распыливающего агента. Поэтому выбор конструкции и основных внутренних размеров форсунок этих типов непосредственно связан с наличием необходи­

выванию форсунки. Давление пара не должно превышать 0,15 МН/м2 . Для работы ротационных форсунок необхо­ димо незначительное давление подачи топлива, опреде­

Для одноступенчатых и двухконтурных форсунок цен­ тробежного типа основные внутренние геометрические раз­ меры рассчитываются. Так, оптимальные значения геоме­

и

Эти формулы получены из зависимостей (75) включе­ нием дополнительно коэффициента <р.

Из анализа работы применяемых форсунок в топочной практике следует, что при распыливании вязких топлив значения коэффициента <р можно принять для одноступен­ чатых, первых ступеней двухконтурных и вторых ступеней двухкамерных форсунок равными 0,5, а для вторых сту­ пеней двухсопловых, иногда даже и однокамерных фор­ сунок, равными 0,8—1,0.

Методика определения радиуса камеры закручивания, диаметров сопла и входных каналов, их число и углы отклонения входных каналов приводятся ниже.

180

Принятые основные размеры должны определять зна­ чения геометрических характеристик А для одноступен­ чатых и вторых ступеней двухконтурных форсунок на уровне 1—2,5, а иногда и до 3. Для двухконтурных цен­ тробежных форсунок всех конструкций геометрическая характеристика первых ступеней выше, чем вторых сту­ пеней, в 3—5 раз. Для двухсопловых распылителей должны также выполняться неравенства Аи << 2,5-нЗ

или -^yj- •< 0,75-^0,77. Следовательно, уменьшение про­ ходного сечения сопла второй ступени из-за установки сопла первой ступени учитывать не следует, так как это в достаточной степени корректируется значением коэф­ фициента живого сечения сопла. Кроме того, для форсу­ нок центробежного типа всех конструкций рекомендуется поддерживать геометрический параметр С выше 2,5.

Наибольшую производительность в двухконтурных форсунках имеют вторые ступени. В связи с этим и из конструктивных соображений размеры диаметра сопла dcU, живых сечений входных каналов fexU и радиуса закру­ чивания (R sin ß cos Ѳ)п вторых ступеней выполняют уве­ личенными, а также повышают у этих ступеней число входных каналов. Производительность первых ступеней меняется по мере открытия клапанов, что обусловливает увеличение коэффициента расхода.

Для форсунок центробежного типа некоторые внутрен­ ние размеры не рассчитывают, а принимают. Так, обычно длина входных каналов составляет 1—3 их диаметра или ширины, длина камеры закручивания на 10—20% пре­ вышает диаметр входных каналов или их ширину и длину сопла выполняют на уровне 0,25—0,5 диаметра сопла. Угол конуса на входе в сопло целесообразно выполнять равным 60—120°. При этом необходимо всегда учитывать конструктивные особенности и технологические допуски. Отклонения от этих норм могут привести к существен­ ному различию действительных показателей форсунки и расчетных и снижению эффективности ее работы. Так, из конструктивных соображений длины камеры закручива­ ния и сопла и углы конуса на входе в сопло у двухкон­ турных форсунок иногда существенно отличаются от ука­ занных значений. Безусловно, это приводит к соответ­ ствующим изменениям момента количества движения и некоторых рабочих показателей форсунок.

181

В паровых и пневматических форсунках, в которых предусмотрено закручивание топлива, а также в форсун­ ках паро- и пневмомеханических с внешним взаимодей­ ствием распыливающего агента топливную часть рассчи­ тывают с учетом рекомендаций, указанных выше для одноступенчатых центробежных форсунок. Расчет паро­ вой или воздушной части форсунки в основном сводится к определению необходимого проходного сечения на вы­ ходе из сопла.

Рекомендуемые значения параметров и геометрические размеры определяют наибольший тангенциальный скорост­ ной напор на выходе из сопла с достижением нужной произ­ водительности, распределения топлива в факеле и его макро- и микрогеометрии.

При аналогичных условиях работы из двухконтурных центробежных форсунок самый мелкий распыл дают одно­ камерные, а самый крупный — двухсопловые форсунки. По качеству распыливания двухкамерные форсунки зани­ мают промежуточное положение.

Для повышения надежности и устойчивости горения при сжигании тяжелых мазутов в ходе эксплуатации агре­ гатов важно поддерживать неизменными производитель­ ность форсунки, вязкость топлива и давление подачи. Все эти показатели взаимосвязаны. При работе, например, одноступенчатой центробежной форсунки с увеличением вязкости топлива его расход может увеличиваться или уменьшаться, что приводит к обогащению или обеднению смеси. С увеличением давления подачи расход топлива через форсунку растет, и смесь обогащается.

В процессе эксплуатации нередко имеет место наруше­ ние топочного режима вследствие закоксовывания фор­ сунок. В месте контакта топлива с нагретой стенкой про­ исходят термоокислительные процессы с образованием слоя кокса. С повышением температуры стенок интенсив­ ность отложений смол растет, и соответственно утолщается слой кокса. При этом изменяются внутренние геометри­ ческие размеры форсунки и качество распыливания.

Результаты опытов ВТИ показывают, что форсунка работает устойчиво при температуре ее стенок не выше 200° С. При размещении распыливающей головки фор­ сунки внутри горелки с увеличением длины ее ствола тем­ пература головки остается допустимой и мало меняется. При вдвигании форсунки в глубь топки происходит зна­ чительное повышение температуры стенки головки, дости-

182

тающей, например, 800° С на расстоянии 500 мм от среза.. Кроме того, вдвижение форсунки в топку за срез амбра­ зуры способствует быстрому нагреву не только стенок форсунки, но и топлива. Нагрев стенок и топлива обуслов­ ливается плохим охлаждением отдельных частей распыливающей головки, что приводит к закоксовыванию рас­ пылителя. Однако изменение длины ствола форсунки, как показывают опытные наблюдения, не оказывает существен­ ного влияния на качество смеси и эффективность ее сгора­ ния. Поэтому при выборе места расположения форсунки необходимо обращать внимание в основном на достижение наибольшей стабильности ее рабочих характеристик.

На уровень температуры стенок форсунки и топлива, интенсивность процесса закоксовывания распылителя и его срок службы влияют не только глубина ввода фор­ сунки в топку, но и ее производительность, особенность конструкции и габаритные размеры, марка сжигаемого топлива и процентное содержание в нем серы и влаги, подготовка топлива, продолжительность нестационарных режимов работы в период включения и выключения фор­ сунок, неправильно налаженная работа воздушного ре­ гистра и многое другое. Испытания, проводимые ВТИ на котлоагрегате типа ПК-10, показали, что у форсунок про­ изводительностью 800—1000 кг/ч в течение 140—200 ч работы уменьшился расход топлив на 10—20%, а у фор­ сунок производительностью 1200—1600 кг/ч за 350 ч не­ прерывной работы расход топлива не менялся. Следова­ тельно, чем больше мощность форсунки, тем медленнее идет процесс нагрева стенок форсунки и топлива, и поэтому стойкость к коксованию и обогреванию высокопроизво­ дительных форсунок резко повышается, что приводит к увеличению срока службы форсунки и стабильности ее

нических примесей во входных каналах и в выточке рас­ пределительной шайбы. Характерно, что механические примеси осаждаются в отдельных частях неравномерно, а это приводит к образованию несимметричного относи­ тельно оси горелки топливного факела и нарушению ста­ бильности характеристик, а следовательно, и качества смеси.

Для большинства топочных установок необходимо стабилизированное симметричное распределение частиц

183

топлива относительно оси. Поэтому очень важно, чтобы факел был симметричным. Форсунки часто имеют нена­ дежное центрирование деталей. Это приводит к нарушению точности при сборке форсунки, соосности расположения отдельных деталей, а следовательно, изменению произ­ водительности, укрупнению капель в отдельных частях факела с последующим температурным перекосом пла­ мени, что способствует перегреву и закоксовыванию фор­ сунок. Так, в одноступенчатых центробежных форсунках может иметь место несовпадение осей камеры закручи­ вания и сопла, что приводит к искривлению воздушного вихря, увеличению расхода топлива и укрупнению фрак­ ций в отдельных местах факела, значительно ухудшая условия образования нормальной смеси по всему объему топки или камеры. Правильно решается этот вопрос в кон­ струкции форсунки системы ЦКТИ и ВТИ (см. рис. 16), в которой сопло и камеру закручивания выполняют в виде одной детали, что сводит к минимуму эксцентричность сопла. При этом одновременно уменьшается число при­ тираемых поверхностей и возможность образования не­ плотностей между ними.

Несимметричное расположение отдельных деталей мо­ жет привести к большим изменениям соотношений в смеси топлива и воздуха. Кроме того, на стабилизацию качества смеси влияют также скачкообразные изменения расхода топлива, имеющие место при смене форсунок.

Достижение определенной стабильности характеристик связано с условиями эксплуатации форсунки. Несмотря на фильтрование топлива, механические примеси все же попадают в топливную аппаратуру, в том числе и в рас­ пылитель; вызывая его интенсивный износ. Это изменяет геометрические размеры, нормальную работу и срок экс­ плуатации форсунки. Абразивный износ внутренних по­ верхностей, особенно стенок сопла, приводит к изменению формы топливного факела, увеличению расхода топлива и укрупнению фракции. Скорость износа определяется степенью загрязненности топлива механическими при­ месями, его составом, а также уровнем давления подачи. Из практики известно, что при сжигании тяжелых кре­ кинг-мазутов, содержащих до 2,5% механических при­ месей, форсунки быстрее изнашиваются, чем при сжигании легких мазутов прямой перегонки, включающих до 0,1% механических примесей. Поэтому очень важно система­ тически следить за качеством фильтрации топлива. Фор-

184

сунки с распыливающим агентом реже засоряются меха­ ническими примесями, а ротационные форсунки совер­ шенно не засоряются и потому срок их службы по сравне­ нию со сроком службы распылителей резко увеличен.

Для повышения надежности необходимо соблюдать ос­ новные эксплуатационные инструкции по уходу и обслу­ живанию форсунок. Так, вне зависимости от типа фор­ сунки и ее условий работы важно, чтобы с вводом фор­ сунки в топку она немедленно включалась в работу. При уменьшении подачи топлива через форсунку вследствие частичного закоксовывания или засорения температура стенок быстро растет, а это приводит к ускоренному закоксовыванию. Во избежание коксования надо система­ тически следить за температурой и чистотой распылите­ лей, а также за характером факела. При наличии около корня факела темных полос, скоплений капель и разрывов необходимо форсунку заменить.

На стационарных установках все форсунки не реже одного раза в неделю должны сниматься для чистки и проверки. Особенно это важно выполнять при сжигании сернистых и высокосернистых топлив. Кроме того, под­ готовляемые к установке форсунки необходимо проверять на стенде. При этом следует обращать особое внимание на отсутствие течи, достижение необходимой произво­ дительности, величины угла факела, качества распыли­ вания и симметрии факела.

Допуски на изготовление и износ основных элементов распылителей

От выбора конструкции форсунок зависят допуски на изготовление и износ, а следовательно, и класс точности изготовления основных элементов распылителя.

Паровые котлы, газотурбинные установки и некоторые другие агрегаты средней и большой мощности имеют не одну, а несколько форсунок. Эти распылители должны обеспечивать требуемую точность расхода топлива, опти­ мальные размеры фракций и необходимый характер рас­ пределения.

Исходя из требуемой точности совпадения рабочих характеристик форсунок, можно найти допуски на вы­ полнение их основных размеров. Для форсунки любого типа важно знать допуски не только на изготовление основ­ ных элементов, обеспечивающие взаимозаменяемость, но

185

и допуски на возможный их износ при эксплуатации. С этой целью необходимо прежде всего найти зависимости откло­ нения расхода топлива от точности выполнения основных геометрических размеров. Расход топлива, в свою оче­ редь, влияет на размеры фракций и их распределение.

Из рассмотрения форсунок разных типов, применяе­ мых в камерах сгорания и топках, видно, что наибольшая точность при изготовлении основных элементов должна выдерживаться при выполнении форсунок центробежного

âdç. Д7у Ab

Рис. 94. Зависимость относительных отклоне­ ний допусков изготовления dc, DK и Ь от их абсолютных размеров в центробежных форсун­

ках с углом факела, равным 80°:

/ — d ; 2 — D ; 3 — Ъ

ÇЛ

типа. Поэтому ниже рассмотрены вопросы о допусках на изготовление и износ основных элементов одноступенчатых центробежных форсунок.

Для количественной оценки влияния конструкций и точности выполнения основных элементов центробежных форсунок на отклонения расхода топлива используют ме­ тод малых превращений с заменой абсолютных отклонений относительными.

Рассматривая расход как функцию только перемен­

В первом приближении зависимость коэффициента рас­ хода от геометрической характеристики А можно выра­ зить формулой (35), заменяя Аэд на А. После подстановки

186

вместо характеристики А ее значения, т. е. основных геометрических размеров, уравнение для определения от-

до

(126)

Ввыражении (126) стоит двойной знак, так как условию взаимозаменяемости будут отвечать и меньшие отклоне­ ния расхода, чем допустимые.

Вэтом неравенстве наибольшие положительные зна-

казателей работы форсунки в заданных пределах. Причем для диаметров входных каналов и радиуса камеры за­ кручивания допуски задаются обычно в системе отверстия, т. е. отклонения от номинальных размеров будут поло­

относительных изменений радиуса закручивания на ве­ личину расхода распылителя примерно в 2 раза слабее, чем влияние относительных изменений диаметров входных каналов, и в 2,3 раза слабее, чем влияние диаметра сопла. Поэтому целесообразно при изготовлении центробежных форсунок допуски на радиусы камеры закручивания при­ нять на один класс точности меньше, по сравнению с до­ пусками на диаметры сопла и входного тракта. Еще сво­ боднее могут быть допуски на такие размеры распылителя, как высота камеры закручивания, длина сопла и входных каналов, точность выполнения которых мало влияет на основные показатели работы распылителя.

Вопросы распределения допуска на изготовление и износ решаются с учетом конкретных условий работы рас­ пылителя, а общие допускаемые отклонения основных раз-

187

меров и расходов форсунки должны удовлетворять не­

ВТИ следует, что чем меньше абсолютные размеры фор­ сунки, тем выше относительные отклонения основных раз­ меров от номинальных.

Во ВТИ были проведены опыты по определению вели­ чины отклонения производительности распылителя от ее среднего значения. При давлении подачи воды, равном 1,8 Мн/м2 , средняя производительность опытной группы, состоящей из 16 форсунок с диаметром сопла 3 мм, была равна 570 кг/ч. Производительность каждой форсунки этой группы отличалась от полученной средней произ­ водительности в пределах ± 4 , 5 % , а для пяти форсунок в пределах ± 1 3 % . Для форсунок с диаметром сопла 5 мм производительность 11 форсунок из 15 не отличалась от средней величины более чем на ± 3 , 5 % , а максимальные отклонения доходили до ± 8 % . В форсунках с диаметром сопла 7 мм наибольшие отклонения производительности от среднего ее значения в этом случае снизились до ± 5,7 %. Таким образом, чем выше производительность форсунки, тем меньше влияние погрешностей при изготовлении на отклонения расхода.

Для снижения допусков на основные размеры и уве­ личения срока эксплуатации форсунок очень важно основ­ ные ее детали изготовлять из материала, обладающего выской твердостью и износостойкостью, а также подвергать термообработке. Так, по данным ЦКТИ, срок эксплуата­ ции термически обработанных форсунок средней произ­ водительности при распыливании вязких топлив под дав­ лением 2, 3 и 4 МН/м2 составляет соответственно 1000, 600 и 300 ч. Так, для форсунок энергетических установок принято сопла, диффузоры, паровые и топливные наконеч­ ники изготовлять из ст. 5 (ГОСТ 380—71), распредели­ тели и завихрители — из стали ШХ15 или ХВГ, а кор­ пуса — из калиброванной стали 45,

С утяжелением топлива и ростом его вязкости влияние допусков на отклонения основных параметров форсунки снижается [5]. Однако, как правило, тяжелые и сверх­ тяжелые топлива содержат больше механических примесей и воды, что способствует ускоренному износу отдельных

І88

частей распылителя. Поэтому для увеличения срока службы форсунки целесообразно не снижать точности вы­ полнения основных размеров, что даст возможность уве­ личить допуск на износ, а следовательно, и срок службы распылителя.

Расчет одноступенчатых центробежных форсунок

Для расчета форсунок исходными данными являются расход G, давление подачи р, плотность топлива р и его кинематический коэффициент вязкости ѵ. Значения харак­ теристик р и V определяются маркой топлива и уровнем его подогрева.

3,5 МН/м2 расход топлива в среднем возрастает на 25%.

В соответствии также с масштабами форсунки пример­ ное значение гидравлического диаметра можно найти по

189