范卫东1，高继慧2，孙绍增2，吴少华2，秦裕琨2，章明川1
1．上海交通大学能源工程系，上海200240；2．哈尔滨工业大学热能工程教研室，黑龙江省哈尔滨市150001
1 引言
水平煤粉浓淡燃烧技术由于具有高效、稳燃、防结渣、低污染和防水冷壁高温腐蚀等优势［1］，得到了广泛应用。实现此技术的一个关键问题是研究开发适合于该技术的结构简单、高效、低阻性能的煤粉浓缩器，百叶窗浓缩器就是一种性能很好的浓缩器，其阻力、气流分配、浓缩效果等性能被大量研究［1］。其结构原理如图1所示。百叶窗浓缩器工作时由于内部煤粉气流具有较高的速度和浓度，不采用防范措施将会引起叶片及壁面的磨损，使整个浓缩器性能变坏。因此，对其磨损问题的研究尤为重要。对百叶窗浓缩器磨损的预测是很困难的，磨损依赖于许多因素，如叶片组结构、布置、叶片几何特性、颗粒特性、叶片材质和流动条件等，由于各种条件的限制通过试验研究是不现实的，并且研究的因素和工况变化也极其有限。因此，本文采用近20年来国外学者较为重视的磨损数值预测方法进行研究。
磨损数值预测是多相流计算理论结合壁面磨损模型实现的。经磨损试验研究［2，3］发现磨损率主要与颗粒和壁面碰撞速度、碰撞角度等因素有关，故对磨损预测的关键是要得到单个颗粒的运动轨迹和运动行为。因此，对湍流气固两相流计算，气相场可采用通常的湍流模型，颗粒运动计算通常采用轨道模型。磨损模型主要有理论模型［4，5］和经验或半经验公式。但对磨损预测采用理论模型较复杂，与材料特性有关的模型常数很难确定，必须经过相应的试验确定。而采用由试验确定的经验关系式就简单得多，因为关系式中仅含一些与颗粒运动特性有关的因子。关于磨损模型的经验或半经验关系式，有影响的主要有2个：Tabakoff等人回归的经验公式［2，6］，得到了广泛应用［7～9］；Hamed回归的半经验关系式［10］，文［11］利用此关系式成功预测了2种粒径颗粒对2排管束的磨损。
2 磨损数值预测模型及模拟方法
磨损数值预测模型采用Hamed［10］提出的半经验关系式
式中 er为被磨掉材料质量与碰撞的颗粒质量之比，mg／mg；V1为碰撞速度；β1为碰撞角度，弧度；et、en为由Tabakoff［2］试验确定的颗粒碰壁恢复系数
et＝1．0－2．12β1＋3．0775β21－1．1β31
en＝1．0－0．4159β1＋0．4994β21－0．292β31（2）
气相湍流流场计算采用k－ε双方程模型，由SIMPLEC求解得到。对颗粒相计算采用随机轨道模型。工况见表1所示。采用煤粉颗粒作为模拟粒子，粒径分布符合R（D）＝e－0．01 D1．1，粒径范围10μm～100μm，按10μm间隔分档，分为10个粒径。
3 百叶窗结构参数对叶片及壁面磨损预测结果及分析
在浓缩器设计中，叶片倾角和叶片遮盖度是2个重要结构参数，因此，这里仅分析它们对浓缩器叶片及壁面磨损的影响。图2表示叶片倾角和遮盖度对各级叶片总磨损率的影响关系，各级叶片的磨损程度显然不同，第1级叶片（沿来流方向分为1、2、3、4级叶片）与第2级叶片磨损程度接近，远小于后两级叶片。第4级叶片磨损最严重，并且各级叶片的磨损差异大小随结构变化而变化，如α＝20°时，第4级叶片的磨损程度是第1级叶片的近6倍多，而α＝35°时，却下降到4倍多。对于图2（b），w＝－0．1时，第4级叶片的磨损程度是第1级叶片的11倍，而w＝0．4时，却下降到不到2倍。从叶片倾角和遮盖度对各级叶片总磨损率来看，呈现出极好的规律性。随着倾角增加，各级叶片磨损量逐渐减小，前两级叶片减小程度不大，在α＝30°左右，磨损量出现最低值。遮盖度增大，各级叶片磨损量呈现近似线性减小的趋势，后两级叶片减小迅速，在w＝0．4时达到最小值。
图3是不同叶片倾角对总分级磨损率和局部磨损率影响关系。磨损部位是指计算时叶片表面所处的网格，顺序与来流方向一致。从图3中各工况的总分级磨损率与颗粒粒径关系可见，中等粒径颗粒对各级叶片的磨损量大，小粒径和大粒径颗粒对叶片磨损量影响很小，这主要受给粉中粒径分布的影响，此影响已大于倾角变化对总分级磨损率的影响。从磨损部位来看，前两级叶片受颗粒磨损较均匀，而后两级叶片不同部位差别很大，严重磨损部位集中在叶片中前部，由于这些角度工况中，叶片存在0．2的遮盖度，故叶片前缘磨损量很小。
图4表示叶片遮盖度对局部磨损率影响关系的工况，遮盖度工况中w＝0．2，实际与倾角变化工况的α＝30°时一样，故图4中未示此工况。总分级磨损率变化与图3有相似的规律，图4也未示出，但遮盖度对局部磨损率分布影响很大。w＝－0．1时，严重磨损部位集中在叶片前缘，这是因为此时有大量颗粒贴着叶片前缘流入淡侧所致。随着w增大，严重磨损部位沿叶片前缘后移，当w＝0．4时，严重磨损部位为叶片的中部了。这一变化规律与叶片上气流分离点位置变化有关，气流分离点以前是流入淡侧的气流，其颗粒浓度很低，此叶片部位磨损程度轻微，而气流分离点以后的富粉气流对分离点后的叶片部位磨损程度严重［1］。气流分离点位置受遮盖度影响最大，因此，遮盖度对严重磨损部位就有较大影响。
颗粒对浓缩器壁面的磨损主要集中在浓侧壁面喉口处，但磨损量远小于叶片。图5显示出叶片倾角和遮盖度对浓侧壁面的磨损变化关系。
4 气流速度、给粉浓度对百叶窗浓缩器叶片的磨损预测结果及分析
图6（a）、（b）表示气流速度、给粉浓度对各级叶片总磨损率影响的变化关系。随气流速度增加，各级叶片的磨损量急剧增加。大量试验研究表明磨损量与气流速度存在E∝Vn0的关系，通常n＞3［12］，即气流速度增大，磨损量会急剧增加。图7表示各级叶片总磨损率和气流速度的自然对数关系，图线呈线性关系，由此可得到n值。各级叶片的n值不一样，后级更小，气流速度增加对前级叶片磨损量增加程度更大。可见，防磨一个重要措施是要控制气流速度。从图6（b）中可见给粉浓度增大，各级叶片的磨损量都会急剧增大，呈现明显的线性关系。
5 结论
（1）在任意工况下各级叶片的磨损程度不同，后级叶片磨损更严重，并且各级叶片磨损程度的差异大小还受结构因素的影响（如叶片倾角和遮盖度）。
（2）百叶窗叶片倾角、遮盖度等结构参数以及总的结构布置对各级叶片磨损有较大影响，如倾角增加，各级叶片磨损量逐渐减小，在α＝30°左右，磨损量出现最低值；遮盖度增大，各级叶片磨损量呈现近似线性减小的趋势，后两级叶片减小迅速，在w＝0．4时达到最小值。
（3）各级叶片的总分级磨损率符合给粉的粒径分布规律。从磨损部位来看，前两级叶片受颗粒磨损较均匀，而后两级叶片不同部位差别很大，严重磨损部位集中在叶片中前部，遮盖度对严重磨损部位有较大影响。
（4）随气流速度增加，各级叶片的磨损量急剧增加，磨损量与气流速度符合E∝Vn0（n＞3）的关系，且各级叶片的n值不一样。给粉浓度增大，各级叶片的磨损量会急剧增大，呈现明显的线性关系。
（5）基于上述原则，目前设计的百叶窗浓缩器在结构和材质上作了较多考虑。比如，在结构上，重点防护后级叶片和浓侧出口喉口壁面的磨损；材质上采用了特殊材质。采用这些措施后现已基本解决了浓缩器长期工作存在的磨损问题。
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