Конспект лекции "Топочные устройства"

Топочные устройства

Судовые котлы оборудуют топоч­ными устройствами, обеспечиваю­щими факельный процесс сжигания жидкого топлива. Форсунки, являю­щиеся частью топочного устройства, предназначены для подачи распылен­ного топлива в топку, а с помощью ВНУ перемешиваются частицы топ­лива с воздухом. Форсунки с ВНУ (иногда называемые горелками) мо­гут иметь фронтовое и потолочное расположение. Преимущественное распространение получило фронто­вое расположение, при котором фор­сунки и ВНУ размещают на передней стенке топки котла, называемой пе­редним фронтом.

Отдельные современные высоко­экономичные главные котлы обору­дуют форсунками и ВНУ с потолоч­ным расположением в верхней части топки. При этом создаются условия для более высокой интенсификации факельного процесса, газовоздуш­ный поток получает более естествен­ное движение сверху вниз, факел распределяется почти по всему объе­му топки. У главных и некоторых вспомогательных котлов устанавли­вают несколько форсунок с ВНУ, их число зависит от паропроизводительности котла.

К форсункам предъявляются сле­дующие основные требования: 1)прос­тота устройства, 2)надежность дейст­вия, 3)хорошее распыливание топлива, 4)большая глубина¹ и легкость регу­лирования подачи, 5)малый расход энергии, 6)удобство замены и очистки, невысокая стоимость, 7)возможность автоматического регулирования при безвахтенном обслуживании.

В судовых котлах в зависимости от способов распыливания топлива мо­гут применяться форсунки следую­щих типов: 1) с воздушным и паровым распыливанием топлива, 2)механиче­ские невращающиеся (центробеж­ные) и 3)вращающиеся (ротацион­ные), 4)паромеханические.

Форсунки с паровым или воздуш­ным распыливанием топлива конст­руктивно идентичные и могут распыливать топливо с помощью пара и воздуха благодаря кинетической энергии их струи, то есть работать по принципу пульверизатора. Эти фор­сунки просты по устройству, легко регулируются, но для их действия требуется безвозвратный расход па­ра или сжатого воздуха. Поэтому такие форсунки в настоящее время можно встретить лишь у единичных котлов вспомогательного флота ста­рой постройки.

Широкое распространение в топоч­ных устройствах котлов морских су­дов получили механические центро­бежные форсунки, в которых распыливание топлива осуществляется благодаря достаточно высокому дав­лению топлива, которое создается специально установленным топливо-форсуночным насосом.

Механические центробежные фор­сунки подразделяются на нерегули­руемые и с регулируемым сливом. Следует отметить, что это деление весьма условное: можно изменять подачу у обеих форсунок. К нерегу­лируемым относят форсунки с малой глубиной регулирования и такие, у которых изменение подачи связано с их выключением, выемкой из топоч­ного устройства и заменой распыливающего элемента.

Механические центробежные фор­сунки, различающиеся компоновкой распыливающих элементов, дополни­тельно иногда подразделяют на фор­сунки со сменными и постоянно ра­ботающими на всех режимах распы­лителями, что обусловлено в основ­ном условиями эксплуатации котла. Механическая регулируемая центро­бежная форсунка отечественных вспомогательных котлов (рис. 3.8) состоит из корпуса 6 с ручкой 7, ство­ла 5, представляющего собой толсто­стенную трубу со штуцером на конце, стопорной втулки 4, распределителя (сопла) 3, распыливающей шайбы 2 и головки 1. Топливо от топливо-форсуночного насоса по отверстиям в корпусе и каналу ствола через свер­ления в стопорной втулке и распреде­лителе поступает к распыливающей шайбе. Распыливающая шайба у данной конструкции имеет четыре канала 8, расположенных танген­циально к окружности вихревой ка­меры. По ним топливо устремляется к центру и в вихревую камеру 9, где интенсивно раскручивается. Из нее топливо входит в топку через цент­ральное отверстие 10 в виде вращаю­щегося конуса мелко распыленных частиц.

Поверхности соприкосновения рас­пыливающей шайбы 2 и распредели­теля 3 тщательно обрабатывают, полируют и при сборке головки при
жимают одну к другой стопорной втулкой 4.

Распыливающие шайбы изготав­ливают из высоколегированных хромоникелевых или хромовольфрамовых сталей. В зависимости от подачи форсунки число тангенциальных ка­налов может быть от двух до семи.

Форма факела форсунки зависит от отношения f_к/f_о, в котором f_к — суммарная площадь всех танген­циальных каналов, (f_о — площадь сечения центрального отверстия. Чем меньше это отношение, тем угол ко­нуса распыливания будет больше, а длина факела меньше.

Ш

Рис. 3.9. Распыливающая шайба:

1 — центральное отверстие;

2 — вихревая камера;

3 — тангенциальные каналы

айбы изготавливаются обычно под номерами. Каждый номер соот­ветствует определенной подаче, кото­рая указывается в технической до­кументации. Иногда на шайбах ука­зываются числа, соответствующие значениям диаметра центрального отверстия и отношения f_к/f_о, при этом иностранные фирмы наносят условные обозначения в виде индек­сов (рис. 3.9). Например: буква X обозначает, что передняя торцевая стенка шайбы изготовлена плоской, буква W — сферической формы; цифра слева — условный номер свер­ла для изготовления центрального отверстия, цифра справа — отноше­ние f_K/f₀, увеличенное в 10 раз.

Нерегулируемые механические центробежные форсунки других ти­пов мало отличаются от рассмотрен­ной. Их отличие проявляется в основ­ном в конструкциях распределителей и способах закрепления распыливающих шайб; отдельные конструкции имеют подвод пара для продувки распылителя.

Регулирование действия таких форсунок осуществляют посредством изменения давления подаваемого топлива или смены распылителей. Механические центробежные фор­сунки обеспечивают при температуре подогрева мазута 90—110°С хоро­шее распыливание, если давление топлива перед ними составляет 1,6 — 2,0 МПа. В отдельных установках в зависимости от нагрузок давление топлива достигает 4 МПа. При дав­лении ниже 0,8 МПа качество рас­пыливания резко ухудшается, а это значит, что снижение подачи посред­ством уменьшения давления топлива ограничено.

Изменение подачи заменой распы­лителей создает существенные не­удобства в процессе эксплуатации. В больших котлах при использовании механических нерегулируемых цент­робежных форсунок диапазон регу­лирования расширяют, устанавливая несколько форсунок. В этом случае можно применять различные режимы работы, отключая одну или несколь­ко форсунок.

Существенно расширяют диапазон регулирования форсунки с регули­руемым сливом, у которых расход топлива может изменяться от 100 до 20% при неизменном начальном дав­лении топлива в магистрали. Слив может осуществляться из вихревой камеры распыливающей шайбы, а иногда и из соплового распредели­теля.

В форсунке со сливом излишков топлива из вихревой камеры рас­пылителя (рис. 3.10) топливо от топливно-форсуночного насоса по коль­цевому каналу вокруг трубы 1 по­ступает в распределитель (сопло) 2, а из него по тангенциальным ка­налам в распыливающей шайбе 3 в вихревую камеру. Часть топлива из вихревой камеры через централь­ное отверстие в распределителе по­падает через трубу 1 в сливной канал. Подача форсунки регулируется изме­нением открытия клапана, располо­женного за сливным штуцером. При полностью закрытом клапане форсунка работает как нерегулируемая с максимальной подачей.

-

Рис. 3.10. Механическая центробежная форсунка с регулируемым сливом

Однако такие форсунки более сложны по конструкции, менее удоб­ны в эксплуатации, а из-за большого количества отводимого от них в спе­циальную емкость горячего топлива повышается пожароопасность систе­мы. С целью снижения температуры сливаемого топлива часто применяют установки для его охлаждения, что, естественно, усложняет и удораживает системы. Кроме того, при пере­качке излишков топлива увеличива­ется расход энергии на привод топливо-форсуночного насоса.

В настоящее время на котлах стали широко применять более совершен­ные комбинированные паромеханические форсунки, основными преиму­ществами которых являются значи­тельно большая глубина регулиро­вания подачи при сравнительно не­высоких давлениях, создаваемых топливо-форсуночными насосами (0,6 — 3 МПа), при хорошем качест­ве распыливания топлива.

На нагрузках, близких к полным, паромеханическая форсунка рабо­тает как чисто механическая центро­бежная. На сниженных нагрузках, при которых для обеспечения хоро­шего распыливания автоматически включается подача пара давлением примерно 0,15—0,2 МПа, форсунка работает как паромеханическая. Рас­ход распыливающего пара у паромеханической форсунки составляет при­мерно 0,05—0,15 кг/кг топлива, что для котлов существенного значения не имеет, учитывая кратковременную работу паромеханической форсунки на сниженных нагрузках. Кроме того, при периодических продувках распы­лителей паром уменьшаются их за­сорение и коксуемость.

У вспомогательных котлов, кото­рые могут длительное время рабо­тать на сниженных нагрузках, без­возвратную потерю пара, затрачи­ваемого на распыливание топлива, можно отнести к недостатку паро­механической форсунки.

В паромеханической форсунке с комбинированной распыливающей головкой (рис. 3.11) топливо от топливо-форсуночного насоса по коль­цевому каналу ствола 7 поступает в головку форсунки 6 и затем по свер­лениям 5 в распределитель 4. Из рас­пределителя, как и в обычной центро­бежной форсунке, топливо по танген­циальным каналам в распыливающей шайбе 2 поступает в вихревую ка­меру 3 и, раскрутившись в ней, на­правляется в топку. Рассмотрим конструкцию еще одной разновид­ности паромеханической форсунки.

При снижении расхода топлива, ког­да вследствие уменьшения давления распыливание ухудшается, по цент­ральной трубе 8 подается пар, кото­рый попадает в тангенциальные ка­навки дополнительной шайбы 1. Вы­ходящее из шайбы 2 механически распыленное топливо дополнительно подхватывается закрученным быстродвижущимся потоком пара в шай­бе 1 и вместе с ним по кольцевому среднему каналу между шайбами 1 и 2 поступает в топку. Помимо рас­смотренного варианта, существует ряд других конструктивных исполне­ний распыливающих головок паромеханических форсунок при сохра­нении общего принципа их работы.

Встречаются паромеханические форсунки без распыливающих шайб. Например, у форсунки «Бабкок» (рис. 3.12) вместо распыливающей шайбы имеется сопло 2 с семью ци­линдрическими отверстиями. Сопло прижимается с помощью гайки 5, на­вертываемой на ствол 6. Топливо через каналы 4 поступает в сопловые отверстия 1, куда по каналам 3 также

п

Рис. 3.12. Головка паромеханической форсунки без распыливающих шайб

одается пар. Распыливание топлива осуществляется при использовании энергии совместного удара струи топ­лива и пара, движущихся с большой скоростью.

Некоторое распространение полу­чили (преимущественно на судах, построенных в ГДР) механические вращающиеся (ротационные) фор­сунки, составляющие конструктивно одно целое с топочным устройством.

Форсунки такого типа надежны в эксплуатации, имеют большую глу­бину регулирования, в них отсутст­вуют засоряющиеся каналы и отвер­стия. Ротационные форсунки обеспе­чивают надежное регулирование по­дачи в диапазоне нагрузок от 5 до 100% при хорошем качестве распы­ливания топлива, поступающего с низким давлением (0,05—0,15 МПа).

Недостатками ротационной фор­сунки являются сложность конструк­ции, повышенный шум в работе, а также необходимость поддержания с помощью дымососов разрежения в топке на всех нагрузках котла, если на котле установлено несколько ро­тационных форсунок. Последнее об­условлено тем, что при осмотре, очистке или ремонте одной из форсу­нок без выключения остающихся ра­ботающих и ее извлечении образует­ся достаточно большая амбразура, которую закрывают съемным сталь­ным щитом. При работе дымососа им создается разрежение в топке, поэтому щит, защищающий амбра­зуру от факела форсунки, будет при­жат. При этом исключается выброс пламени из топки от работающих форсунок.

Механическое распиливание топ­лива в ротационных форсунках осу­ществляется под действием центро­бежной силы, создаваемой распыли­телем, вращающимся с большой час­тотой вращения (примерно 5000 об/ мин), а регулирование — путем из­менения открытия клапана, подводя­щего топливо к форсунке.

Существует несколько типов ро­тационных форсунок, принципиально отличающихся лишь видом привода (паровой, воздушный, электриче­ский) и способом подвода воздуха.

Р

Рис. 3.13. Вращающаяся (ротационная) форсунка

отационная форсунка с приво­дом от электродвигателя показана на рис. 3.13. Стакан 10 вместе с по­лым валом 8 приводится во вращение от электродвигателя 4 через ремен­ную передачу 5. Топливо через шту­цер 6 подается в неподвижную трубу 7, расположенную внутри полого вала 8, и из нее попадает на внутрен­нюю поверхность вращающегося стакана. Под действием центробеж­ных сил топливо прижимается к внут­ренним стенкам стакана; благодаря их небольшой конусности пленка топ­лива движется к выходной кромке. Вместе с полым валом вращается насаженное на него колесо вентиля­тора 3, который через патрубок 9 забирает воздух и нагнетает в коль­цевую щель 11 под давлением при­мерно 5 кПа.

О

Рис. 3.14. Вспомогательный котел, обо­рудованный топочным устройством с ротационной форсункой: 1 — паровой коллектор; 2 — газоход; 3 — ротационная форсунка; 4 — водяной кол­лектор

сновной поток воздуха (прибли­зительно 90%) для горения топлива поступает в топку из межобшивочных каналов каркаса от котельного вен­тилятора. Каналы 1 оборудованы регулирующими шиберами 2. Имеются конструкции ротацион­ных форсунок, в которых весь воздух поступает только от котельного вен­тилятора. Внешний вид вспомога­тельного котла, оборудованного топочным устройством с ротационной форсункой, показан на рис. 3.14. Воздухонаправляющие устройства служат для подачи необходимого ко­личества воздуха в топку котла. От работы ВНУ зависят качество распы­ливания топлива, его смесеобразова­ние, процесс горения и в конечном счете общая экономичность котла. ВНУ бывают с раздельным подво­дом первичного и вторичного воз­духа (в основном у ротационных форсунок) и с совместным подводом воздуха, а также с неподвижными и с профильными поворотными ло­патками. Последние встречаются лишь у отдельных конструкций глав­ных котлов. Наибольшее распростра­нение получили ВНУ с неподвиж­ными лопатками и с совместным под­водом воздуха.

Топочное устройство отечествен­ных вспомогательных котлов типов КВВА-2,5/5 и КВС-30 показано на рис. 3.15. ВНУ смонтировано в воз­душном коробе котла, в который по­дается воздух от котельного вентиля­тора. ВНУ состоит из двух неподвиж­ных конусообразных колец 5 и 7, между которыми установлены лопат­ки 18, расположенные под определен­ным углом, для закручивания вы­ходящего воздушного потока. Для регулирования подачи воздуха уста­новлен кольцевой шибер 6, переме­щение которого осуществляется в го­ризонтальном направлении при по­мощи тяг 12, подключенных к ис­полнительному механизму системы автоматики. В местах выхода тяг на­ружу установлены манжетные уплот­нения 10. Основная часть воздуха из короба поступает в топку через каналы между лопатками 18, а не­которая часть — через четыре трубы 1 турболизатора, что способствует лучшему смесеобразованию.

Трубы 1 смонтированы в пазах фурмы 3, выложенной из фигурного кирпича. Пазы и зазоры между фи­гурными кирпичами заполнены ша­мотной обмазкой 4. Для установки форсунки строго по оси ВНУ пред­усмотрена форсуночная труба 8 с диффузором 2. На наружный конец форсуночной трубы навинчен баш­мак 13 с штуцером для подвода топлива и пара, зафиксированный стопорным винтом. Паромеханическая форсунка 17 вставляется в тру­бу 8 и прижимается своим корпусом к каналам в башмаке при помощи стопора струбцинного типа, который состоит из откидной скобы 14 и сто­порного винта 15 с ручкой 16.

Топочное устройство снабжено смотровыми устройствами, в одном из которых установлен фотоэлемент 11, служащий для контроля за го­рением форсунки. В случае срыва факела фотоэлемент дает сигнал на срабатывание электромагнитного клапана, установленного на топлив­ной магистрали, перекрывающего по­дачу топлива к форсунке. В смотро­вой трубе 9 имеются отверстия для прохода воздуха из короба котла, охлаждающего стекла фотоэлемента.

Часто в форсуночных трубах де­лают захлопки 2 (рис. 3.16). При выемке форсунки 3 (например, для чистки распыливающей шайбы) то­рец форсуночной трубы закроется захлопкой, благодаря чему предотвращается выброс горячего воздуха из короба. Следует помнить, что при выемке форсунки, прежде чем отвер­нуть струбцинный стопор, необходи­мо перекрыть подвод топлива и пара.

Диффузор 1, предназначенный для защиты корня факела от задувания и поддержания необходимой темпе­ратуры при воспламенении топлива, может быть подвижным. Его пере­мещение осуществляется тягой 5, которая закрепляется стопором 4.

Рис. 3.16. Топочное устройство с захлопкой и подвижным диффузором

11