可調軸向葉片結構旋流強度計算與動力場特性分析

王學文，崔豫泓

(1.煤科院節能技術有限公司，北京 100013;2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點試驗室，北京 100013;3.國家能源煤炭高效利用與節能減排技術裝備重點試驗室，北京 100013)

0 引 言

旋轉射流是由于對氣流產生適當的旋轉運動而形成的射流，由螺線運動應用產生且是1種重要的射流運動形式[1-4]，并廣泛應用于各種工程應用場合，諸如水力旋流器[5-6]、徑向水平鉆井[7]、旋風除塵[8]以及發動機燃料噴注系統和燃燒器[9-10]等。旋轉射流應用于燃燒室中作為控制火焰的1種手段[11]，當氣流切向或經旋流葉片軸向進入燃燒室，會形成1種流場復雜的旋轉射流，能促進燃料和氧化劑的摻混、提高燃燒效率以及產生回流區穩定火焰，旋流強度的大小對火焰大小、形狀、穩定性和燃燒強度均產生重要的影響[12-13]。旋流燃燒除了提高燃燒效率之外，還可減少有害污染物NOx、SOx等的形成，從而提供1種對環境更清潔的燃料方法[14]。

較之于切向葉片旋流器，軸向葉片旋流器具有結構簡單、阻力損失小、出口速度分布均勻以及調節性較好等優點[15]，尤其可調軸向葉片旋流器能靈活調整旋轉射流的強度，對燃燒過程起著重要的作用。另外，旋轉射流是高效低氮燃燒技術的重要基礎，可調軸向葉片旋流器與空氣分級燃燒技術相結合是當前降低NOx排放和飛灰殘炭的有效手段。為了充分發揮可調軸流葉片旋流器的優勢，需對可調軸向葉片旋流器的工作原理及其對燃燒室內旋轉射流的動力場特性進行全面細致的分析。根據可調軸向葉片旋流器的工作原理，推導可調軸向葉片旋流強度的計算公式。

1 旋流器工作原理及動力場特性分析

可調軸向葉片旋流器是1個長度較短的錐形筒，外環呈錐形，內環呈圓形，中間設置導向葉片，呈螺線型布置，當具有一定軸向速度的流體進入葉輪后，在導向葉輪的流道中的流體受到1個扭曲力的作用，在該力的作用下，流體獲得了一定的旋轉動量，賦予了流體微團三維速度，除了非旋轉射流中存在的軸向和徑向速度之外，旋轉射流還具有切向速度，由此使得氣流螺旋前進并以螺旋運動流出噴嘴。在旋轉射流過程中，由于圓筒壁上約束的消失，在離心力或慣性力的作用下，流體微團不斷向周圍介質中擴散。

在不考慮位差和不計旋流器的流動損失的條件下，對旋流器進出口2個截面的列伯努利方程見式(1)：

式中，p1為進口處靜壓，Pa；p為出口靜壓；Pa;ρ為氣流密度，kg/m3；ω1為氣流入口速度，m/s；ωz為旋流器出口氣流軸向速度，m/s；ωθ為旋流器出口氣流切向速度，m/s；k為常數。

如用H表示流體的全部能量，即總壓可按式(2)計算:

則旋流器出口壓力(p)可寫成:

由式(3)可計算渦核區沿半徑的壓力分布。在渦核中心，即旋轉軸心處，r=0，ωθ=0，其壓力值為:

綜合以上推導表明，旋轉射流中心處的壓力比射流邊界的低兩倍動壓頭，該動壓頭值按漩渦半徑處的切向速度計算。

可調軸向葉片旋流器的工作原理示意如圖1所示，當可調軸向葉片在最前位置即全關時，全部氣流通過葉輪，此時旋流強度最大；當可調旋流器后移時，葉輪外環和通道之間就會形成1個錐形通道，部分氣流直接在錐形通道通過即不參與旋轉，使總的氣流旋流強度在逐漸減小，則調節旋流器位置時，其實在改變錐形通道的體積，直流二次風和旋轉二次風比例得以發生改變，導致了徑向和軸向壓力梯度的建立，使得氣流反轉來影響流場。當旋流強度最大時，切向動能最大，軸向動能最小，軸向壓力梯度大，足以發生沿軸向的反向流動，進而形成中心回流區，但該種旋流器形成的回流區較小，只適合揮發分較高的煤種。

圖1 可調軸向葉片旋流器工作原理示意Fig.1 Schematic diagram of the working principle of the adjustable axial vane swirler

旋流強度的大小對旋轉射流的特性有較大的影響，Chigier等[16]學者對旋轉射流進行深入細致的研究，當旋流強度為1.43時，旋流器出口軸線附近形成逆壓區，燃燒器軸線附近壓力降低，前面的高壓氣體不斷補充，沿軸線向前壓力逐漸增加，逐漸趨近于較遠處下游的大氣壓力。不同旋流強度下燃燒室內軸向速度u、切向速度w、徑向速度v的徑向分布如圖2所示。從圖2可看出，隨著旋流強度的增加，切向和徑向的速度值增加，且流動被迫沿著外壁進入越來越窄的邊界層，中心軸線附近軸向速度減小，為中心回流區的形成創造了條件。

圖2 不同旋流強度下燃燒室內軸向速度u、切向速度w、徑向速度v的徑向分布Fig.2 Radial distribution of axial velocity u,tangential velocity w,and radial velocity v in the combustion chamber under different swirling intensity

不同旋流強度下的出口回流區尺寸和形狀圖如圖3所示，隨著旋流強度的增加，回流區面積逐漸變大，且形狀由長條形轉變成橢圓形[17]。

圖3 不同旋流強度下回流區的形狀Fig.3 The shape of the recirculation zone under different swirling intensity

火焰溫度的徑向分布如圖4所示，x/D=0表示燃燒器出口截面。

圖4 火焰溫度的徑向分布Fig .4 Radial distribution diagram of flame temperature

從圖4可知，燃燒器出口截面溫度分布水平達到峰值；最高溫度出現在回流區之外的區域，回流區內溫度分布較為均勻。觀察發現，燃燒在x/D= 0.68處完成，燃燒完成后的最高溫度和徑向溫度梯度迅速衰減，在x/D= 1.93時其最高溫度為310 ℃[18]。

若一般射流的擴散角是28 ℃，旋轉射流的擴散角可達90°以上，進而極大程度上改善燃燒的穩定性。不同旋流強度下無煙煤煤粉火焰溫度的軸向分布如圖5所示。

圖5 不同旋流強度下無煙煤煤粉火焰溫度的軸向分布Fig .5 Axial Distribution of Smoke Temperature of Anthracite Pulverized Coal Flame under Different Swirl Intensities

從圖5可看出，隨著旋流強度的增大，煙氣溫度峰值出現在燃燒器噴口附近，且整個回流區內平均溫度較高且比較均一[19]，說明回流區能極大程度促進射流與周圍介質的動量、熱量、反應物濃度的交換，使燃燒著的高溫煙氣反向流回燃燒室中，在煤粉氣流著火前被卷吸至一次風內，著火的穩定性得到提高。有研究表明此種作用對煙煤更加明顯，煙煤的揮發分很早就被帶進火焰，形成難以熄滅的可燃氣體混合物。

2 可調軸向葉片旋流器結構旋流強度計算

2.1 旋流器結構參數的確定

在計算結構旋流強度前，需確定旋流葉片的遮蓋度、葉片數量等參數，可調軸向葉片的展開圖如圖6所示。

圖6 可調軸向葉片展開圖Fig.6 Expanded view of adjustable axial blade

采用式(5)計算旋流器結構參數:

其中，k為遮蓋度，無量綱；Sx為1個葉片在葉片根圓上所遮蓋的弧長，m；Sj為2個相鄰葉片根部間隔的弧長，m；l為葉片區長度，m；β為葉片傾角，(°)；C為葉片根圓周長，m；n為葉片數量；r0為葉片根圓半徑，mm。

當葉片傾角不變時，改變其數量，從而使旋流器遮蓋度發生改變。遮蓋度對旋流強度的影響如圖7所示。

圖7 遮蓋度對旋流強度的影響Fig.7 The influence of opacity on swirl intensity

從圖7可看出，旋流強度隨遮蓋度的增加先上升達到峰值，再逐漸降低后緩慢趨向穩定。究其原因，是因為隨著遮蓋度的增加，葉片數量也將增加，葉片間距減小，旋流風平均速度增加，進而導致結構旋流強度達到峰值，但隨著遮蓋度增加到一定程度，葉片后出現渦流區，從而使得實際出口截面減小，氣流流經旋流器的阻力也將增大，轉而旋流強度逐漸降低再緩慢趨向平緩[8]。因此，軸向葉片的遮蓋度(k)一般選取1.1～1.5[20]。通過代入法，將已知數據代入公式(5)，可計算得出其他結構參數值。

2.2 結構旋流強度計算公式的推導

旋流強度通常指結構旋流強度(S)，一般采用旋流器的結構參數表示，即按平均軸向及切向速度來確定，如此既給設計工作帶來方便，又可據此分析旋流器結構參數對旋流強度的影響。結構旋流強度是表示氣流旋轉強烈程度的參數，其計算公式見式(6):

式中，M為氣流旋轉動量矩，kg·m2/s2；M=Qwτrpj；Q為氣流質量流量，kg/s；wτ為氣流平均切向速度，m/s；rpj為氣流旋轉半徑，m；K=Qwx，K為氣流軸向動量，kg·m/s，wx為氣流平均軸向速度，m/s；L為定性尺寸，m。

化簡式(6)后得:

當旋流器全關時，旋流器下游無軸心存在，旋轉射流直接噴入1個圓形通道，定性尺寸宜采用L=R?？烧{軸向葉片的結構旋流強度按以下方法推導。

首先推導葉片出口的切向速度，公式見式(8):

式中，Q為氣體流量，m3/h；F1為葉片的出口流通截面積，等效于旋流器的出口截面積，m2；ρ為氣流密度，kg/m3；β為葉片傾角。

葉片的出口流通截面積(F1)由式(9)得出:

F1=εn(r1-r0) (9)

式中，r0、r1分別為旋流器的內半徑和外半徑，mm；ε為相鄰葉片出口處的平均間距，mm；忽略葉片的厚度，n為葉片的數目，個。

相鄰葉片出口處的平均間距(ε)按式(10)計算:

葉片出口處的氣流軸向速度(ωx)的計算公式見式(11):

氣流的平均旋流半徑可取為:

將式(8)至(12)和L=R代入式(7)，得:

將r1=250 mm、r0=210 mm、R=250 mm、β=60°的數據代入式(13)，計算得結構旋流強度:S=1.597。

當旋流器拉開距離a后，此時旋流器下游有較長的軸心存在，旋轉射流的流動區域為包含軸心的環形通道，定性尺寸L便不宜采用R，應采用適用于環形通道的定性尺寸[21]，即:

可調軸向葉片旋流器的結構旋流強度的計算公式推導如下:

當移動旋流器過程中，氣流的旋轉動量矩保持不變，即:

旋流器出口的軸向動量:

式中，Q1為旋流風流量，m3/h；Q2為旋流風流量，m3/h；F0為葉片的出口流通截面積，m2。

Q1、Q2的計算公式分別見式(17)、(18):

Q2=W2F2cosα(18)

式中，W1、W2分別為平均旋流風速度、平均直流風速度，m/s；F1為葉片的出口流通截面積，m2；F2為直流風出口截面積，m2。

葉片出口流通截面積(F1)、直流風出口截面積(F2)的計算公式分別見式(19)、(20):

化簡得:

Q2=W2πcosαtgα(a2tgα+2ar1) (22)

又因為:W1=W2，則:

2ar1)]2/F0(23)

氣流的總結構旋流強度為:

將式(14)至(23)代入式(24)，可得:

將r1=250 mm、r0=210 mm、R=250 mm、α=15°、a=10 mm、β=60°的數據代入式(25)，計算可得結構旋流強度:S=0.189。

3 結 論

基于可調軸向葉片旋流器的工作原理，對燃燒室內旋轉射流動力場特性的影響進行深度分析，由此推導可調軸向葉片結構旋流強度的計算公式，結論如下:

(1)調節旋流器位置時，由于改變氣流軸向動能和切向動能的大小從而導致徑向和軸向壓力梯度的建立，使得氣流反轉以影響流場，旋流強度較大時，切向動能較大，軸向動能最小。

(2)隨著旋流強度的增加，切向和徑向的速度值增加，且流動被迫沿著外壁進入越來越窄的邊界層，中心軸線附近軸向速度減小，為中心回流區的形成創造了條件。

(3)隨著旋流強度的增加，回流區面積逐漸變大，且形狀由長條形轉變成橢圓形。

(4)隨著旋流強度的增大，煙氣溫度峰值出現在燃燒器噴口附近，整個回流區內平均溫度較高且較均一，說明回流區促進了射流與周圍介質傳熱、傳質作用，提高了著火穩定性。

(5)計算不同軸向葉片旋流器位置下的結構旋流強度時，應采用不同的定性尺寸。

通過對可調軸向葉片旋流器工作原理分析，能更加直觀地了解旋轉射流的特性。通過結構旋流強度的計算公式推導，為可調軸向葉片旋流器的設計提供理論依據，同時，也讓相關人員更加深入地了解軸向葉片旋流器的應用情況。