ФОРСУНКА "ФАКЕЛ-ВУТ" ДЛЯ РАСПЫЛИВАНИЯ ВОДОУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА
NOZZLE "FLARE-HAUNCH" FOR SPRAYING OF WATER-COAL FUEL

Изобретение относится к теплоэнергетике и топливной промышленности и предназначено для распыливания и сжигания в топках котлов водоугольных топлив, назначение которых - замена дорогих углеводородных топлив. Новая технология открывает перед угольной промышленностью значительные перспективы для газификации углей, замены мазутов, а в дальнейшем и моторных топлив при использовании новой технологии углепереработки, основанной на новых принципах и аппаратах.
Водоугольное топливо (ВУТ) представляет собой жидкую суспензию - взвесь мелкоразмолотой угольной пыли в воде и по своим физическим свойствам подобно мазуту - жидкому углеводородному топливу, которое в основном используется в энергетике. Водоугольная суспензия обладает высоким абразивным свойством, существенно более высоким, по сравнению с мазутом. По этой причине, ВУТ транспортируется по трубам с небольшим давлением подачи и его качественное распыливание в форсунках без использования распытителя невозможно.
Известна паромеханическая форсунка для распыливания жидкого топлива (см. Хзмалян Д.М., Каган Я.А. Теория горения и топочные устройства. М., Энергия, 1976 г., стр.194…195), включающая корпус, установленный в нем топливный завихритель, представляющий собой полое осесимметричное тело с плоскими параллельными торцами, имеющий вихревую камеру - внутреннюю полость, представляющую собой глухое центральное отверстие. На выходном плоском торце завихрителя-нарезаны топливные каналы, тангенциально по отношению к стенкам внутренней полости. Каналы выходят во внутреннюю полость. За топливным завихрителем установлен паровой завихритель, также представляющий собой полое осесимметричное тело с плоскими параллельными торцами, с внутренней полостью и каналами, нарезанными на выходном плоском торце, хордально по отношению к стенкам внутренней полости. Закрученная пленка топлива выбрасывается из внутренней полости топливного завихрителя и кратковременно взаимодействует с паровым вихрем во внутренней полости парового завихрителя. Направление вращения вихрей одинаковое и высокоэнергетичный паровой вихрь подхватывает вялый топливный вихрь на выходе из внутренней полости топливного завихрителя.
Недостатком данной форсунки является плохое качество распыливания топлива. Мелкость распыла топлива форсункой определяется тем, насколько интенсивно и насколько долго топливные и паровые вихри взаимодействуют между собой. Недостаточная длина внутренней полости парового завихрителя приводит к тому, что струи топлива и пара вступают во взаимодействие буквально на выходе из внутренней полости и покидают форсунку со значительным запасом кинетической энергии, которую можно считать потерянной.
Известна вихревая форсунка для распыливания вязких топлив ближайшая по технической сущности и взятая за прототип (см. Заявка №99114206 Форсунка вихревая. 1999 г.), состоящая из полого цилиндрического корпуса с сопловым устройством и установленных внутри корпуса с кольцевым зазором топливного завихрителя и парового блока, представляющие собой полые тела вращения с плоскими торцами, сопловое устройство выполнено в виде полого съемного колпачка с пазами на сферическом торце.
Конструкция форсунки, взятой за прототип, позволяет существенно повысит степень подготовки топлива внутри форсунки по сравнению с типовой форсункой, т.е. повысить мелкость капель вытекающей из форсунки эмульсии. Эта конструкция форсунки выгодно отличается тем, что паровой блок, имеет собственную развитую внутреннюю полость, которая пристыкована к внутренней полости топливного завихрителя и они представляют собой одно целое. И паровые каналы парового блока и топливные каналы топливного завихрителя выходят во внутреннюю полость, где паровые и топливные струи интенсивно перемешиваются до того, как покинуть форсунку. Известно, что взаимодействие потоков в замкнутом пространстве протекает значительно интенсивнее, чем в открытом объеме.
Недостатком вихревой форсунки, взятой за прототип, является ее критически малый ресурс работы при распыливании ВУТ. Паро-топливные высокоскоростные вихри обладают сильным абразивным эффектом и в короткое время выедают внутреннюю поверхность и каналы парового блока, топливного завихрителя и соплового устройства (проверено опытным путем).
Целью настоящего изобретения является увеличение срока службы форсунки при распыливании водоугольного топлива и упрощение конструкции соплового устройства.
Технический результат достигается за счет того, что в форсунке, включающей полый цилиндрический корпус с сопловым устройством и установленные внутри корпуса с кольцевым зазором топливный завихритель и излучатель, представляющие собой полые тела вращения с плоскими торцами, у топливного завихрителя на торце, обращенном к сопловому устройству, выполнен кольцевой выступ по внутреннему диаметру, и у излучателя на торце, обращенном к сопловому устройству, также выполнен кольцевой выступ по внутреннему диаметру, а лобовая часть соплового устройства выполнена в виде усеченного конуса.
Предлагаемая форсунка относится к форсункам с распылителем, т.е. распыл топлива осуществляется паром или воздухом. Объемый расход распылителя в 500-700 раз больше расхода ВУТ, а массовый расход топлива 500-700 раз больше расхода распылителя. Первоначальное дробление топливной пленки осуществляется сверхзвуковыми струями распылителя, разгоняющимися и вытекающими из каналов излучателя. В излучателе создается эффект ультразвукового свистка, излучающего сверхзвуковые колебания, интенсифицируя тем самым, процесс размельчения ВУТ. Дальнейшее измельчение топливных фрагментов осуществляется струями распылителя в полости излучателя и соплового устройства. При этом в местах первичного и вторичного взаимодействия вихревых потоков распылителя с ВУТ, т.е. на выходе из каналов излучателя, происходит их колоссальный износ, за счет того, что мельчайшие частица водоугольного топлива, похватываемые потоком высокоскоростного распылителя, приобретают высокую скорость и выедают каналы излучателя, его внутреннюю полость и внутреннюю полость соплового устройства форсунки. Автором предложено внести в конструкцию устройства кольцевые выступы по внутреннему диаметру топливного завихрителя и излучателя. Образующиеся защитные экраны, нависающие над паровыми каналами излучателя, препятствуют эжектированию (подсасыванию) абразивного водоугольного топлива в каналы с вихревыми потоками распылителя, тем самым перенося место взаимодействия во внутреннюю полость излучателя и соплового устройства, значительно уменьшая износ тонкостенных каналов излучателя и увеличивая ресурс форсунки. Выполнение лобовой части соплового устройства в виде усеченного конуса, а не в виде полусферы значительно упрощает ее изготовление и конструкцию.
Предложенная конструкция форсунки имеет много общего с конструкцией, взятой за прототип. Устройство корпуса отличается наличием внутреннего упорного выступа вместо внешней резьбы для фиксации соплового устройства. Конструкция излучателя отличается от конструкции парового блока тем, что отсутствует осевая перфорированная перегородка, внутренняя полость теперь не цилиндрической формы, а цилиндр с усеченным конусом, направленным к выходному торцу.
На фиг.1 представлена схема форсунки «Факел-ВУТ» для распыливания водоугольного топлива.
На фиг.2 представлена схема топливного завихрителя.
На фиг.3 представлена схема излучателя.
Форсунка состоит из полого цилиндрического корпуса 1, топливного завихрителя 3 и излучателя 2, соплового устройства 4, прокладки 5 и основания 6.
Корпус 1 имеет внутреннюю резьбу на одном конце для навинчивания его на основание 6 и внутренний уступ на противоположном для упора съемного соплового устройства 4 с днищем в виде усеченного конуса. Сопловое устройство, топливный завихритель 3 и излучатель 2 вставлены внутрь корпуса. С одной стороны к основанию 6 приваривается трубы паровой (воздушной) и топливной магистралей, а в цилиндрическую втулку, на противоположной стороне основания вставляется полый цилиндрический топливный завихритель 3, имеющий тангенциальные каналы для подачи ВУТ во внутреннюю полость форсунки. Излучатель 2 представляет собой полое тело вращения, на периферии которого имеются направляющие выступы для центрирования его внутри корпуса, а на обоих концах выполнены каналы для подачи распылителя из кольцевого зазора во внутреннюю полость форсунки. Внутренняя полость представляет собой сквозное центральное отверстие коническо-цилинрической формы.
Работает форсунка «Факел-ВУТ» следующим образом. Водоугольное топливо подается под давлением по топливной магистрали во внутреннюю полость основания 6 к входному торцу топливного завихрителя 3, продавливается по тангенциальным каналам во внутреннюю полость и далее движется закрученным потоком в направлении излучателя 2, совершая винтовое движение и формируя во внутренней полости топливный вихрь.
Распылитель подается под давлением по магистрали в кольцевой зазор между внутренней поверхностью корпуса 1 и внутренними деталями 2 и 3, между направляющими выступами на периферии излучателя и через каналы излучателя поступает во внутреннюю полость, формируя вихрь. Во внутренней полости излучателя вихри сталкиваются и топливный вихрь испытывает воздействие вихря распылителя. В сопловом устройстве, представляющем собой полый усеченный коническо-цилиндрический колпачок с отверстиями на боковой поверхности конуса, продолжается интенсивное перемешивание топливных фрагментов и распылителя. Процесс подготовки топливной смеси завершается истечением его из отверстий соплового устройства и соударением со спутным потоком воздуха.
Положительный эффект от использования предлагаемой конструкции форсунки для водоугольного топлива на тепловых станциях и котельных заключается в значительном увеличении ресурса форсунки без ухудшения качества распыливания.