劉連鄉(xiāng)

（北京電力設(shè)備總廠有限公司，北京 102401）

0 概 述

在我國(guó)，中速磨煤機(jī)使用的一次風(fēng)噴嘴環(huán)主要有兩種型式，一種是靜止噴嘴環(huán)，一種是旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)。旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)又可分為葉片正裝和葉片反裝兩種型式。以往設(shè)計(jì)噴嘴環(huán)時(shí)，一般僅計(jì)算噴嘴出口截面尺寸，即用通風(fēng)量除以給定風(fēng)速，以確定通風(fēng)面積，其他計(jì)算均省略，故不能細(xì)致地反映噴嘴環(huán)在運(yùn)行中的實(shí)際狀況。磨煤機(jī)中的風(fēng)速變化、壓力損失和功率變化，都將影響噴嘴環(huán)的運(yùn)行性能。現(xiàn)從理論上探討影響噴嘴環(huán)性能的各項(xiàng)因素，不僅對(duì)噴嘴環(huán)的優(yōu)化設(shè)計(jì)有積極作用，還可為中速磨煤機(jī)噴嘴環(huán)的改造提供參考。

1 一次風(fēng)通過(guò)噴嘴環(huán)時(shí)的風(fēng)速和壓力損失

1.1 一次風(fēng)通過(guò)噴嘴環(huán)時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀況和理想風(fēng)速，以及噴嘴環(huán)在磨煤機(jī)中的位置，如圖1所示。靜止噴嘴環(huán)（見(jiàn)圖1右側(cè)）被若干個(gè)定位塊和錐形壓板固定在磨煤機(jī)機(jī)殼上，用連接法蘭將旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)（見(jiàn)圖1左側(cè)）固定在磨煤機(jī)托盤(pán)上，旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)可隨磨盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 噴嘴環(huán)在磨煤機(jī)中的位置

在磨煤機(jī)中，由于靜止噴嘴環(huán)是靜止不動(dòng)的，各噴嘴進(jìn)風(fēng)速度方向始終與底面垂直。對(duì)于旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)，因?yàn)閲娮飙h(huán)與磨盤(pán)同速轉(zhuǎn)動(dòng)，所以各噴嘴入口一次風(fēng)速相對(duì)于入口平面存在切向速度，進(jìn)風(fēng)方向向后轉(zhuǎn)過(guò)了一個(gè)角度，如圖2所示。圖2中，（a）為靜止噴嘴環(huán)的進(jìn)風(fēng)方向，（b）為旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)的進(jìn)風(fēng)方向。

圖2 噴嘴環(huán)進(jìn)風(fēng)情況展開(kāi)圖

由于一次風(fēng)室很大，風(fēng)速較慢，可認(rèn)為靜止噴嘴環(huán)平均進(jìn)風(fēng)方向β1＝0°。對(duì)于旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)，可根據(jù)速度合成定理Wa＝Wr＋We，求出一次風(fēng)相對(duì)于旋轉(zhuǎn)噴嘴入口法線所轉(zhuǎn)過(guò)的角度βr1，如圖3所示。

圖3 噴嘴進(jìn)出風(fēng)方向的合成

式中：Wa為絕對(duì)速度，Wr為相對(duì)速度，We為牽連速度。

某型磨煤機(jī)的靜止噴嘴的尺寸，如圖4所示。其中β1＝0，β2＝30°，γ＝15°，b2＝a2。按幾何關(guān)系有：

圖4 噴嘴剖視圖

如果進(jìn)入磨煤機(jī)的一次風(fēng)量是VHL100%，噴嘴數(shù)為z，單個(gè)噴嘴的進(jìn)風(fēng)量就是VHL100%／z，噴嘴入口風(fēng)速：

對(duì)于結(jié)構(gòu)完全相同的旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)來(lái)說(shuō)，入口Wa1＝W1，Wr2＝W2，牽連速度和相對(duì)速度分別為：

在出口：

式（5）中：“＋”號(hào)用于葉片正裝，“－”號(hào)用于葉片反裝。又因dm1＝dm2＋2Lsinγ，dm2?2Lsinγ，所以可取dm1≈dm2，We2≈We1。

1.2 一次風(fēng)通過(guò)噴嘴環(huán)時(shí)的實(shí)際風(fēng)速和壓力降

1.2.1 實(shí)際風(fēng)速

上述噴嘴環(huán)的出口風(fēng)速W2和W r2，是根據(jù)一次風(fēng)無(wú)任何壓力損失的情況下計(jì)算而得，而實(shí)際一次風(fēng)在通過(guò)噴嘴環(huán)時(shí)，不僅存在各種摩擦，還存在速度轉(zhuǎn)向，所以，實(shí)際風(fēng)速應(yīng)參考汽輪機(jī)葉柵出口實(shí)際流速公式進(jìn)行計(jì)算。

對(duì)于靜止噴嘴環(huán)的實(shí)際風(fēng)速：W′2＝φ0W2

對(duì)于旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)的相對(duì)風(fēng)速：W′r2＝φβWr2

式中速度系數(shù)：對(duì)于汽輪機(jī)噴嘴φ0＝0.92～0.98。因汽輪機(jī)噴嘴比較光滑，一次風(fēng)噴嘴的表面較粗糙，所以靜止噴嘴環(huán)φ0≤0.92，建議取φ0＝0.90。參照汽輪機(jī)葉柵進(jìn)氣角變化對(duì)損失系數(shù)的影響曲線，可近似得到旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)損失系數(shù)與進(jìn)氣角的變化關(guān)系公式。因進(jìn)氣角為任意值時(shí)的損失系數(shù)ξβ＝ξ0＋Δξβ，損失系數(shù)與速度系數(shù)的關(guān)系為ξ0＝1－φ20，所以進(jìn)氣角為任意值時(shí)速度系數(shù)為：

考慮到各項(xiàng)影響因素后，旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)的出口實(shí)際風(fēng)速：

1.2.2 噴嘴環(huán)的壓力降與出口風(fēng)壓

一次風(fēng)通過(guò)噴嘴環(huán)時(shí)，既有摩擦又有增速，兩者均來(lái)自于一次風(fēng)的壓力降。

噴嘴環(huán)的總力壓降：

計(jì)算時(shí)，對(duì)于旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)用Wr2取代W2。壓力損失系數(shù)：對(duì)于靜止噴嘴環(huán)取ξ＝ξ0，旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)取ξ＝ξβ。

2 功率得失

流體在彎曲管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，不僅會(huì)對(duì)管壁產(chǎn)生靜壓力，而且還會(huì)產(chǎn)生動(dòng)壓力。所以，當(dāng)一次風(fēng)流經(jīng)噴嘴環(huán)時(shí)，也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生力的作用，并且因?yàn)閲娮飙h(huán)在轉(zhuǎn)動(dòng)，所以這個(gè)力又存在做功的問(wèn)題。考慮到靜動(dòng)反力中的水平分量才會(huì)存在做功的問(wèn)題，故只求出這個(gè)力的大小及其功率。力的水平分量，如圖5所示。

圖5 安裝方向?qū)κ芰Φ挠绊?/p>

將質(zhì)點(diǎn)系動(dòng)量定理用于某個(gè)噴嘴中的一次風(fēng)時(shí)，得：

在水平方向質(zhì)點(diǎn)系受到的外力 ∑Fx＝－Nx＋px2·A2·cosβr2

動(dòng)量變化率：

所以：

式中Mf是磨煤機(jī)一次風(fēng)質(zhì)量流量，按最大質(zhì)量流量考慮時(shí)Mf＝ρ·VHL100%

對(duì)于整個(gè)噴嘴環(huán) ∑Nx＝z·Px2·A2·cosβr2＋ρ·VHL100%·（W′r2·cosβr2＋We1）

這就是噴嘴環(huán)沿圓周給一次風(fēng)的水平方向的作用力，而一次風(fēng)給噴嘴環(huán)的作用力與其大小相等，方向相反。因?yàn)樵谶@個(gè)力的方向上噴嘴環(huán)存在轉(zhuǎn)動(dòng)，所以其功率為：

負(fù)號(hào)表示噴嘴環(huán)是消耗磨煤機(jī)電動(dòng)機(jī)的功率。如果葉片反裝，按圖5（右）可以求出：

表1 噴嘴環(huán)設(shè)計(jì)及性能計(jì)算結(jié)果

這時(shí)一次風(fēng)給噴嘴環(huán)的作用力與噴嘴環(huán)轉(zhuǎn)向相同，顯然是節(jié)省磨煤機(jī)電動(dòng)機(jī)功率。

此外，因?yàn)橛伸o止噴嘴環(huán)改為旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)時(shí)也增加了進(jìn)風(fēng)處的壓力損失部分，所以也增加了一次風(fēng)機(jī)的功率。

因此磨煤功率得失值：

為了說(shuō)明上述研究結(jié)果，以MPS190型磨煤機(jī)為例進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表1所示。

3 結(jié) 語(yǔ)

中速磨煤機(jī)由靜止噴嘴環(huán)改為旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)后出口一次風(fēng)速度和方向均有所變化，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)注意。

旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)因摩擦和進(jìn)風(fēng)方向引起的壓力降比靜止噴嘴環(huán)稍大，利用焓轉(zhuǎn)換為速度的能力稍弱。

在磨煤機(jī)100%負(fù)荷下，一次風(fēng)經(jīng)過(guò)噴嘴環(huán)時(shí)的總壓力降平均為32.89%，其中摩擦阻力造成的壓力降平均為6.3%；增速產(chǎn)生的壓力降平均為25.8%；將靜止噴嘴環(huán)改造為旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)產(chǎn)生的壓力降可以忽略不計(jì)。

葉片正裝噴嘴環(huán)費(fèi)電，反裝省電。在磨煤機(jī)設(shè)計(jì)中或電廠磨煤機(jī)噴嘴環(huán)改造中采用葉片反裝旋轉(zhuǎn)噴嘴比較合理。