中速磨煤机静止喷嘴环和旋转喷嘴环的性能分析与比较

刘连乡

（北京电力设备总厂有限公司，北京 102401）

0 概 述

在我国，中速磨煤机使用的一次风喷嘴环主要有两种型式，一种是静止喷嘴环，一种是旋转喷嘴环。旋转喷嘴环又可分为叶片正装和叶片反装两种型式。以往设计喷嘴环时，一般仅计算喷嘴出口截面尺寸，即用通风量除以给定风速，以确定通风面积，其他计算均省略，故不能细致地反映喷嘴环在运行中的实际状况。磨煤机中的风速变化、压力损失和功率变化，都将影响喷嘴环的运行性能。现从理论上探讨影响喷嘴环性能的各项因素，不仅对喷嘴环的优化设计有积极作用，还可为中速磨煤机喷嘴环的改造提供参考。

1 一次风通过喷嘴环时的风速和压力损失

1.1 一次风通过喷嘴环时的运动状况和理想风速，以及喷嘴环在磨煤机中的位置，如图1所示。静止喷嘴环（见图1右侧）被若干个定位块和锥形压板固定在磨煤机机壳上，用连接法兰将旋转喷嘴环（见图1左侧）固定在磨煤机托盘上，旋转喷嘴环可随磨盘转动。

图1 喷嘴环在磨煤机中的位置

在磨煤机中，由于静止喷嘴环是静止不动的，各喷嘴进风速度方向始终与底面垂直。对于旋转喷嘴环，因为喷嘴环与磨盘同速转动，所以各喷嘴入口一次风速相对于入口平面存在切向速度，进风方向向后转过了一个角度，如图2所示。图2中，（a）为静止喷嘴环的进风方向，（b）为旋转喷嘴环的进风方向。

图2 喷嘴环进风情况展开图

由于一次风室很大，风速较慢，可认为静止喷嘴环平均进风方向β1＝0°。对于旋转喷嘴环，可根据速度合成定理Wa＝Wr＋We，求出一次风相对于旋转喷嘴入口法线所转过的角度βr1，如图3所示。

图3 喷嘴进出风方向的合成

式中：Wa为绝对速度，Wr为相对速度，We为牵连速度。

某型磨煤机的静止喷嘴的尺寸，如图4所示。其中β1＝0，β2＝30°，γ＝15°，b2＝a2。按几何关系有：

图4 喷嘴剖视图

如果进入磨煤机的一次风量是VHL100%，喷嘴数为z，单个喷嘴的进风量就是VHL100%／z，喷嘴入口风速：

对于结构完全相同的旋转喷嘴环来说，入口Wa1＝W1，Wr2＝W2，牵连速度和相对速度分别为：

在出口：

式（5）中：“＋”号用于叶片正装，“－”号用于叶片反装。又因dm1＝dm2＋2Lsinγ，dm2≫2Lsinγ，所以可取dm1≈dm2，We2≈We1。

1.2 一次风通过喷嘴环时的实际风速和压力降

1.2.1 实际风速

上述喷嘴环的出口风速W2和W r2，是根据一次风无任何压力损失的情况下计算而得，而实际一次风在通过喷嘴环时，不仅存在各种摩擦，还存在速度转向，所以，实际风速应参考汽轮机叶栅出口实际流速公式进行计算。

对于静止喷嘴环的实际风速：W′2＝φ0W2

对于旋转喷嘴环的相对风速：W′r2＝φβWr2

式中速度系数：对于汽轮机喷嘴φ0＝0.92～0.98。因汽轮机喷嘴比较光滑，一次风喷嘴的表面较粗糙，所以静止喷嘴环φ0≤0.92，建议取φ0＝0.90。参照汽轮机叶栅进气角变化对损失系数的影响曲线，可近似得到旋转喷嘴环损失系数与进气角的变化关系公式。因进气角为任意值时的损失系数ξβ＝ξ0＋Δξβ，损失系数与速度系数的关系为ξ0＝1－φ20，所以进气角为任意值时速度系数为：

考虑到各项影响因素后，旋转喷嘴环的出口实际风速：

1.2.2 喷嘴环的压力降与出口风压

一次风通过喷嘴环时，既有摩擦又有增速，两者均来自于一次风的压力降。

喷嘴环的总力压降：

计算时，对于旋转喷嘴环用Wr2取代W2。压力损失系数：对于静止喷嘴环取ξ＝ξ0，旋转喷嘴环取ξ＝ξβ。

2 功率得失

流体在弯曲管道内流动时，不仅会对管壁产生静压力，而且还会产生动压力。所以，当一次风流经喷嘴环时，也会对其产生力的作用，并且因为喷嘴环在转动，所以这个力又存在做功的问题。考虑到静动反力中的水平分量才会存在做功的问题，故只求出这个力的大小及其功率。力的水平分量，如图5所示。

图5 安装方向对受力的影响

将质点系动量定理用于某个喷嘴中的一次风时，得：

在水平方向质点系受到的外力 ∑Fx＝－Nx＋px2·A2·cosβr2

动量变化率：

所以：

式中Mf是磨煤机一次风质量流量，按最大质量流量考虑时Mf＝ρ·VHL100%

对于整个喷嘴环 ∑Nx＝z·Px2·A2·cosβr2＋ρ·VHL100%·（W′r2·cosβr2＋We1）

这就是喷嘴环沿圆周给一次风的水平方向的作用力，而一次风给喷嘴环的作用力与其大小相等，方向相反。因为在这个力的方向上喷嘴环存在转动，所以其功率为：

负号表示喷嘴环是消耗磨煤机电动机的功率。如果叶片反装，按图5（右）可以求出：

表1 喷嘴环设计及性能计算结果

这时一次风给喷嘴环的作用力与喷嘴环转向相同，显然是节省磨煤机电动机功率。

此外，因为由静止喷嘴环改为旋转喷嘴环时也增加了进风处的压力损失部分，所以也增加了一次风机的功率。

因此磨煤功率得失值：

为了说明上述研究结果，以MPS190型磨煤机为例进行计算，结果如表1所示。

3 结 语

中速磨煤机由静止喷嘴环改为旋转喷嘴环后出口一次风速度和方向均有所变化，设计时应适当注意。

旋转喷嘴环因摩擦和进风方向引起的压力降比静止喷嘴环稍大，利用焓转换为速度的能力稍弱。

在磨煤机100%负荷下，一次风经过喷嘴环时的总压力降平均为32.89%，其中摩擦阻力造成的压力降平均为6.3%；增速产生的压力降平均为25.8%；将静止喷嘴环改造为旋转喷嘴环产生的压力降可以忽略不计。

叶片正装喷嘴环费电，反装省电。在磨煤机设计中或电厂磨煤机喷嘴环改造中采用叶片反装旋转喷嘴比较合理。