СПОСОБ РАСПЫЛИВАНИЯ ЖИДКОГО ТОПЛИВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
SPRAYING METHOD OF LIQUID FUEL AND DEVICE FOR REALISATION THEREOF

Изобретение относится к теплоэнергетике и, кроме того, может быть использовано в химической промышленности для повышения мелкости распыливания жидкости.
Известен способ распыливания жидкого топлива, ближайший по технической сущности и взятый за прототип, реализованный устройством (см. заявка № 2003135466/06 от 04.12.2003 г.), включающий раздельный подвод жидкого топлива и пара в форсунку, подачу топлива через каналы топливного завихрителя и создание закрученной пленки топлива в вихревой камере, подачу пара через сквозные спиралевидные тангенциальные каналы парового завихрителя и формирование парового вихря в область выхода топливной пленки из вихревой камеры, выдавливание пленки топлива из вихревой камеры и ее дробление паровым вихрем.
Топливо подается в форсунку под давлением и продавливается через каналы топливного завихрителя в вихревую камеру, где под воздействием твердых стенок приобретает винтовое движение. Под действием центробежной силы топливные струи размазываются по криволинейной стенке при винтовом движении в вихревой камере и выдавливаются через сопловое отверстие в виде тонкой пленки.
Пар подают в форсунку по кольцевому зазору между корпусом форсунки и внутренними деталями. Пар продавливается через каналы парового завихрителя и формирует паровой вихрь в той области, куда вытекает топливная пленка из вихревой камеры. Поскольку давление подачи пара составляет величину 4 ати и выше, то на выходе из каналов парового завихрителя скорость пара достигает околозвуковой величины, но превысить скорость звука мешает форма каналов. В канале постоянного сечения скорость движения газа не может превысить величины Маха М=1.
Взаимодействие топливной пленки с паровым вихрем позволяет существенно повысить мелкость распыла топлива при невысоком давлении подачи самого топлива и увеличить диапазон регулирования расхода.
Недостатком данного способа распыливания является невысокая скорость истечения пара из каналов парового завихрителя. Паровые струи не срабатывают в каналах весь запас потенциальной энергии и вытекают из сопла в окружающее пространство в режиме недорасширения. Каналы парового завихрителя служат для того, чтобы наилучшим образом преобразовать потенциальную энергию давления подачи пара в кинетическую энергию потока. Спиралевидные каналы позволяют это осуществить с меньшей потерей полного давления в потоке при преобразовании энергии, чем прямолинейные. Но каналы постоянного сечения не позволяют разогнаться потоку выше скорости звука, хотя в потоке сохраняется для этого достаточный запас потенциальной энергии.
Известна форсунка для распыла жидкого топлива, ближайшая по технической сущности и взятая за прототип (см. заявка № 2003135466/06 от 04.12.2003 г.), состоящая из цилиндрического корпуса в форме стакана с паровым соплом в днище и установленных внутри корпуса с кольцевым зазором топливного завихрителя, представляющего собой полое тело вращения с каналами на плоском торце, топливного сопла с вихревой камерой и парового завихрителя, представляющего собой полое тело вращения со сквозными спиралевидными каналами, имеющими в сечении форму прямоугольника и выполненными в торце, обращенном к паровому соплу в днище корпуса.
Паромеханическая форсунка для распыливания жидкого топлива представляет собой полый цилиндрический стакан с плоским днищем, в котором выполнено центральное сквозное отверстие - паровое сопло. Это корпус, в котором установлены следующие детали. Топливный завихритель, представляющий собой полое тело вращения с торцами, из которых один заглушен, а противоположный выполнен плоским. В топливном завихрителе выполнено центральное глухое отверстие - вихревая камера, куда подается топливо через сквозные каналы, прорезанные в плоском торце завихрителя. Топливные каналы направлены по касательной к стенке вихревой камеры. К плоскому торцу топливного завихрителя примыкает плоский торец топливного сопла, также представляющего собой полое тело вращения с плоскими торцами и продолжением вихревой камеры в центре. Вторым плоским торцом топливное сопло обращено к паровому соплу, выполненному в днище корпуса, а вихревая камера заканчивается сопловым отверстием, выполненным в плоскости второго торца. Снаружи топливного сопла располагается паровой завихритель, также представляющий собой полое тело вращения с плоскими торцами, одним из которых он стыкуется с упором на топливном сопле, а на другом плоском торце нарезаны сквозные спиралевидные каналы. Этим торцом паровой завихритель примыкает к днищу корпуса.
Система каналов в топливном завихрителе формирует вращательное движение топлива в вихревой камере, а центробежные силы, возникающие при искривлении направления движения потока, размазывают топливо по стенке в виде тонкой пленки.
К плоскому торцу топливного завихрителя примыкает плоский торец топливного сопла, представляющего собой полое тело вращения с торцом, у которого выполнено центральное сквозное отверстие - продолжение вихревой камеры. Вихревая камера внутри топливного сопла представляет собой продолжение вихревой камеры, выполненной внутри топливного завихрителя. Вихревая камера в топливном сопле сужается в направлении от топливного завихрителя и заканчивается сопловым отверстием с острыми кромками, через которое закрученная пленка топлива выдавливается наружу.
Поток топлива выполняет внутри вихревой камеры винтовое движение в направлении соплового отверстия и далее топливная пленка вытекает из соплового отверстия в виде полого конуса в паровой вихрь.
Спиралевидные каналы, выполненные в стенках плоского торца парового завихрителя, в сечении имеют форму прямоугольника и постоянную площадь сечения по длине.
Недостатком форсунки для распыла жидкого топлива, взятой за прототип, является несовершенная форма каналов парового завихрителя. Для более эффективного аэродинамического дробления мазутной пленки следует повышать скорость паровых струй, вытекающих из каналов парового завихрителя. Перепад давления между входным и выходным сечениями паровых каналов позволяет достичь значительной сверхзвуковой скорости истечения пара из каналов. Этому препятствует форма каналов. В канале постоянного сечения нельзя разогнать поток выше скорости звука.
Предложенный способ распыливания жидкого топлива состоит в следующем.
Распыливание топлива паромеханической форсункой "Вулкан" (см. фиг.1, 2, 3) протекает в несколько этапов, в каждом из которых поток топлива становится все менее компактным и приобретает все большую поверхность. Первый этап заключается в разделении сплошного потока жидкости на несколько струй в каналах топливного завихрителя. Второй этап заключается в деформации нескольких струй в тонкую пленку жидкости в вихревой камере. Третий этап заключается в истечении тонкой пленки жидкости из соплового отверстия в высокоскоростной паровой вихрь, где происходит дробление пленки на отдельные капли, их дальнейшее размельчение и испарение при высокой относительной скорости взаимодействия. На этом этапе топливным каплям придается дополнительный импульс паровым вихрем и в дальнейшем топливные капли с большей скорость соударяются со спутным воздушным потоком, обтекающим форсунку, чем обеспечивается повышение интенсивности их аэродинамического дробления.
Паромеханическая форсунка позволяет обеспечить высокое качество распыла топлива при невысоком давлении его подачи за счет дополнительного воздействия на вялую пленку топлива, вытекающего из соплового отверстия вихревой камеры, высокоинтенсивного парового вихря. Создание парового вихря в той области, куда осуществляется истечение вялой пленки топлива, приводит к существенному увеличению относительной скорости их взаимодействия. Топливная пленка увлекается паровым вихрем, а повышение скорости движения топливных капель интенсифицирует их аэродинамическое дробление.
Интенсивность воздействия парового вихря на топливную пленку определяется скоростью паровых струй, вытекающих из паровых каналов.
В форсунке паровые каналы выполнены на плоском торце парового завихрителя и имеют в сечении форму прямоугольника. Для достижения сверхзвуковой скорости движения пара на выходе из каналов, каналы должны иметь сужающуюся часть определенной длины и формы. Должно иметься в канале горло, размер которого определяется из условия обеспечения расхода пара при располагаемом перепаде давления в канале. За горлом выполняется расширяющаяся часть канала, называемая сверхзвуковым соплом. В канале постоянного сечения возможно разогнать поток до околозвуковой скорости при наличии достаточного перепада давления и достаточной длины. Но для достижения скорости выше скорости звука необходимо наличие за горлом канала расширяющегося участка - сопла.
На фиг.4 представлена схема такого канала. Канал выполнен криволинейным и имеет переменное сечение по длине. Входной участок канала выполнен сужающимся за счет формы обеих стенок. Скорость движения в таком канале увеличивается по длине и достигает в горле скорости звука. За горлом канал выполнен расширяющимся за счет того, что внутренняя стенка канала отклонена к центру кривизны канала, а внешняя стенка выполнена в форме спирали Архимеда для обеспечения плавного поворота потока вдоль стенки канала. За срезом сопла поток имеет направление, перпендикулярное плоскости среза сопла, и приобретает вращательное движение лишь под действием твердых стенок внутренней поверхности парового завихрителя. При этом в месте натекания сверхзвукового потока на твердую стенку, у нее наблюдается значительный эрозионный износ.
Для значительного разгона потока в канале необходима достаточная толщина стенок торца парового завихрителя, поскольку необходимо обеспечить длину канала, в том числе и его сверхзвуковой части. Обычно этой толщины оказывается недостаточно, и для разгона потока до сверхзвуковой скорости при меньшей длине канала следует выполнять сверхзвуковую часть канала в виде сопла с косым срезом (см. фиг.5), т.е. с угловой точкой. В этом случае, за горлом канала внутренняя стенка выполняется с точкой излома, за которой стенка отсутствует, сопло получается короче. Сверхзвуковой поток разгоняется за счет выполнения поворота вокруг точки излома контура, разгоняется в веере волн разрежения и отклоняется от внешней стенки. Сопло с косым срезом интереснее обычного расширяющегося каната тем, что за таким соплом поток поворачивается от внешней стенки к центру кривизны канала и эрозионный износ внешней стенки на некоторой длине замедляется.
Для соблюдения условия безударного натекания потока за сверхзвуковым соплом на внешнюю стенку и исключения ее эрозионного износа следует выполнять профилирование сверхзвуковой части сопла по закону свободного вихря VR=const. В таком потоке распределение параметров соответствует закону свободного вихря (см.фиг.6), а именно: скорость потока по мере приближения к центру вращении увеличивается, а статическое давление уменьшается. Поток стремится повернуться в сторону более низкого давления. При этом поток продолжает криволинейное движение за срезом сопла и отклоняется от внешней стенки к центру кривизны канала. Эрозионный износ внешней стенки отсутствует.
Предложенный способ распыливания жидкого топлива позволяет повысить мелкость распыла топлива при неизменном давлении подачи и расходе распыливающего агента или же уменьшить давление подачи и расход распыливающего агента при более высоком качестве распыла по сравнению со способом, взятым за прототип.
Целью изобретения является повышение мелкости распыливания жидкого топлива паромеханической форсункой.
Технический результат достигается за счет того, что в способе распыливания жидкого топлива, включающем раздельный подвод жидкого топлива и пара в форсунку, подачу топлива через каналы топливного завихрителя и создание закрученной пленки топлива в вихревой камере, подачу пара через сквозные спиралевидные тангенциальные каналы парового завихрителя и формирование парового вихря в область выхода топливной пленки из вихревой камеры, выдавливание пленки топлива из вихревой камеры и ее дробление паровым вихрем, паровой поток разгоняют до сверхзвуковой скорости в сквозных спиралевидных тангенциальных каналах парового завихрителя, имеющих сужающуюся часть, горло и расширяющуюся часть, формируют вращательное движение пара в той области, куда вытекает пленка топлива из вихревой камеры, и дробят ее паровым вихрем.
В форсунке, состоящей из цилиндрического корпуса в форме стакана с паровым соплом в днище и установленных внутри корпуса с кольцевым зазором топливного завихрителя, представляющего собой полое тело вращения с каналами на плоском торце, топливного сопла с вихревой камерой и парового завихрителя, представляющего собой полое тело вращения со сквозными спиралевидными каналами, имеющими в сечении форму прямоугольника и выполненными в торце, обращенном к паровому соплу в днище корпуса, каналы парового завихрителя имеют сужающуюся часть, горло и расширяющуюся часть.
Предлагается второй вариант конструкции форсунки, в которой каналы парового завихрителя образуют в расширяющейся части за горлом сопло с косым срезом, причем угловую точку сопла образует внутренняя стенка на его срезе.
Также предлагается конструкция форсунки, в которой каналы парового завихрителя образуют в расширяющейся части за горлом сопло с течением свободный вихрь.
На фиг.1 представлен продольный разрез паромеханической форсунки «Вулкан».
На фиг.2 представлено характерное сечение форсунки в плоскости расположения спиралевидных каналов парового завихрителя.
На фиг.3 представлено характерное сечение форсунки в плоскости расположения спиралевидных каналов топливного завихрителя.
На фиг.4 представлена схема течения в канале парового завихрителя. Показан сужающийся участок, горло канала и расширяющийся участок за горлом. Изображены линии тока, представляющие характер течения в канале.
На фиг.5 представлена схема течения в сопле с косым срезом. Показана угловая точка на внутренней стенке среза сопла, веер волн разрежения и поворот потока вокруг угловой точки. Скорость потока в канале увеличивается.
На фиг.6 представлена схема течения в сопле со свободным вихрем. Обе стенки канала на расширяющемся участке спрофилированы таким образом, что внешняя стенка генерирует волны сжатия в потоке, а внутренняя стенка генерирует в потоке волны разрежения. Поток поворачивается и разгоняется в системе этих волн.
Форсунка состоит из следующих элементов: корпуса форсунки (1) (см.фиг.1), топливного завихрителя (2), топливного сопла (3), парового завихрителя (4), прокладки медной (5) и основания (6). Корпус (1), представляющий собой полый цилиндрический стакан с плоским днищем, в центре которого выполнено паровое сопловое отверстие (8), навинчивается на основание (6) и служит для уплотнения внутренних деталей (2), (3) и (4) между собой, а также их поджатия к основанию (6), которое приварено к трубам мазутной и паровой магистралей.
Топливный завихритель (2) представляет собой полое тело вращения со спиралевидными сквозными тангенциальными каналами в стенках плоского торца, примыкающего к торцу топливного сопла (3), и с осесимметричной вихревой камерой (7) в центре. Топливное сопло также представляет собой полое тело вращения с плоским торцом и со сквозным коническим центральным отверстием, которое представляет собой продолжение вихревой камеры и заканчивается сопловым отверстием с острыми кромками.
Паровой завихритель (4) представляет собой полое тело вращения со сквозными спиралевидными тангенциальными каналами (9) на плоском торце, обращенном к паровому соплу, выполненному в днище корпуса, имеющими сужающуюся часть, горло и сверхзвуковое сопло.
Работает форсунка следующим образом. Топливо подается через центральное отверстие основания в каналы топливного завихрителя и продавливается через них в вихревую камеру. В вихревой камере отдельные струи топлива размазываются по стенке в виде однородной пленки, которая вытекает из соплового отверстия в виде полого конуса.
Пар подается под давлением по кольцевому каналу между корпусом и внутренними деталями на вход в сквозные тангенциальные каналы (9) парового завихрителя. При движении внутри каналов, имеющих сужающуюся часть, горло и сверхзвуковое сопло, пар разгоняется до сверхзвуковой скорости, а твердые стенки внутренней поверхности парового завихрителя отклоняют паровые струи от прямолинейного направления за срезом сопла и формируют вращательное движение пара в той области, куда вытекает топливная пленка из вихревой камеры. Топливная пленка интенсивно дробится высокоскоростным паровым вихрем в области их взаимодействия.
Положительный эффект от использования предлагаемого способа при распыливании жидкого топлива форсунками на тепловых станциях заключается в повышении мелкости распыла топлива при неизменном давлении подачи пара на распыл, а также в снижении необходимого давления подачи пара на распыл при неизменно высоком качестве распыливания, что позволяет обеспечить повышение полноты выгорания топлива, снижение необходимого избытка воздуха в топке котла, уменьшение необходимого количества пара для качественного распыла топлива и более высокий кпд.