Центробежная форсунка с высокой степенью раскрытия сопла, как важный элемент систем распыла жидкости

УДК 53.06

 Форсунка (от англ. force – нагнетать) – устройство для дробления жидкости на большое число мелких капель и распределения их в пространстве. Принцип работы центробежной форсунки состоит в том, что жидкость, получившая интенсивное вращение в камере закручивания, вытекает из сопла в виде тонкой пленки, образующей полый конус. Пленка под влиянием окружающей газовой среды и других возмущений распадается на капли. Центробежные форсунки используются в энергетике, при сжигании жидкого топлива в камерах сгорания ГТД, в пожаротушении и др.

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. инж. В. Г. Шуховым. Также свой вклад в экспериментальное исследование ЦБФ сделал Ю.И. Хавкин.[1]
Теория идеальной центробежной форсунки, базирующаяся на принципе максимального расхода, разработана Г. Н. Абрамовичем. Несколько позже к аналогичным результатам пришли Л. С. Клячко, Д. Тейлор и К. Баммерт.[1]

Классификация форсунок

1. Испарительные;

2. Распыливающие разделены на

- Струйные (открытая, закрытая);

- Центробежные (одноступенчатые, двухступенчатые, перепускные, комбинированные);

- Пневматические форсунки.

Самыми часто используемыми являются центробежные и струйные форсунки, в изученной литературе дается некоторое сравнение этих типов форсунок, их достоинства и недостатки.

Струйные форсунки:
«+» -  обладают конструктивной простотой и относительной  дешевизной   изготовления;
-  сравнительно малые диаметральные размеры форсунок, что позволяет увеличить количество установленных форсунок при постоянстве площади;
- невозможность прогара огневого днища, в связи с повышенной дальнобойностью.

«-» -  малая тонкость распыла;
- относительно малые угла факела (5—15°)
-  повышенная длина зоны распыла этих форсунок обуславливает увеличение потребного объема и удельного веса камеры сгорания.

Центробежные форсунки:
«+» - относительно больший угол распыла жидкости (около 70—120°) при небольшой длине факела;
- дают более тонкий распыл, чем струйные форсунки;

«-» – их изготовление относительно сложнее.
[2]

Характер воздействия различных факторов (скорость истечения жидкости, толщина пленки, плотность газовой среды, физические свойства жидкости) на мелкость распыла в центробежных форсунках отличается от характера воздействия этих же факторов на мелкость распыла в струйных форсунках.[1]

Это связано с тем, что толщина пленки, создаваемой центробежной форсункой, убывает по мере удаления от соплового отверстия (пленка представляет собой полый конус) и др. [1]

Влияние вязкости в случае центробежных форсунок несколько слабее, чем при распыливании струйной форсункой. [1]

В связи с различными данными о влиянии вязкости на мелкость распыла, возникла необходимость в исследовании форсунок с минимальным влиянием вязкости, к таким форсункам можно отнести раскрытые центробежные форсунки.

Данная работа посвящена экспериментальному исследованию центробежных форсунок при изменении у них степени раскрытия сопла. Цель работы исследовать центробежную форсунку с относительно большими размерами каналов, выявить влияние степени раскрытия сопла центробежной форсунки на ее характеристики (коэффициент расхода, угол факела, ожидаемый диаметр капель).

Для эксперимента нами была разработана и сделана центробежная форсунка представленная на рис.1.

Рис.1. Центробежная форсунка с трехканальным завихрителем

Упрощенная схема данной форсунки представлена на рис.2.

Рис.2. Упрощенная схема экспериментальной форсунки

здесь d_c-диаметр сопла форсунки; dв-диаметр воздушного вихря; ⁰-угол распыла (угол факела);  -толщина пленки жидкости; Dкз-диаметр камеры закручивания; R-плечо закручивания; Rкз-радиус камеры закручивания; bвх-ширина входного тангенциального канала.

Степень раскрытия сопла 

Исследования проводились на центробежных форсунках с различными диаметрами сопел и с различными степенями раскрытия сопел. Размер камеры закручивания не изменялся.

Для экспериментального исследования центробежных форсунок была собрана установка.

Рис.3 Схема испытательной установки

Установка включала в себя следующие элементы:

1-Компрессор и регулировочный кран
2-Трубопровод

3-Бак с водой

4-Манометр

5-Центробежная форсунка

6-Угломер для измерения угла распыла

7-Испытательная камера

8-Колба для измерения расхода воды через форсунку

9-Секундомер для измерения расхода воды через форсунку

Исследованы:

1) влияние размера сопла в диапазоне d_c=0,4 - 4,5 мм; 2) влияние степени раскрытия форсунки в диапазоне С=0,09 - 1.

Имея геометрические параметры форсунки, угол факела и расход воды через форсунку и, используя формулы из теории центробежной форсунки получили, основные ее характеристики:

Были получены следующие результаты  при :

   Из сравнения полученных в данной работе результатов и графиков можно сделать следующие выводы:

-Влияние вязкости на угол факела при увеличении степени раскрытия сопла форсунки уменьшается до 0 при С≥0,71 ;

-В связи с исчезновением влияния вязкости на α и μ можно ожидать отсутствия влияния вязкости на диаметр капель ( на распыл);

-Из графика зависимости расхода воды от площади сечения сопла форсунки можно сказать что, до тех пор пока F_вх*n*μ_вх > F_c*μ расход зависит от площади сопла, когда же F_вх*n*μ_вх < F_c*μ на расход влияет суммарная площадь входных тангенциальных каналов, это и объясняет то, что при диаметрах сопла d_c=3,2 ; 3,6 ; 4,5 мм G=const;

-Открытые центробежные форсунки позволяют получить достаточную мелкость распыла(малый диаметр капель), при больших сечениях канала (dc≥1 мм), при этом уменьшается стоимость форсунки и повышается стабильность характеристик;

-Из полученного значения толщины пленки жидкости можно сказать, что центробежная форсунка с диаметром сопла 4,5 мм эквивалентна струйной форсунке с диаметром 0,3 мм, отсюда вывод, что струйную форсунку с таким соплом изготовить сложнее и дороже, и в эксплуатации она будет менее надежная, чем центробежная;

-При С≥0,71 абсолютный расход жидкости G зависит от диаметра сопла при постоянных остальных параметрах, при это δ/d_c уменьшается;

-Данные форсунки выгодно использовать в пожаротушении, т.к. они имеют небольшой расход, относительно мелкий размер капель и простую конструкцию.

Рецензии:

16.02.2014, 11:41 Галкин Александр Федорович
Рецензия: Статья актуальна. Имеет элементы научной новизны и практическую ценность. Может быть опубликована.

1.03.2014, 20:54 Шамутдинов Айдар Харисович
Рецензия: Статья действительно актуальна, есть элементы научной новизны и практическая ценность. Необходима маленькая поправка: в формулах под рис.2 и рис.3 нужно всё-таки раскрывать символы с размерностью(dc, Dкз, е, de, n и др.), т.е.-что они означают. Только после этой редакции статья может быть опубликована.