ФОРСУНКА Российский патент 2001 года по МПК F23D11/12 F23C11/00 B05B1/34 

Изобретение относится к технике распыления текучих сред сжатым воздухом или паром в технологических камерах различного целевого назначения для сжигания жидкого (газообразного) топлива в котлоагрегатах и других топочных энергетических устройствах. Форсунка может быть использована также для распыления жидкостей, в частности пульп, растворов, суспензий.

Анализ патентной информации и научно-технической литературы (см., например, Сигал И.Я. Защита воздушного бассейна при сжигании топлива. Ленинград, Издательство "Недра", Ленинградское отделение, 1988 г., гл. 3, с. 108; Использование газа в промышленных печах. Справочное руководство. Ленинград, Издательство "Недра", 1967, с. 111-118) показал, что одним из главных направлений в совершенствовании конструкции современных форсунок является повышение эффективности и качества распыления, например, путем дробления жидкостного (газового) потока на большое количество мелких струй, увеличение угла встречи жидкостного (газового) и воздушного потоков, достигаемое с помощью конструктивного выполнения подводящих каналов и элементов конструкций форсунки, позволяющих обеспечить движение жидкостного (газового) и воздушных потоков, приводящих в конечном счете к максимальному развитию поверхности жидкой фазы, что достигается переходом к сжиганию топлива в капельном состоянии, обеспечивая интенсификацию горения жидкого (газообразного) топлива.

В таких форсунках повышение эффективности сжигания и качества распыления топлива, расширения пределов регулирования расхода топлива, диапазона регулирования параметров факела решены путем подачи топлива и распылителя в независимые проточные контуры на входе форсунки, при выходе из которых потоки взаимодействуют между собой, в частности, по принципу встречно-смещенных струй. Впервые этот принцип был использован для распыливания жидких сред более 23 лет назад и описан в Авторском Свидетельстве (А.С.) СССР N 568790, М. Кл. F 23 D 11/12.

Известна также топливная форсунка (А.С. СССР N 802703, М. Кл. F 23 D 11/04), содержащая корпус с размещенным в нем завихрителем, выполненным в виде дисков с выступами на боковой поверхности, в корпусе которой в зоне выходного диска выполнены ответные выступам последнего наклонные канавки, ширина которых больше ширины выступов.

В газомазутной плоскопламенной горелке (А.С. СССР N 802707, М. Кл. F 23 D 13/04), содержащей примыкающий к горелочному туннелю с торроидальной амбразурой и подключенный к источнику воздуха корпус с закручивающим аппаратом и коаксиальной пневматической мазутной форсункой, на выходе из которой размещен отражатель, мазутная форсунка снабжена центральной трубой для подачи распылителя, а отражатель закреплен на форсунке на выбранном в зависимости от диаметра корпуса расстоянии. В форсунке внутреннего смешения (А.С. СССР N 805006, М. Кл. F 23 D 11/10), содержащей корпус с соплом, образующий камеру закручивания, снабженную наклонными входными каналами, размещенными по ее длине тремя кольцевыми рядами, причем каналы первого и второго со стороны сопла рядов подключены к источнику окислителя и наклонены в противоположные стороны, а каналы третьего ряда сообщены с источником топлива, при этом каналы третьего ряда наклонены в ту же сторону, что и каналы первого ряда, и все каналы расположены тангенциально относительно образующей камеры закручивания. В газомазутной горелке (А.С. СССР N 826140, М. Кл. F 23 D 17/00), содержащей воздухоподающий короб с, по крайней мере, двумя параллельными регулирующими заслонками на входе, внутри которого установлен перфорированный корпус с кольцевым газовым коллектором на выходе, центральной мазутной форсункой и лопаточным завихрителем во входном участке, подключенном к воздушному патрубку, снабженному регулятором расхода, воздухоподающий короб разделен на параллельные отсеки поперечными перегородками, установленными между регулирующими заслонками. В форсунке (А.С. СССР N 879149, М. Кл. F 23 D 11/04), содержащей корпус с автономными центральным и периферийным топливными каналами и камерой закручивания с центральным выходным соплом и выходными тангенциальными каналами, часть которых выполнена в боковой стенке камеры и подключена к одному из топливных каналов через аксиальные отверстия в распределительной шайбе, другая часть тангенциальных каналов камеры закручивания также выполнена в ее боковых стенках в одной плоскости с первыми и подключена к периферийному топливному каналу корпуса, а через отверстия в распределительной шайбе подключен центральный топливный канал корпуса.

Вышеописанные конструкции форсунок, имея те или иные недостатки, не позволяют добиться высококачественного распыления топлива, особенно при низком давлении его подачи и малом расходе распыливающего агента (пара или сжатого воздуха), обеспечить равномерную концентрацию капель топлива в воздушном потоке и регулировать в широких пределах угол раскрытия факела распыления, его длину и расход топлива, что не позволило провести их широкое внедрение, в частности, для экономного сжигания жидкого топлива в котлоагрегатах и других топочных устройствах.

В А.С. СССР N 876179, М. Кл. F 23 D 11/12 заявлена форсунка, содержащая корпус, втулки, коаксиально установленные в нем с образованием кольцевой топливной щели, 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. Такая форсунка позволяет разделить распыленную жидкость на два независимых потока, один из которых направлен к оси форсунки, а другой от нее. Такие потоки обеспечивают получение широкого факела распыления, в котором менее выражен эффект коагуляции капель в силу более развитой поверхности контакта с окружающей средой и удлинения пути раздельного движения потоков, улучшающего смесеобразование с окружающей средой и уменьшающего концентрацию капель в потоке. Недостатком этой форсунки является то, что оба независимых потока распылителя имеют крутку в разных направлениях вокруг оси форсунки, что приводит к схлопыванию факела распыления в осевой зоне течения, появлению наростообразования на торце форсунки, снижению надежности работы форсунки.

Наиболее близким аналогом - прототипом заявляемого технического решения является форсунка, описанная в патенте РФ N 069813, М. Кл. F 23 D 11/12 от 27.11.96 г. , содержащая корпус и втулки, коаксиально установленные в нем с образованием внутреннего и периферийного каналов для подачи распылителя и промежуточного канала для подачи жидкости, подключенных к сопловому аппарату, выполненному в виде кольцевых рядов щелевых прорезей, смещенных в окружном направлении в смежных рядах, причем прорези наружного ряда выполнены с продольными осями, перекрещивающимися с осью форсунки за ее выходным срезом, а прорези внутреннего ряда с продольными осями, перекрещивающимися с осью форсунки перед ее выходным срезом внутри корпуса, в которой продольные оси прорезей наружного и внутреннего рядов наклонены одна к другой под углом, не превышающим 90^o, а боковые стенки большей площади этих прорезей расположены в плоскостях, пересекающих ось форсунки в одной точке, расположенной на уровне ее выходного среза или за ним.

Недостатком конструкции известной форсунки, работающей на способе подачи жидкого топлива, основанного на принципе встречно-смещенных струй путем их распыливания двумя смещенными в шахматном порядке по окружности относительно друг друга щелевыми каналами, является следующее:
- подача жидкого топлива в сплошной коаксиальный кольцевой канал с большим проходным сечением, в результате чего образуется струя потока жидкости в виде сплошного конуса;
- конструктивное выполнение сопловых аппаратов в виде кольцевых рядов щелевых прорезей, смещенных в окружном направлении в смежных рядах, ввиду их малого сечения приводит к засорению прорезей и не обеспечивает достаточного облегания топлива воздушными потоками, что приводит к уменьшению интенсивности горения топлива;
- выходящий поток топлива у прототипа при его конструктивном выполнении не обеспечивает истечения струи с закруткой, что приводит к увеличению зоны смешения, в результате длина факела горения увеличивается, что представляет серьезные трудности его регулирования для вписывания длины факела в топочное пространство и может привести к схлопыванию факела распыления, т.е. стягиванию факела к оси форсунки и выходу ее из строя.

Предлагаемое изобретение решает основную задачу - обеспечение интенсивности горения топлива. Такая задача в заявляемом изобретении решена за счет комбинации трех взаимосвязанных факторов:
- дробления жидкостного (газового) потока топлива на большое количество мелких струй;
- увеличения угла встречи жидкостного (газового) и воздушных потоков;
- закручивания в противоположные стороны потока топлива и облегающих его воздушных потоков для сжигания топлива в вихревом (закрученном) потоке.

Это позволит повысить эффективность и качество распыления, улучшить смесеобразование, т.е. получить однородную по составу смесь топлива с воздухом или другим газообразным веществом, например горячим паром, что в конечном итоге обеспечит более интенсивное горение топлива, хорошие условия стабилизации пламени, уменьшенную длину факела, повысит надежность работы форсунки.

Сущность решения поставленной задачи согласно изобретению заключается в том, что форсунка содержит корпус, внутреннюю и наружную втулки, образующие с корпусом коаксиальные каналы для создания параллельных потоков жидкости в среднем канале и потоков распылителя во внутреннем и наружном каналах, подключенных к сопловому аппарату, позволяющему интенсифицировать горение жидкого топлива путем максимального развития поверхности жидкой фазы, что достигается переходом к сжиганию топлива в капельном состоянии. При этом средний кольцевой канал на выходе из форсунки выполнен в виде сопла, имеющего большой ряд равномерно размещенных по окружности отверстий малого размера, расположенных под углом 45^o к оси форсунки и имеющих угол наклона 30^o в радиальном направлении, обеспечивающих создание струйного вихревого потока топлива в сносящие и облегающие вихревые потоки окислителя, закрученные в противоположном направлении, создаваемые закручивателями потоков: внутренний - через тангенциальный, наружный - через винтовой закручиватель.

От прототипа заявленное изобретение отличается тем, что истечение жидкого топлива, например мазута, в потоки окислителя (воздуха или перегретого пара) осуществляется через сопло, имеющее большое число отверстий малого размера, расположенных под углом к геометрической оси потока и имеющих угол наклона в радиальном направлении, обеспечивающих создание струйного вихревого потока топлива, а истечение окислителя из коаксиальных каналов происходит через закручиватели потоков: внутренний - через тангенциальный, внешний - через винтовой закручиватель, что обеспечивает создание двух вихревых потоков окислителя, закрученных в одном направлении между собой, но в противоположном по отношению к топливному потоку. Каждый из этих признаков является существенным и в совокупности решает поставленную задачу, заключающуюся в том, что взаимодействие топлива - жидкого (мазута) или газообразного (газа) с потоком окислителя - воздуха или перегретого пара улучшается и осуществляется тремя закрученными потоками. Закрутка топливного потока - мазута (газа) осуществляется центральным соплом за счет ряда отверстий, расположенных под углом к геометрической оси потока и имеющих угол наклона в радиальном направлении. Внутренний сопловой аппарат (закручиватель) осуществляет закрутку потока за счет тангенциального ввода окислителя. Наружный сопловой аппарат (закручиватель) осуществляет закрутку окислителя за счет нарезанных винтовых каналов. Подача мазута (газа) в сносящий поток осуществляется системой мелких струй. Это способствует дроблению сплошного мазутного (газового) потока на ряд мелких потоков, уменьшению потерь энергии встречных струй на взаимодействие, увеличению угла встречи мазутного (газового) и воздушного (парового) потоков, повышению интенсивности крутки потока распылителя, а следовательно, созданию вихревого факела, снижению статического давления по периметру топливных (жидкостных) отверстий. Такое конструктивное выполнение форсунки обеспечивает интенсивное смешивание обоих разнородных потоков при их направлении (закручивании) в противоположные стороны: одного мазутного (газового) и облегающего его двух воздушных (паровых) потоков, что приводит к уменьшению длины факела. Общая интенсивность крутки потока распылителя от этого возрастает, что исключает возможность схлопывания факела распылителя во всей зоне течения, а также обеспечивает хорошие условия стабилизации пламени.

Основные признаки предложенного устройства отсутствуют в устройствах аналогах и их прототипе, взаимосвязаны друг с другом и с признаками констатирующей части. Их связь носит устойчивый характер.

На фиг. 1 показан общий вид форсунки, продольный разрез; на фиг. 2 - сечение форсунки по каналам закрутки воздуха; на фиг. 3 - вид на распылительную головку сверху; на фиг. 4 - вид канала подачи мазута (газа).

Форсунка содержит корпус 1, в котором коаксиально, с зазором между собой, установлены наружная 2 и внутренняя втулки 3, образующие сопловой аппарат с рядом окружных отверстий 4 для подачи мазута (газа), расположенных под углом "альфа" к геометрической оси форсунки и имеющих угол наклона в радиальном направлении, внутренний кольцевой канал 5, каналы закрутки воздуха 6, канал подвода воздуха 7, наружный кольцевой канал 8, наружные винтовые каналы 9 закрутки воздуха, крышку 10, закрывающую центральную часть форсунки; в корпусе 1 форсунки выполнен наружный канал 12 подвода воздуха (перегретого пара) и внутренний канал 13 подвода мазута (газа).

Форсунка работает следующим образом.

В каналы 7 и 12 подают под давлением окислитель (воздух или перегретый пар), который поступает через внутренний и периферийный каналы соответственно во внутренний 5 и наружный 8 кольцевые каналы. При этом внутренний сопловой аппарат осуществляет закрутку потока за счет тангенциального ввода окислителя. Наружный сопловой аппарат осуществляет закрутку окислителя за счет нарезанных под углом винтовых каналов 9. Таким образом, оба потока окислителя выходят закрученными в сторону, прямо противоположную выходу потока мелких струй мазута (газа). Подача мазута (газа) в сносящий поток окислителя осуществляется через сопло, имеющее большое число отверстий 4 малого размера, расположенных под углом к геометрической оси потока и имеющих угол наклона в радиальном направлении. Вышеперечисленные элементы форсунки позволяют интенсифицировать горение как жидкого топлива путем максимального развития поверхности жидкой фазы, что достигается переходом к сжиганию топлива в капельном состоянии, так и газообразного топлива. При подаче газа создается вихревой поток газовоздушной смеси, образующий при сгорании турбулентный закрученный факел. Конструкция форсунки позволяет уменьшить длину факела за счет его закрутки, снижает статистическое давление на выходе из сопла подачи мазута (газа) с большим числом отверстий, повышает качество их распыления, увеличивает эжекцию. Дробление мазутного (газового) и воздушного (парового) потоков, а также дополнительные закрутки внутри форсунки воздушного (парового) и мазутного (газового) потоков, способствующих созданию вихревого факела, позволяют обеспечить хорошие условия стабилизации пламени и предотвратить возможность схлопывания факела распыления, т.е. стягивания потоков к оси форсунки. Вышеперечисленные факторы обеспечивают условия для образования у торцевой поверхности форсунки вихревого факела малой длины, связанного со свободным пространством, обеспечивая тем самым высокое качество распыления и горения газовоздушной смеси. В то же время выходящие с центрального сопла ряд мелких струйных мазутных (газовых) потоков при их взаимодействии с потоками окислителя позволяют получить широкий факел распыления, в котором снижается коагуляция капель жидкости и повышается эффективность смешивания с окружающей средой.

Изобретение предназначено для распыливания жидкостей, в частности пульп, растворов, суспензий. Форсунка содержит корпус, внутреннюю и наружную втулки, образующие с корпусом коаксиальные каналы для создания параллельных потоков жидкости в среднем канале и потоков распылителя во внутреннем и наружном каналах, подключенных к сопловому аппарату, средний кольцевой канал на выходе из форсунки выполнен в виде сопла, имеющего большой ряд равномерно размещенных по окружности отверстий малого размера, расположенных под углом 45° к оси форсунки и имеющих угол наклона 30^o в радиальном направлении, обеспечивающих создание струйного вихревого потока топлива в сносящие и облегающие вихревые потоки окислителя, закрученные в противоположном направлении, создаваемые закручивателями потоков: внутренний - через тангенциальный, наружный - через винтовой. Изобретение обеспечивает высокую интенсивность горения топлива. 4 ил.

Форсунка, содержащая корпус, внутреннюю и наружную втулки, образующие с корпусом коаксиальные каналы для создания параллельных потоков жидкости в среднем канале и потоков распылителя во внутреннем и наружном каналах, подключенных к сопловому аппарату, позволяющему интенсифицировать горение жидкого топлива путем максимального развития поверхности жидкой фазы, что достигается переходом к сжиганию топлива в капельном состоянии, отличающаяся тем, что средний кольцевой канал на выходе из форсунки выполнен в виде сопла, имеющего большой ряд равномерно размещенных по окружности отверстий малого размера, расположенных под углом 45^o к оси форсунки и имеющих угол наклона 30^o в радиальном направлении, обеспечивающих создание струйного вихревого потока топлива в сносящие и облегающие вихревые потоки окислителя, закрученные в противоположном направлении, создаваемые закручивателями потоков: внутренний - через тангенциальный, наружный - через винтовой.