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 сопловым устройством и установленные внутри корпуса с кольцевым зазором топливный завихритель 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 предварительная закрутка осуществляется в осевом лопаточном завихрителе, а распыл происходит в сопловом устройстве, и лишь при малом расходе топлива и снижении его подачи становится заметным влияние на распыл слабозакрученной струи топлива струи пара, вытекающего со сверхзвуковой скоростью из парового канала.

Сопловое устройство форсунки "Титан" представляет собой диск с центральным коническим отверстием, который вставляется внутрь корпуса и формирует вялую топливную пленку в форме полого конуса, которая в дальнейшем дробится спутным потоком воздуха на отдельные капли.

К недостаткам этой форсунки следует отнести неудовлетворительную мелкость распыла топлива вследствие того, что взаимодействие закрученных потоков пара и топлива происходит прямо в сопле, и поэтому струя пара не успевает эффективно раздробить струю топлива.

Известна паровая форсунка типа ОСТ 24.836.04 (см. Теория горения и топочные устройства. М., Энергия, 1976 г., с.196), включающая полый цилиндрический корпус с сопловым устройством и установленный внутри корпуса паровой распылитель с топливоподающими каналами.

При работе форсунки ОСТ 24.836.04 пар выполняет роль распылителя при всех режимах работы форсунки, а сопловое устройство представляет собой полый съемный колпачок с отверстиями на сферическом торце.

Паровой распылитель формирует узкую сверхзвуковую осевую струю перегретого пара, в которую подводится жидкое топливо. Паровая струя захватывает топливо и увлекает его с высокой скоростью, что приводит к перемешиванию топлива и пара. Для снижения осевой скорости истечения струи топливной смеси на корпус форсунки навинчивается сопловое устройство в виде полого цилиндрического колпачка с отверстиями на сферическом торце. Этим удается организовать дополнительный объем, в котором происходит перемешивание смеси, а сопловые отверстия выполнены так, что направляют в стороны вытекающую струю смеси.

К недостаткам данного устройства следует отнести грубый распыл топлива вследствие высокой осевой скорости истечения топлива и пара из парового распылителя и неоднородный факел, формируемый отверстиями соплового устройства, так как отдельные отверстия формируют самостоятельные высокотемпературные области горения.

Известна форсунка вихревая (см. а. с. N 2039883), включающая полый цилиндрический корпус с сопловым устройством и установленные внутри корпуса с кольцевым зазором топливный завихритель, а также паровой завихритель и паровой распылитель, представляющие собой полые тела вращения с паровыми каналами.

Несовершенство конструкции форсунки выражается в излишней громоздкости и сложности конструкции парового завихрителя, поскольку внутрь него ввинчен топливный завихритель, а высокая осевая скорость истечения смеси из форсунки не позволяет обеспечить необходимую мелкость распыла, т.к. заметно уменьшается время пребывания топлива в области его взаимодействия с высокоэнергетичным перегретым паром во внутренней полости форсунки.

Целью настоящего изобретения является повышение мелкости распыла, упрощение конструкции парового завихрителя и парового распылителя и снижение осевой скорости истечения смеси из форсунки.

Поставленная цель достигается тем, что в вихревой форсунке, включающей полый цилиндрический корпус с сопловым устройством и установленные внутри корпуса с кольцевым зазором топливный завихритель, а также паровой завихритель и паровой распылитель, представляющие собой полые тела вращения с паровыми каналами, сопловое устройство выполнено в виде полого съемного колпачка с пазами на сферическом торце, а паровой завихритель и паровой распылитель объединены в единую деталь - паровой блок с паровыми каналами на торцах, во внутренней полости которого установлена осевая перфорированная перегородка, причем отверстия перегородки соединены с кольцевым зазором радиальными каналами, выполненными в паровом блоке, кроме того, отдельные отверстия перфорированной перегородки на выходе соединены в кольцевую щель, в которую выходит пар из кольцевых каналов парового распылителя, а в центральной части осевой перфорированной перегородки выполнена выдвинутая по потоку полая осесимметричная камера с сопловыми отверстиями.

Сущность предложенного устройства состоит в следующем.

Предлагаемое устройство относится к классу паровых форсунок, т.е. распыл топлива (обычно мазута) осуществляется паром. Объемный расход пара в 500 - 700 раз больше расхода топлива, но массовый расход топлива в 10 - 20 раз больше расхода пара. Первоначальное дробление топливной пленки осуществляется сверхзвуковыми паровыми струями, вытекающими из паровых каналов парового завихрителя, дальнейшее измельчение топливных фрагментов осуществляется паровыми струями внутри парового распылителя. Автором предложено ввести в конструкцию форсунки дополнительное устройство для дробления слабораспыленного топлива, а именно - объединить паровой завихритель и паровой распылитель в единую деталь - паровой блок, установить внутри осевую перфорированную перегородку и подать через радиальные сверления в теле парового блока пар в каналы перфорации осевой перегородки, причем каналы перфорации за плоскостью подачи пара через радиальные сверления выполнить большего проходного сечения, чем до плоскости введения в них пара. Соударение двух струй в канале приводит к их интенсивному перемешиванию. В теле осевой перфорированной перегородки выполнена выдвинутая по потоку, т.е. в сторону соплового устройства, полая осесимметричная камера, которая в совокупности с внутренней поверхностью корпуса форсунки образует кольцевую щель, в которую выходят отверстия осевой перегородки и паровые каналы парового распылителя. Таким образом, соударение паромазутной смеси, вытекающей из отверстий перфорации в осевой перегородке, и паровых струй, вытекающих со сверхзвуковой скоростью из паровых каналов парового распылителя, происходит в кольцевом канале, за счет чего достигается более мелкий распыл топлива.

В осесимметричной камере предусмотрены отверстия, через которые паромазутная смесь вытекает непосредственно под колпачок с сопловыми отверстиями.

Работоспособность форсунки определяется степенью распыла топлива, и чем дольше топливо находится внутри форсунки в области его взаимодействия с высокоэнергетичным паром, тем мельче будет средний состав капель топлива. Использование полого съемного колпачка с пазами на сферическом торце в качестве соплового устройства позволяет решить две задачи, а именно: организовать замкнутый объем во внутренней полости форсунки, где происходит интенсивное смешение потоков топлива и пара, и сформировать поле орошения желаемой формы. Испытания, проведенные на Казанской ТЭЦ-1 в период 1998 - 1999 гг., показали, что наилучшие показатели по полноте сгорания и вредным выбросам обеспечивают сопловые устройства с круговыми пазами постоянного сечения на сферическом торце, хотя пазы могут быть переменного сечения и радиально ориентированы. Сопловое устройство с отверстиями, как у аналога, не обеспечивает высоких характеристик сжигания топлива.

На фиг. 1 представлена схема форсунки вихревой в сборе.

На фиг. 2 представлена схема парового блока с осевой перфорированной перегородкой и радиальными паровыми отверстиями.

На фиг. 3 представлена схема парового блока с кольцевой щелью на выходе из отверстий в осевой перегородке.

На фиг. 4 представлена схема парового блока с полой осесимметричной камерой, выдвинутой по потоку из осевой перфорированной перегородки.

Форсунка вихревая состоит из полого цилиндрического корпуса 1, топливного завихрителя 2, парового блока 3, соплового устройства 4, прокладки 5 и основания 6.

Корпус 1 имеет внутреннюю резьбу на одном конце для навинчивания его на основание 6 и наружную резьбу на противоположном для навинчивания на него съемного соплового устройства 4.Топливный завихритель 2 и паровой завихритель с паровым распылителем, объединенные в единый паровой блок 3, вставлены внутрь корпуса с некоторым радиальным зазором. С одной стороны к основанию 6 привариваются трубы паровой и мазутной магистралей, а в цилиндрическую втулку, на противоположной стороне основания, вставляется полый цилиндрический топливный завихритель 2, имеющий тангенциальные каналы для подачи топлива во внутреннюю полость форсунки. Паровой блок 3 представляет собой полое тело вращения, на периферии которого имеются направляющие выступы для центрирования его внутри корпуса, а на обоих торцах выполнены паровые каналы для подачи пара из кольцевого зазора во внутреннюю полость форсунки.

Во внутренней полости парового блока установлена перфорированная осевая перегородка за каналами парового завихрителя, а в теле детали выполнены радиальные сверления так, что пар по ним подается из кольцевого зазора между паровым блоком и внутренней поверхностью корпуса в каналы отверстий перфорации осевой перегородки. Осевая перфорированная перегородка выполнена конструктивно единой деталью с паровым блоком и имеет выдвинутую по направлению движения смеси внутри форсунки полую осесимметричную камеру, которая образует кольцевую щель на выходе из отверстий перфорации, в которую поступает пар из паровых каналов парового распылителя. Камера имеет сопловые отверстия на стороне, обращенной к сопловому устройству.

Работает вихревая форсунка следующим образом.

Топливо (обычно мазут) подается под давлением 5 - 20 ат по топливной магистрали во внутреннюю полость основания 6, упирается в дно топливного завихрителя 2 и по обводному кольцевому каналу между деталями 6 и 2 поступает через тангенциальные каналы топливного завихрителя во внутреннюю полость форсунки и далее движется закрученным потоком в направлении осевой перфорированной перегородки, совершая винтовое движение.

Пар подается по паровой магистрали под давлением 8 - 12 ат в кольцевой зазор между внутренней поверхностью корпуса 1 и внутренними деталями 2 и 3, между направляющими выступами на периферии парового блока и через профилированные лопаточные каналы парового завихрителя 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.

Далее паромазутная смесь продавливается через отверстия перфорации осевой перегородки и при этом внутрь каналов отверстий подается через радиальные сверления в теле парового блока пар из кольцевого зазора. Некоторое количество пара поступает между направляющими выступами в паровые каналы парового распылителя и продавливается через них во внутреннюю полость форсунки, сталкиваясь под прямым углом с паромазутными струями, вытекающими из отверстий перфорации осевой перегородки.

За осевой перегородкой внутренний объем форсунки закрыт сопловым устройством, представляющим собой полый колпачок с пазами на сферическом торце, во внутреннем объеме которого продолжает интенсивное перемешивание паровых и мазутных фрагментов. Процесс подготовки топливной смеси завершается истечением ее из пазов соплового устройства и соударением со спутным потоком воздуха.

Положительный эффект от использования предлагаемого устройства при сжигании мазута на тепловых станциях заключается в повышении полноты сгорания вследствие повышения мелкости распыла; уменьшении количества выбросов окиси азота в атмосферу вследствие снижения температуры корня факела за счет насыщения этой области водяными парами и перераспределения области наиболее интенсивного горения вглубь котла при снижении общей теплонапряженности факела.

Изобретение относится к теплоэнергетике и предназначено для распыливания перегретым паром и сжигания в топках котлов вязких топлив. Предложенная конструкция форсунки обеспечивает высокую степень подготовки топлива во внутренней полости форсунки за счет организованного смешения в осевых и кольцевом каналах топливного потока со сверхзвуковыми струями пара, а также за счет увеличения времени пребывания топлива в области его взаимодействия с высокоэнергетичным паром внутри соплового устройства, представляющего собой полый съемный колпачок с кольцевыми сопловыми каналами на сферическом торце. Изобретение позволяет организовывать режим горения вязких топлив в топке котла с минимальным избытком воздуха. Форсунка вихревая состоит из полого цилиндрического корпуса с сопловым устройством и установленных внутри корпуса топливного завихрителя, а также парового завихрителя и парового распылителя, объединенных в единую деталь с осевой перфорированной перегородкой, представляющую собой полое тело вращения с каналами подачи пара из кольцевого зазора между деталями и корпусом во внутреннюю полость форсунки. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Форсунка вихревая, включающая полый цилиндрический корпус с сопловым устройством и установленные внутри корпуса с кольцевым зазором топливный завихритель, а также паровой завихритель и паровой распылитель, представляющие собой полые тела вращения с паровыми каналами, отличающаяся тем, что сопловое устройство выполнено в виде полого съемного колпачка с пазами на сферическом торце, а паровой завихритель и паровой распылитель объединены в единую деталь - паровой блок с паровыми каналами на торцах, во внутренней полости которого установлена осевая перфорированная перегородка, причем отверстия перегородки соединены с кольцевым зазором радиальными каналами, выполненными в паровом блоке. 2. Форсунка по п.1, отличающаяся тем, что отдельные отверстия перфорированной перегородки на выходе соединены в кольцевую щель, в которую подается пар из паровых каналов парового распылителя. 3. Форсунка по п.1, отличающаяся тем, что в центральной части осевой перегородки выполнена выдвинутая по потоку полая осесимметричная камера с сопловыми отверстиями.