Вращающийся распределитель Бильдта: как разнести топливо по слою

Расчёты и пояснения

Оглавление · Предметный указатель

Конструкторский материал

Если непрерывно сыпать топливо в одну точку, под ней непрерывно растёт куча. Механизация подачи сама по себе этого не исправляет. Можно получить очень аккуратный средний расход и очень неаккуратное распределение по шахте: крупные куски у стенки, мелочь ближе к середине, разное сопротивление газу.

У распределителя Бильдта задача решается формой вращающейся поверхности. Одни её участки направляют топливо наружу, другие внутрь. Поворот переносит эти направления вокруг оси вала. Разберём, что это даёт и как проверить результат, прежде чем переносить механизм в большую шахту.

Что это даёт на практике

Профилированный распределитель Бильдта направляет частицы к центру и периферии и может выровнять загрузку по площади шахты. Цена равномерности — обслуживание вала и профиля, нагрев механизма и возможное образование мелочи. Полезный результат определяют по массе на единицу площади и распределению фракций при разных подачах: ровная поверхность ещё не исключает разделения топлива по крупности, а газовое разделение загрузки решается отдельно.

Что показано на рисунках Бильдта

На рис. 123 Рамбуша бункер через задвижку подаёт уголь в загрузочную коробку. По её оси проходит подвешенный сверху вал; в средней части его поддерживает подшипник на корпусе. Коробка книзу сужается к шейке, из которой топливо попадает на рабочую поверхность распределителя. На верхнем конце вала находятся элементы привода и установки по высоте.

Рис. 124 показывает сам профилированный элемент. В подписи a — верхняя поверхность, b и b₁ — распределяющие поверхности. В тексте прямо различены наружный скат b и внутренний b₁. Поэтому представлять этот узел обычным конусом, который только отбрасывает всё к стенке, неверно. Ниже показана именно функциональная разница скатов; точные очертания отливки и размеры эта схема не воспроизводит.

Самостоятельная функциональная схема: 1 — участок с наружным скатом b, направляющий топливо от оси к периферии; 2 — участок с внутренним скатом b1, направляющий топливо к оси, в середину; 3 — ось вала, показанная пунктиром в обеих панелях. Вертикальные стрелки обозначают поступление топлива, наклонные — направление схода. Это разные участки одного вращающегося рабочего органа, а не два отдельных устройства: поворот переносит направления вокруг оси. Схема поясняет функцию, описанную у Рамбуша на рис. 123–124, с. 191; это не чертёж отливки. Наклоны, размеры, число секторов и траектории условны.

В описанном исполнении рабочий элемент отлит из стали. Вертикальная установка вала меняет положение элемента относительно выпускной шейки и условия прохода кусков. Частота вращения задаёт скорость обхода направлений подачи. Это две разные настройки конструкции; чтобы установить их связь с распределением, нужен опыт с выбранным топливом.

Соседний рис. 125 относится к Джорджу, или Моргану, и показывает другую систему с водяным охлаждением и жидкостными затворами. Эти детали к Бильдту не относятся. Описание Бильдта здесь опирается на рис. 123–124 и сопровождающий текст; помещённая выше схема отдельно поясняет направления схода топлива.

Ровный слой и одинаковая проницаемость

Для процесса мало выровнять верхнюю поверхность. Две области одинаковой высоты могут состоять из разных фракций. Крупный кусок дольше перекатывается, мелочь просыпается между соседями, влажная частица задерживается на поверхности. Профиль взаимодействует с реальным материалом, а не с одинаковыми точками на кинематической схеме.

Поэтому результат оценивают в двух направлениях: распределение массы по площади и распределение крупности. Желательно также увидеть, сохраняется ли картина при изменении подачи и по мере загрязнения профиля. Если центр недополучает крупную фракцию, а периферия получает её избыток, газовый поток может предпочесть периферийную область даже при ровной высоте слоя.

Холодный стенд: сравниваем кольца по площади

Поставим под исследуемым узлом условный круглый приёмник радиусом R = 0,60 м. Разделим его на центральный круг радиусом r = 0,30 м и наружное кольцо. Для этого опыта вал расположен над центром приёмника; такое положение задаётся стендом. Каждую область дополнительно можно разбить на угловые секторы, чтобы не спрятать перекос в сумме по окружности.

После одной учебной засыпки условно получены 12 кг в центре и 18 кг в кольце. Это придуманные данные для разбора методики. На первый взгляд наружу попало больше, но его площадь тоже больше.

Площадь центрального круга:

Aц = π · r² = 3,1416 × 0,30² = 0,282744 м².

Площадь наружного кольца:

Aк = π · (R² − r²) = 3,1416 × (0,60² − 0,30²);

Aк = 3,1416 × (0,36 − 0,09) = 0,848232 м².

Кольцо имеет втрое большую площадь. Удельная масса за одну засыпку, то есть масса на единицу приёмной площади, равна σ = m/A, кг/м².

Для центра σц = 12/0,282744 = 42,44 кг/м².

Для кольца σк = 18/0,848232 = 21,22 кг/м².

Центр получил вдвое больше топлива на квадратный метр. При равномерном распределении общей массы 30 кг на центр пришлась бы четверть, то есть 7,5 кг, а на кольцо три четверти, то есть 22,5 кг. Сравнивать просто 12 и 18 кг было бы недостаточно.

Теперь условно отделим мелочь по одной и той же выбранной границе. Пусть в центре её 3,0 кг, в кольце 1,8 кг. Массовые доли составят 3/12 × 100 = 25% и 1,8/18 × 100 = 10%. Значит, в задаче присутствуют и перегрузка центра по площади, и различие крупности. Изменение профиля, которое поправило только килограммы, ещё предстоит проверить по фракциям.

В настоящем опыте делают серию повторов, контролируют исходную смесь, высоту падения, время подачи и накопление материала на самом распределителе. Приёмники не должны переполняться и пересыпать топливо соседям. Различия малых проб оценивают с учётом числа и массы крупных кусков: одна чурка способна заметно изменить результат маленького сектора.

Подача и вращение меняются независимо

Пусть в ещё одном условном сравнении подаётся G = 600 кг/ч, а частота вращения n = 20 об/ч. За один оборот приходит:

mоб = G/n = 600/20 = 30 кг/об.

Если при тех же оборотах увеличить подачу до 1200 кг/ч, получится 60 кг за оборот. На рабочую поверхность за один обход приходит вдвое больше материала. Поток может перекрыть отдельные скаты или дольше задерживаться у шейки; тогда распределение меняется, хотя привод вращается совершенно исправно.

Если оставить 600 кг/ч и увеличить частоту до 40 об/ч, за оборот придёт 15 кг. Это другой опыт. Меняются частота пополнения областей и движение частиц по поверхности. Более быстрый обход способен сгладить порционность, но также изменить скольжение, отрыв и дробление. Эти числа служат только для связи подачи с частотой, а не рекомендуют обороты исторического или нового механизма.

На малой подаче отдельные куски распределяются менее равномерно за короткое время, поэтому сравнивают и одиночную порцию, и накопленный результат нескольких оборотов. На повышенной подаче становится существенной пропускная способность шейки. Влажное липкое топливо изменяет профиль налипшим слоем, а длинные включения способны сцепиться в переходе или задеть вращающийся элемент. И то и другое нужно увидеть на конкретной партии, а не предполагать по среднему размеру.

Что происходит с валом и рабочей поверхностью

Вал удерживает распределитель и передаёт вращающий момент. Несимметричное налипание и зажатый кусок нагружают его иначе, чем собственный вес чистой детали. Проверяют изгиб, опоры, нагрев и возможность сохранить проход при предусмотренных перемещениях. Для выбора привода важны пиковые нагрузки, а не только небольшая средняя мощность холостого вращения.

Нижняя поверхность видит горячую шахту. Тепловое излучение и газ нагревают металл, износ меняет кромки, отложения меняют скаты. В источнике переход к описанию соседних охлаждаемых конструкций связан с прогоранием распределительных дисков. Это указывает на тепловую задачу семейства, но не даёт готового ресурса или марки стали для Бильдта.

Доступ к шейке, подшипнику и рабочему элементу закладывают в компоновку. Нужно иметь возможность осмотреть профиль и заменить его через предусмотренный путь после безопасного вывода узла из работы. Иначе датчик вращения будет месяцами подтверждать исправность механизма, распределяющего топливо уже совсем другой поверхностью.

Отдельно решается газовое разделение загрузки. Профилированный распределитель раскладывает топливо; плотность бункера и затворов зависит от других сопряжений. Подбор этих устройств нельзя заменить удачной картой засыпки.

Что испытывать перед большой шахтой

Сначала задают допустимый диапазон топлива и получают представительные партии. Затем на холодном узле сравнивают профиль, высоту, подачу и частоту вращения, меняя параметры раздельно. Фиксируют массу по секторам и кольцам, фракции, задержку материала, образование новой мелочи и нагрузку привода. Тренклер отдельно предупреждал о цене пылеобразования у механических распределителей: выгода ровной подачи способна потеряться дальше, в запорах и газопроводах.

Горячий опыт добавляет нагрев, налипание и износ. Проверяют, как долго сохраняется найденное распределение, что происходит при пуске и изменении нагрузки, как восстанавливается геометрия при обслуживании. Короткая проверка на чистой холодной отливке не описывает этот срок.

При увеличении диаметра меняются путь до стенки, время падения, масса за один оборот и изгиб вала. Сохранить только число оборотов или внешние пропорции недостаточно. Для масштабирования может понадобиться полноразмерный холодный распределитель, тогда как тепловую стойкость отдельного участка проверяют на меньшем узле.

Это две вполне конкретные опытные задачи. Их удобнее разделить и решить до монтажа, чем годами искать подходящую форму ската внутри уже построенной шахты у заказчика. Там доступ к детали, доставка новой отливки и возможность её обработать становятся частью каждого следующего опыта.

Продолжить чтение

Двухклапанная загрузочная коробка — газовое разделение и размер порции.
GWEB_C0017 (вне пакета) — крупность и форма частиц.
GWEB_C0068 — механическое зависание.
GWEB_C0069 — каналы и распределение потока в слое.

К оглавлениюALVERJOB

Источники и материалы

Н. Э. Рамбуш. «Газогенераторы», 1939; внутренняя пагинация доступной перевёрстки (точность относительно факсимильного оригинала отдельно не установлена), с. 190–192: рис. 123–124 и описание Бильдта на с. 191, отдельно рис. 125 и описание Джорджа.
Г. Р. Тренклер. «Газогенераторы», перевод и переработка Н. Н. Лазарева, 1933, с. 126, 128: профилированная поверхность, изменение высоты и вращения, историческая оценка пылеобразования. Фиг. 30 не использована для восстановления геометрии.
Схема направлений, стенд с приёмными кольцами и оба расчёта — самостоятельное учебное объяснение. Все массы, размеры стенда и частоты заданы условно; это не результаты испытаний распределителя Бильдта.