ФОРСУНКА

Полезная модель относится к области теплоэнергетики и может быть использована в процессе сжигания жидкого топлива, в том числе нефти непосредственно на местах ее добычи.
При сжигании жидкого топлива для обеспечения полноты сгорания топлива возникает необходимость его распыления.
По классической схеме распыление жидкого топлива может осуществляться только за счет конструктивных особенностей форсунки, в частности за счет выполнения внутренней поверхности форсунки винтообразной. Винтообразная поверхность выполняет функцию завихрителя потока жидкого топлива, что способствует распылению топлива [Политехнический словарь под ред. А.Ю. Ишлинского. М.: «Советская энциклопедия», 1989].
Однако при сжигании вязкого жидкого топлива, в частности нефти, использование такого завихрителя будет сильно тормозить движение топлива через форсунку, поэтому топливо распыляют, смешивая его с газообразным распылителем, из-за чего процесс распыления часто называют смешиванием топлива с распылителем. Соответственно форсунку снабжают каналами для подачи газообразного распылителя в ту часть форсунки, где происходит смешивание топлива с распылителем.
В качестве газообразного распылителя, особенно на местах добычи нефти, может быть использован атмосферный воздух.
Известна форсунка для сжигания жидкого топлива [Патент RU №2140610, МПК F23D 11/12, 1999], содержащая предназначенную для подвода топлива центральную цилиндрическую трубу с торцевой заглушкой. Центральная труба с зазором устанавливается в периферийную цилиндрическую трубу. При этом оси труб смещены друг относительно друга. Зазор между трубами служит для образования канала, в котором происходит смешивание топлива е распылителем. Топливо из центральной трубы поступает в отмеченный канал через сопло. Смещение осей труб создает эффект «вращающегося цилиндра», что позволяет закручивать поток топлива в момент его выхода из сопла. Кроме того, форсунка снабжена кольцевым резонатором, установленным в плоскости торцевой заглушки центральной трубы. Распылитель из бокового штуцера также поступает в канал, проходя до смешивания с топливом через завихрители. Завихрители установлены в канале на некотором расстоянии от сопла.
Использование известной форсунки для сжигания жидкого топлива позволяет за счет равномерного смешивания топлива и распылителя во «вращающемся цилиндре» и сочетания акустического и динамического воздействия на потоки топлива и распылителя улучшить качество распыливания.
Однако известная форсунка может использоваться только при строго дозированной подаче топлива под воздействием постоянного, причем невысокого, давления, что невозможно обеспечить при сжигании нефти в полевых условиях непосредственно на местах ее добычи. При увеличении давления топливо, минуя сопло, будет выплескиваться в верхнюю часть центральной трубы, снабженную торцевой заглушкой. Выплеснувшаяся часть топлива, падая, будет создавать встречное движение основному потоку топлива, что в результате создаст пульсации потока топлива на выходе из сопла или в пределе вообще не даст возможности выхода топлива из сопла в канал для смешивания топлива с распылителем.
Известна форсунка [Патент RU №2079783, МПК F23D 11/10, 1997], в которой для смешивания топлива с газообразным распылителем служит цилиндрическая камера с торцевой стенкой, по периферии которой выполнены выходные отверстия каналов ввода топлива, а по центру осевой канал ввода распылителя. Форсунка также снабжена тангенциальными каналами ввода распылителя, выполненными в боковой стенке камеры. При этом выходные отверстия каналов ввода топлива и тангенциальные каналы ввода распылителя сгруппированы парами. Тангенциальные каналы ввода распылителя выполнены с продольной осью, наклоненной к плоскости торцевой стенки под углом, не превышающим 45° и пересекающей стенку в зоне, ограниченной площадью соответствующего выходного отверстия канала ввода топлива. При соблюдении указанной величины упомянутых углов под воздействием осевой составляющей скорости струй распылителя уменьшается толщина пленки топлива и повышается эффективность его дробления.
Форсунка также снабжена дополнительными тангенциальными каналами ввода распылителя, выполненными в боковой стенке камеры, продольная ось которых наклонена к плоскости торцевой стенки под углом 10…30°.
Обратное направление закрутки струй распылителя, выходящих из дополнительных каналов, по отношению к направлению закрутки струй, выходящих из основных тангенциальных каналов, повышает интенсивность процесса перемешивания.
Недостатком форсунки является то, что отмеченный механизм перемешивания топлива с распылителем приводит к замедлению потока топлива при выходе его из форсунки в область горения топлива, тем более что дополнительные тангенциальные каналы ввода распылителя расположены близко к выходному отверстию форсунки.
Замедление потока топлива на выходе из форсунки представляет собой достаточно крупный недостаток при факельном сжигании нефти на местах ее добычи.
Кроме того, данная форсунка в значительной мере нетехнологична, поскольку при ее изготовлении требуется выполнить множество каналов как в торцевой, так и в боковых стенках форсунки, причем оси каналов наклонены под разными углами. Как уже отмечалось, множество каналов необходимо для того, чтобы повысить интенсивность процесса перемешивания топлива с распылителем.
Задачей полезной модели является создание форсунки по конструкции более простой и технологичной, но при этом позволяющей интенсивно распылять топливо и увеличить скорость прохождения топлива через форсунку.
Технический результат полезной модели достигается за счет введения в конструкцию форсунки новых простых в изготовлении конструктивных элементов «двойного назначения», позволяющих одновременно интенсивно распылять топливо и увеличить скорость прохождения топлива через форсунку.
Заявляемая форсунка содержит цилиндрическую камеру для смешивания топлива с распылителем, соединенную с каналом ввода топлива и выполненными в боковой стенке камеры тангенциальными каналами ввода распылителя.
Форсунка отличается от известной форсунки тем, что часть канала ввода топлива выполнена в виде конфузора и диффузора, при этом диффузор имеет два участка, один из которых, соединенный с камерой для смешивания топлива с распылителем, представляет собой усеченный конус, а другой, соединенный с конфузором, представляет собой шаровой слой, кроме того тангенциальные каналы ввода топлива расположены непосредственно за диффузором, при этом ось каналов наклонена в сторону диффузора.
Достижению технического результата способствуют также следующие дополнительные признаки полезной модели:
- соотношение наименьшего и наибольшего диаметров шарового слоя выбрано равным или меньшим 1/3;
- наибольший диаметр шарового слоя равен диаметру шара;
- угол между продольной осью форсунки и осью тангенциального канала ввода распылителя составляет 10…20°;
- конфузор и участок диффузора в виде шарового слоя выполнены как целое в виде отдельной детали.
Рассмотрим более подробно, как конструктивные элементы форсунки обеспечивают достижение указанного технического результата.
За счет выполнения соединенного с конфузором участка диффузора в виде шарового слоя возникает резкий, причем значительный по величине, перепад давлений, воздействующих на поток жидкого топлива. Для сравнения: такой резкий перепад давлений не может иметь места при выполнении диффузора полностью в виде усеченного конуса. Из-за резкого перепада давлений поток жидкого топлива на выходе из конфузора разбрызгивается, то есть разделяется на множество мелких струй. Наиболее резкий перепад давлений можно создать, выбирая соотношение наименьшего и наибольшего диаметров шарового слоя равным или меньшим 1/3. Вытягиваясь при разбрызгивании, струи топлива разрываются, что еще более способствует диспергированию потока топлива. Разрыву струй, в свою очередь, способствует конструкция рассматриваемого участка диффузора, при которой наибольший диаметр шарового слоя равен диаметру шара.
Выполнение рассматриваемого участка диффузора в виде шарового слоя наряду с разбрызгиванием струй топлива способствует ускорению струй.
Далее, с еще большим ускорением двигаясь через конический участок диффузора, струи не успевают слиться между собой и в диспергированном состоянии попадают в камеру для смешивания топлива с распылителем. Здесь необходимо незамедлительно, до момента слияния струй, воздействовать на поток топлива распылителем, для чего тангенциальные каналы ввода распылителя располагают непосредственно за диффузором. Учитывая диспергированное состояние топлива, при указанном расположении каналов ввода распылителя все топливо будет перемешиваться с распылителем. При этом тангенциальные каналы ввода распылителя должны быть наклонены в сторону диффузора для того, чтобы не тормозить движение потока. Угол наклона каналов измеряется между осью канала и осью форсунки. Чем больше этот угол, тем более равномерно будут перемешиваться слои топлива с распылителем. Но, с другой стороны, при большом значении рассматриваемого угла возможно некоторое торможение потока топлива. Чем меньше угол между осью канала и осью форсунки, тем большей становится осевая составляющая скорости распылителя, и соответственно поток топлива, смешанный с распылителем, будет двигаться быстрее.
Оптимальный угол между продольной осью форсунки и осью тангенциального канала ввода распылителя составляет 10…20°.
Благодаря отмеченному диспергированному состоянию потока топлива, перемешивание топлива с распылителем может осуществляться даже при наличии одного канала ввода распылителя, однако при этом не будет достигнута равномерность перемешивания топлива с распылителем, поэтому необходимым и достаточным становится наличие, по крайней мере, двух каналов ввода распылителя.
Таким образом, за счет всей совокупности конструктивных элементов форсунки достигается обеспечиваемый полезной моделью технический результат, заключающийся в одновременном интенсивном распылении топлива и обеспечении необходимой скорости прохождения топлива через форсунку.
Отсутствие необходимости выполнения множества каналов ввода распылителя, оси которых наклонены под разными углами, делает конструкцию форсунки более простой и соответственно повышает технологичность конструкции форсунки.
Еще более повышается технологичность форсунки, когда конфузор и участок диффузора в виде шарового слоя представляют отдельную деталь форсунки, которая при сборке форсунки устанавливается в цилиндрический канал ввода топлива.
Необходимо отметить, что по сравнению с другими известными форсунками [Патент RU №2140610] в конструкции заявляемой форсунки нет специальных завихрителей потока распылителя, резонаторов, тем не менее, распыление осуществляется весьма эффективно.
Полезная модель поясняется рисунком.
Форсунка содержит цилиндрическую камеру 1 для смешивания топлива и распылителя. В боковой стенке корпуса 2 камеры 1 выполнены каналы 3, 4 ввода распылителя. Распылитель подается в каналы 3, 4 по трубам, соединенным с компрессором (на фиг. не показан). Ввод топлива в камеру смешивания 1 осуществляется по каналу, имеющему участки в виде трубы 5, соединенной со штанговым нефтеперекачивающим насосом (на фиг. не показан), конфузора 6 и имеющего два участка 7, 8 диффузора. Участок 7 диффузора выполнен в виде усеченного конуса с диаметром большего основания, равным диаметру камеры для смешивания топлива с распылителем. Участок 8 диффузора выполнен в виде шарового слоя с наименьшим диаметром, равным диаметру конфузора. Конфузор 5 и участок диффузора 8 выполнены как одна деталь 9. Деталь 9 установлена в корпусе 2 камеры 1. Камера форсунки 1, каналы ввода распылителя 3, 4 и часть канала ввода топлива расположены в корпусе форсунки, состоящем из двух частей 10, 11, соединенных между собой резьбой 12.
Устройство работает следующим образом:
Топливо (нефть) по каналу, соединенному со штанговым насосом подается в форсунку, где проходит в первую очередь через конфузор. Под влиянием давления в узком канале конфузора поток топлива запасает значительную кинетическую энергию, в результате чего на выходе из конфузора скорость потока возрастает. На участке диффузора в виде шарового слоя поток топлива не только ускоряется, но и интенсивно разбрызгивается и, в диспергированном состоянии ускоренно проходя через конический участок диффузора, подается в камеру для смешивания с распылителем. Распылитель (воздух) подается по тангенциальным каналам, расположенным непосредственно за диффузором, благодаря чему топливо, которое находится в диспергированном состоянии, интенсивно перемешивается с распылителем и далее ускоренно под воздействием осевой составляющей скорости распылителя движется в зону поджигания и горения.
Опытный образец форсунки, заявляемой в качестве полезной модели, был изготовлен и успешно прошел испытания в полевых условиях на месте добычи нефти.