СПОСОБ РАСПЫЛЕНИЯ ЖИДКОГО ТОПЛИВА ЦЕНТРОБЕЖНОЙ ФОРСУНКОЙ (ВАРИАНТЫ), ФОРСУНКА ЦЕНТРОБЕЖНАЯ (ВАРИАНТЫ), ГОРЕЛКА ЖИДКОТОПЛИВНАЯ
METHOD OF LIQUID FUEL SPRAYING WITH CENTRIFUGAL ATOMISER (VERSIONS), CENTRIFUGAL ATOMISER (VERSIONS), AND LIQUID-FUEL BURNER

Предлагаемые технические решения относятся к области теплоэнергетики, в частности к котельным установкам, и наиболее эффективно могут быть использованы в различных отраслях промышленности, имеющих потребность в тепловой энергии, например в коммунальном хозяйстве для комплектации отопительных установок жилых зданий и производственных помещений.
Известны газомазутные горелки типа ГМГм [Газомазутные горелки типа ГМГм, завод «Ильмане», Таллин, 1979 г.]. Газомазутная горелка указанного типа состоит из газовоздушной части, паромеханической форсунки, лопаточного завихрителя вторичного воздуха, лопаточного завихрителя первичного воздуха, монтажной плиты.
Распыление жидкого топлива в горелках ГМГм осуществляется паромеханической форсункой. Форсунка состоит из корпуса, ствола, парового штуцера, оси, скобы, зажимного винта. Корпус соединяет паровую и топливную (ствол) трубы и имеет каналы для подачи в трубы пара и жидкого топлива. Ствол служит для транспортировки жидкого топлива и пара к головке форсунки и представляет собой две концентрические трубы, задние концы которых соединены с корпусом-колодкой, а передний - с распыливающей головкой. По центральной трубе подается жидкое топливо, по наружной - пар на дополнительный распыл.
Распыливающая головка - основной рабочий узел форсунки - состоит из накидной гайки, парового завихрителя, топливного завихрителя, прокладки, распределительной шайбы, втулки. Головка форсунки устанавливается в устье лопаточного завихрителя первичного воздуха. Топливо по внутренней трубе и втулке подводится через распределительную шайбу в кольцевой канал топливного завихрителя и далее по тангенциальным каналам попадает в камеру завихрения (закручивания), приобретая вращательно-поступательное движение, после чего направляется через сопло на распыление.
Для увеличения диапазона регулирования форсунки применяется паровой завихритель, примыкающий к топливному завихрителю. Пар по наружной трубе и щелям между накидной гайкой и втулкой подходит к каналам парового завихрителя и, выходя закрученным потоком через сопло, принимает участие в процессе распыления топлива.
Рабочие детали головки уплотняются натягом накидной гайкой за счет притирки прилегающих поверхностей деталей и прокладки. Накидная гайка предназначена для стягивания основных деталей головки между собой.
Топливный завихритель вместе с распределительной шайбой и втулкой образуют топливную ступень форсунки, распыливающую и формирующую топливо. Она имеет кольцевую камеру, три тангенциальные канала, центральную завихрительную камеру и сопловое отверстие. Распределительная шайба - деталь, которая замыкает топливную трубу с втулкой. В теле распределительной шайбы имеется ряд отверстий, которые предназначены для равномерного подвода жидкого топлива в кольцевую камеру топливного завихрителя. Рабочей поверхностью распределительной шайбы является плоскость, к которой примыкает топливный завихритель. Плотность между этими деталями достигается только за счет соответствующей обработки прилегающих плоскостей, а их долговечность - за счет термообработки стали марки ХВЧ.
Газовоздушная часть горелки состоит из двухзонного воздухонаправляющего устройства с зонами первичного и вторичного воздуха и газораспределительной части. Зона первичного воздуха состоит из подводящей части и лопаточного завихрителя тангенциально-аксиального типа с прямыми лопатками, установленными под углом 60° и служит для подвода части воздуха (в виде закрученного потока) к основанию факела. Зона вторичного (основного) воздуха представляет собой колено с углом 90°, в концевой части которого находится лопаточный завихритель вторичного воздуха с прямыми лопатками, установленными под углом 45°. Между первичной и вторичной воздушными зонами расположена газораспределительная часть, основными рабочими элементами которой являются газовые насадки, предназначенные для распределения газа в первичном и вторичном воздушных потоках. Лопаточный завихритель вторичного воздуха состоит из наружного и внутреннего колец, между которыми под углом 45° приварены 12 прямых лопаток. Лопаточный завихритель первичного воздуха состоит из двух колец, между которыми под углом 60° приварены 16 прямых лопаток.
Недостатки горелок ГМГм заключаются в нестабильности процесса горения жидкого топлива и его низкой эффективности, связанных с тем, что форсунка, в частности его распыляющая головка состоит из большого числа сочленяемых деталей. В результате некачественного их изготовления ухудшается их притирка друг к другу, а с учетом последующего износа изменяются параметры деталей, что приводит к изменению динамических характеристик потоков топлива и нестабильности процесса распыления и горения топлива. И самое главное, гидродинамика потоков топлива в такой конструкции форсунки такова, что скорость, сообщаемая потокам топлива, недостаточна и не приводит к результативному распылению жидкого топлива. Для достижения эффективности распыления вынужденно применяется дополнительное распыление паром, для чего форсунка ГМГм дополнительно снабжена еще одной камерой, предназначенной для подачи пара, его распределения и закручивания.
Другим недостатком известной конструкции горелки является ее сложность. Сама горелка и отдельные ее узлы - форсунка, распыляющая головка, воздухоподающая часть состоят из большого количества сочленяемых деталей. Для их изготовления требуются технологии высокого уровня, особенно для обеспечения чистоты поверхности притираемых друг к другу деталей. Горелка сложна как в изготовлении, так и в сборке и эксплуатации. Многочисленность сочленяемых деталей либо из-за плохой притирки их друг к другу, либо из-за необеспечения достаточной плотности при сборке вызывает постоянную засоряемость форсунки. По данным инструкции к горелкам ГМГм рекомендуется их чистка 1 раз в 4 дня, а это влечет за собой остановку котла, снижение производительности, повышение трудовых затрат при эксплуатации. Все это в конечном счете приводит к повышению капитальных и эксплуатационных вложений.
Известен способ повышения качества распыливания жидкого топлива центробежной форсункой (авт. свид. СССР №981755 «Форсунка», авт.Кожевников Н.И., заявитель - Куйбышевское СКБ «Нефтехимавтоматика», заявл. 23.12.80). Способ включает пропускание жидкого топлива через сопло с предварительным закручиванием потока в камере закручивания путем подвода к ней потоков топлива по тангенциально расположенным каналам в стенках камеры; при этом на пути движения потоков топлива по тангенциально расположенным каналам осуществляют их дополнительный динамический разгон - преобразование потенциальной энергии давления в кинетическую энергию потоков (в скоростное давление), для чего обеспечивают изменение сечения потоков топлива от большего к меньшему в направлении ко входу в камеру закручивания, для чего тангенциально расположенные каналы выполняют переменного сечения от большего к меньшему в направлении ко входу в камеру закручивания. Это позволяет увеличить скорость потоков топлива в камере закручивания и в последующем в сопле.
Известны и другие источники информации (авт. свид. СССР №448908 «Центробежная форсунка», авт. Вильдма Л.Э. и др., заявитель - Таллиннский политехнический институт и завод «Ильмарине», заявл. 23.10.72 г.), в которых сообщается, что тангенциальные каналы в стенках камеры закручивания могут быть выполнены сужающимися по ходу потока топлива, что повышает качество распыливания.
Известна форсунка для распыления жидкого топлива (Заявка на изобретение №2007112901 «Способ распыления жидкого топлива и устройство для его реализации», авт. Корнилов В.Н., заявл. 06.04.2007), содержащая цилиндрический корпус, размещенную в нем соосно камеру закручивания потока топлива в виде полого плоского цилиндра, с рабочей стороны соединенного с соплом, каналы подвода топлива к стенке корпуса, выполняющего роль завихрителя, расположенные тангенциально к камере закручивания, а также устройство, подающее топливо на распыление, прокладки, при этом тангенциально расположенные каналы подвода топлива в камеру закручивания в стенках корпуса выполнены переменного сечения от большего к меньшему в направлении ко входу в камеру закручивания.
Данная конструкция форсунки и способ распыления жидкого топлива, на котором она основана, приняты автором за прототипы изобретений «Способ распыления жидкого топлива» и «Форсунка центробежная». Недостаток ее состоит в том, что конструкция подвода топлива к форсунке и каналов подведения топлива к камере завихривания не обеспечивают проталкивания топлива через каналы завихрителя. Это требует дополнительных устройств для нагрева топлива при его проталкивания через каналы завихрителя. Кроме того, не обеспечивается достаточный динамический напор потоков жидкого топлива и, как следствие, ухудшается его диспергирование и эффективность сжигания.
Известна газомазутная горелка (патент РФ №2053450 «Газомазутная горелка», автор-заявитель Кисляков В.В., заявл. 12.11.92 г.), содержащая воздухоподводящий цилиндрический корпус с установленной по его оси центробежной мазутной форсункой, центральный и периферийный кольцевые каналы соответственно первичного и вторичного воздуха с лопаточным завихрителем, кольцевой цилиндрический газовый коллектор с осевыми и радиальными газораспределительными отверстиями и полую цилиндрическую обечайку с тангенциальными патрубками для подачи вторичного воздуха в ее полость, подсоединенную к выходному срезу наружной цилиндрической поверхности газового коллектора, при этом тангенциальные патрубки установлены на боковой поверхности выходного участка обечайки так, что выходные отверстия их обращены навстречу потоку вторичного воздуха.
Недостаток ее состоит в том, что при выходе из сопла потоков топлива с большой кинетической энергией, воздействующие на этот поток струи первичного и вторичного воздуха, также должны обладать большой кинетической энергией; только в этом случае они будут действительно эффективно дробить (диспергировать) топливо, что и обеспечит высокую эффективность его сжигания и снижение выхода оксидов азота. В описанной газомазутной горелке (патент РФ №2053450) не указан, какой тип центробежной форсунки используется. Для высокоэффективных форсунок, выдающих потоки топлива с большой кинетической энергией, лопаточные завихрители не в состоянии обеспечить эффективного диспергирования жидкого топлива.
Однако описанная горелка развивает и совершенствует конструкцию горелок типа ГМГм: последние выполнены с учетом всех современных технических требований в этой области, они оправдали себя в эксплуатации и нашли широкое распространение в котлостроительной промышленности. Поэтому горелка по патенту РФ №2053450 принята нами за прототипы изобретений «Способ распыления жидкого топлива центробежной форсункой воздействием потоков первичного и вторичного воздуха» и «Горелка жидкотопливная».
Целью настоящего изобретения является повышение эффективности горения жидкого топлива за счет улучшения его диспергирования при истечении его из сопла форсунки путем преобразования потенциальной энергии давления жидкого топлива в кинетическую энергию потоков топлива (в скоростное давление), т.е. путем увеличения динамического разгона потоков топлива и отдельных его частиц перед соплом, а также за счет оптимизации взаимодействия распыленных струй жидкого топлива с воздушными потоками.
Следующей целью изобретения является снижение капитальных затрат при изготовлении горелок за счет упрощения конструкции и технологии изготовления отдельных деталей и их сборки.
Кроме того, целью изобретения является упрощение процесса регулирования и управления работой горелки и снижение эксплуатационных расходов при их использовании.
Поставленные цели достигаются применением предлагаемых способов распыления жидкого топлива центробежной форсункой, особенностями конструкции центробежной форсунки и особенностями конструкции горелки жидкотопливной, предназначенными для осуществления предлагаемых способов.
Все предлагаемые технические решения объединены единым изобретательским замыслом.
Предлагаемый способ распыления жидкого топлива центробежной форсункой, включает пропускание его через сопло с предварительным закручиванием потока в камере закручивания путем подвода к ней потоков топлива по тангенциально расположенным каналам в стенках камеры и воздействие на факел топлива потоками первичного и вторичного воздуха, подаваемыми под давлением и с закручиванием, при этом обеспечивают дополнительный динамический разгон при проходе потоков топлива по тангенциально расположенным каналам, для чего последние выполняют переменного сечения от большего к меньшему в направлении ко входу в камеру закручивания.
Способ отличается тем, что закручивание потока топлива осуществляют по меньшей мере двухступенчато, для чего закручивание потока топлива проводят последовательно в двух концентрично расположенных камерах закручивания, начиная с внешней, для чего в каждую из которых топливо подают по тангенциально расположенным каналам. При этом сужение тангенциально расположенных каналов производят либо перед внешней камерой закручивания, либо перед центральной, либо перед обеими вместе камерами закручивания топлива, создавая при этом двукратный динамический разгон.
Одновременно воздействуют на факел топлива потоками первичного и вторичного воздуха, которые подают под давлением и с закручиванием, при этом последний перед контактом с топливом также подвергают динамическому разгону.
Способ отличается также тем, что истечение потока топлива из сопла форсунки осуществляю по принципу «сопла Лаваля», для чего используют комбинированное сопло, состоящее из сужающейся и расширяющейся частей (сопло с раструбом). Расширенную часть сопла обеспечивают коническим раструбом в стенке котла.
Предлагается способ распыления жидкого топлива центробежной форсункой, включающей пропускание его через сопло с предварительным закручиванием потока в камере закручивания путем подвода к ней потоков топлива и воздействием на факел топлива потоками воздуха, подаваемыми под давлением и с закручиванием.
Способ отличается тем, что поток вторичного воздуха организуют с постоянным динамическим разгоном путем обеспечения многоступенчатого сужения его на всем пути следования при одновременном увеличении количества движения, для чего вторичный воздух подают по каналам спирали с сечением от большего к меньшему, расположенной в плоскости, перпендикулярной оси форсунки, через тангенциальный суживающий патрубок системы подачи вторичного воздуха, корпус которой выполнен в форме «улитки», при этом уменьшают сечение потока воздуха при одновременном движении его по окружности (вдоль обечайки»улитки»), так и от периферии к центру (от обечайки через подающие каналы камеры закручивания потока воздуха) и далее от камеры закручивания к зоне распыления топлива (вдоль конического насадка). При этом закручивание вторичного воздуха производят до подачи его в зону распыления, в камере закручивания, расположенной в корпусе системы подачи вторичного воздуха соосно ей и оси форсунки.
Способ отличается также тем, что закрученный поток вторичного воздуха подают в полость котла по принципу «сопла Лаваля» через суживающийся конический насадок типа сопла, концентрично расположенный относительно форсунки, при этом максимально суженную часть потока вторичного воздуха располагают у основания воронки распыляемого топлива.
Предлагается форсунка центробежная для распыления жидкого топлива, содержащая цилиндрический корпус, размещенную в нем соосно камеру закручивания потока топлива в виде полого плоского цилиндра с рабочей стороны соединенного с соплом, каналы подвода топлива в стенке корпуса, выполняющего роль завихрителя, расположенные тангенциально к камере закручивания, а также устройство, подающее топливо на распыление, прокладки, при этом тангенциально расположенные каналы подвода топлива в камеру закручивания в стенках корпуса выполнены переменного сечения от большего к меньшему в направлении ко входу в камеру закручивания.
Форсунка отличается тем, что корпус ее установлен в стакан с образованием цилиндрического канала между ними для подачи топлива с подпором в камеру закручивания через тангенциально расположенные каналы, соединяющегося на входе радиальными каналами в стенке корпуса с центральным каналом устройства, подающего топливо на распыление, при этом устройство, подающее топливо через центральный канал, выполнено в виде болта, скрепляющего корпус и стакан, содержащего осесимметричный сквозной канал и снабженный штуцером для присоединения шланга подачи жидкого топлива.
Форсунка центробежная для распыления жидкого топлива отличается также тем, что задняя стенка камеры закручивания образована пятой, подпертой винтом, имеющим резьбовое соединение с корпусом внутри него, для чего в корпусе выполнены осесимметричные цилиндрические полости, имеющие рабоче-техническое назначение.
Предлагается еще одна форсунка центробежная для распыления жидкого топлива, также содержащая цилиндрический корпус, размещенную в нем соосно камеру закручивания потока топлива в виде полого плоского цилиндра, с рабочей стороны соединенного с соплом, каналы подвода топлива в стенке корпуса, выполняющего роль завихрителя, расположенные тангенциально к камере закручивания, а также устройство, подающее топливо на распыление, прокладки, при этом тангенциально расположенные каналы подвода топлива в камеру закручивания в стенках корпуса выполнены переменного сечения от большего к меньшему в направлении ко входу в камеру закручивания.
Форсунка отличается тем, что корпус ее установлен в стакан с образованием цилиндрического канала между ними для подачи топлива с подпором в камеру закручивания через тангенциально расположенные каналы, соединяющегося на входе радиальными каналами в стенке корпуса с центральным каналом устройства, подающего топливо на распыление, а камера закручивания жидкого топлива выполнена по меньшей мере двухступенчатой в виде двух концентрично расположенных цилиндрических полостей, разделенных цилиндрической стенкой, при этом для подвода топлива к дополнительной камере закручивания в цилиндрической стенке выполнены тангенциально расположенные каналы.
Форсунка центробежная отличается также тем, что для дополнительного динамического разгона потоков топлива по тангенциально расположенным каналам, ведущим к камерам закручивания, эти каналы выполнены переменного сечения от большего к меньшему в направлении ко входам либо к одной из камер - внешней или внутренней, либо к обеим вместе.
Форсунка центробежная отличается еще тем, что устройство, подающее топливо через центральный канал выполнено в виде болта, скрепляющего корпус и стакан, содержащего осесимметричный сквозной канал, и снабженный штуцером для присоединения шланга подачи жидкого топлива.
Следующее отличие состоит в том, что задняя стенка камеры закручивания образована пятой, подпертой винтом, имеющим резьбовое соединение с корпусом внутри него, для чего в корпусе выполнены осесимметричные цилиндрические полости, имеющие рабоче-техническое назначение.
Предлагается горелка жидкотопливная, включающая системы подачи первичного и вторичного воздуха, снабженные устройствами его закручивания, форсунку центробежную, установленную концентрично воздухоподающим устройствам, и фланец для подсоединения горелки к фронту котла.
Горелка отличается тем, что система подачи вторичного воздуха включает камеру закручивания вторичного воздуха, установленную до зоны распыления жидкого топлива в плоскости, перпендикулярной оси форсунки соосно с ней, соединенную с нагнетательным вентилятором, состоящую из корпуса, выполненного в виде «улитки» центробежного вентилятора, содержащего тангенциально расположенный суживающийся патрубок с соединительным фланцем на конце, обеспечивающий динамический разгон вторичного воздуха на входе, устройство закручивания вторичного воздуха, выполненное в виде насадка-вставки, установленного в корпусе соосно с ним и жестко закрепленного, собранного из направляющих лопаток, образующих тангенциально расположенные каналы для равномерной подачи вторичного воздуха к центру камеры с одновременным динамическим разгоном его, и направляющего конуса для подачи вторичного воздуха в зону горения с обеспечением его динамического разгона, соединенного с одной стороны с корпусом камеры закручивания вторичного воздуха, а с другой стороны снабженного устройством (например, фланцем) для присоединения к фронту котла.
Горелка отличается тем, что тангенциально расположенные каналы между лопатками насадка-вставки для подачи вторичного воздуха выполнены переменного сечения от большего к меньшему по ходу его движения.
Следующее отличие состоит в том, что форсунка установлена концентрично с возможностью осевого перемещения в цилиндре, установленном концентрично и жестко соединенном с камерой подачи первичного воздуха, установленной концентрично и отделенной глухой перегородкой в устройстве подачи вторичного воздуха со стороны, противоположной направляющему коническому насадку, и снабжена патрубком для подсоединения к нагнетающему вентилятору, при этом труба и цилиндр снабжены окнами для направления первичного воздуха в зону распыления жидкого топлива, а труба на входе в эту зону снабжена внутри канавками осевого завихрения.
Еще одно отличие заключается в том, что устройство осевого перемещения форсунки состоит из разрезной конической втулки, насаженной на конце, ближайшем к месту подачи топлива, имеющей уклон в сторону этого конца, и снабженной стопорной гайкой, при этом коническая втулка вместе с форсункой выполнены подвижными в соосном отверстии с коническими стенками торцевой гайки трубы.
Следующее отличие заключается в том, что устройство осевого перемещения форсунки состоит из второй разрезной втулки, насаженной на трубу на конце, ближайшем к месту подачи топлива в форсунку, имеющей уклон в сторону этого конца, и снабженной гайкой, при этом коническая втулка вместе с трубой и жестко установленной в ней форсункой выполнены подвижными в соосном отверстии с коническими стенками торцевой гайки цилиндра.
Предлагаемые способы распыления жидкого топлива центробежной форсункой, а также конструктивное выполнение форсунки центробежной и горелки жидкотопливной позволяет значительно улучшить эффективность горения жидкого топлива, а следовательно, повысить производительность форсунки и увеличить мощность горелки. Это достигается улучшением диспергирования топлива при истечении его из форсунки и оптимизацией взаимодействия распыленных струй жидкого топлива и отдельных его частиц с воздушными потоками. Улучшение диспергирования топлива обеспечивается за счет значительного увеличения динамического разгона потоков топлива и повышения давления последнего, т.е. за счет преобразования потенциальной энергии давления в кинетическую энергию потоков жидкости, а этому способствует многоступенчатость сужения струй потоков топлива. То же касается и потоков вторичного воздуха на пути их движения к месту контакта с жидким топливом.
Упрощение конструкции форсунки при этом позволяет уменьшить расходы на изготовление и притирку деталей за счет упрощения технологии изготовления и сборки. Упрощение процессов отладки и регулировки горелки путем применения несложного устройства осевого перемещения форсунки, а также предотвращение ее засоряемости во время работы позволяет упростить процесс обслуживания и не требует применения особо квалифицированного труда. В результате всего этого снижаются капитальные и эксплуатационные расходы при использовании предлагаемых технических решений.
Для пояснения сущности изобретений ниже приводятся конкретные примеры осуществления предлагаемых способов распыления жидкого топлива центробежной форсункой, примеры предлагаемых конструкций центробежной форсунки и жидкотопливной горелки со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых изображено следующее.
Фиг.1 - Схема формы потоков топлива перед соплом (по известному способу).
Фиг.2 - Схема формы потоков топлива (по предлагаемому способу).
Фиг.3 - Продольный разрез форсунки, снабженной одноступенчатой камерой закручивания потока топлива.
Фиг.4 - Поперечный разрез форсунки, снабженной одноступенчатой камерой закручивания потока топлива.
Фиг.5 - То же (с расположением тангенциальных каналов с изменяющимся сечением со смещением).
Фиг.6 - Продольный разрез корпуса форсунки, снабженной двухступенчатой камерой закручивания.
Фиг.7 - Поперечный разрез корпуса форсунки, снабженной двухступенчатой камерой закручивания потока.
Фиг.8 - Продольный разрез горелки жидкотопливной.
Фиг.9 - Поперечный разрез горелки жидкотопливной.
Фиг.10 - Устройство регулирования положения форсунки.
Способ распыления жидкого топлива с помощью центробежной форсунки (само название ее ведется от английского слова force - нагнетать) основан на преобразовании энергии давления жидкого топлива в кинетическую энергию потока топлива при прохождении его через сопло - основную рабочую деталь форсунки. Иначе сказать, форсунка обеспечивает динамический разгон жидкого топлива. Последнее, как известно, основано на одном из основных уравнений гидродинамики - уравнении Бернулли, где одну из составляющих этого уравнения -  - так и называют скоростным давлением (здесь ρ - плотность среды, υ - средняя скорость установившегося течения жидкости в соответствующем сечении потока).
Использование предварительного закручивания потока позволяет повысить устойчивость факела распыляемого топлива и увеличить центральный угол конуса факела. Все это имеет место в предлагаемом способе распыления жидкого топлива центробежной форсункой.
Предлагаемый способ распыления топлива предусматривает проведение дополнительного динамического разгона топлива перед закручиванием потока в камере закручивания. Для этого при подводе потоков топлива по тангенциально расположенным каналам последние выполняют переменного сечения от большего к меньшему в направлении ко входу в камеру закручивания. Этим обеспечивают сужение потоков топлива перед входом их в камеру закручивания. Топливо впрыскивается в камеру закручивания. Способ распыления жидкого топлива центробежной форсункой предусматривает закручивание потока топлива перед форсункой по меньшей мере двухступенчато. Для этого закручивание потока топлива ведут в двух концентрично расположенных камерах закручивания, в каждую из которых топливо подают через тангенциально расположенные каналы.
Подачу потоков топлива в двухступенчатую камеру закручивания возможно производить также с дополнительным динамическим разгоном. Для этого тангенциально расположенные каналы выполняют переменного сечения от большего к меньшему в направлении ко входу в камеру закручивания, по крайней мере, к одной из них, например, центральной или внешней или к обеим вместе.
На фиг.1 изображена схема формы потоков топлива перед соплом при одноступенчатой камере закручивания. Здесь: 1 - поток топлива перед завихрителем при подаче его в каналы последнего, т.е корпуса; 2 - потоки топлива в тангенциальных каналах, подводящих топливо в камеру закручивания (ступенчатость каналов показана условно); 2а, 2б - потоки топлива в тангенциальных каналах, осесимметричных и со смещением в сторону большей плотности потока (условно показан на одном и том же чертеже): при этом b>d, где b - диаметр максимально большего сечения потока топлива, a d- диаметр максимально меньшего сечения потока топлива, при этом ; 3 - поток топлива в одноступенчатой камере закручивания.
На фиг.2 показана схема формы потоков топлива в двухступенчатой камере закручивания, где: 4 - потоки топлива в тангенциально расположенных в корпусе (завихрителе) каналах для подачи в первую (внешнюю) камеру закручивания; 5 - поток топлива в первой камере закручивания; 6 - потоки топлива в тангенциально расположенных каналах, подаваемых во вторую камеру закручивания; 7 - стенка между двумя камерами закручивания (внешней и внутренней); 8 - поток топлива во второй (внутренней) камере закручивания; 9 - поперечное сечение потока топлива в сопле.
Следует отметить положительное влияние на гидродинамику потоков жидкого топлива наличие потока 1, образующегося между корпусом и стаканом. Благодаря большой протяженности этого потока и достаточно большому объему в нем топлива на периферии форсунки он обладает большим запасом энергии для увеличения подпора топлива перед тангенциальными каналами, подающими топливо в камеру закручивания.
По тому же самому принципу - многократного ступенчатого сужения потока на пути его движения с целью создания динамического разгона и повышения скоростного давления организовано движение потока вторичного воздуха, воздействующего на подлежащее распылению жидкое топливо.
Вторичный воздух подают от нагнетающего вентилятора по тангенциальному суживающемуся патрубку в камеру закручивания вторичного воздуха, корпус которой выполнен в виде «улитки» центробежного вентилятора. При этом камеру закручивания располагают до зоны распыления жидкого топлива в плоскости, перпендикулярной оси форсунки. Уже на входе в камеру закручивания в тангенциально расположенном сужающемся патрубке обеспечивают сужение потока вторичного воздуха, за счет этого увеличивают его давление и скорость. Далее при закручивании вторичного воздуха в «улитке» также уменьшают сечение потока при движении его по окружности (при движении по обечайке «улитки») и при одновременном движении от периферии к центру. Последнее осуществляется по суженным каналам, образованным направляющими лопатками. Эти лопатки обеспечивают не только равномерность подачи потоков воздуха к центру, но и их динамический разгон.
Из центра камеры поток вторичного воздуха (уже закрученный) направляют через конический насадок типа сопла в зону распыления жидкого топлива, образуя поток воздуха, концентричный конусу распыленного топлива. Этим также обеспечивают сужение потока воздуха. При этом самую узкую часть потока воздуха (на выходе из конического насадка) располагают у основания воронки уже распыленного топлива. Понятно, что в этом месте обеспечено наибольшее давление вторичного воздуха, а, следовательно, максимальное воздействие его на потоки и частицы распыляемого топлива.
Из конического насадка поток вторичного воздуха направляется в полость котла через раструб, образованный в стенке котла вокруг входного отверстия. Получается, что вторичный воздух пропускают через комбинированное сопло, состоящее из сужающейся части (направляющий конус) и расширяющейся части (раструб в стенке котла). Этим обеспечивают истечение воздуха по принципу «сопла Лаваля» с еще большей скоростью, чем в самом узком его сечении.
Центробежная форсунка [Фиг.3] состоит из корпуса 10, установленного в стакан 11 с уплотнительными прокладками 12, пяты 13, винта 14 и болта специального назначения 15.
Корпус 10 выполнен в форме цилиндрического тела и имеет внутри цилиндрические соосно расположенные полости разного назначения (рабоче-технического и технологического порядка). Существенной конструктивной особенностью корпуса 10 форсунки является то, что он содержит камеру закручивания 16, выполненную в виде полого плоского цилиндра, соосно расположенного в корпусе, соединенного со стороны рабочего торца с соплом 17, а другой ее торец перекрыт пятой 13, закрепляемой с помощью винта 14 во внутренних цилиндрических полостях корпуса 10. По обечайке камера закручивания имеет овальные отверстия 18, служащие выходами тангенциально расположенных каналов 19, 20 для подвода топлива в камеру закручивания 16 [Фиг.4, 5]. Эти каналы (20) могут располагаться осесимметрично [Фиг.4] либо выполняться со смещением в сторону уплотнения потока топлива [Фиг.5].
Тангенциально расположенные каналы 19,20 соединены с цилиндрическим каналом 21, образующимся между корпусом 19 и стаканом 11. Этот канал 21 соединен радиальными каналами 22 с цилиндрической полостью внутри корпуса 10 [Фиг.3]. Последняя служит для накопления топлива с целью выравнивания подачи его в цилиндрический канал 21.
Для подачи жидкого топлива в полость 23 служит болт 15 многофункционального назначения. Он предназначен для соединения между собой корпуса 10 и стакана 11. Болт имеет сквозной соосно расположенный цилиндрический канал 24 для подачи топлива в полость 23 корпуса 10 форсунки. Кроме того, болт снабжен на наружном конце штуцером 25 для навинчивания перекидной гайки гибкого шланга, подающего жидкое топливо на распыление в форсунку [Фиг.3].
Другой вариант исполнения корпуса 10 форсунки предусматривает наличие двухступенчатой камеры закручивания [Фиг.6, 7]. Для его исполнения выполняется кольцевая проточка 26 с образованием стенки 27 между проточкой 26 и внутренней камерой закручивания 16. Эта проточка 26 служит камерой закручивания первой ступени. Для подвода в нее жидкого топлива в корпусе 10 проделаны, например, наклонные каналы 28, соединенные с кольцевым каналом 21, а для подачи топлива в камеру закручивания 16 - тангенциально расположенные каналы 29. Последние могут быть выполнены с переменным сечение от большего к меньшему по направлению ко входу в камеру закручивания 16.
Горелка жидкотопливная состоит из системы подачи воздуха (первичного и вторичного) с закручиванием, форсунки центробежной, устройства регулирования положения форсунки относительно воздухоподающей системы.
Система подачи воздуха состоит из камеры 30 для подачи первичного воздуха, камеры 31 для подачи вторичного воздуха [Фиг.8, 9].
Камера 30 выполнена в виде плоского глухого цилиндра, снабженного патрубком 32 для соединения с вентилятором, и насажена на цилиндр 33; при этом полости камеры 30 и цилиндра 33 соединены отверстиями 34. Цилиндр 33 насажен соосно на трубу 35, которая имеет на рабочем конце камеру осевого завихрения 36 с выполненными внутри нее канавками осевого завихрения 37. Труба 36 снабжена внутри элементами крепления форсунки. Полость трубы 35 и полость цилиндра 33 соединены отверстиями 38. Камера 30, труба 35 и форсунка 44 установлены концентрично в камере 31 для закручивания вторичного воздуха.
Камера 31 выполнена в виде «улитки» центробежного вентилятора с лопастями 39 [Фиг.8, 9] и соединяется с ним тангенциально расположенным патрубком 40 для подачи вторичного воздуха в конус 41. Конус 41 соединен фланцем 42 с камерой 31 с одной стороны и снабжен фланцем 43 с другой стороны для присоединения горелки к фронту котла.
Центробежная форсунка 44 для подачи жидкого топлива установлена соосно в трубе 35 так, что рабочий конец ее расположен в камере осевого завихрения 36 первичного воздуха.
Горелка снабжена двумя аналогичными устройствами для регулирования положения форсунки 44 путем перемещения ее вдоль оси: одно из них служит для перемещения форсунки 44 вдоль оси относительно трубы 35, другое служит для перемещения трубы 35 вместе с форсункой 44 относительно воздухоподающих камер 30, 31.
Первое устройство для регулирования положения форсунки 44 [Фиг.10] выполнено в виде разрезной конической втулки 45, насаженной на форсунку 44 и снабженной на конце стопорной гайкой 46, для чего конец конической втулки 35 выполнен цилиндрическим и снабжен нарезкой; уклон втулки 45 сделан в направлении гайки 46. Коническая втулка 45 с форсункой установлены в торцевой гайке 47 конического отверстия трубы 35. При отвернутой гайке 46 (на 2-3 оборота) форсунка 44 способна перемещаться вдоль оси. Для фиксации отрегулированного положения форсунки 44 служит гайка 46.
Подобное же устройство служит для регулирования трубы 35 с жестко закрепленной в ней форсункой 44 относительно цилиндра 33 и камер 30 и 31. Оно выполнено в виде разрезной конической втулки 48, насаженной на трубу 35 и снабженной на конце гайкой 49; уклон конуса втулки 48 выполнен в направлении гайки 49. При отвернутой гайке 49 труба 35 подвижна в конусном отверстии торцевой гайки 50 цилиндра 33. Фиксация отрегулированного положения трубы 35 производится с помощью гайки 49.
Горелка работает следующим образом.
В «улитку» 31 вентилятора из внешнего источника подают воздух под давлением (вторичный воздух) по стрелке Б, при этом создается равномерно распределенный закрученный поток. Параллельно этому потоку воздуха из вентилятора через патрубок 32 поступает поток первичного воздуха, который направляется в камеру 30, затем через отверстие 34 в цилиндр 33 и через отверстие 38 в трубу 35, из которой выходит, закручиваясь в камере осевого завихрения 36 с помощью спиральных канавок 37 [Фиг.8].
Жидкое топливо подают насосом под давлением по гибкому шлангу через штуцер 25 по каналу 24 в цилиндрическую полость 23 корпуса форсунки, далее по каналам 22 топливо поступает в цилиндрический канал 21 и из него по тангенциально расположенным каналам 19 поступает в камеру закручивания 16 и затем через сопло 17 распыляется, образуя в раструбе 26 и впереди него конусообразный факел топлива [Фиг.3, 4, 5]. Последний распыляется закрученными потоками воздуха и поступает в зону горения.
По другому варианту поток топлива из цилиндрического канала 21 поступает по каналам 28 в камеру закручивания первой ступени 26, откуда также по тангенциальным каналам 29 поступает в камеру закручивания 16 второй ступени, а оттуда в сопло 17 с последующим распылением [Фиг.6, 7].
Для обеспечения оптимального режима горения форсунка 44 с помощью устройств регулирования устанавливается в нужное положение.
Для перемещения форсунки 44 относительно трубы 35 отвинчивают гайку 46 (на 2-3 оборота), прикладывают усилие Р к гайке 46 и двигают форсунку 44, после чего гайкой 46 фиксируют ее положение [Фиг.10].
Регулирование положения форсунки 44 может осуществляться также с помощью другого регулировочного устройства, основанного на том же принципе. Форсунку 44 перемещают вместе с трубой 35, предварительно отвинтив гайку 49, после чего фиксируют положение трубы 35 вместе с форсункой 44 стопорной гайкой 49 [Фиг.10]. Наблюдение за факелом осуществляется через наблюдательный глазок.
Предлагаемая горелка, снабженная центробежной форсункой, сконструированная с использованием предлагаемых способов распыления жидкого топлива, по сравнению с лучшими образцами аналогичного оборудования позволяет повысить скорость потоков жидкого топлива при закручивании перед соплом и при выходе из сопла, стабилизировать потоки жидкого топлива, повысить эффективность их распыления, создать оптимальный факел распыленного топлива, улучшить его контакт с закрученными потоками воздуха, оптимизировать характер пламени и повысить эффективность горения.
Основными достоинствами предлагаемой горелки по сравнению с отечественными и зарубежными образцами является:
- простота конструкции;
- простота обслуживания, эксплуатации и ремонта;
- надежность в эксплуатации;
- долговечность горелки, которая обеспечивается тем, что она не содержит вращающихся и подвижных деталей и узлов, а также не подвергается воздействию высоких температур благодаря эффективной технической характеристике воздухонаправляющего аппарата;
- низкие капитальные и текущие затраты при изготовлении и эксплуатации горелки;
- экономичность и улучшение эргономических показателей благодаря организации оптимального распыления топлива и оптимизации его горения в камере сгорания;
- в конструкции горелки предусмотрено использование материалов и комплектующих изделий только общемашиностроительного назначения, что значительно повышает показатель ремонтопригодности;
- горелка адаптирована к условиям различных камер горения для работы на любом виде топлива;
- горелка приспособлена для совместной работы с автоматикой безопасности котельного агрегата.
Горелка успешно прошла промышленные испытания.