ФОРСУНКА "ЗИМА"
JET OF TYPE "WINTER"

Изобретение относится к оборудованию для перемешивания и подачи жидкости регулируемого расхода для охлаждения, мойки, очистки изделий, а более конкретно к струйным форсункам и предназначено для использования преимущественно в системах охлаждения рабочих валков прокатных станов.
Известна форсунка с регулируемым соплом, состоящая из корпуса со сквозным каналом, заканчивающимся расширяющимся полым конусом, и поворотного конуса, помещенного внутри полого конуса с зазором, регулируемым с помощью навернутой на корпус регулирующей гайки, соединенной перемычками с поворотным конусом, и фиксацией ее в требуемом положении с помощью контргайки (Завьялов С.Н. «Мойка автомобилей. Технология и оборудование» М., «Транспорт», 1994, стр.47-48), причем регулируемое сопло форсунки образовано за счет изменения площади живого сечения кольцевого зазора между полым и поворотными конусами, а регулирование расхода жидкости осуществляется перемещением поворотного конуса при заворачивании или отворачивании регулирующей гайки.
Недостатком этой форсунки является невозможность автоматического управления расходом жидкости, вследствие фиксации поворотного конуса в требуемом положении с помощью контргайки, что предполагает только ручное управление. Таким образом форсунка не может быть использована в системах, где требуется постоянное изменение расхода жидкости в ходе ведения технологического процесса, например в системах селективного охлаждения рабочих валков прокатных станов.
Кроме этого, форсунке данной конструкции присуща склонность к отложениям загрязнений в местах соединения перемычками полого и поворотного конусов. Загрязнения, постоянно присутствующие в охлаждающих жидкостях, например, в виде волосовин, нитей и коагулированных частиц отработанной технологической смазки, окалины и металлических частичек, образующихся от истирания валков при контакте с прокатываемой полосой в очаге деформации, постепенно забивают проходные отверстия, способствуя их зарастанию. Использование такой засоренной форсунки в системах охлаждения валков прокатных станов приводит к местным перегревам бочки валка и к ухудшению качества прокатываемой полосы, что в свою очередь вызывает непроизводительные простои стана из-за необходимости чистки или замены охлаждающих устройств с загрязненными каналами.
Известна струйная плоско-факельная форсунка, принятая в качестве прототипа, содержащая корпус с выходным щелевым соплом, выполненным в сферической насадке, внутри которой с некоторым зазором установлена шаровая вставка, имеющая возможность перемещения по оси сопла при помощи регулировочного винта (патент US 3702175, МКИ F23D 11/16).
При осевом перемещении шаровой вставки изменяется зазор между ней и сферической насадкой, что позволяет регулировать расход подаваемой через форсунку жидкости. Протекая через упомянутый зазор, жидкость делится на два потока, которые сталкиваются перед сопловым отверстием, дополнительно турбулизируются и, покидая сопловый канал, образуют плоскую струю, распадающуюся на более мелкие капли.
Эта форсунка может быть использована в автоматических системах регулирования расхода, однако ее существенным недостатком является незначительный диапазон регулирования (порядка 9-11%) общего расхода охлаждающей жидкости, обусловленный тем, что проходное сечение сопла остается неизменным, а регулирование расхода осуществляется только за счет изменения зазора между шаровой вставкой и сферической насадкой. Кроме этого, происходит значительное (до 90-100%) перераспределение подачи жидкости между центром и периферийными областями факела распыла жидкости. При максимальном удалении шаровой вставки от щелевого сопла максимальная плотность орошения наблюдается в центре, с приближением ее к соплу наступает момент, когда распределение жидкости в факеле распыла становится более ровным, а при дальнейшем перемещении максимум плотности орошения жидкости перемещается к периферии. При использовании такой форсунки в системе селективного охлаждения валков прокатного стана любое требуемое изменение расхода подаваемой жидкости приведет к перераспределению подачи охлаждающей жидкости даже в пределах одной зоны охлаждаемого валка, что вызовет дестабилизацию температурного режима и тепловой выпуклости валка, а следовательно, приведет к ухудшению качества полосы, а именно, к появлению дефектов неплоскостности типа «волнистость» - на краях полосы, типа «коробоватость» - в середине полосы, а чаще всего будет приводить к появлению «местной» и смешанных видов дефектов неплоскостности прокатываемой полосы.
К недостаткам этой форсунки относится также отсутствие во внутренних полостях форсунки между шаровой вставкой и сферической насадкой элементов, предотвращающих отложение загрязнений, а также отсутствие средств самоочистки от загрязнений, Между тем, при выпадении в осадок сгустков частиц пальмового масла или мелкодисперсных продуктов разложения других технологических смазок, образующихся при высоких температурах в очаге деформации, при попадании в переохлажденную циркулирующую жидкость происходит процесс коагуляции с образованием крупных частиц, выпадение которых в осадок приводит к зарастанию проходных отверстий, особенно при низких температурах окружающей среды, например, зимой.
Задача, решаемая изобретением, заключается в увеличении диапазона регулирования расхода жидкости путем изменения конфигурации, геометрических размеров и взаимного расположения вставки и насадки, при обеспечении равномерности распределения распыла жидкости в факеле посредством интенсивной турбулизации потоков жидкости в камере закручивания и формирования плоскоструйной формы потока на предварительной стадии при выходе жидкости из выпускного отверстия.
Эта задача решается следующим образом.
В известной струйной регулируемой форсунке, содержащей корпус с внутренней цилиндрической полостью, в котором имеются впускное и выпускное отверстия, насадку с выходным щелевым соплом, установленную на выходе из выпускного отверстия, вставку, размещенную во внутренней цилиндрической полости с возможностью перекрытия щелевого сопла и смонтированную с возможностью перемещения от винтового привода, согласно изобретению продольная ось внутренней цилиндрической полости размещена перпендикулярно направлению истечения жидкости, винтовой привод размещен по продольной оси цилиндрической полости и выполнен в виде поворотного вала с винтовыми участками разнонаправленной резьбы с ограничительным буртом между ними, а вставка выполнена в виде двух дисков, соответствующих диаметру цилиндрической полости, каждый из которых смонтирован на соответствующем участке резьбы с возможностью взаимного стыкования и разведения и зафиксирован от проворота внутри цилиндрической полости, например шпонкой.
На стыкуемой торцевой поверхности каждого диска выполнены идентичные сопрягаемые полуцилиндрическое и четвертьсферическое углубления, причем сферический участок размещен со стороны сопла.
Впускное отверстие корпуса форсунки выполнено овальным, а площадь его сечения превышает площадь живого сечения форсунки на уровне оси цилиндрической полости корпуса при максимально разведенных дисках, что расширяет диапазон регулирования расхода жидкости, пропускаемой через форсунку. Для предварительного формирования высокодинамичного плоскоструйного факела выпускное отверстие корпуса форсунки выполнено прямоугольным с закруглениями по углам, а площадь его сечения составляет часть площади впускного отверстия, причем оптимальные соотношения впускного и выпускного отверстий находятся расчетным или экспериментальным путем на основе исходных данных и назначения форсунок. Выходное щелевое сопло насадки изготовлено из пластины и выполнено в виде продолговатого канала с профильной образующей, например, конической или коноидальной формы сечения, сужающегося в направлении истечения жидкости.
Насадка с щелевидным соплом выполнена в виде сменного пластинчатого элемента из нержавеющих материалов, например, износостойких пластмасс, титановых сплавов или карбидов металлов. Для быстросъемного соединения насадки с планкой корпуса форсунки используется конструкция типа «ласточкин хвост». Поверхность ограничительного бурта поворотного вала винтового привода снабжена сопрягаемыми по середине участками разнонаправленной треугольной или трапецеидальной резьбы.
На фиг.1 изображен общий вид предлагаемой форсунки в закрытом положении (диски состыкованы).
На фиг.2 изображен вид на форсунку снаружи с выходной стороны щелевого сопла.
На фиг.3 изображен поперечный разрез форсунки в закрытом положении.
На фиг.4 изображен общий вид предлагаемой форсунки в открытом промежуточном положении (диски разведены в заданное положение, обеспечивающее необходимый расход жидкости).
На фиг.5 изображен продольный разрез форсунки в максимально открытом положении.
На фиг.6 изображен поперечный разрез форсунки в открытом положении при подаче жидкости
Форсунка содержит корпус 1, в котором имеется продольная цилиндрическая полость 2, впускное отверстие 3 и выпускное отверстие 4, размещенные симметрично относительно поперечной оси цилиндрической полости 2, а на наружной поверхности корпуса 1 над выпускным отверстием 4 смонтирована насадка 5 с выходным щелевым соплом 6. Внутри цилиндрической полости 2 на подшипниках скольжения 7 и 8 торцевых крышек 9 и 10 смонтирован поворотный вал 11, связанный с приводом поворота (на чертеже не показан), на котором выполнены два симметричных участка 12 и 13 разнонаправленной, например, треугольной резьбы и ограничительный бурт 14 между ними. На резьбовых участках 12 и 13 установлены взаимодействующие с ними посредством ответной резьбы диски 15 и 16, диаметр которых соответствует диаметру цилиндрической полости 2, при этом от проворота диски 15 и 16 зафиксированы установленными в них шпонками 17 и 18, с возможностью осевых перемещений каждого из дисков 15 и 16 со шпонками вдоль шпоночного паза 19, выполненного на внутренней поверхности цилиндрической полости 2 параллельно ее образующей.
На смежных торцевых поверхностях каждого диска 15 и 16 выполнены идентичные сопрягаемые полуцилиндрическое 20 и четвертьсферическое 21 углубления, причем полуцилиндрические углубления 20 размещены со стороны входного отверстия 3, а смежные с ними четвертьсферические углубления 21 обращены в сторону выпускного отверстия 4, переходящего в щелевое сопло 6. Впускное отверстие 3 корпуса 1 форсунки выполнено овальным, а площадь его сечения более чем на 33-66% превышает площадь живого сечения форсунки на уровне оси цилиндрической полости 2 корпуса 1 при максимально раздвинутых дисках 15 и 16, причем указанное соотношение определяется требуемым монотонным характером зависимости расхода жидкости от изменения междискового зазора, а выпускное отверстие 4 корпуса 1 форсунки выполнено прямоугольным с радиусными закруглениями по углам, при этом выходное щелевое сопло 6 насадки 5 выполнено в виде продолговатого канала с профильной образующей 22, например, конической или коноидальной формы, сужающегося в направлении истечения жидкости.
Поверхность ограничительного бурта 14 поворотного вала 11 винтового привода снабжена сопрягаемыми по середине участками 23 и 24 разнонаправленной, например, трапецеидальной резьбы. Насадка 5 выполнена в виде сменного пластинчатого элемента из нержавеющих материалов, например износостойких пластмасс, титановых сплавов или карбидов металлов, и закреплена на корпусе 1 посредством быстроразъемного соединения типа «ласточкин хвост», образованного скошенными поверхностями насадки 5 и планки 25, зафиксированной на корпусе 1 винтами 26.
Форсунка работает следующим образом.
В исходном положении диски 15 и 16 находятся в состыкованном положении, щель между ними отсутствует и жидкость в выпускное отверстие 4 и щелевое сопло 6 не поступает.
В начале работы на впускное отверстие 3 подают жидкость номинального гидравлического давления, после чего приводят во вращение поворотный вал 11 в заданное положение, обеспечивающее необходимый расход жидкости, подаваемой через форсунку, при этом диски 15 и 16, благодаря разнонаправленной резьбе соответствующих участков поворотного вала 11 и фиксации их от проворота шпонками 17 и 18, расходятся, щель между ними раскрывается, жидкость поступает в полость, образованную углублениями 20, 21, и далее через упомянутую щель в выпускное отверстие 4 и в щелевое сопло 6. При подаче жидкости во впускное отверстие 3 происходит предварительное смешение и распределение ее на потоки: А, С - периферийные (ложковые) и В - центральные (кольцевые), которые, сталкиваясь с резьбовой поверхностью, омываемой жидкостью с обеих сторон на участках 12, 13, 23, 24 поворотного вала 11, делятся на разнонаправленные струи, интенсивно турбулизируются с разрушением и измельчением струй и содержащихся в них инородных частиц и сгустков на более мелкие включения, и в измельченном состоянии все три потока попадают в выпускное отверстие 4, где под воздействием центробежных сил, приобретенных струями при омывании четвертьсферических углублений 21 и полуцилиндрических поверхностей 20 внутренней полости в пределах междискового пространства, образует предварительный плоскоструйный поток перемешанной жидкости, поступающий в сужающееся щелевое сопло 6, например, коноидальной формы, в котором происходит окончательное формирование высокодинамичного плоскоструйного факела распыла жидкости требуемых характеристик, в соответствии с заложенными проектными параметрами форсунки и гидравлическими данными жидкости. Одновременно и непрерывно происходит процесс самоочистки жидкости и полостей форсунки от имеющихся в ней загрязнений. При этом за счет прогонки дисков на поворотном вале из открытого положения вставки в закрытое исходное достигается дополнительное механическое разрушение коагулированных частиц и других загрязнений, путем измельчения на острых гребнях резьбы, динамического смыва и выноса из форсунки через щелевое сопло, благодаря возрастающей скорости жидкости в сокращаемом междисковом зазоре.
Преимущества предлагаемой форсунки заключаются в следующем. Функции регулирования расхода жидкости и формирования геометрии факела распыла жидкости решены раздельными способами и средствами. Причем регулирование расхода жидкости осуществляется за счет изменения проходного сечения вставки, выполненной из двух раздвижных дисков, установленных в цилиндрической полости корпуса форсунки, ось которой перпендикулярна оси впускного и выпускного отверстий форсунки, при этом регулирование кольцевого междискового зазора позволяет значительно изменять общий расход жидкости, пропускаемой через форсунку, практически от нулевого до максимального, рассчитанного на проходное сечение сопла форсунки. Это позволяет в 3,5-6,6 раза расширить диапазон регулирования расхода жидкости, пропускаемой через щелевое сопло форсунки.
За счет выбора при проектировании параметров впускного и выпускного отверстий, а также формы междисковых каналов обеспечивают требуемую расходную характеристику и необходимые углы раскрытия плоскоструйного распыла факела форсунки.
Наряду с этим, благодаря размещению во внутренней полости корпуса форсунки поворотного вала с ограничительным буртом в средней части вала и нанесенными на его поверхности участками винтовой разнонаправленной резьбы с установленными на них по обе стороны от бурта раздвижными дисками для пропуска жидкости регулируемого расхода к щелевому соплу, достигается эффект самоочистки форсунки за счет интенсивного перемешивания, разрушения и размельчения коагулированных частиц с выносом загрязнений из форсунки. Причем за счет перемещения винтовых пар из исходного закрытого положения в другое крайнее открытое положение дополнительно достигается эффект механического разрушения и выноса загрязнений, и становится возможной автоматизация процесса очистки полостей форсунки с использованием датчиков и механизма привода вращения поворотного вала (на чертеже не показаны).
Использование пластинчатой формы насадки с щелевым соплом упрощает изготовление и замену насадки при эксплуатации.