Влияние динамических характеристик на производительность центробежной форсунки

Аннотация. В статье рассмотрен вопрос определения динамических характеристик, влияющих на эффективность центробежных форсунок. Анализ позволил оценить, какие факторы больше всего влияют на производительность центробежных форсунок.

Ключевые слова: форсунка, центробежная, камера, колебания, жидкость, амплитуда.

Центробежная форсунка относится к виду гидравлического диспергирования жидкости, пользуется большим спросом, когда нужно получить достаточно хорошее распыливании при относительно малом давлении [1, с. 30].

Центробежная форсунка состоит из корпуса, тангенциального патрубка и цилиндрического сопла (рис. 1) [2, с. 82]. Центробежные форсунки более сложные по конструкции, но при таком же перепаде давлений обеспечивают лучший распыл жидкости, чем струйные форсунки [3, с. 8].

1 – корпус; 2 – тангенциальный патрубок; 3 – сопло

Рисунок 1. Конструктивное оформление центробежной форсунки

Принцип действия центробежных форсунок заключается в том, что потоку жидкости сначала дается закрутка, а затем – сужение. В процессе сужения потока значительно возрастает окружная составляющая скорости, возникают значительные центробежные силы, образующие в выходном отверстии тонкую пленку кольцевого сечения, которая по выходе из форсунки распадается на мельчайшие капли. Вдоль оси форсунки при этом образуется воздушный вихрь аналогичный вихревой воронке, которая образуется при истечении жидкости из сосудов через донное отверстие [4, с. 8]. Выходное отверстие, таким образом, заполнено кольцевым потоком или пленкой только по периферии. Центральная часть занята воздушным вихрем, простирающимся от выходного сопла до задней стенки.

Центробежные форсунки широко используются в народном хозяйстве, в современных газотурбинных и жидкостных реактивных двигателях, различных топках, аппаратах химической промышленности и многих других устройствах. Широкое распространение центробежных форсунок объясняется надежностью, достаточной эффективностью распыливания и простотой подбора формы факела [5, с. 13]. Достоинства и недостатки центробежных форсунок более подробно описаны в таблице 1.

Основными характеристиками центробежной форсунки являются производительность, угол распыливания, средняя и локальная плотности орошения в сечениях на разных расстояниях от форсунки, средний диаметр и спектр распределения капель распыленной струи в целом и в отдельных точках ее объема, симметрия распределения жидкости по секторам [4, с. 9].

Таблица 1.

Достоинства и недостатки центробежных форсунок

Правильно сконструированные форсунки – являются залогом эффективного впрыска, поэтому особое внимание необходимо уделить динамическим характеристикам распыливающего устройства.

Установлено, что тангенциальный канал форсунки представляет собой инерционное звено. Угол сдвига фаз между колебаниями расхода и перепада давлений на нем не превышает 90°. В случае, когда угол сдвига фаз равняется 90°, параметр центробежной форсунки относительно вихревой камеры будет равно главному параметру центробежной форсунки относительно вихревой камеры с учетом наклона тангенциальных каналов относительно оси форсунки. Относительная амплитуда колебаний расхода монотонно падает при увеличении комплекса, который является критерием Струхаля для тангенциального канала [6, с.43].

Камера закручивания форсунки представляет собой транспортное звено и емкость, которая как резонатор обладает высокой добротностью.

Зависимость ее динамических параметров от длины представляет собой типичную резонансную кривую: максимумы амплитуды имеются при равенстве длины камеры закручивания целому числу полуволн поверхности жидкости в ней. Распространение возмущений в камере закручивания описывается волновым уравнением; скорость распространения возмущений по жидкостному вихрю уменьшается с увеличением геометрической характеристики и растет практически линейно при увеличении степени закрытия сопла [7, с.58].

Относительная амплитуда колебаний уровня жидкости в длинной камере закручивания при заданном значении колебаний расхода в тангенциальном канале обратно пропорциональна геометрической характеристике и степени закрытия сопла. Влияние осевой скорости в камере закручивания на амплитуду колебаний уровня жидкости незначительно при степени закрытия форсунки R_к >1,3.

Уменьшение длины камеры закручивания приводит к увеличению амплитуды колебаний расхода и уровня жидкости в камере закручивания, причем это влияние сказывается сильнее у закрытых форсунок. Амплитуда колебаний уровня жидкости в короткой камере закручивания не зависит от степени закрытия форсунки и тонко убывает при увеличении геометрической характеристики.

Сужающаяся часть камеры закручивания и место ее перехода в сопловой канал ослабляют колебания расхода. Ослабление интенсивнее при увеличении степени закрытия форсунки R_к.

Сопловой канал представляет собой транспортное звено, ослабление колебаний здесь незначительно и происходит вследствие вязкостных потерь. Скорость распространения возмущений по сопловому каналу не зависит от степени закрытия форсунки R_к, в цилиндрическом сопле она равна удвоенной осевой скорости жидкости в сопловом канале ω_ac, а в расширяющемся сопле – стремится к скорости истечения жидкости ω.

Конструктивные параметры форсунки оказывают следующее влияние на динамические характеристики элементов форсунки:

а) увеличение степени закрытия R_к приводит к увеличению угла сдвига фаз на тангенциальном канале Ф_т, и уменьшению угла сдвига фаз на камере закручивания Ф_к, падению амплитуды колебаний расхода на тангенциальном канале, уменьшению амплитуды колебаний уровня жидкости в камере закручивания;

в) увеличение геометрической характеристики форсунки приводит к слабому росту относительной амплитуды колебаний расхода на тангенциальном канале, уменьшению амплитуды колебаний расхода и уровня жидкости в камере закручивания и сопловом канале. Угол сдвига фаз на тангенциальном канале слабо возрастает, а углы сдвига на камере закручивания и сопловом канале значительно возрастают при увеличении геометрической характеристики форсунки [8, с.22];

в) удлинение камеры закручивания приводит к периодическому уменьшению и увеличению амплитуды колебаний и к росту угла сдвига фаз на форсунке. Влияние резонансных свойств камеры закручивания возрастает с увеличением степени закрытия форсунки R_к;

г) удлинение соплового канала форсунки приводит к увеличению угла сдвига фаз между колебаниями перепада давлений и расхода и не оказывает существенного влияния на амплитудные параметры.

Влияние режимных параметров состоит в следующем:

а) увеличение частоты колебаний приводит к росту угла сдвига фаз и уменьшению амплитуд колебаний всех параметров во всех звеньях центробежной форсунки [9, с.106];

б) увеличение среднего перепада давлений и уменьшение плотности жидкости приводит к увеличению относительной амплитуды колебаний расхода в тангенциальном канале, уменьшает углы сдвига фаз на всех элементах центробежной форсунки [9, с.68];

в) амплитуда колебаний уровня жидкости в бесконечно длинной и короткой камере закручивания, в сопловом канале и коэффициент отражения волн от сопла не зависят от режимных параметров.

При конструировании центробежной форсунки учесть влияние всех факторов для улучшения эффективности не представляется возможным, однако на основе литературного анализа выяснили, что на производительность центробежных форсунок больше всего оказывают влияние конструктивные параметры форсунок, длинна камеры закручивания и режимные параметры.