中速磨煤機靜止噴嘴環(huán)和旋轉噴嘴環(huán)的性能分析與比較

劉連鄉(xiāng)

（北京電力設備總廠有限公司，北京 102401）

0 概 述

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

1 一次風通過噴嘴環(huán)時的風速和壓力損失

1.1 一次風通過噴嘴環(huán)時的運動狀況和理想風速，以及噴嘴環(huán)在磨煤機中的位置，如圖1所示。靜止噴嘴環(huán)（見圖1右側）被若干個定位塊和錐形壓板固定在磨煤機機殼上，用連接法蘭將旋轉噴嘴環(huán)（見圖1左側）固定在磨煤機托盤上，旋轉噴嘴環(huán)可隨磨盤轉動。

圖1 噴嘴環(huán)在磨煤機中的位置

在磨煤機中，由于靜止噴嘴環(huán)是靜止不動的，各噴嘴進風速度方向始終與底面垂直。對于旋轉噴嘴環(huán)，因為噴嘴環(huán)與磨盤同速轉動，所以各噴嘴入口一次風速相對于入口平面存在切向速度，進風方向向后轉過了一個角度，如圖2所示。圖2中，（a）為靜止噴嘴環(huán)的進風方向，（b）為旋轉噴嘴環(huán)的進風方向。

圖2 噴嘴環(huán)進風情況展開圖

由于一次風室很大，風速較慢，可認為靜止噴嘴環(huán)平均進風方向β1＝0°。對于旋轉噴嘴環(huán)，可根據速度合成定理Wa＝Wr＋We，求出一次風相對于旋轉噴嘴入口法線所轉過的角度βr1，如圖3所示。

圖3 噴嘴進出風方向的合成

式中：Wa為絕對速度，Wr為相對速度，We為牽連速度。

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

圖4 噴嘴剖視圖

如果進入磨煤機的一次風量是VHL100%，噴嘴數為z，單個噴嘴的進風量就是VHL100%／z，噴嘴入口風速：

對于結構完全相同的旋轉噴嘴環(huán)來說，入口Wa1＝W1，Wr2＝W2，牽連速度和相對速度分別為：

在出口：

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

1.2 一次風通過噴嘴環(huán)時的實際風速和壓力降

1.2.1 實際風速

上述噴嘴環(huán)的出口風速W2和W r2，是根據一次風無任何壓力損失的情況下計算而得，而實際一次風在通過噴嘴環(huán)時，不僅存在各種摩擦，還存在速度轉向，所以，實際風速應參考汽輪機葉柵出口實際流速公式進行計算。

對于靜止噴嘴環(huán)的實際風速：W′2＝φ0W2

對于旋轉噴嘴環(huán)的相對風速：W′r2＝φβWr2

式中速度系數：對于汽輪機噴嘴φ0＝0.92～0.98。因汽輪機噴嘴比較光滑，一次風噴嘴的表面較粗糙，所以靜止噴嘴環(huán)φ0≤0.92，建議取φ0＝0.90。參照汽輪機葉柵進氣角變化對損失系數的影響曲線，可近似得到旋轉噴嘴環(huán)損失系數與進氣角的變化關系公式。因進氣角為任意值時的損失系數ξβ＝ξ0＋Δξβ，損失系數與速度系數的關系為ξ0＝1－φ20，所以進氣角為任意值時速度系數為：

考慮到各項影響因素后，旋轉噴嘴環(huán)的出口實際風速：

1.2.2 噴嘴環(huán)的壓力降與出口風壓

一次風通過噴嘴環(huán)時，既有摩擦又有增速，兩者均來自于一次風的壓力降。

噴嘴環(huán)的總力壓降：

計算時，對于旋轉噴嘴環(huán)用Wr2取代W2。壓力損失系數：對于靜止噴嘴環(huán)取ξ＝ξ0，旋轉噴嘴環(huán)取ξ＝ξβ。

2 功率得失

流體在彎曲管道內流動時，不僅會對管壁產生靜壓力，而且還會產生動壓力。所以，當一次風流經噴嘴環(huán)時，也會對其產生力的作用，并且因為噴嘴環(huán)在轉動，所以這個力又存在做功的問題?？紤]到靜動反力中的水平分量才會存在做功的問題，故只求出這個力的大小及其功率。力的水平分量，如圖5所示。

圖5 安裝方向對受力的影響

將質點系動量定理用于某個噴嘴中的一次風時，得：

在水平方向質點系受到的外力 ∑Fx＝－Nx＋px2·A2·cosβr2

動量變化率：

所以：

式中Mf是磨煤機一次風質量流量，按最大質量流量考慮時Mf＝ρ·VHL100%

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

這就是噴嘴環(huán)沿圓周給一次風的水平方向的作用力，而一次風給噴嘴環(huán)的作用力與其大小相等，方向相反。因為在這個力的方向上噴嘴環(huán)存在轉動，所以其功率為：

負號表示噴嘴環(huán)是消耗磨煤機電動機的功率。如果葉片反裝，按圖5（右）可以求出：

表1 噴嘴環(huán)設計及性能計算結果

這時一次風給噴嘴環(huán)的作用力與噴嘴環(huán)轉向相同，顯然是節(jié)省磨煤機電動機功率。

此外，因為由靜止噴嘴環(huán)改為旋轉噴嘴環(huán)時也增加了進風處的壓力損失部分，所以也增加了一次風機的功率。

因此磨煤功率得失值：

為了說明上述研究結果，以MPS190型磨煤機為例進行計算，結果如表1所示。

3 結 語

中速磨煤機由靜止噴嘴環(huán)改為旋轉噴嘴環(huán)后出口一次風速度和方向均有所變化，設計時應適當注意。

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

在磨煤機100%負荷下，一次風經過噴嘴環(huán)時的總壓力降平均為32.89%，其中摩擦阻力造成的壓力降平均為6.3%；增速產生的壓力降平均為25.8%；將靜止噴嘴環(huán)改造為旋轉噴嘴環(huán)產生的壓力降可以忽略不計。

葉片正裝噴嘴環(huán)費電，反裝省電。在磨煤機設計中或電廠磨煤機噴嘴環(huán)改造中采用葉片反裝旋轉噴嘴比較合理。