利用一维热膜探针对旋流燃烧器出口冷态旋流流场的测量

1　引言

　　旋流煤粉燃烧器在出口附近形成稳定的中心回流区，卷吸下游的高温烟气，将一次风风粉混合物迅速加热着火，调节二次风旋转强度的大小可有效地控制中心回流区的范围、一次风与回流的热烟气及二次风之间的混合，保证煤粉颗粒具有高的燃尽率。结合高浓度煤粉燃烧技术［1］和旋流燃烧器［2］的特点，哈尔滨工业大学热能工程教研室提出并开发了一种新型旋流煤粉燃烧器一径向浓淡旋流煤粉燃烧器(中国专利：ZL93 2 44359.1)。新型旋流煤粉燃烧器是利用一次风风管中的环形百叶窗式煤粉浓缩器，将一次风出口气流中的煤粉浓度分布沿径向进行浓淡分离，由层为易于着火的浓煤粉气流，外层为煤粉浓度相对较低的淡煤粉气流，二次风分成内层旋流和外层直流的两股气流，利用旋流和直流二次风的不同比例来改变整个旋转射流的旋流强度。浓煤粉气流在中心回流区附近形成较高的煤粉浓度首先着火，随后引燃外层的淡煤粉气流，最后外层二次风适时地混入，保证煤粉颗粒燃尽，同时降低污染物NOx的生成量。在一台670 t/h燃用贫煤锅炉上的热态工业性试验表明，新型旋流燃烧器具有优良的低负荷稳燃能力，在燃用挥发份较低的贫煤(Vr=16.9%)时，可保证锅炉在55%额定负荷下稳定运行，并达到97%以上的燃烧效率［3］。

　　为了对径向浓淡旋流煤粉燃烧器燃烧机理进行深入研究，建立了单相冷态燃烧器试验台进行冷态试验研究［4］。单相旋转射流流场的测量多采用球形五孔探针，取得了较好的效果［5］，但五孔探针在测量具有大范围回流、回流速度较小的非受限射流时，往往传感器压力平衡时间长，引起测量精度下降。另外为了对新型旋流燃烧器单相冷态出口流场的湍流特性有深入认识，必须选用能对流体瞬时流速变化响应的测量工具，采用了现代电子测量技术的热膜风速仪系统［6，7］能够满足湍流测量的要求，可对有回流且速度分布不均匀性大的湍流流场进行精确测量。

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1-直流二次风通道，2-旋流二次风通道，3-旋流叶片，4-淡一次风通道，5-浓一次风通道，6-中心管，x-轴向坐标，r-径向坐标，ε-切向坐标，u-轴向速度，v-径向速度，w-切向速度

图1　燃烧器喷口结构简图

 

2　试验设备及测量方法

　　冷态试验中燃烧器模型按1∶3比例制成，根据喷口结构优化结果［8］确定了不同风道扩口角度和外伸长度，二次风旋流叶片倾角为65°，喷口结构如图。出口气流为喷入大空间内的多股同轴环形等温组合射流，测量截面选在燃烧器轴线方向x/d=0.0、0.25、0.5、1.0、1.5、2.0各个截面上(d-燃烧器喷口直径)，热膜探针固定在精密坐标架上，在测量截面上对半径方向各点的气流速度及湍流量进行测量，利用小飘带标示中心回流区范围和射流扩展角，试验的操作参数按燃烧器出口气流流动进入自模化区内选取，如表1。测速仪器采用了美国TSI公司生产IFA300型恒温式热膜风速仪系统，它包括：一至十六通道热膜风速仪主机，A/D转换机，配有数据采集和分析软件的计算机，1210-20型一维热膜探头，热电偶测温探头及相关连接电缆。一维热膜探针的标定精度为±2%。

表1　燃烧器模型冷态试验参数一次风率

(%)二次风率

(%)直流二次风

风率a(%)一次风出口

风速(m/s)二次风出口轴向

风速(m/s)出口雷诺数

Re旋流强度b

S19.580.515.08.512.01.6×1052.22　　　　a-直流二次风占总二