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

На рис. 32 представлены опытные кривые изменения удельных потоков вязкого топлива по длине факела, которые получены с использованием форсунок широко применяемых конструкций (см. рис. 15). При опытах распыливался мазут 40 центробежными форсунками с диа­

под углом к оси сопла. Характерно, что и дальнобойность факела для этих форсунок является максимальной. Иссле­ дования, проведенные в ЮО ОРГРЭС, показали, что дальнобойность факела также растет с увеличением про­ изводительности форсунки. Так, при неизменных гео­ метрических характеристиках и режимах распыливания мазутов форсунками системы ЮО ОРГРЭС при их про-

80

изводительностях 1250, 1650 и 3200 кг/ч дальнобойность факела соответственно составила 2,0; 2,5 и 3,0 м.

Закономерности изменения удельного потока топлива и дальнобойности факела зависят от величины момента количества движения. Так, при распыливании газойля имело место резкое уменьшение момента количества движения и потому максимальный удельный поток сме­ стился в центр факела. Вязкость газойля была выше в 8,5 раза, а давление подачи несколько ниже по сравне­ нию с вязкостью и давлением подачи воды.

Результаты опытов показывают, что на равномерность распределения топлива влияют число входных каналов, эксцентриситет сопла по отношению к камере закручи­ вания, различие в размерах отдельных входных каналов и величине плеча закручивания, чистота обработки камеры закручивания, сопла и входных каналов. При изготов­ лении центробежных форсунок необходимо, чтобы число входных каналов было не меньше двух, выбирать такую конструкцию и технологию изготовления, при которых можно избежать или уменьшить до минимума эксцентри­ ситет сопла.

На рис. 33 показано влияние конструкции форсунки на диаметр фракций по сечению факела. Опыты прово­ дились на моделирующей смеси церезина-57 с полимерами изобутилена при использовании форсунок, представлен-

ных на рис. 15 и имевших диаметры сопла 2,61 мм. Другие геометрические размеры опытных форсунок и условия опытов приведены в табл. 6.

Из сравнения графиков, приведенных на рис. 33, следует, что для опытных форсунок при близких усло­ виях распыла характер распределения капель в разных сечениях факела одинаков. Несколько более равномерное распределение получено в опытах с форсункой, имеющей тангенциальные входные каналы прямоугольного сече­ ния.

хм мм

всему сечению факела резко растет, а равномерность распределения топлива уменьшается. С увеличением интен­ сивности закручивания воздуха имеет место расширение факела и увеличение равномерности распределения рас­ пыленного топлива. Все эти факторы влияют на скорость истечения топлива, размер фракций, силу инерции капель и на характер распределения топлива по сечению факела

Влияние конструкций и режима работы на характеристики форсунок

При работе одноступенчатой центробежной форсунки на идеальной жидкости момент сил трения, действующий на жидкость, равен нулю. При этом выполняется закон сохранения момента количества движения, а коэффициент расхода, угол факела и толщина пленки на выходе из

82

сопла однозначно определяются значением геометриче­ ской характеристики форсунки.

Влияние геометрической характеристики форсунки на гидравлические показатели ее работы видно из кривых рис. 18 и 26. Зависимости между коэффициентом расхода, углом факела и толщиной пленки даны на рис. 34.

При работе форсунки на вязком топливе на внутрен­ них стенках возникают силы трения, направленные навстречу скорости течения.

Момент внешних сил вызы­ вает уменьшение момента количества движения, кото­ рый на входе в сопло будет меньше, чем на входе в ка­ меру закручивания.

Эквивалентная характеристика форсунки по величине несколько меньше геометрической, поэтому увеличивается коэффициент расхода, уменьшается угол факела и растет толщина пленки на выходе из сопла. Трение топлива о торцовые стенки камеры закручивания снижает момент количества движения, что оказывает влияние на вели­ чины гидравлических параметров тем сильнее, чем больше

/В2

коэффициент трения К и геометрический комплекс ( — —

—А). Влияние эквивалентной характеристики на гидравли­ ческие показатели форсунки можно проследить по кри­ вым, приведенным на рис. 18 и 26, откладывая по оси абсцисс вместо А значение Аэ.

При распыливании одноступенчатыми центробежными форсунками вязких топлив необходимо учитывать кон­ структивные особенности распылителя и режим течения

падает и стремится к нулю. Дифференцируя выражение

дА т

(74) по В и принимая -—• = 0, получим следующие

соотношения для определения максимумов В и R sin ß cos Ѳ:

В* = f Ç ;

Подставляя значение В* в выражение (74), найдем максимальную величину эквивалентной действующей ха­ рактеристики форсунки

Во втором случае при уменьшении сечений входных каналов эквивалентная действующая характеристика фор­ сунки монотонно растет и при fex, стремящейся к нулю, приближается к значению

валентная действующая характеристика форсунки может

Последнее выражение характерно для раскрытых фор­ сунок.

Следовательно, без учета падения давления топлива внутри форсунки при бесконечном возрастании геометри­ ческой характеристики форсунки эквивалентная дей­ ствующая характеристика всегда остается конечной. Исключением является первый случай, при котором характеристика Аэд стремится к нулю. При работе фор­ сунки определенной конструкции коэффициент расхода и толщина пленки топлива не могут быть меньше, а угол факела — больше некоторых значений, соответствующих

85

максимальным величинам эквивалентных действующих характеристик форсунок.

Для достижения малых значений коэффициентов рас­ хода и толщины пленки топлива и больших значений углов факела следует выбирать внутренние геометрические размеры форсунки таким образом, чтобы можно было свести к минимуму влияние сил трения. Такие размеры

камеры резко уменьшаются, и при любом значении коэф­ фициента трения эквивалентная действующая характе­

Вследствие гидравлических потерь, определяемых в ос­ новном выбором конструкции и режима движения жидко­ сти внутри распылителя, происходит уменьшение давле­ ния топлива и увеличение эквивалентной действующей характеристики. Если влияние гидравлических сопро­ тивлений на величину Аэд преобладает по сравнению с влиянием падения момента количества движения, то значение эквивалентной действующей характеристики по величине может быть больше значения геометрической характеристики. Это приводит к уменьшению коэффи­ циента расхода и толщины пленки, а также к увеличению угла факела.

Влияние конструкции форсунки и величины экви­ валентной действующей характеристики на значения коэффициентов расхода, угла факела и толщины пленки можно видеть из рис. 18, 29, а, б или уравнений (35), (66) и (67). Характерно, что для всех опытных форсунок коэффи­ циент расхода, угол факела и толщина пленки на выходе из сопла существенно отличаются от их значений для идеальной жидкости и вязкой жидкости с учетом трения жидкости о торцовые стенки камеры закручивания. Кроме того, во всех этих зависимостях отсутствуют экстремумы гидравлических характеристик.

Представляет практический интерес проследить влия­ ние давления подачи, физических свойств распыливаемой жидкости и окружающей среды, основных геометрических размеров и других факторов, а также конструктивных особенностей распылителя на гидравлические и дисперси­ онные характеристики центробежных форсунок.

86

Как показывают многочисленные опыты, с увеличе­ нием давления подачи, а следовательно, и скорости истечения жидкости из сопла коэффициент расхода и тол­ щина пленки могут уменьшаться, а иногда и увеличиваться, несколько растет угол факела, уменьшаются диаметры капель. Из опытных данных следует, что с увеличением давлений топлива средние диаметры капель изменяются на величину, обратно пропорциональную давлению подачи в степени от 0,17 до 0,50. При одном и том же давлении подачи с увеличением вязкости распыливаемой среды коэффициент расхода и толщина пленки могут увели­ чиваться или уменьшаться, угол факела всегда становится меньше, а размеры фракций крупнее.

Интенсивность влияния вязкости жидкости на основ­ ные показатели работы форсунки определяется уровнем вязкости, значениями основных характеристик форсунок, выбором конструкций и режима ее работы. Так, по Лонгвеллу Д. П., влияние вязкости жидкости на размер капель начинает сказываться при значении кинемати­ ческой вязкости больше 7 мм2 /сек. Известные критериаль­ ные зависимости, обобщающие результаты эксперимента, влияние вязкости на мелкость фракций оценивают вели­ чиной, пропорциональной коэффициенту кинематической вязкости в степени от 0,14 до 0,8. По опытным данным [19 ] установлено, что средний размер капель пропорционален коэффициенту кинематической вязкости в степени 0,14. В работах Лонгвелла Д. П., Тэта Р. В. и Маршалла В. Р., Тернера Г.| M. и Маултона Р. В. степень влияния вязкости на средний размер капель установлен несколько

у коэффициента кинематической вязкости на уровне 0,215.

С подогревом и изменением качества топлив, в том числе тяжелых, коэффициент поверхностного натяжения, а также плотность меняются мало и при условиях работы котлоагрегатов или газотурбинных установок обычно

тельное. Так, по данным В. Е. Кнайта, на средний диа­ метр капель коэффициент поверхностного натяжения и

87

плотность топлива влияют прямо пропорционально вели­

ния отмечаются также и в других работах. Тем не менее, малый диапазон изменения коэффициента поверхностного натяжения и плотности топлива при большом влиянии их на мелкость распыливания не оказывает заметного влияния этих характеристик на основные показатели работы центробежных форсунок.

О влиянии плотности и вязкости окружающей среды на тонкость распыла можно судить только по отдельным экспериментам. С уменьшением давления и плотности окружающей среды мелкость распыливания может умень­ шаться или увеличиваться. Так, по данным де Корсо, при создании противодавления и неизменном давлении подачи размер капель значительно растет. При распыливании топлива в среду с давлением ниже атмосферного размеры фракций уменьшаются. В данном случае разрыв пленки вследствие меньшего влияния сил сопротивления среды происходит на большем расстоянии от среза сопла, вследствие чего капли получаются мелкими. Результаты опытных данных М. Попова показали, что значительные

потока жидкости во входных каналах, при входе в камеру закручивания и сопло, а следовательно, с увеличением геометрических характеристик А, В и D уменьшаются значения коэффициента расхода и толщины топливной пленки и увеличиваются углы факела. Увеличение длины сопла в практикуемых пределах мало влияет на коэффи­ циент расхода и приводит к уменьшению угла факела. С изменением гидравлических параметров меняется раз­ мер фракций и характер их распределения. Опытные данные показывают, что средний размер капель равен

и других факторов на средние диаметры капель видно

рис. 32.

88

Для анализа зависимости (72) рассмотрим.два частных случая. В первом случае при - ~ ----= const относительный медианный диаметр капель будет тем меньше, чем больше комплекс — . Во втором случае при — = const относи­ тельный медианный диаметр капель будет тем меньше, чем меньше симплекс вязкости сред Как видно

из уравнений (70) и (71), в обоих случаях уменьшаются размеры капель всех классов мелкости и константа распре­ деления, что указывает на уменьшение однородности капель по размерам и изменение характера функции распределения.

При неизменных скорости истечения жидкости и ее физических свойств мелкость распыливания уменьшается с утончением пленки. При этом ее влияние на медиан­ ный диаметр капель оценивается величиной, пропорцио­ нальной толщине пленки в степени 0,3. Толщина пленки оказывает влияние и на величину константы распределе­ ния. С уменьшением толщины пленки резко растет значение константы распределения, что соответствует более однородной капельной смеси по размерам фрак­ ции.

Необходимо отметить, что толщина пленки определя­ ется типом форсунки, ее внутренними геометрическими размерами и режимом работы. При работе распылителя определенной конструкции и при неизменном режиме течения жидкости толщина пленки зависит от внутренних геометрических размеров форсунки. Толщина пленки оказывает влияние на характер функций распределения капель по классам мелкости. Тем самым устанавливается прямая связь гидравлических показателей работы рас­ пылителя с дисперсными, и все возможные способы воз­ действия на толщину пленки оказывают влияние на дисперсионные характеристики. Степень влияния гео­ метрических размеров на показатели работы распылителя меняется в зависимости от его конструкции и режима работы. В менее совершенных конструкциях, при работе которых имеют место повышенные гидравлические сопро­ тивления и увеличенные силы трения, растет влияние отдельных геометрических размеров форсунки и режима течения жидкости внутри распылителя на значения гидра­ влических и дисперсионных характеристик.

89