ФОРСУНКА Г.Д.ДЖАХАЕВА Российский патент 2000 года по МПК F23D11/12 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в котельно-топочной технике для подачи жидкого топлива в камеры сгорания котлов, печей и других топливоиспользующих установок.

Известна форсунка, содержащая корпус, втулки, коаксиально установленные в нем с образованием кольцевой топливной щели и внутреннего и периферийного каналов для подачи распылителя, с соответствующими выходными соплами в виде кольцевых рядов щелевых прорезей, смещенных в окружном направлении в смежных рядах, причем продольные оси прорезей наружного ряда ориентированы к оси форсунки, а внутреннего ряда - от оси форсунки (см. авт. св. СССР N 876179, кл. F 23 D 11/12, 1977). При работе указанной форсунки распыливаемая жидкость подается под большим давлением (в несколько атмосфер - примерно равном давлению распылителя) в кольцевую топливную щель, что обеспечивает выход кольцевой топливной струи из щели с большой скоростью. Вышедшая за наружный срез форсунки топливная струя разбивается встречными струями распылителя, выходящими из щелевых прорезей сопел, на два независимых потока, имеющих крутку в разных направления вокруг оси форсунки, один из которых направлен к оси форсунки, а другой - от нее. Такое разделение потоков в известной форсунке необходимо для уменьшения эффекта коагуляции капель, вызванного высокой концентрацией капель в потоке, что в свою очередь определено высоким давлением подачи топлива.

Недостатком известной форсунки является необходимость обеспечения высокого давления подачи топлива, что приводит к необходимости использования высоконапорных топливных насосов, обладающих большим потреблением энергии на их привод и низким ресурсом, обусловленным высокими удельными нагрузками в их рабочих органах, приводящим к повышенному износу, особенно при подаче вязкого или содержащего абразивные примеси топлива. Кроме того, высокое давление топлива приводит к проскакиванию части топлива через зону разбиения встречными струями распылители в осевом направлении мимо двух основных потоков, что ухудшает полноту сгорания, приводя к снижению экономичности и, как следствие, увеличению вредных выбросов в атмосферу. При использовании же известной форсунки в сушильных установках асфальтобетонных заводов такое проскальзывание части топлива приводит к снижению качества выпускаемой продукции. Необходимость разбиения топливной струи на два потока и закрутка этих потоков в разные стороны не позволяет существенно снизить давление на срезе форсунки по периметру топливной щели, что не обеспечивает поступление чистого воздуха из окружающего пространства к соплам и тем самым ухудшает распыление топлива и приводит к появлению наростообразования на торце форсунки. Это ухудшает экономичность и надежность работы форсунки. Известная форсунка имеет нерегулируемый калибр топливной щели, поэтому получение желаемого (с точки зрения качества распыла) расхода жидкости возможно только за счет регулировки напора топливного насоса, что часто заставляет его работать в режиме, на котором он обладает меньшим КПД, чем на режиме своего оптимума, это дополнительно снижает экономичность. Кроме того, нерегулируемый калибр топливной щели вынуждает в установках различной производительности использовать разные форсунки, что усложняет производство и техническое обслуживание установок с такими форсунками.

Наиболее близким техническим решением является форсунка, содержащая корпус, втулки, коаксиально установленные в нем с образованием кольцевой топливной щели и внутреннего и периферийного каналов для подачи распылителя, с соответствующими выходными соплами в виде кольцевых рядов щелевых прорезей, смещенных в окружном направлении в смежных рядах, причем продольные оси прорезей наружного ряда ориентированы к оси форсунки, а внутреннего ряда - от оси форсунки, продольные оси прорезей наружного и внутреннего рядов наклонены друг к другу под углом, не превышающим 90^o, а боковые стенки большей площади этих прорезей расположены в плоскостях, пересекающих ось форсунки в одной точке (см. патент РФ N 2052719, кл. F 23 D 11/12, опубл. 1996 г.). При работе указанной форсунки распыливаемая жидкость подается под большим давлением (в несколько атмосфер - примерно равном давлению распылителя) в кольцевую топливную щель, что обеспечивает выход кольцевой топливной струи из щели с большой осевой скоростью. Вышедшая за наружный срез форсунки топливная струя разбивается встречными струями распылителя, выходящими из щелевых прорезей сопел, на два независимых потока, имеющих крутку в одном направлении - вокруг оси форсунки, один из которых направлен к оси форсунки, а другой - от нее. Такое разделение потоков в известной форсунке необходимо для уменьшения эффекта коагуляции капель, вызванного высокой концентрацией капель в потоке, что в свою очередь определено высоким давлением подачи топлива.

Недостатком известной форсунки является необходимость обеспечения высокого давления подачи топлива, что приводит к необходимости использования высоконапорных топливных насосов, обладающих большим потреблением энергии на их привод и низким ресурсом. Кроме того, высокое давление приводит к проскакиванию части топлива через зону разбиения встречными струями распылителя в осевом направлении мимо двух основных потоков, что снижает экономичность и увеличивает вредные выбросы в атмосферу. Закрутка потоков в одну сторону создает условия для образования у торцевой поверхности форсунки центрального вихревого потока, связанного со свободным пространством, что предотвращает наростообразование на крышке и наружных поверхностях форсунки, однако интенсивность движения этого вихревого потока невелика, т.к. необходимость разбиения распылителя на два независимых потока не может обеспечить существенного уменьшения давления по периметру топливной щели, в результате ухудшается распыление топлива и снижается экономичность работы форсунки. При использовании известной форсунки в сушильных установках асфальтобетонных заводов снижается качество выпускаемой продукции. Известная форсунка имеет нерегулируемый калибр топливной щели, что вынуждает использовать форсунки с разным калибром топливной щели и тем самым усложняет производство и техническое обслуживание установок с такими форсунками. Кроме того, регулировка расхода жидкости только за счет изменения напора топливного насоса дополнительно снижает экономичность. В известной форсунке скорость жидкости у стенок щели вследствие вязкостного трения может быть и относительно небольшой, однако высокая скорость на оси способствует турбулентному перемешиванию топлива, при котором абразивные частицы попадают на стенки и приводят к абразивному износу, что снижает срок службы форсунки.

Цель изобретения - повышение экономичности работы и уменьшение вредных выбросов в атмосферу.

Поставленная цель достигается тем, что в форсунке, содержащей корпус и втулки, коаксиально установленные в нем с образованием кольцевой топливной щели и внутреннего и периферийного каналов для подачи распылителя с соответствующими выходными соплами в виде кольцевых рядов щелевых прорезей, причем продольные оси прорезей наружного ряда ориентированы к оси форсунки, а внутреннего ряда - от оси форсунки, продольные оси прорезей наружного и внутреннего рядов наклонены друг к другу под углом, не превышающим 90^o, а боковые стенки большей площади этих прорезей расположены в плоскостях, пересекающих ось форсунки в одной точке, при этом, по крайней мере, часть щелевых прорезей в смежных рядах расположены напротив друг друга, кольцевая топливная щель выполнена конусной, по меньшей мере, одна из втулок установлена с возможностью осевого перемещения относительно другой втулки, а длина щели составляет не менее 15 ее калибров.

От прототипа заявленное техническое решение отличается тем, что по крайней мере часть щелевых прорезей в смежных рядах расположены напротив друг друга, кольцевая топливная щель выполнена конусной, по меньшей мере одна из втулок установлена с возможностью осевого перемещения относительно другой втулки, а длина щели составляет не менее 15 ее калибров. Каждый из этих признаков является существенным и в совокупности решает поставленную задачу, а именно выполнение по крайней мере части щелевых прорезей в смежных рядах напротив друг друга, позволяет объединить потоки распылителя в один закрученный поток на срезе форсунки, что создает значительное снижение статического давления по периметру топливной щели. Снижение настолько велико, что его оказывается достаточно для обеспечения "высасывания" из щели необходимого количества топлива. Это позволяет резко снизить создаваемое топливным насосом давление в щели, т.к. его напор в этом случае расходуется только на транспортировку топлива к щели, а дальнейшее распыление обеспечивается в основном за счет эжектирующего воздействия объединенного потока распылителя. При этом из-за низкого напора топливо не может приобрести на выходе из щели большой скорости, что заставляет его прямо от сопла двигаться в направлении движения объединенного потока. Это исключает возможность проскока части топлива через зону взаимодействия струй распылителя. Кроме того, низкий напор не вызывает высокой концентрации капель в потоке, что уменьшает эффект коагуляции капель. Все это обеспечивает полное сгорание топлива, приводящее к повышению экономичности работы форсунки и уменьшению вредных выбросов в атмосферу.

Следует отметить, что в прототипе также наблюдается эжектирующее воздействие закрученных вокруг оси форсунки рядов струй распылителя на топливную струю, однако величина этого воздействия не может быть достаточной для обеспечения подачи топлива, в основном, за счет этого эффекта. Это объясняется тем, что для получения двух независимых потоков, имеющих крутку в одном направлении вокруг оси форсунки, один из которых направлен к оси форсунки, а другой - от нее (см. фиг. 5 описания изобретения к патенту РФ N 2052719), необходимо, с одной стороны, смещение в окружном направлении выходных сопел в смежных рядах, с другой стороны - расстояние между выходными соплами в каждом ряду должно быть значительным, т.к. только соблюдение этих двух условий позволит струям распылителя после пересечения с топливной струей разойтись на разнонаправленные потоки. Однако разнонаправленность потоков приводит к тому, что они подтормаживают друг друга (торможение приводит к росту статического давления, т.е. к снижению эффекта эжекции), а большое расстояние между соседними струями в каждом ряду не позволяет обеспечить воздействие на топливную струю одновременно с двух смежных сторон (т.е. воздействие осуществляется по периметру топливной струи в шахматном порядке, то с одной стороны, например, от оси форсунки, то с другой - к оси и т.д.), что также уменьшает эффект эжекции. В предлагаемом техническом решении создается один объединенный поток, который благодаря выполнению щелевых прорезей в смежных рядах напротив друг друга обеспечивает одновременное воздействие от оси форсунки и к оси на топливную струю, по всему ее периметру, потоком распылителя, что обеспечивает максимальный эффект эжекции. Развитию этого эффекта способствует и то, что сами щелевые прорези в каждом ряду из-за отсутствия необходимости обеспечения, как в прототипе, двух поточности, могут выполняться как можно ближе друг к другу, т.е. их число в наружном и внутреннем рядах может быть ограничено только технологическими возможностями изготовления. Поэтому заявленный признак является существенным для достижения поставленной цели и отличным от прототипа. Из-за различия диаметров в наружном ряду всегда можно разместить больше щелей, чем во внутреннем, поэтому не все щели могут быть расположены друг напротив друга, но чем больше таких сочетаний, тем больше эффект эжекции. Кроме того, более значительное, по сравнению с прототипом, снижение статического давления по периметру топливной щели интенсифицирует движение центрального вихревого потока, связанного со свободным пространством, что улучшает смещение факела распыления с окружающей средой, обеспечивает высокое качество распыления и более надежно предотвращает наростообразование на наружных поверхностях и крышке форсунки.

Выполнение кольцевой топливной щели конусной и установка, по меньшей мере, одной из втулок с возможностью осевого перемещения относительно другой втулки позволяет производить регулировку калибра топливной щели, поскольку перемещение соосных конусных поверхностей в осевом направлении приводит к изменению (уменьшению или увеличению, в зависимости от направления движения к или от друг друга) зазора между ними. Такая регулировка обеспечивает, с одной стороны, получение желаемого расхода топлива без изменения напора топливного насоса, что позволяет ему работать в режиме наибольшего КПД, это дополнительно увеличивает экономичность, с другой стороны - при низком давлении топлива в щели и достижимом снижении давления за срезом форсунки регулировка калибра позволяет получить такое гидравлическое сопротивление щели, при котором располагаемого гидравлического перепада давлений между щелевым каналом и давлением на выходе из форсунки достаточно для качественного распыла, что позволяет обеспечить высокую экономичность работы самой форсунки.

Отличительный признак - конусная топливная щель известен, например, по описанию изобретения к патенту РФ N 2054602 (кл. F 23 D 11/12, опубл. 1996 г. ), где меньшее основание конуса расположено на выходном срезе форсунки, или по описанию изобретения к патенту РФ N 2052719, где на выходном срезе форсунки расположено большее основание конусной топливной щели, однако в известных технических решениях, как и в других, обладающих этим признаком, конусное выполнение топливной щели предназначено только для обеспечения заданного угла выхода топливной струи из форсунки. В заявленном техническом решении, помимо задания угла выхода топливной струи из форсунки, конусность топливной струи необходима для того, чтобы обеспечить изменение калибра топливной щели при осевом перемещении одной из втулок, что позволяет получить описанный выше положительный эффект.

Отличительный признак - установка с возможностью осевого перемещения втулки известен по описанию изобретения к патенту РФ N 2054602, где втулка выполнена в виде осевого сопла, однако в известном техническом решении осевое перемещение сопла необходимо для регулирования положения срезов выходных сопл по отношению друг к другу, что позволяет снизить выход окислов азота в таких двухконтурных двухсопловых форсунках, при этом регулирование проходного сечения топливных отверстий не обеспечивается. В заявленном техническом решении осевое перемещение, по меньшей мере, одной из втулок в осевом направлении в сочетании с конусным выполнением топливной щели позволяет регулировать калибр топливной щели и за счет этого получить при низкой напорности топливной магистрали качественное распыление, приводящее к повышению экономичности работы форсунки.

Отличительный признак - выполнение кольцевой топливной щели конусной и установка с возможностью осевого перемещения втулки известен по описанию изобретения к заявке Германии N 301337 (кл. F 23 D 11/12, опубл. 03.12.1992 г.). В известном техническом решении втулка является корпусом сопла, предназначенного для самостоятельного воспламенения топлива в результате его предварительного подогрева водяным паром, поэтому регулирование (увеличение) калибра топливного канала за счет перемещения втулки необходимо в момент розжига парового котла (переходный от холодного состояния котла к рабочему, стационарному) для лучшего прогрева топлива и доведения его до состояния самовоспламенения. После самовоспламенения топлива втулка возвращается в исходное состояние, при котором калибр топливного канала остается постоянным в процессе работы котла на стационарном режиме и его размер определяется размером завихряющих каналов, расположенных в конусной топливной щели и служащих для организации качественного процесса смешения топлива с распылителем. Таким образом, в известном техническом решении выполнение кольцевой топливной щели конусной и установка с возможностью осевого перемещения втулки не может (из-за наличия в топливной щели завихряющих каналов, обеспечивающих качество процесса смешения при работе форсунки на стационарном режиме) регулировать калибр топливной щели, предназначенной для работы на стационарном режиме, и, таким образом, влиять на качество распыления, а следовательно, и на экономичность работы форсунки. В заявленном техническом решении перемещение, по меньшей мере, одной из втулок в осевом направлении в сочетании с конусным выполнением топливной щели позволяет регулировать калибр топливной щели, предназначенный для работы на стационарном режиме, и за счет этого получить при низкой напорности топливной магистрали качественное распыление, приводящее к повышению экономичности работы форсунки.

Небольшой напор в топливной щели приводит к тому, что, в случае небольшой ее протяженности, возможно неравномерное (с разрывами) заполнение проходного сечения щели топливом (в результате ухудшается распыление и снижается экономичность). Это явление полностью устраняется, если длина кольцевой топливной щели составляет не менее 15 ее калибров, что позволяет даже при небольшом давлении топлива равномерно заполнить проходное сечение топливной щели и обеспечить это качество и при изменении калибра щели.

Таким образом, только выполнение, по крайней мере, части щелевых прорезей в смежных ряда напротив друг друга позволяет обеспечить максимальный эффект эжекции, позволяющий снизить давление в кольцевой топливной щели и за счет этого повысить экономичность и надежность работы форсунки, однако пониженное давление в топливной щели требует тщательного согласования гидравлического сопротивления щели с располагаемым гидравлическим перепадом и устранения возможности неравномерной раздачи топлива по периметру выходного среза топливной щели (для предотвращения снижения качества распыла, а следовательно, уменьшения экономичности работы форсунки), что обеспечивается выполнением кольцевой топливной щели конусной и установкой, по меньшей мере, одной из втулок с возможностью осевого перемещения относительно другой втулки, а также выполнением длины щели не менее 10 ее калибров. Поэтому только все вместе перечисленные отличительные признаки обеспечивают достижение поставленной цели и являются существенными для предлагаемой конструкции форсунки.

Предлагаемое устройство обладает новизной и отвечает критерию изобретательского уровня, т.к. обладает новыми свойствами.

На фиг. 1 показан общий вид форсунки, продольный разрез; на фиг. 2 - вид на форсунку сверху; на фиг. 3 - схема факела распыления, вид сбоку.

Форсунка содержит корпус 1, в котором коаксиально с зазором между собой установлены наружная 2 и внутренняя 3 втулки, образующие сопловой аппарат с кольцевой конусной щелью 4 для подачи топлива. На наружной 2 и внутренней 3 втулках соплового аппарата выполнены прорези 5, образующие наружный 6 и внутренний 7 смежные ряды, в которых прорези 5 направлены навстречу друг другу под углом, не превышающим 90^o, и, по крайней мере, часть щелевых прорезей в смежных рядах расположены напротив друг друга. Внутренняя втулка 3 установлена с возможностью осевого перемещения относительно втулки 2. Перемещение обеспечивается, например, резьбовым соединением 8. Кольцевая конусная щель 4 имеет длину L, составляющую не менее 10 ее калибров h (фиг. 1). Боковые стенки большей площади прорезей 5 расположены в плоскостях, пересекающих ось форсунки в одной точке так, что в свободном пространстве ряды струй, вытекающих из отверстий 6 и 7, образуют закрученный в одну сторону объединенный поток распыляемого топлива 9. В осевой зоне течения образуется закрученный в ту же сторону центральный вихревой поток 10. В задней части форсунки выполнены отверстия 11 и 12 для подвода распылителя во внутренний и периферийный каналы соответственно и отверстие 13 - для топлива (например, мазута) в промежуточный канал. Центральная часть форсунки закрыта крышкой 14, на которой закреплена гайка 15.

Форсунка работает следующим образом.

В отверстия 11 и 12 подают под давлением воздух или пар, который поступает через периферийный и внутренний каналы соответственно в прорези 5 наружной 2 и внутренней 3 втулок и вытекает через ряды выпускных отверстий 6 и 7, топливо подают через отверстие 13 в промежуточный канал, через который оно попадает в кольцевую конусную щель 4. Струи пара, вытекающие из выпускных отверстий 6 и 7, направлены навстречу друг другу под углом, не превышающим 90^o, они создают один объединенный поток 9, который благодаря выполнению щелевых прорезей 5 в смежных рядах напротив друг друга обеспечивает одновременное воздействие от оси форсунки и к оси на топливную струю, по всему ее периметру, потоком распылителя, что обеспечивает эффект эжекции топлива из кольцевой конусной щели 4 за счет значительного снижения статического давления по периметру топливной щели. Усилить этот эффект можно, выполняя щелевые прорези 5 в каждом ряду как можно ближе друг к другу, т.е. их число в наружном 6 и внутреннем 7 рядах должно быть максимальным, ограниченным только технологическими возможностями изготовления. За счет достигнутого таким способом снижения статического давления на выходе из форсунки появляется возможность снизить давление мазута, подаваемого топливным насосом в отверстие 13 и щель 4, что уменьшает скорость выхода топлив из щели 4 и тем самым заставляет его прямо от сопла двигаться в направлении движения объединенного потока 9 и исключает возможность проскока частиц топлива через зону взаимодействия струй распылителя. Кроме того, низкий напор не вызывает высокую концентрацию капель в потоке 9, что уменьшает эффект коагуляции капель. Все это обеспечивает полное сгорание топлива, приводящее к повышению экономичности работы форсунки и уменьшению вредных выбросов в атмосферу. Помимо этого, значительное снижение статического давления по периметру топливной щели интенсифицирует движение центрального вихревого потока 10, связанного со свободным пространством (фиг. 3), что улучшает смешение факела распыления с окружающей средой, обеспечивает высокое качество распыления и предотвращает наростообразование на крышке 14 форсунки и других ее наружных поверхностях. Мелкодисперсное распыление обеспечивается за счет воздействия на топливную струю центробежных сил закрученного потока 9 распылителя.

Используя гайку 15, можно через крышку 14 обеспечить, в процессе наладки форсунки, осевое перемещение втулки 3 за счет резьбового соединения 8 относительно втулки 2, что в сочетании с конусным выполнением щели 4 позволяет регулировать калибр топливной щели 4 и за счет этого получить при низком напоре в топливной магистрали качественное распыление, приводящее к повышению экономичности работы форсунки. Регулируемый калибр топливной щели позволяет в установках различной производительности использовать один типоразмер форсунки, что упрощает производство и техническое обслуживание установок с такими форсунками.

Выполнение длины L кольцевой топливной щели 4 не менее 10 ее калибров h позволяет даже при небольшом давлении топлива равномерно заполнить проходное сечение топливной щели 4 и после регулирования калибра щели 4, что сохраняет высокое качество распыла, а следовательно, высокую экономичность работы форсунки.

Изменяя расход воздуха (пара) через наружные 6 или внутренние 7 ряды отверстий, можно регулировать угол раскрытия, в диапазоне 30-170 градусов, и длину факела.

Испытания форсунки в промышленных условиях показали, что при давлении распыливающего агента 0,2-0,75 МПа давление подачи топлива должно быть в 5-7,5 раз меньше, при этом обеспечивается максимальная производительность и качественное распыление, приводящее к снижению расхода топлива на 30%, наиболее полное сгорание и, как следствие, резкое снижение вредных выбросов в атмосферу. Использование низконапорных топливных насосов, обладающих малым потреблением энергии на их привод и высоким ресурсом, позволяет дополнительно увеличить экономичность и надежность работы установок с предложенной форсункой.

Низкая скорость движения топливной струи в канале 4 обеспечивает практически ламинарный режим движения топлива, при котором отсутствует существенное перемешивание потока, сопровождающееся отбросом абразивных частиц к стенкам кольцевой щели, что полностью исключает абразивный износ и повышает срок службы форсунки.

Использование заявленной форсунки в сушильных установках асфальтобетонных заводов вследствие устранения проскальзывания части топлива из зоны формирования факела приводит к повышению качества выпускаемой продукции.

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в сушильных установках и котлоагрегатах, работающих на жидком топливе. В корпусе 1 коаксиально с зазором между собой установлены наружная 2 и внутренняя 3 втулки, образующие сопловой аппарат с кольцевой конусной щелью 4 для подачи топлива. На наружной 2 и внутренней 3 втулках силового аппарата выполнены прорези 5, образующие наружный 6 и внутренний 7 смежные ряды, в которых прорези 5 направлены навстречу друг другу под углом, не превышающим 90°, и по крайней мере часть щелевых прорезей в смежных рядах расположена напротив друг друга. Внутренняя втулка 3 установлена с возможностью осевого перемещения относительно втулки 2. Перемещение обеспечивается, например, резьбовым соединением 8 втулок 3 и 2. Кольцевая конусная щель 4 имеет длину, составляющую не менее 10 ее калибров. Изобретение позволяет повысить экономичность в работе и уменьшить количество вредных выбросов в атмосферу. 3 ил.

Форсунка, содержащая корпус и втулки, коаксиально установленные в нем с образованием кольцевой топливной щели и внутреннего и периферийного каналов для подачи распылителя с соответствующими выходными соплами в виде кольцевых рядов щелевых прорезей, причем продольные оси прорезей наружного ряда ориентированы к оси форсунки, а внутреннего ряда - от оси форсунки, продольные оси прорезей наружного и внутреннего рядов наклонены друг к другу под углом, не превышающим 90^o, а боковые стенки большей площади этих прорезей расположены в плоскостях, пересекающих ось форсунки в одной точке, отличающаяся тем, что по крайней мере часть щелевых прорезей в смежных рядах расположена напротив друг друга, кольцевая топливная щель выполнена конусной, по меньшей мере одна из втулок установлена с возможностью осевого перемещения относительно другой втулки, а длина щели составляет не менее 10 ее калибров.