旋流燃烧器射流特性及炉内空气动力场

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旋流喷燃器的气流喷入炉膛时，可以近似地看成旋转自由射流。由于气流进入炉膛后立即扩展成空心锥形，因此，气流的流动工况就可以由相互垂直的轴向速度和切向速度来描述。
旋转自由射流轴向速度的分布情况与不旋转自由射流的情况是不同的，其轴心附近的速度反而小，而且常是负值。图1表示了轴向速度分布情况，速度为负值的区域是回流区。
旋转自由射流切向速度的分布情况如图2所示。由图可知，轴心附近的切向速度很小，沿着半径方向，切向速度渐增，到一定值后又逐渐减小，至边界时为零。
 从图1和图2中可看出，气流的轴向速度和切向速度衰减很快，这是因为旋转气流卷吸周围气体越来越多，而气流的动量是一定的，所以速度必然越来越小；其中切向速度的衰减要比轴向速度的衰减为快。
旋流喷燃器的气流工况可以用旋流强度来表示。旋流强度的大小由切向动量矩与轴向动量之比(M／K)以及喷口直径d来决定，其数学定义为：
旋流强度Q＝8M/K∏d
旋流强度Q是一个无因次数。旋流强度的大小决定于切向运动相对于轴向运动的强度。旋流强度大，则气流扩展角大、射程短、回流区大。
旋流喷燃器的射流特性如图3所示，有以下特点：
1)二次风是旋转气流，一出喷口就扩展开。一次风可以是旋转气流，也可用扩锥扩展。因此整个气流形成空心锥形的旋转射流。
2)旋转射流有强烈的卷吸作用，将中心及外缘的气体带走造成负压区，在中心部分就会因高温烟气回流而形成回流区。回流区大，对煤粉著火有利。
3)旋转气流空心锥的外边界所形成的夹角叫扩散角。随着气流旋流强度的增加，扩散角也增大，同时回流区也加大。相反，随着气流旋流强度的减弱，回流区减小。
4)当气流旋流强度增加到一定程度，扩散角也增加到某一程度时，射流会突然贴在炉墙上，扩散角成为180。，这种现象叫飞边。
飞边现象产生的原因可用图4来解释；当扩散角不是很大的时候，射流的中心和外缘都有足够的烟气回流，因而气流两边的压差很小。而当扩散角逐渐增大时，射流边缘与炉墙之间的空间就逐渐缩小，补气越来越困难，负压将逐渐增大，但中心区的补气条件此仍然很好，因而压差增加。扩散角增加到一定程度后，压差达到相当大的数值，就会把气流压向炉墙，形成飞边现象。
当飞边现象产生后，容易形成喷口或炉墙的结渣，也容易烧坏喷燃器，所以旋流燃烧器一般不宜采用过强的旋转气流。
为了防止飞边，对轴向叶轮式旋流喷燃器，可采取以下措施：叶片的安装角度应合适，不应过大或过小，否则易产生飞边或气流旋流强度不足；二次风出口的扩口角度也应合适，扩口斜边与喷燃器轴向间的角度β2越大，则旋流扩散角越大，试验证明β2＝45度时很容易飞边，一般认为β2＜30度较好，二次风速要适当，二次风速过高会形成飞边，过低又影响混合、着火和燃烧叶轮位置应合适，如叶轮全关时(即推向最前端时)，容易形成飞边，一次风舌形挡板位置应合适，挡板偏转过多，一次风旋转加大，容易形成飞边。
2．采用旋流喷燃器时的炉内空气动力场
图5表示在各种不同情况下，采用旋流喷燃器时的炉内空气动力场。
与直流喷燃器切圆燃烧方式不同，采用旋流喷燃器时虽然喷燃器出口气流旋转，但很快衰减，因而炉膛内气流是直接上升的。由于布置方式不同，在炉膛内会形成大小不一的死滞旋涡区。死滞旋涡区越大，炉膛火焰充满程度越差。
从图5可以看出，喷燃器前后墙布置(c图)及装有折焰角(d图)时，都可以减小死滞旋涡区，炉膛火焰充满程度较好，对提高燃烧完全程度有利。