中速磨煤機靜止噴嘴環和旋轉噴嘴環的性能分析與比較

劉連鄉

（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主要有兩種型式，一種是靜止噴嘴環，一種是旋轉噴嘴環。旋轉噴嘴環又可分為葉片正裝和葉片反裝兩種型式。以往設計噴嘴環時，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，都將影響噴嘴環的運行性能。現從理論上探討影響噴嘴環性能的各項因素，不僅對噴嘴環的優化設計有積極作用，還可為中速磨煤機噴嘴環的改造提供參考。

1 一次風通過噴嘴環時的風速和壓力損失

1.1 一次風通過噴嘴環時的運動狀況和理想風速，以及噴嘴環在磨煤機中的位置，如圖1所示。靜止噴嘴環（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（見圖1左側）固定在磨煤機托盤上，旋轉噴嘴環可隨磨盤轉動。

圖1 噴嘴環在磨煤機中的位置

在磨煤機中，由于靜止噴嘴環是靜止不動的，各噴嘴進風速度方向始終與底面垂直。對于旋轉噴嘴環，因為噴嘴環與磨盤同速轉動，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）為靜止噴嘴環的進風方向，（b）為旋轉噴嘴環的進風方向。

圖2 噴嘴環進風情況展開圖

由于一次風室很大，風速較慢，可認為靜止噴嘴環平均進風方向β1＝0°。對于旋轉噴嘴環，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 一次風通過噴嘴環時的實際風速和壓力降

1.2.1 實際風速

上述噴嘴環的出口風速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。

對于靜止噴嘴環的實際風速：W′2＝φ0W2

對于旋轉噴嘴環的相對風速：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，旋轉噴嘴環的出口實際風速：

1.2.2 噴嘴環的壓力降與出口風壓

一次風通過噴嘴環時，既有摩擦又有增速，兩者均來自于一次風的壓力降。

噴嘴環的總力壓降：

計算時，對于旋轉噴嘴環用Wr2取代W2。壓力損失系數：對于靜止噴嘴環取ξ＝ξ0，旋轉噴嘴環取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時，也會對其產生力的作用，并且因為噴嘴環在轉動，所以這個力又存在做功的問題。考慮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 ∑Nx＝z·Px2·A2·cosβr2＋ρ·VHL100%·（W′r2·cosβr2＋We1）

這就是噴嘴環沿圓周給一次風的水平方向的作用力，而一次風給噴嘴環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存在轉動，所以其功率為：

負號表示噴嘴環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 噴嘴環設計及性能計算結果

這時一次風給噴嘴環的作用力與噴嘴環轉向相同，顯然是節省磨煤機電動機功率。

此外，因為由靜止噴嘴環改為旋轉噴嘴環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改為旋轉噴嘴環后出口一次風速度和方向均有所變化，設計時應適當注意。

旋轉噴嘴環因摩擦和進風方向引起的壓力降比靜止噴嘴環稍大，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%；將靜止噴嘴環改造為旋轉噴嘴環產生的壓力降可以忽略不計。

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