二次风旋流叶片倾角对旋流燃烧器出口单相流场特性的影响

二次风旋流叶片倾角对旋流燃烧器出口 单相流场特性的影响* 哈尔滨工业大学　　孙　锐　李争起　孙绍增　吴少华　秦裕琨 山东工业大学　　马春元* * 摘　要　就二次风旋流叶片倾角的变化对径向浓淡旋流煤粉燃烧器出口冷态流场的影响规律进行了研究,研究了叶 片倾角对旋转射流旋流强度与二次风阻力系数的影响,得出了不同叶片倾角下出口旋流流场内时均速度和湍流脉动 量的分布情况。 关键词: 旋流煤粉燃烧器　旋转射流　湍流特性 中国图书资料分类法分类号: TK223. 23 1　径向浓淡旋流煤粉燃烧器 　　我国电站用煤有相当数量为劣质烟煤、贫 煤、无烟煤等难燃煤种。在煤质、燃烧技术、运行 水平等多方面因素的影响下, 电站锅炉运行中 经常出现锅炉稳燃能力特别是低负荷稳燃能力 差、锅炉燃烧效率低、排烟对大气污染严重、水 冷壁结渣、受热面高温腐蚀和过热器汽温偏差 大等问。针对煤粉燃烧过程中的问题,借鉴国 内外的成功实例和研究开发水平浓淡旋流煤粉 燃烧器 (中国专利: ZL 922241031)的经验教 训,哈尔滨工业大学热能工程教研室提出并开 发了新型径向浓淡旋流煤粉燃烧器 [ 1, 2] ( The Radial Bias Combust ion burner, RBC,中国专 利: ZL 93244359. 1) , 如图 1。在燃烧器一次风 通道内加装一只具有高浓缩比的百叶窗式煤粉 浓缩器, 一次风风粉混合物流经浓缩器后被分 成含粉浓度高和含粉浓度较低的两股气流,浓 煤粉气流经过靠近中心管的浓一次风通道喷入 炉膛,淡煤粉气流在浓一次风通道外侧经过淡 收稿日期: 1998-10-05孙锐,男, 1970年生,讲师,现在职攻读博士学位。热能教研室, 150006.　　* 本课题为“九五”国家重点科技攻关资助项目 ( 96-A19- 01-02-12/ 31)　　* * 第 4作者 一次风通道喷入炉膛, 形成煤粉浓度在燃烧器 喷口处的径向浓淡分离。二次风分成旋流和直 流两部分。由固定式轴向弯曲叶片组成的旋流 器产生旋流二次风,在燃烧器喷口外与直流二 次风相混合, 经一次风外侧的二次风喷口喷入 炉膛;直流二次风风箱入口设有调节挡板,通过 调节直流二次风风量, 改变整个二次风的旋流 强度和射流扩展角度。 图 1　径向浓淡旋流煤粉燃烧器结构 1.炉墙 2.直流二次风通道 3.旋流器 4.旋流二次风通道 5.一次风通道 6.中心管 7.点火装置 8.直流二次风挡板 9.煤粉浓缩器 10.淡一次风风道 11.浓一次风风道 第 15卷第 2期　　　　　　　　电　站　系　统　工　程　　　　　　　　　Vol. 15 No . 2 1999 年 3 月　　　　　　　　 Pow er System Engineering　　　　　　　　　 Mar. 1999 2　试验模型和试验方法 　　新型旋流煤粉燃烧器采用了轴向固定叶片 型旋流器,其结构是在二次风通道内加装一定 数量的旋流叶片, 叶片按照特定的形线弯制成 与轴向呈一定倾角 �,叶片之间通道的导流作 用使二次风气流具有一定的旋转速度, 在出口 形成具有一定旋转动量的旋转射流。为了调节 出口气流的旋流强度, 可将二次风分成两股,一 股经过固定旋流叶片形成旋流二次风, 另一股 为不旋转或弱旋转形成直流二次风, 通过调节 两股气流的比例调节出口二次风的旋流强度, 这就是双通道轴向叶片型旋流器。由于轴向固 定式旋流叶片具有运行可靠、出口气流流动稳 定、射流速度分布均匀、可调节性能好的特点, 所以径向浓淡旋流煤粉器采用了双通道轴向固 定叶片式二次风旋流系统。文献[ 3]给出了叶片 叶型与参数之间的关系,研究明,为使叶 片出口直线段和叶片弯曲半径保持适当数值, 叶片无因次高度应保持在1. 5～1. 9之间。在叶 片数目、倾角和遮盖度一定的情况下,合理选择 叶片高度可得到适当叶型。设计合理的叶片形 状可使二次风出口气流相对于轴向的偏转角与 叶片倾角 �一致, 叶片旋流效率提高, 保证出 口气流旋流强度达到设计值。在叶型合理的前 提下,叶片倾角 �的大小对旋转射流的旋流特 性有着重要的作用, 文献[ 4]在内射流为不旋转 和外射流为旋流的同轴射流系统下,研究了内、 外射流(即一次风与二次风)之间的相互影响。 试验结果表明, 在内射流旋流强度 S = 4. 55 时,变化外侧二次风旋流强度,总趋势是随二次 风旋流数增加回流区半径、长度增加。本文取内 射流(即一次风)旋流强度为零,二次风叶片倾 角分别取为 �= 55°, 58°, 60°, 65°条件下, 研究 了在不同叶片倾角下径向浓淡旋流煤粉燃烧器 模型出口冷态流场的变化规律。试验模型比例 为 1∶3(参见图 1) ,旋流二次风旋流器为轴向 固定叶片,直流二次风为无旋流的直流风,一次 风扩口张角为 40°, 中心扩锥张角为 90°, 直流 风扩口张角为 0°, 燃烧器模型外径为 d = 372 mm。利用美国 TSI 公司生产 IFA300型热线风 速仪,采用一维热膜探针多方位转动法 [ 5, 6]对旋 转射流的时均流场和湍流流场进行了测量, 同 时利用敷在坐标架上的小飘带来标示流场内的 速度方向,冷态模型的试验参数如表 1。 表 1　不同叶片倾角影响的冷态试验参数 一次风率 / % 二次风率 / % 旋流二次风率 / % 一次风出口风速 / m·s - 1 二次风出口轴向风速 / m·s- 1 出口雷诺数 Re 19. 5 80. 5 85 8. 5 12. 0 1. 6×105 3　不同叶片倾角下出口气流旋流强度 　　假定流过叶片的气流为无粘性理想流体, 旋流效率为 1, 则气流将与轴线呈 �角方向流 动, 切向速度与轴向速度的关系为 W = Utg ( �) ,忽略静压对轴向动量的贡献,二次风旋流 强度S 可表示为 　S =∫R0U 2tg( �) r2dr∫R0U 2rdr �d0 = tg ( �) ∫ R 0 U 2 r 2 dr ∫R0U 2rdr �d0 = tg ( �) �f ( U, R, d0) ; ( 1) R 为出口气流射流扩展半径。由于二次风在旋 转射流中占主要部分,旋流燃烧器出口气流的 旋流强度将取决于叶片倾角的正切值, 由式( 1) 可见, �角越大, 出口气流的旋流强度越大。试 验所测得出口气流旋流强度与叶片倾角正切的 比较如图 2, f ( U , R , d0)可近似取为 1。 4　叶片倾角对二次风阻力的影响 　　因为所研究的新型旋流燃烧器直流二次风 占二次风比例较小(一般风量不会超过二次风 风量的 25%) , 二次风阻力主要为旋流二次风 流过旋流器的阻力。气流流过旋流器叶片的阻 力由沿程阻力和局部阻力组成,文献[ 7]给出了 这两项的计算方法。对于沿程阻力 hf1 ,可认为 湍流流动进入阻力平方区,由下式给出, 49第 2期　　　孙　锐等:二次风旋流叶片倾角对旋流燃烧器出口单相流场特性的影响 h f1= k1 �U2 2g ; ( 2) 其中 k 1为沿程阻力系数,由叶片表面粗糙度、 长度和湿度确定。叶片局部阻力是气流流过倾 角为 �的叶片,速度由 U增大到 Ucos�所带来的 压力损失,这部分阻力损失 h f2可表示为 hf2= k2 � 2g ( U 2 cos2�- U2 ) = k 2 �U 2tg 2� 2g ; ( 3) 其中 k 2为系数, 受叶片设计参数、气流偏转效 率的影响, 当叶片结构一定时一般为常数。因 此,轴向叶片总压降损失可表示为 h f= h f1+ hf2= �U 2 2g ( k2+ k2tg 2�) = �U22g 。( 4) 叶片的阻力系数 = k1+ k2 tg 2�, 当叶片倾 角大于 45°时, k1 相对较小可忽略不计, 与叶 片倾角 �正切值的平方成正比,假定 k2取值为 1, 与 �的关系如图 2。�角在 50°以内阻力系 数较小, 50°至 65°之间阻力系数开始增加。�角 大于 70°后,阻力系数随叶片倾角迅速增加。可 见为取得较大中心回流区而增加旋流叶片倾角 的同时,还应考虑倾角 �过大而引起的二次风 流动阻力增加,这会使送风机出力减小,燃烧器 的空气量不足,导致燃烧状况恶化,因此在旋流 器设计中 �角一般不宜超过 70°。 5　叶片倾角对出口旋转射流流场结构 和时均速度分布的影响 　　射流的中心回流区和扩展范围受叶片倾角 的影响较复杂,如图 3, 总趋势为随着叶片倾角 增加,射流扩展范围不断增加。射流的旋流强度 增大,流体微团的离心力加大,同时旋转射流的 切向角动量衰减加快, 产生了更大的轴向和径 向负压力梯度,驱动更多流体反向流动,中心回 流区直径变宽,长度加长。由 �= 55°至 �= 65° 中心回流区无因次直径增加了 20%, 回流区长 度增长更为明显为 30%。相对于一次风质量流 量的最大回流率在不同旋流叶片倾角下的变化 如表 2。因为一次风流量基本不变,回流率的大 小可反映回流烟气量的大小,即一次风得到加 热热量的多少, 当叶片倾角 �≥60°以后, 最大 回流率接近 2. 0, 可为一次风内浓煤粉气流提 供充足的着火热,保证劣质煤稳燃的需要。如果 叶片倾角较小,回流区内和回流率均较小,对于 难燃的劣质煤种将很难保证在合适的出口轴向 位置处煤粉气流达到着火温度。 表 2　不同叶片倾角下回流区的最大回流率 叶片倾角 �= 55° �= 58° �= 60° �= 65° 最大相对回流率 1. 160 1. 261 1. 909 1. 931 　　叶片倾角为 55°和 60°时,利用一维热膜探 针测得轴向和切向速度分布如图 4。由 4a中可 见,燃烧器出口处( x / d = 0. 0)轴向速度剖面半 径方向存在两个峰值, 速度高的峰是由二次风 出口气流形成, 速度较低的另一个峰是由一次 风出口气流形成。中心轴线附近的中心扩口,由 50 　　　　　　　　　　　　　　电 站 系 统 工 程　　　　　　　　　　1999年第 15卷 于无中心风通入, 起到钝体作用,其前面的气流 轴向速度很小, 从而有助于形成中心回流区的 前驻点。由于中心扩口和一次风扩口的导向作 用,以及一二次风之间大速度梯度形成高的湍 流质量交换率,一次风和二次风混合速度很快, 在 x / d= 0. 25之后一次风速度峰值已经消失, 一次风已经混入了二次风内。叶片倾角较大时 气流出口处轴向速度的峰值较高,一、二次风的 混合速度快, 射流最大速度衰减速度快。当 �= 55°时出口气流的旋转能力下降,流体微团的离 心力减小,气流更加集中地在射流中心处流动, 射流扩展角减小, 回流区相应减小。由图 4b可 见,两种工况下切向速度都只具有一个速度峰 值, 中心回流区和一次风出口处切向速度值均 很小,这是由于一次风为直流射流和回流区内 气流以轴向回流流动为主的缘故。二次风主流 区内由旋流叶片形成了具有较高切向速度峰值 的朗肯涡结构。二次风出口切向速度峰值随叶 片倾角增加而增加, 气流旋流强度增大,叶片倾 角大时切向速度衰减速度较快, 说明气流之间 的混合加强。同时切向速度的衰减明显快于轴 向速度的衰减, 在强旋射流中切向旋转特性由 于湍流混合作用很快就消失了, x / d≥1. 0 以 后,气流切向速度基本接近为零,射流轴向流动 成为主要流动方式。 ( a)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　( b ) 图 4　旋流叶片倾角不同时无因次时均速度的分布 ( a)　轴向　　( b)　切向 -□-——�为 55°　-△-——�为 60°　x——轴向距离　r——径向距离　d——燃烧器直径　U 0——射流入口处平均速度 6　不同叶片倾角下射流流场内湍流应 力的分布 　　在不同叶片倾角下脉动速度均方根( rm s) 和湍流正应力的无因次分布如图5。由图 5a可 见, 脉动速度的 rms在中心回流区内和射流边 界处数值较小, 而在回流区与主流区交界处附 近出现峰值。叶片倾角较大时脉动速度峰值沿 径向稍向外移,气流出口处脉动速度加大,但衰 减速度加快, 在 x / d≥0. 5 的位置以后叶片倾 51第 2期　　　孙　锐等:二次风旋流叶片倾角对旋流燃烧器出口单相流场特性的影响 角较大的脉动速度已小于叶片倾角较小工况的 脉动速度。湍流正应力场的分布是非均匀的, ( c)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　( d) 图 5　不同叶片倾角下脉动速度均方根和湍流正应力的无因次分布 ( a) 脉动速度均方根的分布　( b) 轴向湍流正应力u′2的分布　( c) 径向湍流正应力v′2的分布　( d) 切向湍流正应力w′2的分布 　　　-■-——�为 55°　-▲-——�为 60° 52 　　　　　　　　　　　　　　电 站 系 统 工 程　　　　　　　　　　1999年第 15卷 在回流区内和射流外边界数值小,回流区边界 附近和二次风主流区是高湍流脉动区域,正应 力具有径向的最大值。正应力在燃烧器出口处 并不是整个流场内的最高值, 而随着气流向下 游扩展, 湍流能量不断产生, 在x / d= 0. 25～ 0. 5这一区域,湍流正应力达到最大值, 之后逐 渐衰减, 因此湍流脉动强烈的这一区域是煤粉 燃烧的有利区, 实际运行中的径向浓淡旋流煤 粉燃烧器恰好提高了这一区域的煤粉浓度,发 挥了浓缩煤粉气流良好的着火性能, 提高了旋 流燃烧器的稳燃能力和燃烧强度。湍流正应力 明显具有各向异性,轴向正应力u′2和切向正应 力w ′2的峰值较高,说明这两个方向上湍流脉动 较强, 而径向正应力v ′2在燃烧器出口处较另两 个方向的应力小, 在气流下游逐渐加大。当采用 叶片倾角较大时, 出口气流湍流脉动水平明显 提高,湍流混合得以加强, 3个方向湍流正应力 的峰值最大的提高了 2倍以上,有利于煤粉气 流在高湍流脉动强度下进行燃烧反应, 提高其 燃烧反应速度。气流流动前期的强烈混合, 使湍 流能量耗散速度加快,后期流动湍流能量水平 降低,在 x / d= 1. 0处, u′2和w′2均小于叶片倾角 小的工况。 7　结论 　　旋流强度 S 与叶片倾角 �的正切成正比, 叶片倾角 �的增加, 将提高旋转射流的旋流强 度;二次风阻力系数与叶片倾角 �的正切平方 值成正比,当叶片倾角大于 70°以后, 叶片的局 部阻力系数迅速增加将引起二次风阻力过大。 叶片倾角的增加使出口切向速度提高,轴 向速度峰值沿径向外移,射流扩展角加大, 中心 回流区加大, 回流率提高,为浓煤粉气流提供充 足的着火热。 叶片倾角 �的增加使出口气流脉动速度 均方值加大, 并且其峰值沿径向外移;出口气流 的湍流正应力分布为非均匀各向异性, 在径向 气流主流区和回流区交界处、轴向 x / d= 0. 25 ～0. 5区域内,湍流正应力具有峰值,是湍流脉 动强烈煤粉气流着火有利区域; 旋流叶片倾角 加大, 3个方向湍流正应力均提高,最大可提高 2倍以上,湍流脉动强度和混合强度加强。 参　考　文　献 1　马春元,等 . 径向浓淡旋流煤粉燃烧器的冷态试验研究 . 动力工程, 1997, 17( 1) : 10～15 2　Wu shaohua, et al. . Developmen t of the New Type Sw irl Bur ner with Bias and S tage Combu st ion. In: Proceedin gs of th e 6th Inter nat ional Energy Conference. 1996. 95～98 3　马春元,等 . 旋流燃烧器轴向旋流叶片的优化设计 . 电站 系统工程, 1996, 12( 5) : 36～41 4　王致均 . 炉内空气动力学 . 北京: 水利电力出版社, 1984. 192～201 5　Jan jua S I, et al. . T urbulence Measurem ents in C on fined Jets Us ing a Rotat ing S ingle-W ire Probe Tech nique. A- IAA Journal , 1983, 21( 12) : 1 609～1 610 6　郑楚光,等 . 测量三维流场及温度场的双热线多方位转动 法 . 空气动力学学报, 1993, 11( 1) : 1～8 7　M athu r M L, et al . . Swi rling Air Jet s Is suing f rom Van e Sw irlers. Part 1: Fr ee Jets . Journ al of th e Ins t itu te of Fu- el, 1967 ( 5) : 214～225 Ef fects of Swirling Vane Angle on Isothermal Flow Issuing From Radial Bias Combustion Burner Sun Rui, L i Zhengqi, Sun Shao zeng , et , al. 　　Abstract: The effects o f sw ir ling vane ang le on isothermal flow issuing fr om the radial bias combus- tion burner are studied. T he effects on sw ir l number and resist ance coefficient o f secondar y air are studied. P ro files o f mean velo cities and turbulent param eters a re measured. Key words: swirl pulver ized-coal burner ; sw ir ling jet; turbulent pr oper ty 编辑:戈　金 　　 　敬　告　作　者　 　　署名两个或三个单位的稿件, 请在投稿时注明作 者名次; 否则, 本刊按单位顺序排作者名次, 即以三单 位为例, 第一至第三单位的第一人依次为第一至第三 作者, 第一至第三单位的第二人依次为第四至第六作 者,……, 依次类推。此前本刊待发稿未注明作者名次 又不同意上述作法的,望作者速来函说明; 发稿前未收 到说明的,本刊视为同意上述作法。 《电站系统工程》编辑部 53第 2期　　　孙　锐等:二次风旋流叶片倾角对旋流燃烧器出口单相流场特性的影响