Механічна саморегулююча форсунка

1 Механическая саморегулируемая форсунка, включающая цилиндрический корпус с патрубком подвода жидкости, кольцевую камеру закручивания, кольцевое сопло и завихритель с тангенциальными каналами, имеющий наружную боковую поверхность в виде цилиндрического и сопряженного с ним меньшим основанием конического участка, отличающаяся тем, что завихритель имеет осевой канал, состоящий из цилиндрической и конической части, меньшим основанием обращенной к соплу и снабжен радиальными каналами, между корпусом и завихрителем установлен с возможностью осевого вращательного перемещения ползун, образующий с торцевой поверхностью корпуса кольцевую полость, снабженный наклонными каналами постоянного поперечного сечения и имеющий на внутренней поверхности кольцевую проточку, кольцевое сопло и кольцевая камера закручивания, при этом образованы внутренней и внешней поверхностями ползуна и завихрителя, цилиндрическая часть осевого канала завихрителя посредством радиальных каналов сообщена с кольцевой полостью и полостью, образованной кольцевой проточкой ползуна и наружной поверхностью цилиндрического участка завихрителя, а коническая часть осевого канала завихрителя посредством тангенциальных каналов сообщена с кольцевой камерой закручивания, на наружной цилиндрической поверхности завихрителя выполнены осевые каналы переменного поперечного сечения, соединяющие кольцевую камеру закручивания с полостью, образованной кольцевой проточкой ползуна и наружной поверхностью цилиндрического участка завихрителя, на наружной поверхности ползуна размещены лопасти, выполненные в форме винтовой поверхности, грани которых наклонены к продольной оси ползуна в сторону противоположную направлению вращения жидкости в камере закручивания, а полости, образованные внутренней цилиндрической поверхностью корпуса и наружной профилированной поверхностью ползуна, сообщены с кольцевой полостью, образованной торцевыми поверхностями ползуна и корпуса и, посредством наклонных каналов ползуна, с кольцевой камерой закручивания Изобретение относится к технике распыливания жидкостей и предназначено преимущественно для распыления жидкого топлива в энергетических агрегатах Наиболее близкой к заявляемой по технической сущности является форсунка, содержащая коаксиально установленные топливоподводящий корпус, сообщенную с его полостью кольцевую камеру закручивания с кольцевым соплом и тангенциальными отверстиями в боковой стенке, а также центральную камеру закручивания - завихритель с осевым соплом и тангенциальными каналами в боковой стенке, сообщенный с полостью кольцевой камеры, установленный с возможностью осевого перемещения и выполненный с наружной боковой поверхностью в виде цилиндрического участка и сопряженного с ним меньшим основанием конического участка, снабженного продольными пазами и размещенного с образованием указанного кольцевого сопла Кольцевая камера установлена с образованием с корпусом кольцевого канала, подключенного к ее полости посредством ука ВШ 2 Механическая саморегулируемая форсунка по п 1, отличающаяся тем, что полость, образованная внутренней цилиндрической поверхностью корпуса и наружной профилированной поверхностью ползуна, посредством наклонных каналов ползуна сообщена с кольцевым соплом 3 Механическая саморегулируемая форсунка по п 1, отличающаяся тем, что конусность ползуна меньше конусности конического участка завихрителя О ю ГО 17351 занных тангенциальных отверстий (Авт ев СССР №1799100, кп F23D 11/04, заявл 01 10 90) Жидкость под давлением подается в кольцевой канал корпуса, из которого через тангенциальные отверстия попадает в кольцевую камеру закручивания Небольшая часть топлива через кольцевое отверстие распыляется в топочную камеру Остальная часть топлива поступает в завихритель через его тангенциальные отверстия и распыливается через осевое сопло В случае засорения кольцевого сопла завихритель, установленный на штоке с возможностью осевого перемещения, передвигается вперед по ходу потока, увеличивая радиальный зазор кольцевого сопла Описанная форсунка в определенной степени позволяет повысить эффективность сжигания топлива за счет организации двух зон горения, образующихся вследствие распыл ивания через кольцевое и осевое сопла Однако она не обеспечивает мелкодисперсности распыла, так как форсунка, имеющая кольцевую камеру закручивания, позволяет улучшить качество распыливания через осевое сопло лишь при больших значениях рабочего давления и формировании высокоскоростного закрученного потока жидкости у выхода осевого сопла Описанная форсунка не обеспечивает также в достаточной степени стабилизацию расхода жидкости, так как регулирование расхода в ней производится лишь за счет изменения площади кольцевого сопла путем осевого перемещения центральной камеры закручивания, а регулирования истечения через осевое сопло не производится, что также сказывается на качестве распыливания и эффективности сжигания топлива Недостаточно эффективно решена также задача регулирования расхода в широком диапазоне изменения рабочего давления, поскольку в известной форсунке основная часть топлива проходит через осевое сопло, а изменение площади выходного сечения кольцевого сопла производится лишь при засорении форсунки и технически непредусмотрено регулирование расхода при изменении рабочего давления и изнашивании рабочих поверхностей в течение всего срока эксплуатации В основу предлагаемого изобретения поставлена задача усовершенствования механической форсунки, которое позволило бы обеспечить мелкодисперсность распыла, стабильность расхода жидкости в течение всего срока эксплуатации форсунки, увеличение диапазона регулирования давления распыливаемой жидкости, а также снижение механических потерь скоростного напора при протекании топлива через форсунку и, тем самым, повысить эффективность горения топлива Задача может быть решена тем, что в механической саморегулируемой форсунке, включающей цилиндрически корпус с патрубком подвода жидкости, кольцевую камеру закручивания, кольцевое сопло и завихритель с тангенциальными каналами, имеющий наружно боковую поверхность в виде цилиндрического и сопряженного с ним меньшим основанием конического участка, согласно изобретению, между корпусом и завихрителем установлен с возможностью осевого и радиального перемещения ползун, образующий с торцовой поверхностью корпуса кольцевую полость Ползун снабжен наклонными каналами постоянного поперечного сечения и имеет на внутренней поверхности кольцевую проточку Завихритель имеет осевой канал, состоящий из цилиндрической и конической части, меньшим основанием обращенной к соплу и снабжен радиальными каналами в цилиндрической части Кольцевое сопло и кольцевая камера закручивания образованы внутренней и внешней поверхностями ползуна и завихрителя Цилиндрическая часть осевого канала завихрителя посредством радиальных каналов сообщена с кольцевой полостью и полостью, образованной кольцевой проточкой ползуна и наружной поверхностью цилиндрического участка завихрителя, а коническая часть осевого канала завихрителя посредством тангенциальных каналов сообщена с кольцевой камерой закручивания На наружной цилиндрической поверхности завихрителя выполнены осевые каналы переменного поперечного сечения, соединяющие кольцевую камеру закручивания с полостью, образованной внутренней кольцевой проточкой ползуна и наружной поверхностью цилиндрического участка завихрителя На наружной поверхности ползуна размещены лопасти, выполненные в форме винтовой поверхности, грани которых наклонены к продольной оси ползуна в сторону, противоположную направлению вращения жидкости в камере закручивания Полости, образованные внутренней цилиндрической поверхностью корпуса и наружной профилированной поверхностью ползуна, сообщены с кольцевой полостью, образованной торцовыми поверхностями ползуна и корпуса и, посредством наклонных каналов ползуна, с кольцевой камерой закручивания Форсунка может быть выполнена таким образом, что полость, образованная внутренней цилиндрической поверхностью корпуса и наружной профилированной поверхностью ползуна, сообщена посредством наклонных каналов ползуна непосредственно с кольцевым соплом Конусность ползуна также может быть выполнена меньше конусности конического участка наружной поверхности завихрителя Такое выполнение конструкции топливной форсунки позволяет получить вращательное движение ползуна, вызванное напором подаваемой в форсунку жидкости, выходящей из радиальных каналов, соединяющих осевой канал завихрителя с кольцевой полостью, образованной внутренней и наружной торцовыми поверхностями корпуса и ползуна, что увеличивает степень закрутки жидкости, истекающей из кольцевого сопла и, тем самым, обеспечивает мелкодисперсность распыла В результате осевых перемещений ползуна, вызванных дисбалансом сил давления жидкости на внутренних торцовых поверхностях ползуна происходит регулирование расхода жидкости при изменении рабочего давления и в случае засорения сопла Вращение ползуна в ходе работы форсунки снижает силу трения жидкости, что обеспечивает плавность и надежность регулирования расхода Выполненная на внутренней поверхности ползуна кольцевая проточка в сочетании с конической формой камеры закручивания обеспечи 17351 вают регулирование расхода жидкости в обе стороны (уменьшение, возрастание) рабочего давления Организация распыливания топлива через периферийное кольцевое сопло позволяет выбрать размер щели сопла переменным, при этом суммарная площадь проходного сечения равна площади сечения подводящего патрубка, внутренние каналы также сохраняют площадь протекания жидкости, тем самым обеспечивается понижение рабочего давления по сравнению с распыливанием через осевое сопло, площадь проходного сечения которого существенно меньше площади поперечного сечения подводящего патрубка Вывод наклонных каналов ползуна в кольцевое сопло снижает гидравлическое сопротивление форсунки и облегчает открытие сопла в случае резкого падения рабочего давления Выполнение ползуна с конусностью, меньшей конусности конического участка боковой поверхности завихрителя, способствует улучшению дисперсности потока, так как снижает толщину пленки жидкости на срезе выходного сопла, а также увеличивает угол раскрытия факела, что обеспечивает возможность регулирования длины факела и, тем самым, повышает эффективность горения топлива Выбранная конструкция форсунки расширяет диапазон регулирования расхода при самонастраивании размера щели кольцевого сопла при осевых перемещениях ползуна, вызванных действием сил гидродинамического давления На фиг 1 представлена предлагаемая форсунка, продольный разрез, на фиг 2-поперечный разрез Б-Б на фиг 1, на фиг 3 - поперечный разрез А-А фиг1, на фиг 4 - внешний вид ползуна на фиг 1 Форсунка содержит цилиндрический корпус 1 с патрубком подвода жидкости 2, завихритель 3, установленный между корпусом 1 и завихрителем 3, ползун 4 и, образованные внутренней и внешней поверхностями ползуна 4 и завихрителя 3, кольцевую камеру закручивания 5 и кольцевое сопло 6 Завихритель 3 имеет цилиндрический 7 и сопряженный с ним меньшим основанием конический участок 8, при этом внешняя поверхность цилиндрического участка 7 образует с внутренней поверхностью ползуна 4 кольцевую камеру закручивания 5, а внешняя поверхность конусного участка 8 - кольцевое сопло переменного сечения 6 Завихритель 3 снабжен также осевым каналом 9, состоящим из цилиндрической 10 и конической части 11, меньшим основанием обращенной к кольцевому соплу 6 В цилиндрической части 10 осевого канала 9 выполнены радиальные каналы 12 и 13, а в конической части 11 выполнены тангенциальные каналы 14 По наружной поверхности цилиндрического участка 7 завихрителя 3 выполнены осевые каналы переменного поперечного сечения 15 Ползун 4 установлен с возможностью осевого и радиального перемещения и образует с внутренней торцевой поверхностью корпуса 1 кольцевую полость 16 Ползун 4 снабжен наклонными каналами постоянного поперечного сечения 17, а на внутренней поверхности ползуна 4 выполнена кольцевая проточка 18, образующая с наружной поверхностью цилиндрического участка 7 завихрителя 3 полость 19 На наружной поверхности ползуна 4 размещены лопасти 20, выполненные в форме винтовой поверхности, грани которых наклонены к продольной оси ползуна 4 в сторону, противоположную направлению вращения жидкости в камере закручивания 5 и образующие с внутренней цилиндрической поверхностью корпуса 1 полости 21 Цилиндрическая часть 10 осевого канала 9 завихрителя 3 посредством радиальных каналов 12 сообщена с кольцевой полостью 16, а посредством радиальных каналов 1 3 - е полостью 19, образованной кольцевой проточкой 18 ползуна 4 и наружной поверхностью цилиндрического участка 7 завихрителя 3 Коническая часть 11 осевого канала 9 завихрителя 3 посредством тангенциальных каналов 14 сообщена с кольцевой камерой закручивания 5 Осевые каналы 15, выполненные на наружной поверхности цилиндрического участка 7 завихрителя 3, соединяют кольцевую камеру закручивания 5 с полостью 19, образованной внутренней кольцевой проточкой 18 ползуна 4 и наружной поверхностью цилиндрического участка 7 завихрителя 3 Полости 21, образованные внутренней цилиндрической поверхностью корпуса 1 и наружной профилированной поверхностью ползуна 4, сообщены с полостью 16, образованной торцовыми поверхностями ползуна 4 и корпуса 1, и посредством наклонных каналов 17 ползуна 4 с кольцевой камерой закручивания 5 Полости 21 могут быть также сообщены наклонными каналами 17 непосредственно с кольцевым соплом 6 Конический участок 8 боковой поверхности завихрителя 3 может быть выполнен с конусностью, большей конусности ползуна 4 Форсунка работает следующим образом Жидкое топливо под давлением подается через патрубок подвода жидкости 2 в осевой канал 9 завихрителя 3, где разделяется на три потока - один основной и два вспомогательных потока регулирования Основной поток через тангенциальные каналы 14 завихрителя 3 поступает в кольцевую камеру закручивания 5, где приобретает вращательное движение и распыливается через кольцевое сопло 6 Второй поток жидкости из осевого канала 9 завихрителя 3 через радиальные каналы 13 поступает в полость 19, образованную кольцевой проточкой 18 ползуна 4 и наружной поверхностью цилиндрического участка 7 завихрителя 3, откуда по осевым каналам переменного сечения 17, выполненным на наружной поверхности цилиндрического участка 7 завихрителя 3 проходит в кольцевую камеру закручивания 5 Третий поток жидкости из осевого канала 9 завихрителя 3 через радиальные каналы 12 поступает в кольцевую полость 16, образованную торцовыми поверхностями корпуса 1 и ползуна 4 и из нее в полости 21, образованные профилированной внешней поверхностью ползуна 4 и внутренней цилиндрической поверхностью корпуса 1, а оттуда через наклонные каналы постоянного попе 17351 речного сечения 17 ползуна 4 в кольцевую камеру закручивания 5 Из кольцевой камеры закручивания 5 жидкость поступает в кольцевое сопло 6 и распыливается Жидкость, выходящая из радиальных каналов 12 цилиндрической части 10 завихрителя 3 и, далее, кольцевой полости 16, поступает на полости 20, размещенные на наружной поверхности ползуна 4 и сообщает ему вращательное движение, что увеличивает степень закрутки распыливаемой жидкости перед кольцевым соплом 6 и окружную составляющую скорости пленки жидкости на выходе из сопла относительно поверхности сопла, и, тем самым, улучшает качество распыливания Кривые зависимости медианного диаметра капель при распыливании механическими форсунками подчиняется полученной многими исследователями зависимости °-485 W5 где М-окр - число Рейнольдса пленки, отношение вязкости окружающей среды к вязкости жидкости, 5 - толщина пленки жидкости на выходе из сопла, v - коэффициент кинематической вязкости жидкости, W - эквивалентная скорость жидкости (Адамов В А Сжигание мазута в топках котлов - Л Недра, 1989, с 67, формула 3 62) При прочих равных условиях соотношение медианного диаметра капель при распыле жидкости форсункой по прототипу и форсункой по изобретению составит v-0,75 W°>75 )из _ пр 1 Г0'75 пр W 0'75 vv v Значения индексов из - изобретение, пр - прототип Проведенные лабораторные исследования на экспериментальных образцах показали, что эквивалентная скорость жидкости для форсунки по изобретению составляет WM3 = (1,5-1,8) W np В этом случае Физ _ = (0,738-0,643) 1 пр Обычно при хорошем распыливании размер капель мазута (топлива) изменяется от 40 до 160 мкм ( ф = 1 0 0 мкм), при плохом - от 100 до 400 мкм, то есть значение диаметра капель выше 100 мкм в дисперсном потоке желательно не иметь (Роддатис КФ Котельные установки - М Энергия, 1977, с 151) Таким образом, в диапазоне хорошего распыла форсунка по изобретению обеспечивает верхний предел диапазона 2 * 100* 0,738 - 4 0 = 108 мкм, 2 * 100* 0,643-40 = 89 мкм, то есть диапазон распыливания составляет от 40 до 110 мкм, что гарантирует хорошее сжигание топлива При изменении давления жидкости на входе в форсунку изменяется соотношение расходов через радиальные 12, 13 и тангенциальные 14 каналы завихрителя 3 (это вызвано разными площадями сечений указанных отверстий и разными коэффициентами расхода), что приводит к появлению результирующей динамической составляющей давления жидкости на нормальные к продольной оси поверхности ползуна 4,в результате чего нарушается баланс осевых усилий, действующих на ползун, и последний перемещается в осевом направлении до тех пор, пока динамическая составляющая давления не станет равной нулю при новом значении давления жидкости на входе, что возможно только в случае изменения соотношения проходных сечений каналов 12, 13, 14, т е ползун 4 займет новое положение равновесия, при этом происходит плавное изменение величины проходного сечения кольцевого сопла 6 и средней длины тангенциальных каналов 14, что вызывает одновременное изменение и расхода, и степени закрутки жидкости на выходе из сопла 6 с сохранением неизменности соотношения этих величин Тем самым достигается стабильность скорости истечения жидкости из сопла, что приводит к сохранению дисперсности распыла последней, независимо от давления подаваемой жидкости Аналогичные процессы происходят и при колебании выходного давления, например, при засорении выходного кольцевого сопла Таким образом, форсунка с указанными конструктивными признаками позволяет обеспечить мелкодисперность распыла, снижение рабочего давления, плавное саморегулирование расхода жидкости при колебаниях входного давления в течение всего срока эксплуатации без изменения дисперсности факела и увеличение диапазона регулирования давления при постоянной скорости закручивания, а также снижение механических потерь скоростного напора при протекании жидкости через форсунку, что повышает эффективность горения топлива Кроме того, улуч шается износостой кость сопла, увеличивается ресурс работы форсунки 17351 \\X\\\\\\4\KK\\\\\\Vc У/////////////А /////////////Ш Фиг. 2 Фиг. 3 17351 Фиг. 4 Тираж 50 екз Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000, м Ужгород, вул Гагаріна, 101 (03122) 3-72-89 (03122) 2-57-03