旋流燃烧器轴向旋流叶片的优化设计

轴向旋流叶片的设计计算方法对整个燃烧
表 1 轴向旋流叶片的数目选择
器的设计有重要影响, 直接涉及燃烧器的性能, 因此, 有必要对旋流器叶片的设计计算进行优 化。
文献[1 ]对轴向旋流器叶片的设计计算有 完整的叙述, 摘录如下。轴向旋流叶片的作图法 及展开如图 2 所示。 211 原计算步骤:
叶轮内、外径之比 d 1 d 2 0. 33 0. 5 0. 6 0. 67
采用的轴向旋流器的基本设计参数, 见表 2。
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第 5 期 马春元等: 旋流燃烧器轴向旋流叶片的优化设计
∃y ′i=
d2 2
-
d2 2
2
-
( r-
rco sΒi) 2
(12a)
线展开计算 S ″= sinΒI ′3+ r (1- co sΒ)
(20)
∃y ′i=
d1 2
-
d1 2
2
-
( r-
rco sΒi) 2
(13a)
叶片弯曲部分的展开长度为: I 2 = 2Π( r+
∆ 2) ·Β 360, 把 I 2 看作 Β 的函数, 则 I 2 与 Β
叶片数目 z
12 18 24 30
( 2 ) 叶片内侧轴向宽度: H ′= ( 0. 2～
0. 4) d 2 (3) 叶片遮盖度: 1< k < (1. 25～ 1. 5) (4) 当 k = 1 时圆心角: Χ0= 360°z (5) 叶片倾斜角: Β= (50～ 60) °
收稿日期: 1996205210
(2)
(10) 叶片弯曲半径:
r= (h ′- S ′ tgΒ) tg (Β 2)
(3)
(11) 出口端叶片直线段长度:
I 3= (h ′- rsinΒ) co sΒ
(4)
(12) 叶片弯曲部分展开长度:
I 2= 2Π( r+ ∆ 2) ·Β 360
(5)
(17) S ″及 H ″的确定:
S ″= d 1 2·sin (kΧ0) - ∆ 2
h′ r 的合适取值, 有待于试验验证。对于螺 旋扭曲叶片, 文献 [ 1 ] 给出 h′ r 的取值为 36: 21。 该值与本文给出的 1. 5～ 1. 9 相近。
文献[ 1 ]中给出的叶片高度 H ′= (0. 2～ 0. 4) d 2, 范围太大。在此范围内选取叶片高度很可
60 139. 1 181. 4 79. 6 114. 7 1. 66
以下问题:
(7)
( 1) 计算步骤 (1)、(2) 和 (3) 中, 3 个参数
( 叶片数目 z , 叶片轴向高度 H ′和叶片遮盖度
h ″j=
d1 2
-
d1 2
2
-
S ″+
∆ 2
2
k ) 的选取是孤立的, 且按给定的选取范围所设 (8) 计计算出的叶型可能不合理。 这 3 个参数对叶
(16) 叶片总的展开高度:
(10)
H ″= 11+ rsinΒ+ (S ″- ( r
- rco sΒ) ) ctgΒ+ ∆sinΒ
(11)
(18) 叶片弯曲部分在叶轮内外边缘上的
总位移量:
∃y ′=
d2 2
-
d2 2
2
-
( r-
rco sΒ) 2
(12)
∃y ″=
d1 2
-
d1 2
2
-
( r-
rco sΒ) 2
(24)
当 Βi= 0, I 2i= 0; 当 Βi= Β, I 2i= I 2。 将 I 2 均分成 n 等份, 则
I 2i= i·I 2 n 相应地
(15)
h ″ji=
d1 2
-
d1 2
2
-
S ″i+
∆ 2
2
(8a)
由
I 3、I ′3、S
′ji、S
′ji、h
和 ′
ji
h ″ji,
即可计算出叶片
形有显著影响, 从而对气流的旋转特性有显著
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38 电 站 系 统 工 程 1996 年第 12 卷
叶片弯曲部分的曲线展开坐标的计算公式 与叶片弯曲部分在内外叶轮边缘上的总位移的
4 叶形的优化计算分析
计算公式形式上相同, 这是该展开方法的特色。 为了探讨各参数对叶形的影响, 参数选用
312 叶片出口直线段的展开
一致, 均选用了黄岛电厂 670t h 锅炉燃烧器所
由式 (3) 及 (4) 可以推出
37
图 2 轴向旋流叶片作图法
(7) 进口端叶片的直线段长度: I = 15～
H j= 1
2· (d 2-
d1) +
h
″ j
(9)
20mm
(8) 叶片弯曲部分在轴线上的投影:
h ′= H ′- I - ∆sinΒ
(1)
(9) 叶片在垂直轴线平面上的投影:
S ′= d 2 2·sin (k Χ0) - ∆ 2
39
表 2 叶形设计参数
参数 d 1 mm d 2 mm I 1 mm z Β° ∆ k 选用值 540 914 75 16 60 2 1. 25
按上述给定的计算步骤, 编制了基本计算 程序, 以下各组计算结果均为该程序及改进程 序计算所得。 411 叶形与叶片高度
叶片高度显著影响叶形。 叶形各参数随叶 片高度变化的计算结果见表 3, 叶形变化见图
300
250 141. 3 41. 3 176. 3 1. 28
330
280 111. 3 11. 3 228. 3 1. 12
341
291
100
0. 3 247. 3 1. 08
图 3 叶形随叶高的变化示意图
在其它叶形参数保持不变的情况下, 叶片 段长度及叶片弯曲半径的变化范围不显著, 即
高度对叶形有显著的影响。叶片过高时, 使叶片 与合适的参数范围偏离不大。
3。
表 3 叶形参数随叶片高度变化的计算结果
H ′mm H ″mm I 3 mm I ′3 mm r mm
h′r
200
150
241
141
3. 0 41. 7
230
180 211. 4 111. 3 55
2. 82
250
200 191. 3 91. 3 89. 6 1. 95
280
230 161. 3 61. 3 141. 6 1. 45
3 叶片在叶轮内外边缘上的曲线展开
S ′= sinΒI 3+ r (1- cቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ sΒ)
(17)
由此看出,
S
′和
I3
是线性关系。 若将
I 3、S
′及
h
′ j
作为变量, 分别记为: I 3i、S ′i 及 h ′ji, 则有
S ′i= sinΒI 3i+ r (1- co sΒ)
(17a)
当 I 3i = 0 时, S ′i = r ( 1 - co sΒ) ; 当 I 3i = I 3
相对应, 变量 I 3i= ( i n) I 3 而 S ′i = i·∃S n+ r (1- co sΒ)
= ( i n)S ′+ (1- i n) r (1- co sΒ) (19) 与变量 S ′i 相对应的位移量
h ′ji=
d2 2
-
d2 2
2
-
S ′i+
∆ 2
2
(7a)
由此类推出叶片出口直线段在叶轮内边缘的曲
时, S ′i 取得最大值: S ′= d 2 2· sin (kΧ0 ) - ∆ 2,
若将 I 3 分成 n 等份即 I 2 n, 相应地也将 S ′- r
(1- co sΒ) 分成 n 等份即
(S ′- r (1- co sΒ) ) n, 记为
∃S n= (S ′- r (1- co sΒ) ) n
出口直线段在叶轮内外边缘上的曲线展开坐
Βi= i·Β n
(16) 标。 一般情况下, n 取 3～ 4
叶片弯曲部分的曲线展 开 坐 标 可 由 I 2i、 △y ′i 和△y ″i 计算得出。 一般情况下, n 取 2～ 3 即可。
该展开坐标的计算公式同叶片在内外叶轮 边缘上的总展开高度的计算公式, 这是本展开 计算方法的优越性。
第 12 卷第 5 期 电 站 系 统 工 程 V o l. 12 N o. 5 1996 年 10 月 POW ER SYST EM EN G IN EER IN G O ct. 1996
旋流燃烧器轴向旋流叶片的优化设计
山 东 工 业 大 学 马春元 徐夕仁 哈尔滨工业大学 吴少华 李争起 秦裕琨
～ 1. 9 较为合适。 在此范围内叶片有较合适的
表 4 叶形随叶片倾角的变化计算结果
Β° h″mm I 3 mm I ′3 mm r mm
h′r
55 128. 3 226 11. 3 76. 6 2. 48
出口直线段长度和叶片弯曲半径。
58 134. 9 196. 8 92. 9 101 1. 88
S ″i= sinΒI ′3+ r (1- co sΒ)
(21)
∃S n′= (S ″- r (1- co sΒ) ) n
(22)
I ′3i=
(i
n
)
I
′ 3
(23)
为线性关系, 记为
S ″j = i·∃S n′+ r (1- co sΒ)
I 2i= 2Π( r+ ∆ 2) ·Βi 360
(14)
= ( i n) S ″+ (1- i n) r (1- co sΒ)
摘 要 分析了旋流煤粉燃烧器轴向弯曲叶片型旋流器的设计计算, 修改了部分叶形计算, 优化了设计参数的选取, 提出了叶形主要参数的适配性, 整理出了合理简化的计算步骤。 关键词: 燃烧器 旋流叶片 优化设计
1 关于轴向旋流叶片
轴向叶片旋流器的工作原理如图 1 所示。 轴向旋流器是在环形通道中的轴线方向均匀设 置了迫使气流产生切向运动的弯曲叶片, 当气 流经过时, 产生一定旋转强度的旋转运动, 旋转
出口直线段缩短, 可能致使气流出口偏斜角小
分析其计算结果可得出如下结论, 不同的
于叶片的偏斜角, 实际旋流强度小于设计值; 叶 叶片倾角, 应采用不同的叶片高度, 以获得合适
片过于短小, 叶片弯曲半径显著缩小, 气流偏转 的叶形。
过急, 造成阻力增大。 若以 h′ r 作为参考值, 其取值范围在 1. 5
62 143. 1 166. 9 67 126. 5 1. 50
64
147 153. 2 55 136. 7 1. 39
66 150. 8 140. 2 43. 7 145. 6 1. 31
应当指出, 叶片倾角只根据旋流强度的大 小来选取。
影响。 (2) 计算步骤 (5) 给出的叶片倾角的选取
范围过小, 特别当一次风为直流时, 叶片倾角 Β = 50～° 60°, 实践证明难以满足劣质煤的稳燃要 求。 本文的研究结论为 Β= 58～° 65°。
(3) 叶片的弯曲部分在叶轮边缘的展开 线不是直线, 上述计算方法没有给出该展开曲 线; 叶片的出口直线部分在叶轮边缘的展开曲 线的计算方法太复杂, 概念不明确。
(6) 叶片厚度: ∆= 2～ 3mm
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第 5 期 马春元等: 旋流燃烧器轴向旋流叶片的优化设计
(18)
311 弯曲部分在叶轮边缘上的曲线展开 弯曲部分在叶轮边缘上的展开曲线总位移
见式 (5) , 分析该式可得出, 位移是因叶片倾斜 造成的, 当 Β= 0°时, 位移量为 0, 且位移量随倾 角的增大而单调增大。因此, 可以把位移量看作 Β 的函数, 其中倾斜角为自变量, 记为 Βi。 倾斜 角 Β 为 Βi 时的位移量为
的气流喷出形成合适的射流结构。 轴向叶片旋流器的优点是结构较简单、阻
力最低、出口速度均匀及较好的调节性, 其缺点 是叶片的制造工艺复杂和误差要求高。
合理的设计计算叶片是燃烧器设计的关 键。
图 1 轴向叶片型燃烧器原理图
2 轴向旋流叶片的设计计算方法分析
(1) 按叶轮内、外径之比选取叶片数, 见 表 1。
(13)
(19) 叶片的弯曲部分和直线部分在叶轮
(13) 叶片总展开长度:
内外边缘上的展开曲线: (略)。
I= I1+ I2+ I3
(6) 212 存在的问题
(14) 叶片外缘锥体展开高度:
以上列出的计算步骤是正确的, 但是存在
h ′j=
d2 2
-
d2 2
2
-
S ′+
∆ 2
2
(15) 叶片内边缘锥体展开高度: