ФОРСУНКА ВИХРЕВАЯ Российский патент 2000 года по МПК F23D11/18 

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в машиностроении, металлургии или химической промышленности для распыливания и сжигания в топках котлов вязких топлив.

Известна паромеханическая форсунка "Титан" (см. Повышение эффективности использования газа и мазута в энергетических установках. - М.: Энергоиздат, 1982 г. , с. 129), включающая полый цилиндрический корпус с устройством для его крепления на паровой магистрали и установленные внутри корпуса с кольцевым зазором: топливный завихритель с устройством для его присоединения к топливной магистрали и паровой завихритель с каналами подачи пара из кольцевого зазора в сопловое устройство.

При работе форсунки "Титан" пар осуществляет лишь вспомогательную роль, т.к. при расчетном расходе топлива его распыл происходит в осевом лопаточном завихрителе и сопловом устройстве и лишь при малом расходе топлива и снижении давления его подачи становится заметным влияние на распыл слабозакрученной струи топлива струи пара, вытекающего со сверхзвуковой скоростью из парового канала, имеющего тангенциальный лопаточный завихритель, создающий встречную закрутку пара.

Взаимодействие закрученных потоков пара и топлива происходит прямо в сопле, и поэтому струя пара не успевает эффективно раздробить струю топлива.

Известна форсунка вихревая (см. а.с. N2039883), включающая полый цилиндрический корпус с устройством для его крепления на паровой магистрали и установленные внутри корпуса с кольцевым зазором: полый топливный завихритель с резьбовым хвостовиком для его присоединения к топливной магистрали, а также паровой завихритель и паровой распылитель, с паровыми каналами для подачи пара из кольцевого зазора во внутреннюю полость.

К недостаткам этого устройства следует отнести невысокую мелкость распыла топлива и ненадежность крепления хвостовика топливного завихрителя на топливной магистрали.

Неудовлетворительная мелкость распыла топлива перегретым паром внутри форсунки получается ввиду того, что профилированные лопаточные каналы парового распылителя формируют "квазитвердое" паровое кольцо в плоскости выхода каналов во внутренней полости распылителя, и это кольцо не столько дробит натекающую струю топлива, сколько отжимает ее от периферии внутренней полости, формируя этим устойчивый жгут нераспыленного топлива в центре форсунки.

А ненадежность крепления резьбового хвостовика топливного завихрителя в ответной части топливной магистрали проявляется в том, что при отвинчивании корпуса форсунки с паровой магистрали зачастую вывинчивается и резьбовой хвостовик топливного завихрителя из топливной магистрали, и это можно не заметить, что приведет к аварии.

Целью настоящего изобретения является повышение мелкости распыла топлива и надежности крепления хвостовика топливного завихрителя на мазутной магистрали.

Поставленная цель достигается тем, что в вихревой форсунке, включающей полый цилиндрический корпус с устройством для его крепления на паровой магистрали и установленные внутри корпуса с кольцевым зазором: полый топливный завихритель с устройством для его присоединения к топливной магистрали, а также паровой завихритель и паровой распылитель, с паровыми каналами для подачи пара из кольцевого зазора во внутреннюю полость, паровые каналы парового распылителя выполнены прямолинейными, направленными по хорде к направляющей внутренней полости распылителя, а во внутренней полости форсунки перед паровыми каналами распылителя расположена осевая перфорированная перегородка так, что ось каждого из отверстий перегородки пересекается с осью соответствующего парового канала распылителя, при этом устройство для присоединения топливного завихрителя к топливной магистрали выполнено в виде гладкого хвостовика без резьбы.

На фиг. 1 представлена схема форсунки вихревой в сборе.

На фиг.2 представлена схема парового распылителя с хордальными паровыми каналами и перфорированной осевой перегородкой.

Вихревая форсунка состоит из полого цилиндрического корпуса 1, топливного завихрителя 2, парового завихрителя 3, парового распылителя 4 и внутренней перфорированной перегородки 5.

Корпус 1 имеет внутреннюю резьбу на одном конце для навинчивания его на паровую магистраль и профилированное сопло на противоположном для формирования факела необходимой формы. Топливный завихритель 2, паровой завихритель 3 и паровой распылитель 4 вставлены внутрь корпуса с некоторым радиальным зазором. Топливный завихритель 2 имеет гладкий конический хвостовик на одном конце для присоединения его к топливной магистрали, внутреннюю осевую перегородку и обводные каналы для подачи топлива в тангенциальные каналы на противоположном торце завихрителя. Паровой завихритель 3 и паровой распылитель 4 представляют собой полые тела вращения, на периферии которых имеются направляющие выступы для центрирования их внутри корпуса. На торцах деталей 3 и 4, обращенных по потоку, выполнены каналы для подачи пара из кольцевого зазора между деталями и корпусом во внутреннюю полость форсунки, у завихрителя - лопаточные, профилированные, у распылителя - прямолинейные, хордальные.

Во внутренней полости форсунки установлена перфорированная осевая перегородка, выполненная конструктивно единой деталью с паровым распылителем для удобства взаиморасположения на чертежах осей паровых каналов и отверстий перфорации. Перегородка может быть выпуклой или плоской, а отверстия - расходящимися от центра или параллельными. Количество отверстий перфорации равно количеству паровых каналов у распылителя.

Работает вихревая форсунка следующим образом. Топливо (обычно мазут) подается под давлением 5-20 ат по топливной магистрали во внутреннюю полость топливного завихрителя 2, упирается в осевую перегородку и по обводным каналам между деталями 2 и 3 поступает через тангенциальные каналы во внутреннюю полость форсунки и далее движется закрученным потоком в направлении перфорированной осевой перегородки.

Пар подается по паровой магистрали под давлением 8-12 ат через кольцевой зазор между корпусом 1 и паровым завихрителем 3 между направляющими выступами на периферии завихрителя и через профилированные лопаточные каналы продавливается во внутреннюю полость форсунки. Вытекая из каналов со сверхзвуковой скоростью, паровые струи сталкиваются "лоб в лоб" с пленкой топлива, закрученной навстречу движению паровых струй, и, перемешиваясь, движутся паромазутной смесью в направлении осевой перфорированной перегородки. Объемный расход пара в 500-700 раз больше топливного, но весовой расход топлива в 10-20 раз больше. Паромазутная смесь перед осевой перфорированной перегородкой заполняет весь объем от периферии до оси и представляет собой хаотичный набор паровых и мазутных фрагментов. Внутренняя осевая перфорированная перегородка препятствует скоплению в осевой области мазутных фрагментов, а на периферии - паровых и формированию осевого мазутного жгута. На отверстиях перфорированной осевой перегородки поддерживается отношение давлений, близкое к критическому, и поэтому внутри каналов отверстий перегородки и за ними происходит интенсивное перемешивание пара и топлива поперечными пульсациями в высокотурбулизованной струе.

Часть пара по кольцевому зазору между корпусом и паровым распылителем между направляющими выступами распылителя продавливается через хордальные каналы во внутреннюю полость форсунки за осевой перегородкой и сталкивается под прямым углом с паромазутными струями, вытекающими из отверстий перфорации. Соударение этих двух сверхзвуковых потоков завершает картину подготовки топлива внутри форсунки. Далее сопло формирует необходимый угол раскрытия истекающей струи и формирует поле орошения.

Сущность предложенного устройства состоит в следующем.

Форсунка, взятая в качестве прототипа, относится к классу паровых форсунок, т.е. распыл топлива (обычно мазута) осуществляется на всех режимах только паром. Топливный завихритель служит для формирования закрученного потока топлива, дозирования его расхода и лишь незначительного дробления струи топлива на капли.

Основной процесс дробления закрученного потока топлива происходит в области его соударения со струями пара, вытекающими со сверхзвуковой скоростью из профилированных лопаточных каналов парового завихрителя, имеющих встречную закрутку спирали. Дальнейший процесс дробления капель топлива осуществляется в области соударения потока паромазутной смеси со струями пара, вытекающими со сверхзвуковой скоростью из профилированных лопаточных каналов парового распылителя, имеющих снова встречную закрутку спирали.

Во внутренней полости парового завихрителя осуществляется эффективное дробление закрученной топливной пленки перегретым паром, т.к. топливная пленка, формируясь в топливном завихрителе, приобретает высокий момент количества движения, а паровые струи на выходе из каналов парового завихрителя имеют чуть больший момент количества движения и не в состоянии отжать к оси форсунки плотную пленку топлива иначе, как разбив ее на отдельные паромазутные фрагменты. Соударение в этой области получается почти лобовым, топливная пленка интенсивно разрушается, и дальше паромазутный поток заполняет все сечение внутренней полости форсунки отдельными фрагментами.

Во внутренней полости парового распылителя картина несколько иная. Рыхлый паромазутный поток не в силах противостоять паровым струям на выходе из лопаточных каналов распылителя по целому ряду причин. Паровые струи образуют" квазитвердое" кольцо в плоскости выхода каналов и не столько дробят паромазутный поток, сколько просто отжимают его к оси форсунки, формируя тем жгут слабораспыленного паромазута.

Предложенная конструкция парового распылителя позволяет использовать значительную долю кинетической энергии пара для распыла топлива. Паровые каналы выполнены прямолинейными и направлены не по касательной к направляющей внутренней полости, а в толщу паромазутного потока по хорде. Возможно и диаметральное направление паровых каналов, но хордальное направление позволяет за счет наличия плеча у прикладываемого количества движения сохранить некоторую степень закрутки распыленного потока, что очень важно при истечении из сопла форсунки.

Хордальное направление паровых каналов распылителя позволяет существенно интенсифицировать процесс дробления топливных капель, и эта конструкция работоспособна сама по себе, даже без осевой перфорированной перегородки.

Осевая перфорированная перегородка "дуршлаг" позволяет перераспределить поток паромазута с оси к периферии внутренней полости и этим препятствует образованию осевого жгута слабораспыленного топлива. Проходное сечение отверстий перфорации подобрано таким, что на отверстиях поддерживается отношение давлений, близкое к критическому, и при истечении из отверстий паромазутной смеси со значительной скоростью происходит интенсивное дробление капель топлива.

Отверстия перфорации расположены так, что их оси пересекаются с осями хордальных паровых каналов. Каждое со своим. Боковое соударение струй паромазута с паровыми струями позволяет дополнительно интенсифицировать процесс дробления топлива.

Работоспособность форсунки определяется степенью распыла топлива, и чем дольше топливо находится внутри форсунки в области взаимодействия с высокоэнергетичным паром, тем мельче будет распыл. Наличие перфорированной осевой перегородки перед паровыми каналами парового распылителя увеличивает время пребывания смеси в зоне взаимодействия потоков и этим позволяет лучше перемешаться пару и топливу перед ней.

Расположение хордальных паровых каналов распылителя и отверстий осевой перфорированной перегородки взаимосвязано, и хотя каждый из этих элементов самостоятельно работоспособен в конструкции форсунки, тем не менее именно взаиморасположение этих элементов указанным образом позволяет добиться наилучшего распыла топлива.

Резьбовой хвостовик мазутного завихрителя зачастую отвинчивается при отвинчивании корпуса форсунки с паровой магистрали. Необходимо было специально проверять при навинчивании корпуса форсунки на паровую магистраль - затянут ли этот узел. В противном случае назревала авария.

Гладкий хвостовик мазутного завихрителя вставляется в ответную часть "в гнездо" переходника на топливной магистрали, и этот узел поджимается при навинчивании корпуса форсунки на паровую магистраль и освобождается при отвинчивании корпуса с магистрали.

Такая конструкция хвостовика позволяет обеспечить одинаковые осевые усилия между деталями внутри корпуса и более надежное уплотнение соответствующих торцевых поверхностей деталей.

Изобретение относится к теплоэнергетике и предназначено для распыления перегретым паром и сжигания в топке котлов вязких топлив. Изобретение обеспечивает высокую степень подготовки топлива во внутренней полости форсунки за счет увеличения времени пребывания топлива в области его взаимодействия с высокоэнергетичным паром перед осевой перфорированной перегородкой и интенсивного дробления капель топлива сверхзвуковыми струями пара, вытекающими из хордальных каналов распылителя. Изобретение позволяет организовать режим горения вязких топлив в топке котла с минимальным избытком воздуха О₂<1% и при этом иметь величину недожога СO₂<10 ррm и выбросы оксидов азота <150 ррm. Форсунка вихревая состоит из полого цилиндрического корпуса и установленных внутри корпуса: полого топливного завихрителя, в котором формуется закрученная пленка топлива, а также парового завихрителя и парового распылителя с осевой перфорированной перегородкой, представляющих собой полые тела вращения с каналами подачи пара из кольцевого зазора между деталями и корпусом во внутреннюю полость форсунки. 2 ил.

Форсунка вихревая, включающая полый цилиндрический корпус с устройством для его крепления на паровой магистрали и установленные внутри корпуса с кольцевым зазором: полый топливный завихритель с устройством для его присоединения к топливной магистрали, а также паровой завихритель и паровой распылитель, с паровыми каналами для подачи пара из кольцевого зазора во внутреннюю полость, отличающаяся тем, что паровые каналы парового распылителя выполнены прямолинейными, направленными по хорде к направляющей внутренней полости распылителя, а во внутренней полости форсунки перед паровыми каналами распылителя расположена осевая перфорированная перегородка так, что ось каждого из отверстий перегородки пересекается с осью соответствующего парового канала распылителя, при этом устройство для присоединения топливного завихрителя к топливной магистрали выполнено в виде гладкого хвостовика без резьбы.