RU2202734C2

RU2202734C2 - Mechanical steam injector

Info

Publication number: RU2202734C2
Application number: RU2001110533A
Authority: RU
Inventors: Б.Г. Полиградов; В.Н. Лаптев; П.Н. Федотов
Original assignee: Открытое акционерное общество Таганрогский котлостроительный завод "Красный котельщик"
Priority date: 2001-04-17
Filing date: 2001-04-17
Publication date: 2003-04-20

Abstract

FIELD: spraying liquids in power engineering, metal-working, chemical, and other industries. SUBSTANCE: mechanical steam injector has body with central bore for spraying liquid and peripheral holes for introducing spraying agent, filter, sprayer with tangential fuel channels, steam swirler with tangential steam channels, conical-surface steam nozzle, and external union nut; novelty is that tangential steam channels of steam swirler measure at inlet through their height 1.2 to 2 of their size at outlet made in the form of bevel formed due to passage through conical surface and that swirling steam flow in steam channels of swirler opposes that of liquid in fuel channels of sprayer. EFFECT: enhanced reliability and utilization of spraying agent potential energy; simplified design of injector. 4 cl, 3 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к технике распыливания жидкости и может быть использовано в энергетической, металлургической, химической и других отраслях промышленности. The present invention relates to techniques for spraying liquids and can be used in the energy, metallurgical, chemical and other industries.

Известна форсунка, содержащая корпус с топливным патрубком, вкладыш с соплом на выходе, распределителем и винтовой вставкой, образующей с вкладышем вихревую камеру, и установленный снаружи вкладыша стакан с завихрителем и выходным соплом для распылителя, выступающим за пределы топливного сопла. Выходное сопло распылителя выполнено тороидальным с конической выходной частью, диаметр среза которой в 1,5-3 раза превышает диаметр узкой части этого сопла, а образующая его выходной части расположена от параллельной ей образующей конуса, построенного на кромке топливного сопла, на расстоянии, составляющем 0,08-0,2 его диаметра, (см. авт. св. 514155, кл. F 23 D 11/12 от 16.04.73 г.). A nozzle is known comprising a housing with a fuel pipe, an insert with an outlet nozzle, a distributor and a screw insert forming a vortex chamber with an insert, and a glass mounted outside the insert with a swirl and an outlet nozzle for the atomizer protruding beyond the fuel nozzle. The nozzle outlet nozzle is made toroidal with a conical outlet part, the cut-off diameter of which is 1.5-3 times larger than the diameter of the narrow part of this nozzle, and the outlet part forming it is located from the parallel generatrix of the cone built on the edge of the fuel nozzle at a distance of 0 , 08-0.2 of its diameter, (see ed. St. 514155, class F 23 D 11/12 of 04/16/73).

Недостатком этой форсунки является то, что в каналах, имеющих постоянное проходное сечение по ходу движения в них распыливающего агента (воздуха или пара), имеют место большие потери энергии последнего на входе в каналы и неполное использование его потенциальной энергии на выходе из каналов, а также при встрече потока распыливающего агента с потоком жидкости, истекающей из сопла. The disadvantage of this nozzle is that in channels having a constant cross-section along the direction of the spray agent (air or steam), there are large losses of energy of the latter at the entrance to the channels and incomplete use of its potential energy at the exit of the channels, as well as when the flow of the spraying agent meets the flow of fluid flowing out of the nozzle.

Известна форсунка, содержащая корпус с центральным отверстием для распыливаемой жидкости и периферийными отверстиями для распыливающего агента, завихритель жидкости с тангенциальными каналами, распылитель с тангенциальными каналами для завихривания распыливающего агента, установленный с образованием с завихрителем вихревой камеры, переходящей в жидкостное сопло, размещенное снаружи и выступающее за пределы жидкостного сопла. (см. авт. св. 937885, кл. F 23 D 11/10, 1982 г.). Known nozzle containing a housing with a Central hole for the sprayed liquid and peripheral holes for the spraying agent, a swirl of fluid with tangential channels, a spray with tangential channels to swirl the spraying agent, installed with the swirling swirl chamber, passing into a fluid nozzle placed outside and protruding outside the fluid nozzle. (see ed. St. 937885, class F 23 D 11/10, 1982).

Недостатком этой форсунки является кавитационное разрушение металла на границе между тангенциальными каналами и вихревой топливной камерой, которое изменяет расходную характеристику форсунки, что приводит к нарушению соотношения расходов жидкости (топлива) и воздуха, что приводит к ухудшению экономических показателей топочного процесса. Требуется частая (не реже одного раза в месяц) замена изношенных деталей новыми. Изготовление этих деталей из порошков карбидов ванадия и других дефицитных материалов несколько смягчает проблему, но кардинального решения не дает. The disadvantage of this nozzle is the cavitational destruction of the metal at the boundary between the tangential channels and the vortex fuel chamber, which changes the flow rate characteristic of the nozzle, which leads to a violation of the ratio of liquid (fuel) and air flow rates, which leads to a deterioration in the economic performance of the combustion process. Frequent (at least once a month) replacement of worn parts with new ones is required. The manufacture of these parts from powders of vanadium carbides and other scarce materials somewhat softens the problem, but does not give a radical solution.

Известна также форсунка, содержащая корпус с центральным отверстием для распыливаемой жидкости и периферийными отверстиями для распыливающего агента, завихритель жидкости с тангенциальными каналами, распылитель с тангенциальными каналами для завихривания распыливающего агента, установленный с образованием с завихрителем жидкости вихревой камеры, переходящей в жидкостное сопло, и выходное сопло, размещенное снаружи и выступающее за пределы жидкостного сопла. Вихревая камера выполнена с тороидальной выпуклостью, обращенной внутрь и переходящей в поверхность жидкостного сопла, причем радиус тороидальной поверхности выбран равным 0,7-1,5 радиуса вихревой камеры в начальном поперечном сечении. Завихритель жидкости выполнен отдельно от жидкостного сопла и установлен с возможностью осевого перемещения к вихревой камере под действием набегающего потока распыливаемой жидкости. Завихритель жидкости выполнен с щелями, расположенными в теле его хвостовой части, имеющей форму полого цилиндра, размещенного по скользящей посадке в центральном отверстии корпуса, причем поперечный размер каждой щели выбран меньшим любого размера тангенциальных каналов завихрителя жидкости (см. патент RU 2118205 С1, кл. В 05 В 11/34, 7/10 от 27.08.98 г.). A nozzle is also known, comprising a housing with a central opening for the sprayed liquid and peripheral openings for the spraying agent, a fluid swirl with tangential channels, a spray with tangential channels for swirling the spraying agent, installed to form a swirl chamber turning into a fluid nozzle with a fluid swirl, and an outlet a nozzle located outside and protruding beyond the fluid nozzle. The vortex chamber is made with a toroidal bulge facing inward and passing into the surface of the liquid nozzle, the radius of the toroidal surface being chosen equal to 0.7-1.5 radius of the vortex chamber in the initial cross section. The liquid swirl is made separately from the liquid nozzle and is mounted with the possibility of axial movement to the vortex chamber under the action of the oncoming flow of the sprayed liquid. The fluid swirl is made with slots located in the body of its tail portion, which is in the form of a hollow cylinder placed along a sliding fit in the central hole of the housing, the transverse dimension of each slit being chosen smaller than any size of the tangential channels of the swirl fluid (see patent RU 2118205 C1, cl. B 05 B 11/34, 7/10 of 08/27/98).

Недостатком этой форсунки является недостаточная скорость столкновения распыливающего агента и капель распыливаемой жидкости, что снижает коэффициент использования потенциальной энергии распыливающего агента для дробления жидкости на капли. The disadvantage of this nozzle is the insufficient collision speed of the spray agent and the droplets of the sprayed liquid, which reduces the utilization of the potential energy of the spray agent for crushing the liquid into drops.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения коэффициента использования потенциальной энергии распыливающего агента для распыливания жидкости и повышения надежности уплотнения форсунки при упрощении ее конструкции. The present invention solves the problem of increasing the utilization of potential energy of a spraying agent for atomizing a liquid and increasing the reliability of nozzle sealing while simplifying its design.

Для достижения указанного технического результата в паромеханической форсунке, содержащей корпус с центральным отверстием для распыливаемой жидкости и периферийными отверстиями для распыливающего агента, фильтр, распылитель с тангенциальными топливными каналами, завихритель пара с тангенциальными паровыми каналами, паровое сопло с конусной поверхностью и наружную накидную гайку, конфигурация паровых каналов и их ориентация относительно жидкостных (топливных) каналов выполнены так, что потоки распыливающего агента (пара) и жидкости (топлива) встречаются между собой (сталкиваются) со скоростью в 1,5 раза большей, чем у существующих форсунок. To achieve the technical result, in a steam-mechanical nozzle containing a housing with a central hole for the sprayed liquid and peripheral holes for the spraying agent, a filter, a sprayer with tangential fuel channels, a steam swirl with tangential steam channels, a steam nozzle with a tapered surface and an external union nut, configuration steam channels and their orientation relative to the liquid (fuel) channels are made so that the flows of the spraying agent (steam) and liquid (fuel) are found among themselves (collide) at a speed of 1.5 times greater than that of existing injectors.

Отличительными признаками предлагаемой паромеханической форсунки от указанных выше известных является то, что тангенциальные паровые каналы завихрителя пара на входе имеют размер в 1,2-2 раза больший, чем их размер на выходе, а выход оформлен в виде косого среза, обращенного к выходу, причем диаметр условной окружности, к которой по касательной выходят осевые линии каналов завихрителя пара, меньше диаметра горловины парового сопла на удвоенную ширину одного из этих каналов. Distinctive features of the proposed steam-mechanical nozzle from the above-mentioned known ones are that the tangential steam channels of the steam swirl at the inlet have a size 1.2-2 times larger than their size at the output, and the output is designed as an oblique slice facing the exit, and the diameter of the conditional circle to which the axial lines of the channels of the steam swirl come out tangentially, is less than the diameter of the neck of the steam nozzle by twice the width of one of these channels.

Дополнительно к этому направление вращения, задаваемое каналами завихрителя пара, противоположно направлению вращения, задаваемого каналами завихрителя распиливаемой жидкости (топлива). In addition to this, the direction of rotation defined by the channels of the steam swirler is opposite to the direction of rotation specified by the channels of the swirler of the liquid (fuel) to be cut.

Благодаря наличию этих признаков скорость пара на выходе из каналов возрастает приблизительно на 36%, а за счет встречного вращения потоков распыливающего агента (пара) и жидкости (топлива) скорость столкновения потоков возрастает еще на 10% (т.е. в 1,1 раза). Due to the presence of these signs, the steam velocity at the outlet of the channels increases by approximately 36%, and due to the counter rotation of the flows of the spraying agent (steam) and liquid (fuel), the collision rate of the flows increases by another 10% (i.e., 1.1 times )

Таким образом скорость столкновения пара и топлива возрастает в 1,36.1,1≅1,5 раза. Диаметр капель распыливаемой жидкости приближенно обратно пропорционален этой самой скорости столкновения, т.е. при ее возрастании в 1,5 раза во столько же раз уменьшается средний диаметр капель в потоке распыливаемой жидкости при сохранении на прежнем уровне энергозатрат на распыливание жидкости, что и является конечной целью изобретения. Thus, the speed of collision of steam and fuel increases by 1.36.1.1≅1.5 times. The diameter of the droplets of the sprayed liquid is approximately inversely proportional to this very collision velocity, i.e. when it increases by 1.5 times, the average droplet diameter in the stream of sprayed liquid decreases by the same amount while maintaining the same energy consumption for spraying the liquid, which is the ultimate goal of the invention.

Предлагаемая паромеханическая форсунка иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-3. The proposed steam-mechanical nozzle is illustrated by the drawings shown in figures 1-3.

На фиг.1 показана паромеханическая форсунка, продольный разрез; на фиг.2 - поперечный разрез по линии А-А; на фиг.3 - поперечный разрез по линии Б-Б. In Fig.1 shows a steam-mechanical nozzle, a longitudinal section; figure 2 is a transverse section along the line aa; figure 3 is a transverse section along the line BB.

Паромеханическая форсунка содержит корпус 1 с центральным отверстием 2 для распыливаемой жидкости и периферийными отверстиями 3 для распыливающего агента, накидную гайку 4, фильтр 5, в котором отверстия расположены под углом α к оси форсунки, распылитель 6 с кольцевой камерой 7 и тангенциальными топливными каналами 8, вихревой камерой 9, плавно по тороиду переходящей в сопло 10 (как в патенте 2118205), завихритель 11 с тангенциальными паровыми каналами 12 шириной "а", паровое сопло 13 с горловиной диаметром "D₂" и конусной поверхностью 14. Завихритель 11 и накидная гайка 4 образуют между собой кольцевой канал 15. Тангенциальные паровые каналы 12 завихрителя 11 на входе по своей глубине имеют размер "b", составляющий 1,2-2 размера "С" на выходе, выполненного в виде косого среза 16, образованного в результате прохода через конусную поверхность 16.The steam-mechanical nozzle contains a housing 1 with a central hole 2 for the sprayed liquid and peripheral holes 3 for the spraying agent, a union nut 4, a filter 5, in which the holes are located at an angle α to the axis of the nozzle, a sprayer 6 with an annular chamber 7 and tangential fuel channels 8, a vortex chamber 9, smoothly along the toroid passing into the nozzle 10 (as in patent 2118205), a swirl 11 with tangential steam channels 12 of width "a", a steam nozzle 13 with a neck with a diameter of "D ₂ " and a conical surface 14. Swirl 11 and the union nut 4 form an annular channel 15 between themselves. The tangential steam channels 12 of the swirl 11 at the inlet along their depth have a dimension "b" of 1.2-2 of size "C" at the outlet, made in the form of an oblique slice 16, formed as a result passage through the conical surface 16.

Конусная поверхность и косой срез 16 направлены в сторону выхода из форсунки. Направление вращения потока пара в тангенциальных паровых каналах 12 завихрителя 11 противоположно направлению вращения потока жидкости в тангенциальных топливных каналах 8 распылителя 6. Диаметр условной окружности "D₁", к которой по касательной выходят осевые линии тангенциальных паровых каналов 12 завихрителя 11 меньше диаметра горловины "D₂" парового сопла 13 на удвоенную ширину "а" одного парового канала 12 завихрителя 11, D₁=D₂-2а.The conical surface and the oblique cut 16 are directed towards the exit from the nozzle. The direction of rotation of the steam stream in the tangential steam channels 12 of the swirl 11 is opposite to the direction of rotation of the liquid flow in the tangential fuel channels 8 of the atomizer 6. The diameter of the conditional circle "D ₁ " to which the axial lines of the tangential steam channels 12 of the swirl 11 are smaller than the neck diameter "D ₂ "steam nozzle 13 to double the width" a "of one steam channel 12 of the swirler 11, D ₁ = D ₂ -2A.

Поверхность горловины парового сопла 13 имеет тороидальную форму 17, переходящую на выходе в конусную поверхность 14. The surface of the neck of the steam nozzle 13 has a toroidal shape 17, passing at the exit to the conical surface 14.

Длина конусной поверхности 14 парового сопла 13 составляет 0,2-0,3 диаметра ⌀ D₂ горловины парового сопла 13.The length of the conical surface 14 of the steam nozzle 13 is 0.2-0.3 diameter ⌀ D _{2 the} neck of the steam nozzle 13.

Конусная поверхность выходной части 14 сопла 13 расположена от параллельной ей образующей конуса, построенного на кромке топливного сопла 10 на расстоянии "е", составляющем 0,08-0,2 его диаметра ⌀ D₀ (как в а.с. 514155).The conical surface of the outlet part 14 of the nozzle 13 is located from the generatrix of the cone parallel to it, built on the edge of the fuel nozzle 10 at a distance "e" of 0.08-0.2 of its diameter ⌀ D ₀ (as in AS 514155).

Отверстия в фильтре 5 расположены под углом α к оси форсунки, а диаметр отверстий меньше любого размера тангенциальных каналов 8 распылителя 6. The holes in the filter 5 are located at an angle α to the axis of the nozzle, and the diameter of the holes is smaller than any size of the tangential channels 8 of the atomizer 6.

Работа паромеханической форсунки осуществляется следующим образом. The operation of the steam-mechanical nozzle is as follows.

Жидкое топливо поступает через центральное отверстие 2 корпуса 1 в фильтр 5 и через его отверстия в кольцевую камеру 7, откуда по тангенциальным топливным каналам 8 закручивается по часовой стрелке в вихревой камере 9, движется по тороиду и выходит через сопло 10 в виде конусной струи, распадаясь на капли параллельно конусной поверхности 14 парового сопла 13. Распыливающий агент (пар или воздух) по периферийным отверстиям 3 и кольцевому каналу 15 попадает в тангенциальные паровые каналы 12 завихрителя 11 и скорость его движения постепенно возрастает, т.к. сечение тангенциальных каналов 12 к выходу постепенно уменьшается. На выходе из тангенциальных каналов 12 ускорение продолжается за счет косого среза 16, обладающего свойством сопла Лаваля. Этому способствует то, что выход из тангенциальных каналов 12 не зажат горловиной парового сопла 13, т.к. диаметр условной окружности, к которой по касательной выходят осевые линии тангенциальных паровых каналов 12 завихрителя 11 меньше диаметра горловины парового сопла 13 на удвоенную ширину одного парового котла 12 завихрителя 11. Именно это обстоятельство позволяет вписать все сечение выхода из тангенциальных каналов 12 в плоскость косого среза 16 и не затормозить поток пара до встречи с каплями жидкости. То, что направление вращения потока пара в тангенциальных паровых каналах 12 завихрителя пара 11 противоположно направлению вращения потока жидкости в тангенциальных топливных каналах 8 распылителя 6 увеличивает относительную скорость столкновения потока капель жидкости с потоком пара на 10%, т.к. векторы этих скоростей встречаются между собой под углом 90^o.Liquid fuel enters through the central opening 2 of the housing 1 into the filter 5 and through its openings into the annular chamber 7, from which it rotates clockwise in the vortex chamber 9 through the tangential fuel channels 8, moves along the toroid and exits through the nozzle 10 in the form of a cone jet, decaying on drops parallel to the conical surface 14 of the steam nozzle 13. The spraying agent (steam or air) through the peripheral holes 3 and the annular channel 15 enters the tangential vapor channels 12 of the swirl 11 and its speed gradually increases in age t, because the cross section of the tangential channels 12 to the exit is gradually reduced. At the exit of the tangential channels 12, acceleration continues due to the oblique cut 16, which has the property of a Laval nozzle. This is facilitated by the fact that the exit from the tangential channels 12 is not clamped by the neck of the steam nozzle 13, because the diameter of the conditional circle to which the axial lines of the tangential steam channels 12 of the swirl 11 go out tangentially smaller than the diameter of the neck of the steam nozzle 13 by twice the width of one steam boiler 12 of the swirl 11. It is this circumstance that allows us to enter the entire cross section of the exit from the tangential channels 12 into the plane of the oblique cut 16 and do not inhibit the steam flow until it encounters drops of liquid. The fact that the direction of rotation of the vapor stream in the tangential steam channels 12 of the steam swirl 11 is opposite to the direction of rotation of the liquid stream in the tangential fuel channels 8 of the atomizer 6 increases the relative velocity of the collision of the flow of liquid droplets with the vapor stream by 10%, because the vectors of these speeds meet each other at an angle of 90 ^o .

Таким образом, за счет большей скорости истечения пара и встречного вращения почти в 1,5 раза увеличивается скорость столкновения распыливающего агента и капель распыливаемой жидкости, что значительно увеличивает коэффициент использования потенциальной энергии распыливающего агента для дробления жидкости на капли в сравнении с известными конструкциями паромеханических форсунок. Thus, due to the higher rate of steam outflow and counter-rotation, the collision rate of the spraying agent and the droplets of the sprayed liquid increases by almost 1.5 times, which significantly increases the utilization of the potential energy of the spraying agent for crushing the liquid into drops in comparison with the known designs of steam-mechanical nozzles.

В результате получается меньший диаметр капель распыливаемой жидкости при одинаковых затратах энергии на распыл, либо экономится на расходе распыливающего агента при одинаковой дисперсности распыла. Последнее обстоятельство позволяет получить более устойчивое горение, что часто бывает в растопочном режиме горения, т.к. паровой поток из форсунки часто нарушает аэродинамику воздушного потока горелки. Таким образом обеспечивается более высокая надежность работы вихревых мазутных горелок. The result is a smaller diameter of the droplets of the sprayed liquid at the same energy consumption for spraying, or is saved on the consumption of the spraying agent with the same dispersion of the spray. The latter circumstance makes it possible to obtain more stable combustion, which often happens in the ignition mode of combustion, because the vapor stream from the nozzle often disrupts the aerodynamics of the air stream of the burner. This ensures higher reliability of the operation of vortex fuel oil burners.

Экономический эффект от использования предлагаемых паромеханических форсунок на котле к блоку 300 МВт составляет приблизительно 100000 руб. в год по состоянию на 01.01.2001 года. The economic effect of using the proposed steam-mechanical nozzles on the boiler to a 300 MW unit is approximately 100,000 rubles. per year as of 01.01.2001.

Claims

1. A steam-mechanical nozzle comprising a housing with a central hole for the sprayed liquid and peripheral holes for the spraying agent, a filter, a spray with tangential fuel channels, a steam swirl with tangential steam channels, a steam nozzle with a tapered surface and an external union nut, characterized in that the tangential the steam channels of the steam swirl at the inlet along their depth have a size of 1.2-2 of their size at the outlet, made in the form of an oblique cut formed as a result passage through a tapered surface, and the direction of rotation in steam steam flow swirler channels opposite the direction of rotation of the fluid flow channels in the fuel atomizer.

2. The steam-mechanical nozzle according to claim 2, characterized in that the diameter of the circumference to which the axial lines of the tangential steam channels of the steam swirl come out tangentially is less than the diameter of the neck of the steam nozzle by twice the width of one steam channel of the swirl.

3. The steam-mechanical nozzle according to claim 1, characterized in that the length of the conical surface of the steam nozzle is 0.2-0.3 diameter of the neck of the steam nozzle.

4. The steam-mechanical nozzle according to claim 1, characterized in that the holes in the filter are located at an angle to the axis of the nozzle, and the diameter of the holes is less than any size of the tangential fuel channels of the atomizer.