РАСПЫЛИВАЮЩИЙ УЗЕЛ РОТАЦИОННОЙ ГОРЕЛКИ ДЛЯ ЖИДКОГО ТОПЛИВА

Предлагаемая полезная модель относится к области энергетики, в частности к горелочным устройствам, работающим на высоковязких жидких топливах, предназначенным преимущественно для использования в топках различных котлоагрегатов.
Известно, что эффективность сжигания жидкого топлива в топочных пространствах различных агрегатов зависит от степени дисперсности жидкой фазы: чем меньше размер дисперсных частиц, тем больше свободная поверхность топлива, что приводит к снижению времени тепло- массообмена процесса сгорания. Для горелок, используемых в котельном хозяйстве, характерны следующие способы распыливания жидких топлив, в частности, мазутов: механическое распыление, использующее энергию топлива, подаваемого под значительным давлением 0,3…3,0 МПа; паровое или пневматическое распыливание, осуществляемое за счет энергии потока газовой среды в диапазоне давлений 0,008…2,5 МПа; а также ротационное расплывание, использующее совокупность указанных выше способов - центробежная сила тела вращения для формирования тонкой пленки (пелены) жидкой фазы с последующим ее срывом потоком газа, например, воздухом преимущественно среднего давления 0,003…0,007 МПа для формирования капельной структуры газожидкостной смеси (Геллер З.И., Мазут как топливо - М.: Недра, 1964 - 496 с.).
Широкое распространение ротационных форсунок связано с отсутствием в необходимости дополнительных производительных источников сжатого воздуха или пара, использовании низкого давления жидкости, по сравнению с механическими форсунками, низкими требованиями к размеру механических примесей в топливе, что особенно актуально для повышения энергоэффективности горелочного устройства в целом.
При изменении одного из следующих параметров: толщина пелены на поверхности распылителя, относительная скорость жидкой пелены и потока первичного воздуха на срезе кромки вращающегося стакана - происходит изменение размера формирующихся капель топлива, и, соответственно, качество смесеобразования.
Требуемая толщина пелены жидкого топлива (0,1…1,5 мм) при постоянных теплофизических свойствах на входе в топливопровод горелки в значительной степени зависит от частоты вращения распыливающего стакана, поэтому частота вращения вала привода стакана может достигать 5000-10000 об/мин. В подобных условиях при частоте вращения вала распыливающего устройства более 6000 об/мин повышаются требования к балансировке валов и несущей способности подшипников, снижению надежности деталей и узлов, повышению удельных энергозатрат горелки.
x
Повышение скорости потока первичного воздуха приводит к повышению частоты вращения приводного вала, увеличению удельных энергозатрат на распыливание, а также к изменению угла раскрытия факела, который устанавливается для заданного топочного пространства и схемы движения газов в топке, при этом любые касания фронта факела ограничивающих поверхностей приведут к росту выбросов NO, появлению вибраций факела и горелки.
Повышение скорости пелены на кромке распыливающего стакана в момент отрыва при прочих равных условиях позволяет снизить частоту вращения вала и повысить надежность устройства в целом при сохранении требуемого качества распыливания топлива. Для решения указанной задачи без изменения расходов распыливающего агента и топлива, частоты вращения вала распылителя используют следующие способы: повышение текучести топлива за счет подогрева или создания двухфазной смеси с газом или более текучей средой (Витман Л.А., и др., Распыливание жидкости форсунками - М.: ГЭИ, 1962 - 265 с.), виброакустическими и электромагнитными воздействиями на поток жидкости при создании пленки и на ее поверхность (Handbook of Atomization and Sprays, ed. N. Ashgriz - New York: Springer, 2011 - 953 р.). Данные способы приводят к значительному росту удельных энергозатрат на повышение текучести и использованию дополнительных устройств в составе горелки, выполнение которых усложняет конструкцию и снижает надежность горелок.
пл
Известно, что переформирование поля скоростей исходного ламинарного потока в боковых ответвлениях с расходом, внезапных расширениях потока, обтеканиях ниши или расширения вязкими жидкостями осуществляется с локальным повышением скорости потока за счет возникновения положительных градиентов давления, что приводит к образованию вторичных вихревых зон, и, соответственно отжиму основного потока (Идельчик И.Е., Справочник по гидравлическим сопротивлениям - М.: Машиностроение, 1989 - 672 с, разд. 7). Локальное ускорение потока осуществляется на некотором расстоянии от кромки расширения или ниши в широком диапазоне чисел Рейнольдса (Буряцкий Е.В., Костин А.Г., Прямое численное моделирование в плоском внезапно расширяющемся канале на основе уравнений Навье-Стокса; Приклад, гiдромеханiка 2010 г., Т. 12, №1 - с. 11-27), характерном для течения жидкостных пленок (Re=60…1600). При этом в условиях пленочного и струйного срыва потока, характерного для высоковязких топлив, целесообразно дополнять указанный эффект развитием неустойчивости Релея-Плато во фронте распыленного потока жидкой фазы за счет воздействия потока воздуха, подаваемого вдоль внутренней поверхности распыливающего устройства, а также за счет сообщения колебаний потоку жидкости.
Таким образом наиболее энергоэффективным способом повышения качества распыливания топлива является повышение скорости жидкостной пелены в момент отрыва с кромки распыливающего стакана при постоянных параметрах скорости потока первичного воздуха и частоте вращения вала.
Известно распылительное устройство, включающее распылитель форсунки, жидкостную форсунку и корпус, содержащий сходящийся воздушный коллектор с переходным конусом для воздуха, окружающим жидкостную форсунку, которая соединена с центральной обдувочной трубкой, причем указанная обдувочная трубка питается через входное отверстие, при этом корпус также содержит по меньшей мере одно отверстие для впуска воздуха, предназначенное для подачи газа, как прямоточного кольцевого потока вокруг форсунки (патент РФ на изобретение №RU 2558106, C1, В05В 7/04 (2006.01), 2010).
Известное изобретение предусматривает получение усовершенствованного распылительного устройства и распыление жидкостей или суспензий, содержащих твердые частицы, дисперсий или эмульсий в микронизированные капли.
В известном устройстве невозможно улучшение качества распыливания без значительного увеличения давления жидкости и расхода воздуха через обдувочную трубку, что может потребовать дополнительных источников распыливающей среды и жидкостных насосов высокого давления, при этом требуемая дисперсность может быть получена при очень малых диаметрах отверстий истечения жидкости, которые нецелесообразно использовать для высоковязких мазутов.
Известен способ подачи мазута в топку, предусматривающий распыление мазута под давлением, отличающийся тем, что перед распылением мазута в него вводят воздух под давлением, превышающим давление мазута (патент РФ на изобретение № RU 2009398, С1, 1994). Конструкция системы подачи мазута в топку по известному способу обеспечивает дозированную подачу воздуха в эмульгатор, который в свою очередь вводит воздух в виде мелких пузырьков в мазут, поступающий после этого в топливную форсунку, и распыливается в топку в виде мазутовоздушной эмульсии, чем обеспечивается высокое качество распыливания и, следовательно, высокая полнота сгорания мазута, определяющая повышение экономичности и снижение уровня вредных выбросов топки при расширении диапазонов регулирования расхода мазута и его марок.
Недостатком указанного способа является необходимость в организации системы подачи сжатого воздуха, повышении энергозатрат на компрессорное оборудование со степенью повышения давления до 2, возможные усиленные вибрации распыливающего устройства при расширении пузырьков газа на его поверхности, а также необходимость в компенсации дополнительного охлаждения топлива воздухом.
Известно жидкотопливное горелочное устройство, содержащее корпус, полый вал, привод, на выходном конце полого вала установлен конусный распыливающий стакан, распыливающий стакан размещен внутри неподвижного патрубка, входной конец полого вала выполнен с возможностью введения в него жидкого топлива, отличающееся тем, что полый вал является валом частотного электродвигателя, который используют в качестве привода, на полом валу со стороны входного конца установлено рабочее колесо первого вентилятора, на полом валу со стороны выходного конца установлено рабочее колесо второго вентилятора, первый вентилятор соединен воздушными каналами со вторым вентилятором и с выходным отверстием корпуса, неподвижный патрубок соединен с фланцевой крышкой второго вентилятора с образованием конфузора с кольцевым выходным отверстием, второй вентилятор соединен воздушным каналом с выходным отверстием конфузора, частотный электродвигатель связан с блоком управления, который связан с датчиками давления и с устройством подачи топлива (патент РФ на полезную модель № RU 2622361, C1, F23D 11/06 (2006.01), 2016).
В известной конструкции осуществляется повышение эффективности горения топлива и повышается наработка на отказ.
Недостатком известного устройства является невозможность поддержания оптимальных параметров смесеобразования и сгорания в топке, которые могут наблюдаться при работе на дробных мощностях в условиях пониженной частоты вращения вала электродвигателя, при частичном открытии воздушной заслонки за счет потерь давления первичного воздуха и снижения скорости потока воздуха на кромке конического стакана в момент срыва топливной пелены. Также при повышенной вязкости используемого топлива, и, соответственно, высокой его температуре на входе в горелку возможен перегрев вала, подшипниковых узлов электродвигателя, что не приводит к увеличению надежности горелки в целом.
Известна ротационная форсунка для сжигания обводненного топлива, содержащая установленную в корпусе центральную трубу и коаксиальную обечайку с двухстеночным конусным распылителем на конце, подключенным, к приводу вращательного движения, и шнековый завихритесь, отличающаяся тем, что, с целью обеспечения возможности сжигания низкокалорийных твердых топлив, а также вязких жидких топлив, центральная труба подключена к источнику жидкого топлива и жестко скреплена с внутренней стенкой распылителя, ориентированного большим основанием в сторону топочного пространства, а межстеночный зазор распылителя подключен к системе подачи обводненного твердого топлива через зазор между центральной трубой и обечайкой, в котором установлен завихритель, укрепленный па центральной трубе, причем наружная стенка распылителя установлена с возможностью вращения относительно обечайки и соединена с его внутренней стенкой посредством патрубков, образующих каналы для первичного воздуха (а.с. № SU 1125440 A1, F23D 11/06, 1983).
В известной форсунке срыв потока топливной пелены осуществляется на промежуточном диаметре распыливающего конуса, характеризующегося меньшей угловой скоростью, и, соответственно меньшей отрывной скоростью потока, компенсировать которую необходимо увеличением частоты вращения приводного вала или повышенным расходом распыливающего воздуха.
Известна ротационная форсунка по авт. св. №92996, отличающаяся тем, что, с целью повышения дисперсности и равномерности распыливания, внутренняя полость распыливающего стакана - выполнена в виде четвертьволнового акустического резонатора, а образованный насадком и стаканом кольцевой канал - в виде проточного резонатора Гельмгольца, причем произведение отношений объема кольцевого канала к объему внутренней полости распыливающего стакана, длины выполненных на внешней поверхности стакана выступов к длине его внутренней полости и диаметра кромки распыливающего стакана к высоте выступов составляет 0,5-1,0 (а.с. № SU 1125440 A1, F23D 11/06, 1979).
Недостатком известной ротационной форсунки является возможная, особенно при высоких расходах распыливающего воздуха и повышенном противодавлении в топке котла, передача вибраций вращающимся с высокой частотой элементам форсунки, что приводит к снижению надежности работы горелочного устройства.
Известна ротационная форсунка, содержащая корпус для подачи воздуха, по оси которого установлен распыливающий стакан с топливоподающей головкой, отличающаяся тем, что, с целью улучшения качества распыливания и увеличения производительности, выходной участок стакана выполнен в виде лопаток осевого вентилятора (а.с. № SU 382878 A1, F23D 11/06, 1970).
Недостатком известной форсунки является незначительная степень повышения давления осевого вентилятора и его низкая эффективность в целом при работе без направляющих аппаратов, компенсировать которую целесообразно увеличением частоты вращения приводного вала распыливающего стакана.
Известен и принят за прототип распыливающий узел ротационной горелки для жидкого топлива, содержащий распыливающий стакан, зафиксированный у конца, установленного с возможностью вращения приводного полого вала, конец которого, выступающий в полость распыливающего стакана, выполнен с возможностью фиксации на нем разбрызгивающей гайки, коаксиально с продольной осью распыливающего стакана, при этом в стенке разбрызгивающей гайки выполнены предпочтительно равноудаленные друг от друга разбрызгивающие отверстия, при этом распыливающий стакан коаксиально смонтирован в полости выпускного патрубка кожуха рабочего колеса вентилятора подачи воздуха, отличающийся тем, что приводной полый вал выполнен с возможностью вращения с частотой 7500-8000 об/мин, поверхность рабочего колеса подачи воздуха, обращенная к распыливающему стакану, снабжена цилиндрическим выступом, соосным с осью вращения полого вала, при этом днище распыливающего стакана снабжено выступом с цилиндрической выточкой в торце, выполненной с возможностью плотной посадки на цилиндрический выступ рабочего колеса подачи воздуха, при этом тыльная сторона разбрызгивающей гайки снабжена кольцевой канавкой, внешний бортик которой выполнен с возможностью плотного прилегания к поверхности дна распыливающего стакана, причем в днище распыливающего стакана выполнено сквозное отверстие с возможностью сообщения полости кольцевой канавки и полости кожуха рабочего колеса вентилятора подачи воздуха, кроме того, в объеме разбрызгивающей гайки, в промежутках между разбрызгивающими отверстиями выполнены предпочтительно равноудаленные друг от друга сквозные воздухонаправляющие отверстия, продольные оси которых ориентированы вдоль оси симметрии разбрызгивающей гайки предпочтительно под углом к поверхности распыливающего стакана.
Недостатком известного распыливающего узла ротационной горелки для жидкого топлива является невозможность увеличения скорости топливной пелены на кромке распыливающего стакана без увеличения производительности и давления потока воздуха, которое осуществляется с помощью увеличения частоты вращения приводного вала, а также необходимость осевого перемещения вращающихся элементов устройства, что приводит к значительному снижению надежности горелки в целом.
Техническая задача, решаемая предполагаемой полезной моделью -повышение тонкости распыливания и качества смесеобразования без увеличения удельных энергетических затрат и улучшение показателей надежности ротационных горелок при сжигании высоковязких жидких топлив в топках котлоагрегатов.
Технический результат, который может быть получен при использовании заявляемого технического решения - увеличение скорости отрыва жидкостной пелены с кромки вращающихся распыливающих устройств за счет создания вихревых пережимов, повышающих локальную скорость и развитие неустойчивости Релея-Тейлора дополнительным воздействием на жидкостную пленку направленным потоком воздуха.
Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном распыливающим узле ротационной горелки для жидкого топлива, содержащим выполненный с возможностью вращения от привода полый вал, рабочее колесо вентилятора подачи воздуха, жестко закрепленное на полом валу, кожух рабочего колеса вентилятора подачи воздуха, имеющий связанный с атмосферой входной канал, входное устройство рабочего колеса вентилятора подачи воздуха, расположенное в кожухе между входным каналом и рабочим колесом вентилятора подачи воздуха, выпускной патрубок кожуха, направляющий аппарат вентилятора подачи воздуха, расположенный в кожухе между рабочим колесом вентилятора подачи воздуха и выпускным патрубком кожуха, конический распыливающий стакан, коаксиально смонтированный вершиной конуса на полом приводном валу в полости выпускного патрубка кожуха рабочего колеса вентилятора подачи воздуха и имеющий в днище сквозное отверстие с возможностью сообщения внутренней полости стакана и полости кожуха со стороны нагнетания рабочего колеса вентилятора подачи воздуха, разбрызгивающую гайку, расположенную коаксиально с продольной осью внутри конического распыливающего стакана и имеющую предпочтительно равноудаленные друг от друга разбрызгивающие отверстия, в соответствии с новым предложением, узел дополнительно содержит патрубок подачи топлива, расположенный с образованием кольцевого зазора в полом приводном валу с возможностью осевого перемещения на величину не менее 0,5 длины конуса распыливающего стакана и соединенный одним своим концом с полостью жидкого топлива, а другим раскрывающимся в полость распыливающего стакана через отверстия закрепленной в нем разбрызгивающей гайки, воздухонаправляющую шайбу, выполненную с наружным диаметром не более минимального диаметра конического распыливающего стакана и жестко закрепленную на наружной выходной кромке патрубка подачи топлива, при этом выходная кромка распыливающего стакана имеет не менее четырех направленных по образующей конуса пазов, выполненных с расширением к кромке основания конуса распыливающего стакана и равномерно распределенных по длине окружности основания конуса с шагом равным удвоенной наибольшей ширине паза.
Возможны дополнительные варианты конструкции распыливающего узла, в котором целесообразно, чтобы:
- кольцевой зазор, образованный наружной поверхностью топливного патрубка и внутренней поверхностью вала одним концом соединялся с источником сжатого воздуха, а другим раскрывался в полость распыливающего стакана через не менее два конечных отверстия;
- наружная поверхность топливного патрубка на участке внутри полого вала снабжалась предпусковым электрическим подогревателем;
- топливный патрубок снабжался жестко закрепленной на нем втулкой, способной воспринимать от источника вибраций и передавать патрубку осевые колебания;
- наружная кромка воздухонаправляющей шайбы имела пазы, количество которых соответствовало количеству пазов в кромке конического распыливающего стакана.
Указанные преимущества, а также особенности предлагаемой полезной модели поясняются вариантами ее осуществления со ссылками на чертежи: на фиг. 1 изображена конструктивная схема узла; на фиг. 2 - вид А на фиг. 1.; на фиг. 3 - поз. 11 на фиг. 1 (вариант 1).
Распыливающий узел ротационной горелки для жидкого топлива содержит полый приводной вал 1, рабочее колесо вентилятора подачи воздуха 2, кожух 3, входной канал 4, входное устройство 5, выпускной патрубок 6, направляющий аппарат вентилятора 7, конический распыливающий стакан 8, разбрызгивающую гайку 9, патрубок подачи топлива 10, воздухонаправляющую шайбу 11.
Распыливающий узел работает следующим образом. С помощью электродвигателя через предпочтительно клиноременную передачу (не показаны) приводится во вращение (в диапазоне 3000..6000 об/мин) полый приводной вал 1, установленный в кожухе 3 вентилятора. Рабочее колесо вентилятора подачи воздуха 3, жестко закрепленное на валу 1, подает воздух из атмосферы в кожух 3 через входной канал 4 и входное устройство 5, и нагнетается в кольцевой канал, образованный выпускным патрубком 6 и коническим распыливающим стаканом 8 через направляющий аппарат 7 в топочное пространство (Воздух 1 на фиг. 1). Поток воздуха под избыточным давлением из нагнетательной полости кожуха 3 вентилятора подачи воздуха 2 через отверстие в днище распыливающего стакана 8 поступает в его внутреннюю полость (Воздух 01, фиг. 1), а затем через кольцевой зазор, образованный наружной кромкой воздухонаправляющей шайбы 11 и внутренней поверхностью стакана 8, равномерно распределяется по поперечному сечению, ускоряется и поступает в топочное пространство. Мазут с заданными теплофизическими свойствами от станции подготовки и топливной арматуры (не показаны) под избыточным давлением предпочтительно до 0,3 МПа через гибкую вставку нагнетается в патрубок подачи топлива 10, свободно расположенный в полом валу 1. Затем, через отверстия в разбрызгивающей гайке 9, мазут в виде не менее двух конусных плоских струй подается на внутреннюю поверхность вращающегося конического распыливающего стакана 8. Частота вращения стакана 8 позволяет сформировать тонкую пелену мазута толщиной до 1,5 мм, которая постепенно закручиваясь, поступает к пазам выходной кромки распыливающего стакана. Значительно ускоряясь при поперечном поочередном обтекании пазов, топливная пелена срывается с кромки свободного конца стакана 8 потоком первичного воздуха давлением 3…7 кПа.
На некотором расстоянии от кромки стакана пелена распадается на струи, а затем на капли, формируя дисперсную капельную структуру и необходимую топливовоздушную смесь. С помощью системы поджига, например, подведенным на некотором расстоянии от выходной кромки стакана 8 электродами (не показаны), происходит воспламенение топливовоздушной смеси. При этом подача топлива составляет предпочтительно 10% номинальной мощности горелки, а топливный патрубок 10 совместно с жестко закрепленной на нем воздухонаправляющей шайбой 11 занимает в ближайшее к меньшему диаметру конуса стакана 8 положение (показано основными линиями на фиг. 1, 2), обеспечивающее наиболее тонкое распыливание топлива с максимальным углом раскрытия факела за счет минимального размера топливных капель. По мере прогрева топки осуществляется выход на номинальную мощность горелки, при этом увеличивается подача топлива за счет давления в топливной арматуре. При работе на частичных нагрузках целесообразно производить уменьшение угла раскрытия факела горелки за счет изменения соотношения расходов воздуха 1 и 01 путем перемещения топливного патрубка 10 и шайбы 11 на величину  в сторону выходной кромки стакана 8 (фиг. 2).
а
Производительность вентилятора первичного воздуха обеспечивает 5…15% расхода воздуха, необходимого для стехиометрического сгорания топлива (при коэффициенте избытка воздуха =1,4) в режиме номинальной мощности.
Использование отдельного патрубка подачи топлива с возможностью осевого перемещения на величину не менее 0,5 длины конуса распыливающего стакана позволяет повысить точность регулирования процесса смесеобразования и угла раскрытия факела, причем минимальной величине  соответствует максимальный угол раскрытия факела в 50°…80°, а значению  минимальные углы раскрытия в 30°…50°. Увеличение осевого перемещения на величину  значительно не изменяет угол раскрытия факела, ухудшая качество распыливания топлива. При этом повышается надежность устройства за счет исключения осевого перемещения вращающихся деталей.
Выполнение воздухонаправляющей шайбы с наружным диаметром не более минимального диаметра конического распыливающего стакана, и жестко закрепленной на наружной выходной кромке патрубка подачи топлива, позволяет равномерно распределять поток воздуха, поступающего через днище стакана и осуществлять регулирование угла раскрытия факела, за счет изменения расхода воздуха во внутренней полоти стакана путем изменения аэродинамического сопротивления полости при осевом перемещении шайбы совместно с топливным патрубком.
Выполнение выходной кромки распыливающего стакана с не менее четырьмя направленными по образующей конуса пазами, расширяющимися к кромке основания конуса распыливающего стакана и равномерно распределенными по длине окружности основания конуса с шагом равным удвоенной наибольшей ширине паза формирует вторичные вихревые зоны в потоке топливной пленки в ответвлениях пазов, которые пережимая сечение потока, увеличивают скорость истечения при срыве потока теоретически до 4 раз. Авторами экспериментально установлены значения коэффициента повышения скорости топливной пелены при срыве потока в процессе поперечного обтекания пазов кромки стакана 8, которые составляют 1,06…1,4 при частоте вращения 3000…6000 об/мин вала 1 и угле раскрытия конуса 12° стакана 8. Указанное обстоятельство позволяет снизить частоту вращения вала 1 с теоретически необходимых 7500…8000 об/мин до не более 6000 об/мин и повысить показатели надежности горелки в целом. Также при значительном количестве пазов, происходит интенсификация процесса формирования неустойчивости Релея-Плато, вызванной ориентацией струй по пазам, снижению их выходного диаметра во фронте факела и капельном распаде жидкости при меньшем расстоянии от устья стакана, что повышает дисперсность распыливания топлива и снижает коксуемость исполнительных элементов узла.
Соединение источником сжатого воздуха кольцевого зазора, образованного наружной поверхностью топливного патрубка и внутренней поверхностью вала, с полостью распыливающего стакана через не менее два конечных отверстия позволяет увеличить степень регулирования угла раскрытия факела при меньших значениях величины .
Снабжение наружной поверхности топливного патрубка на участке внутри полого вала предпусковым электрическим подогревателем позволяет осуществить подогрев оставшегося в патрубке мазута (для большинства мазутов температура перекачивания не ниже 20…40°С) до температуры 80…110°С, гарантирующей успешный пуск горелки в работу без дополнительной разборки и чистки устройства.
Снабжение топливного патрубка жестко закрепленной на нем втулкой, способной воспринимать от источника вибраций и передавать патрубку осевые колебания позволяет осуществить повышение качества распыливания топлива за счет интенсификации распада топливных струй при частотах в диапазоне 4000…6000 Гц.
Выполнение наружной кромки воздухонаправляющей шайбы с пазами, количество которых соответствует количеству пазов в кромке конического распыливающего стакана, позволяет повысить турбулизацию потока топливной пелены в момент отрыва с кромки стакана.