Общие сведения о форсунках, принципы действия и области применения

Общие сведения о форсунках, принципы действия и  области применения.

Форсункой называется устройство для распыливания жидкости, широко используемое в различных отраслях техники.

Первая работоспособная  форсунка для сжигания жидкого топлива  была предложена А.И. Шпаковским в 1864 г. В дальнейшем большую роль сыграла форсунка созданная в 1880 г. инженером В.Г. Шуховым. Благодаря технологичности, простоте конструкции и легкости изготовления она быстро нашла себе применение.

Вслед за первыми распылителями  было создано огромное количество форсунок разных производителей и разных принципов действия. Они отличаются друг от друга конструктивными особенностями, способами регулирования, числом ступеней распыливания, характером движения смеси топлива и многое другое. Классифицировать все эти многообразия форсунок лучше всего по принципу распыливания жидкости.

Известны два основных способа распыливания жидкости: механический и пневматический (или паровой). В соответствии с этим форсунки делятся на две большие группы: механические и пневматические.

Механические форсунки, в свою очередь, можно условно  разбить на центробежные и прямого  действия.

В центробежной форсунке топливо, подаваемое под значительным давлением, закручивается в каналах  или специальной вихревой камере, откуда через суженное сопло выбрасывается в объем, затопленный газом.

В форсунках прямого  действия топливо, как правило, подается под значительно большим давлением, чем в форсунках центробежного  типа. Такие форсунки применяются, главным  образом, в двигателях внутреннего сгорания.

Пневматические (или паровые) форсунки, где диспергирование в  основном производится газовой струей, имеют более сложное устройство и более громоздкие коммуникации чем механические форсунки.

Пневматические форсунки бывают высокого и низкого напора. В свою очередь форсунки высокого напора бывают прямоструйными и центробежными. Прямоструйные форсунки нашли весьма широкое применение в энергетике и промышленных печах. Форсунки центробежного типа находят применение при сжигании жидкого топлива в камерах горения газовых турбин.

Форсунки низкого напора применяются, в основном, в печной технике. Как правило, они работают только с воздушным дутьем, но в  отдельных конструкциях, предназначенных  для сжигания высоковязких мазутов, предусмотрена подача, наряду с воздухом, и небольшого количества пара.

 

 

 

Наибольшее распространение  получили центробежные форсунки (ЦБФ). Центробежная форсунка состоит (рисунок 1) из камеры закручивания, входных тангенциальных каналов и выходного сопла.

Рисунок 1

 

 

Жидкость в ЦБФ вводится тангенциально, вследствие чего поток закручивается. При выходе жидкости из сопла действие центростремительных сил от твердых стенок прекращается, и истекающая струя в результате нестационарных колебаний распадается на капли. При этом капли разлетаются по прямолинейным лучам, составляющим угол α с осью ЦБФ (рисунок 2)

Рисунок 2

Характеристики ЦБФ  определяются следующими геометрическими  параметрами:

i – количество входных каналов;

d – диаметр входного канала;

S – суммарная площадь сечения входных каналов;

d_c – диаметр выходного сопла;

S_c – площадь сечения выходного сопла;

R – радиус закручивания.

Угол распыла 2α является важнейшей  характеристикой ЦБФ, его величина определяется значениями аксиальной и тангенциальной   компонент вектора скорости в выходном сечении сопла:

.

Кроме геометрических параметров на характеристики ЦБФ влияет перепад  давления и физические свойства распыляемой жидкости (в первую очередь вязкость)

 

Теория центробежной форсунки для идеальной жидкости.

Теория движения идеальной  жидкости в камере центробежной форсунки была развита Г. Н. Абрамовичем и  сводится к следующим основным положениям.

Рассмотрим движение жидкости в камере распылителя. На основании теоремы о сохранении момента количества движения при отсутствии сил сопротивления определяется соотношением между скоростью входа и скоростью вращения при выходе из камеры.

Тангенциальная составляющая скорости жидкости при выходе из камеры равна:

Здесь R – радиус вращения элемента жидкости во входном сечении;

          r  - радиус вращения рассматриваемого элемента при выходе из камеры.

Для идеальной жидкости запас энергии в потоке не изменяется и определяется уравнением Бернулли:

где - давление на входе в камеру закручивания; - плотность жидкости; и - тангенциальная и осевая составляющие скорости в проточной части; - давление в какой-либо точке камеры закручивания. Поделим выражение на :

                      (56)

где - полный напор.

Из уравнения +++ и +++ следует, что жидкость не может полностью заполнять выходное сечение, так как при этом скорость на оси должна была бы иметь бесконечно большое положительное значение, а давление – бесконечно большое отрицательное значение, что физически невозможно. Поэтому в центре сечения возникает воздушный вихрь радиусом , избыточное давление в котором равно нулю. Таким образом, истечение жидкости происходит через кольцевое сечение (живое сечение), ограниченное радиусами (радиус воздушного вихря) и (радиус сопла). Площадь живого сечения равна:

где - коэффициент живого сечения ЦБФ, характеризующий степень заполнения выходного сечения жидкостью.

 

 

Распределение аксиальной скорости в выходном сечении сопла.

Рассмотрим элементарную кольцевую площадку в выходном сечении  сопла ЦБФ площадью

Распределение осевых скоростей  в выходном сечении определяется по принципу Даламбера, примененному к элементу жидкости, имеющему объем и изображенному на рисунке . Проектируя силы на направление радиуса имеем:

Отсюда                        

  (88)

Из условия сохранения моментов  ( )

                 (+--)

где - тангенциальная скорость на границе вихря ( = ).

Продифференцировав выражение (+--) получим

,

подставляем полученное значение в (88)

и интегрируем 

 

.

В результате интегрирования получаем

где С – константа интегрирования.

На границе газового вихря избыточное давление равно  нулю, а  , следовательно .

Отсюда:

                (91)

Из (56) и (91) получим:

Таким образом, аксиальная компонента вектора скорости в выходном сечении сопла постоянна и равна:

 

 

Расчетные формулы для  коэффициента расхода.

Введем понятие эквивалентной  скорости истечения – это фиктивная  скорость, которая получилась бы, если расход жидкости осуществлялся не через живое сечение , а через всю площадь сечения сопла :

где - объемный расход жидкости:

Значение  и связаны соотношением:

Из условия сохранения расхода  можно получить:

 

Найдем распределение  тангенциальной скорости через . Из закона сохранения момента импульса следует:

На стенке ( ):

На границе вихря ( ):

Таким образом, тангенциальная скорость распределена по закону квазипотенциального вращения.

Вводя коэффициент живого сечения, можно получить выражение  для эквивалентной скорости в  виде:

где - коэффициент расхода форсунки;

       - перепад давления на форсунке;

       - геометрическая характеристика ЦБФ.

Коэффициент расхода  связан с величиной :

            (010)

Зависимость неоднозначна. Для её конкретизации используется принцип максимума расхода, который формулируется следующим образом:

при заданном напоре Н устойчивым будет такой вихрь, размер которого определяется величиной (или связанной с величиной ), который обеспечивает максимум расхода жидкости через ЦБФ.

Следовательно, в (010) выражение в  скобках должно быть минимальным. Найдем экстремум, приравнивая нулю производную:

                       (741)

Из (741) следует:

;                   .

Таким образом, коэффициенты расхода  и живого сечения полностью определяются геометрической характеристикой форсунки А и не зависят от режима работы ЦБФ.

 

 

Расчет угла распыла.

Выше мы нашли распределение  и в выходном сечении:

    

то есть угол распыла  неодинаков. Частицы, находящиеся ближе  к оси ЦБФ, имеют большой угол распыла. При расчетах принимают  среднее значение , соответствующее среднему значению тангенциальной скорости:

где  

Подставим эти значения в формулу  для угла распыла, получим после  некоторых преобразования:

                  (463)

Из (463) следует, что угол распыла  однозначно определяется величиной коэффициента живого сечения ( или связанной с ней величиной А) и не зависит от режима работы форсунки, которая определяется величиной перепада давления

Зависимость коэффициента живого сечения , коэффициента расхода и угла конусности струи от геометрической характеристики форсунки представлена на рисунке.

Таким образом, геометрическая характеристика А полностью определяет параметры распыливания и является важнейшим критерием подобия центробежной форсунки. Определив величину А по заданной геометрии форсунки ( ), можно рассчитывать все параметры распыла Массовый секундный расход жидкости через форсунку рассчитывается по формуле:

 

Теория центробежной форсунки для вязкой жидкости.

В теории Абрамовича полагалось, что вязкость жидкости и момент количества движения М неизменен по всему тракту форсунки:

Реальная жидкость всегда вязкая ( ), поэтому за счет внутреннего трения происходят потери момента импульса, то есть всегда Чем больше потери, тем сильнее расчеты по теории Абрамовича отличаются от опытных данных (в реальном случае больше коэффициента расхода и меньше угла распыла ). Уменьшение интенсивности закрутки на выходе ведет к уменьшению размера газового вихря увеличению коэффициента живого сечения и уменьшения тангенциальной скорости .

При анализе течения  вязкой жидкости в ЦБФ Л. С. Клячко установил, что изменение момента количества движения жидкости по тракту форсунки описывается формулой:

                       (095)

где - момент количества движения на входе ЦБФ;

        - безразмерный коэффициент трения;

        - безразмерный комплекс.

Из  (095) следует, что  уменьшается с ростом и . Аналогично теории Абрамовича можно получить выражение для коэффициента расхода:

        (917)

где

             (918)

Здесь - эквивалентная геометрическая характеристика форсунки.

Функциональная связь  между  и определяется так же, как и для идеальной ЦБФ из принципа максимума расхода:

Аналогично получаем выражение для среднего угла распыла  топлива:

    (920)

Таким образом, формулы (920) и (917) для расчета коэффициента расхода  и угла распыла полностью совпадают с формулами для идеальной жидкости, если  заменить на .

Сравнивая уравнения (916) и (918), получим:

Таким образом, величина учитывает уменьшение момента импульса в камере закручивания. Поскольку < , то для вязкой жидкости угол распыла меньше, а коэффициент расхода больше, чем для идеальной жидкости.

Рассмотрим как меняется при изменении геометрии ЦБФ (при увеличении плеча закручивания и при уменьшении радиуса входных каналов ). Из (918) следует:

Сравним поведение и

1. Пусть , а неограниченно увеличивается.
2. Пусть неограниченно уменьшается при постоянстве остальных геометрических параметров.

При этом для идеальной  жидкости

                 

 

рисунок

 

В отличие от идеальной  жидкости, величина ограничена сверху, а ее максимальное значение зависит от способа регулирования (уменьшение или увеличение ). При величина

Следовательно, для реальной жидкости коэффициент расхода имеет  некоторое минимальное значение (стремится не к нулю, а к ).

Угол распыла для  реальной жидкости также не может  превышать некоторого максимального  значения. Значение и определяются максимальным значением . Увеличить угол распыла за счет уменьшения технологически сложно, кроме того, с уменьшением возникает опасность засорения входных каналов. Можно достичь увеличения путем снижения (повысить класс чистоты при изготовлении форсунки или подогреть жидкость).

Для практического использования  полученных формул необходимо знать  коэффициент трения , который по рекомендации Л. С. Клячко можно взять в виде:

,

где число  определяется из условий на входе в ЦБФ:

Здесь - коэффициент динамической вязкости жидкости.

 

 

Процесс распыливания

Распыливание – процесс  распада струи жидкости, истекающей из ЦБФ, на капли и дальнейшего  их дробления под действием внешних  и внутренних сил. Внешние силы обусловлены  аэродинамическим воздействием на поверхность  струи. Величина этих сил зависит от относительной скорости движения жидкости, плотности окружающей среды, размера частиц и других факторов. К внутренним относятся инерционные и молекулярные силы, связанные с вязкостью и поверхностным натяжением жидкости.

Турбулизация струи приводит к появлению в ней периодических колебаний с возрастающей амплитудой. Под влиянием внутренних и внешних сил возникают волны малой длины. Струя теряет устойчивость и распадается на капли с ростом амплитуды колебаний.

      рисунок

 

Качество распыливания определяется тонкостью и однородностью распыла, а также формой и дальнобойностью факела. Тонкость распыла характеризуется диаметром капель , чем меньше , тем тоньше распыл (выше дисперсность образующихся капель). Однородность распыла характеризуется диапазоном изменения диаметра капель. Глубина проникновения распыленной жидкости в газовую среду называется дальнобойностью факела распыла.

Тонкость и однородность распыла характеризуется функцией распределения капель жидкости по размерам или некоторым средним размерам капель Для определения тонкости распыла используются эмпирические формулы, приведем одну из них:

                              (925)

где - средний медианный диаметр капель (средний диаметр, при котором относительная масса капель с размерами от нуля до составляет половину массы всех капель);

,        ,

где - коэффициент поверхностного натяжения распыливания жидкости.

Эта зависимость получена для следующих диапазонов изменения  определяющих параметров:

 

 

Анализ формулы (925) показывает, что  величина

Однородность распыла увеличивается  с ростом  и давления окружающей среды. Увеличение и ведет к снижению тонкости распыла (росту ). Влияние очень велико – с ростом уменьшается коэффициент живого сечения и толщина жидкостной пленки, что ведет к лучшему распыливанию. Тонкость распыла повышается также с ростом давления окружающей среды.

С точки зрения завершения процесса горения в малом объеме камеры сгорания увеличение дальнобойности факела нежелательно. Управлять этим параметром можно путем варьирования величины . Увеличение величины ведет к росту угла распыла , тонкости  распыла и, следовательно, к увеличению аэродинамического сопротивления факела и к снижению его дальнобойности.

 

 

 

 

Плотность орошения

Плотность орошения является очень  важной характеристикой ЦБФ. Это  радиальное и осевое распределение  относительного расхода капель, которые  находятся, как правило, экспериментально

,

где - суммарный расход капель.

Наличие газового вихря в ЦБФ  и вращательное движение вытекающей струи приводит к тому, что струя  приобретает форму полого тела вращения. В связи с этим для ЦБФ типично такое распределение , при котором центральная часть факела заполнена небольшим количеством жидкости, а на некотором расстоянии от оси плотность орошения достигает максимума(рисунок). Присутствие некоторого количества жидкости в центральной зоне объясняется выносом отдельных капель из основной струи за счет турбулентных пульсаций. С ростом расстояния от среза сопла распределение сглаживается.

С увеличением вязкости распыливаемой  жидкости распределение  также сглаживается и даже может качественно измениться. С ростом влияния сил вязкого трения образуется максимум на оси ЦБФ.