XJM-S型浮選機(jī)葉輪錐角對(duì)攪拌功率影響的試驗(yàn)研究

史英祥

(1．中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2．河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063012)

XJM-S型浮選機(jī)葉輪錐角對(duì)攪拌功率影響的試驗(yàn)研究

史英祥1，2

(1．中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2．河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063012)

為研究XJM-S型浮選機(jī)葉輪錐角對(duì)攪拌功率的影響，利用相似放大準(zhǔn)則，并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，研制出XJM-S 0.5型小浮選樣機(jī)及五組不同錐角的葉輪，通過(guò)構(gòu)建功率測(cè)試平臺(tái)，對(duì)各組葉輪在不同浸沒(méi)深度與轉(zhuǎn)速條件下進(jìn)行了功率測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明：在90°～130°范圍內(nèi)，錐角為130°的葉輪攪拌功率最高，90°錐角葉輪次之，100°、110°、120°錐角葉輪攪拌功率相近且最低；葉輪錐角變大，攪拌功率隨浸沒(méi)深度增加有升高趨勢(shì)，且轉(zhuǎn)速越高趨勢(shì)越明顯；攪拌功率的實(shí)測(cè)值與通過(guò)相似準(zhǔn)則計(jì)算的理論值相比，在低轉(zhuǎn)速區(qū)實(shí)測(cè)值比理論值高，在高轉(zhuǎn)速區(qū)實(shí)測(cè)值比理論值低；功率因數(shù)隨葉輪轉(zhuǎn)速的升高在1～2之間逐漸降低。

浮選機(jī)；攪拌功率；葉輪錐角；葉輪浸沒(méi)深度；葉輪轉(zhuǎn)速

XJM-S型浮選機(jī)是目前國(guó)內(nèi)選煤廠使用最為廣泛的煤泥分選設(shè)備[1，2]。近年來(lái)，在選煤廠應(yīng)用的大型XJM-S型浮選機(jī)有20、24、28、36、45、60、90 m3等七種規(guī)格，均是利用相似放大準(zhǔn)則、結(jié)合經(jīng)驗(yàn)參數(shù)及流場(chǎng)模擬逐步大型化研發(fā)的科技成果[3-5]。在XJM-S型浮選機(jī)的大型化設(shè)計(jì)和產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中，葉輪的設(shè)計(jì)是以葉輪周邊線速度恒定、葉輪和定子基本遵從幾何相似為基礎(chǔ)進(jìn)行的相似放大[6-8]。但是，對(duì)于改變?nèi)~輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)動(dòng)力參數(shù)的影響并沒(méi)有過(guò)多的探究。為了指導(dǎo)浮選機(jī)葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)與大型浮選機(jī)的研發(fā)，完善以相似放大準(zhǔn)則和經(jīng)驗(yàn)公式為依據(jù)的設(shè)計(jì)方法，以葉輪的錐角為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)制作了試驗(yàn)樣機(jī)和五組不同錐角的葉輪，對(duì)葉輪在不同浸沒(méi)深度與轉(zhuǎn)速條件下的攪拌功率變化進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)樣機(jī)及葉輪設(shè)計(jì)

試驗(yàn)樣機(jī)設(shè)計(jì)為槽體容積為0.5 m3的XJM-S 0.5型小浮選樣機(jī)，其關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)以相似放大準(zhǔn)則為理論依據(jù)：

式中：D為葉輪直徑，m；De為槽體當(dāng)量圓面積直徑，m；H1為槽體有效深度，m；V為槽體有效容積，m3；U為葉輪邊緣線速度，m/s；NQa為氣流數(shù)，無(wú)因次；Qa為充氣量，m3/s；N為葉輪轉(zhuǎn)速，r/s；Np為功率數(shù)，無(wú)因次；P為攪拌功率，kW；ρ為水的密度，為1 000 kg/m3；各常數(shù)為試驗(yàn)與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

將V=0.50 m3代入公式，解方程組，可得D=0.206 m,De=0.869 m，H1=0.847 m,P=1.54 kW，Qa=0.009 016 m3/s，N=13.752 r/s。浮選機(jī)槽體水平斷面設(shè)計(jì)為正方形結(jié)構(gòu)，槽體邊長(zhǎng)B=0.770 m。XJM-S 0.5型浮選機(jī)依此結(jié)構(gòu)和動(dòng)力參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)制造。

浮選機(jī)葉輪錐角由三個(gè)不同參數(shù)構(gòu)成，分別是上葉輪頂部錐角(又稱上錐角)，上下葉輪之間連接板(簡(jiǎn)稱葉輪間板)的錐角(又稱中錐角)與下葉輪底板錐角(又稱下錐角)，如圖1所示。

現(xiàn)有XJM-S型浮選機(jī)的葉輪上、中、下三個(gè)錐角參數(shù)分別為120°、130°及158°，定子錐角與葉輪上錐角相同。為考查葉輪和定子錐角對(duì)攪拌功率的影響，以XJM-S 0.5型浮選機(jī)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)出5組不同錐角的直徑為0.206 m的葉輪及配套定子，葉輪錐角參數(shù)如表1所示。

圖1 浮選機(jī)葉輪結(jié)構(gòu)示意圖

葉輪上錐角/(°)中錐角/(°)下錐角/(°)1(基準(zhǔn)葉輪)120130158211012014831001101384901001285130140168

1.2 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

功耗測(cè)試系統(tǒng)由XJM-S 0.5型浮選機(jī)、變頻器、電能測(cè)試儀、轉(zhuǎn)速測(cè)試儀等構(gòu)成，可以測(cè)試功率在5.5 kW、轉(zhuǎn)速在1 450 r/min以下葉輪的攪拌功率。測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示。

1—交流電源；2—鉗形傳感器；3—電壓測(cè)試線；4—電能測(cè)試儀；5—變頻器；6—攪拌電機(jī)；7—轉(zhuǎn)速測(cè)試儀；8—浮選槽；9—攪拌機(jī)構(gòu)；10—葉輪定子組件

電能測(cè)試儀采用MODEL6300型數(shù)字電力計(jì)，該儀器利用10 A量程的鉗形傳感器與電壓測(cè)試線，采用三相三線式接線方法，可測(cè)試攪拌電機(jī)的瞬時(shí)電流、電壓、功率以及一定時(shí)間段內(nèi)電能，從而得出這段時(shí)間內(nèi)的平均功率；通過(guò)轉(zhuǎn)速測(cè)試儀測(cè)試變頻器在某一頻率下攪拌機(jī)構(gòu)軸的轉(zhuǎn)速，從而測(cè)得葉輪的轉(zhuǎn)速。功耗測(cè)試試驗(yàn)以8.9 m/s為基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速，一共為XJM-S 0.5型浮選機(jī)設(shè)計(jì)了10種轉(zhuǎn)速(表2)，以723 mm為基準(zhǔn)浸沒(méi)深度設(shè)置了7種葉輪浸沒(méi)深度(表3)。

表2 功耗測(cè)試試驗(yàn)的葉輪轉(zhuǎn)速Table 2 Rotating speed of impeller in power consumptiontesting experiment

表3 功耗測(cè)試試驗(yàn)的葉輪浸沒(méi)深度

測(cè)試方法如下：

(1)把上錐角為130°的葉輪安裝在攪拌機(jī)構(gòu)上，向浮選槽內(nèi)加水至液位高度為950 mm，利用變頻器調(diào)整攪拌電機(jī)至設(shè)定轉(zhuǎn)速649 r/min，利用電能測(cè)試儀測(cè)試攪拌電機(jī)5 min內(nèi)的平均功率，依次調(diào)整余下9種轉(zhuǎn)速，測(cè)得該浸沒(méi)深度下10種轉(zhuǎn)速的攪拌功率。

(2)依次調(diào)整浮選槽內(nèi)其他6種液位，測(cè)得該錐角葉輪的70個(gè)攪拌功率。

(3)依次更換葉輪，重復(fù)試驗(yàn)，測(cè)得余下4組葉輪的各自70個(gè)攪拌功率。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同錐角葉輪浸沒(méi)深度與功率的關(guān)系

根據(jù)五組葉輪在不同浸沒(méi)深度、不同轉(zhuǎn)速下的攪拌功率，可以得出各錐角的葉輪(以上錐角為代表)在不同轉(zhuǎn)速與浸沒(méi)深度時(shí)攪拌功率的變化曲線，如圖3—7所示。

由圖3—7可知，錐角為130°、120°、110°、100°的四種葉輪在轉(zhuǎn)速相同時(shí)，攪拌功率隨浸沒(méi)深度增加有升高趨勢(shì)，且轉(zhuǎn)速越高攪拌功率升高越明顯；在浸沒(méi)深度相同時(shí)，攪拌功率隨轉(zhuǎn)速升高而明顯升高，轉(zhuǎn)速對(duì)攪拌功率的影響比浸沒(méi)深度的影響大。由圖7可知，錐角為90°的葉輪，在線速度為7.0 m/s、7.5 m/s時(shí)，攪拌功率隨浸沒(méi)深度增加先升高后降低，在線速度在8.0 m/s以上時(shí)，攪拌功率呈波動(dòng)變化，轉(zhuǎn)速越高，攪拌功率隨浸沒(méi)深度波動(dòng)越大，且有先下降后升高的趨勢(shì)。

圖3 θ=130°葉輪在不同轉(zhuǎn)速下條件下的浸沒(méi)深度-功率曲線

圖4 θ=120°葉輪在不同轉(zhuǎn)速條件下的浸沒(méi)深度-功率曲線

圖5 θ=110°葉輪在不同轉(zhuǎn)速條件下的浸沒(méi)深度-功率曲線

圖6 θ=100°葉輪在不同轉(zhuǎn)速條件下的浸沒(méi)深度-功率曲線

圖7 θ=90°葉輪在不同轉(zhuǎn)速條件下的浸沒(méi)深度-功率曲線

由此可以看出，對(duì)于錐角在100°～130°范圍內(nèi)的傘形葉輪，錐角越大的葉輪，浸沒(méi)深度對(duì)攪拌功率影響越大，且隨浸沒(méi)深度增加有升高趨勢(shì)，轉(zhuǎn)速越高，趨勢(shì)越明顯；對(duì)于θ=90°葉輪，攪拌功率隨浸沒(méi)深度波動(dòng)，轉(zhuǎn)速越高，波動(dòng)越大；轉(zhuǎn)速對(duì)攪拌功率的影響比浸沒(méi)深度對(duì)攪拌功率的影響大。

2.2 不同錐角葉輪轉(zhuǎn)速與功率的關(guān)系

由五組葉輪在基準(zhǔn)浸沒(méi)深度(723 mm)時(shí)的攪拌功率可得到不同錐角的葉輪在各個(gè)轉(zhuǎn)速條件下的變化曲線，設(shè)相似放大準(zhǔn)則中功率數(shù)Np為恒定值1.6,可得各個(gè)轉(zhuǎn)速與理論功率的N-P曲線，如圖8所示。

圖8 不同錐角葉輪的轉(zhuǎn)速-功率的變化曲線

由圖8可以看出，不同錐角的葉輪在浸沒(méi)深度為723 mm時(shí)，攪拌功率隨轉(zhuǎn)速增加而升高，θ=130°葉輪的N-P曲線在其他四個(gè)錐角葉輪的N-P曲線的上方，θ=90°的葉輪N-P曲線在θ=120°、110°、100°葉輪的N-P曲線上方，而這三個(gè)錐角葉輪的N-P曲線相近；放大準(zhǔn)則公式的理論N-P曲線與各葉輪實(shí)際曲線在低轉(zhuǎn)速區(qū)(N<750 r/min)交叉。

由此可以得出，在轉(zhuǎn)速相同時(shí)，錐角在90°～130°范圍內(nèi)的傘形葉輪，錐角為130°的葉輪攪拌功率最高，其次為90°，100°、110°、120°錐角葉輪攪拌功率相近且最低；不同錐角葉輪的攪拌功率隨轉(zhuǎn)速變化而升高的趨勢(shì)一致；放大準(zhǔn)則公式中的理論值與實(shí)際測(cè)量值有偏差，兩者相比較，在N>750 r/min的轉(zhuǎn)速區(qū)，實(shí)際測(cè)量值比理論值低。在利用相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)XJM-S型浮選機(jī)攪拌功率時(shí)，應(yīng)據(jù)葉輪圓周速度合理選擇功率因數(shù)。

2.3 不同錐角葉輪轉(zhuǎn)速與功率因數(shù)的關(guān)系

根據(jù)相似放大準(zhǔn)則公式，功率因數(shù)為經(jīng)驗(yàn)值1.6，是葉輪周邊線速度為8.9 m/s時(shí)不同直徑葉輪功率數(shù)值計(jì)算的依據(jù)，是浮選機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)選擇電機(jī)型號(hào)的基礎(chǔ)。一定直徑的葉輪，由功率、轉(zhuǎn)速根據(jù)公式(1)可以反算出它的功率因數(shù)，由試驗(yàn)實(shí)耗功率與轉(zhuǎn)速測(cè)量可得出五組葉輪在不同轉(zhuǎn)速下的功率因數(shù)，進(jìn)而得出葉輪線速度與功率因數(shù)的關(guān)系曲線。圖9所示為七組葉輪的U-NP曲線。

圖9 葉輪的U-NP曲線

由圖9可以看出，各組葉輪線速度與功率因數(shù)的變化趨勢(shì)是一致的，功率因數(shù)隨著轉(zhuǎn)速升高而在1～2之間逐漸降低；而對(duì)于D=206 mm的五組葉輪定子，在相同轉(zhuǎn)速下，θ=130°葉輪功率因數(shù)最高，θ=90°葉輪次之，θ=120°、110°、100°的三組葉輪相近且最低。

3 結(jié)論

(1)對(duì)于錐角在100°～130°范圍內(nèi)的傘形葉輪，錐角越大，浸沒(méi)深度對(duì)攪拌功率影響越大，且隨浸沒(méi)加深有升高趨勢(shì)，轉(zhuǎn)速越高，趨勢(shì)越明顯。

(2)轉(zhuǎn)速對(duì)攪拌功率的影響比浸沒(méi)深度對(duì)攪拌功率的影響大。

(3)對(duì)于錐角在90°～130°范圍內(nèi)的傘形葉輪，130°的攪拌功率最高，其次為90°，100°、110°、120°錐角葉輪攪拌功率相近且最低。

(4)在N>750 r/min的轉(zhuǎn)速區(qū)內(nèi)，由相似放大準(zhǔn)則計(jì)算的功率理論值比實(shí)際測(cè)量值高。

(5)隨著葉輪轉(zhuǎn)速升高，功率因數(shù)在1～2之間逐漸降低，對(duì)于D=206 mm的五組葉輪，在相同轉(zhuǎn)速條件下，θ=130°葉輪功率因數(shù)最高，θ=90°葉輪次之，θ=120°、110°、100°的三組葉輪功率因數(shù)相近且最低。

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Experimental research on effect of taper angle of XJM-S flotation machine impeller on agitation power

SHI Ying-xiang1，2

(1. China Coal Technology & Engineering Group Tangshan Research Institute Co., Ltd., Tangshan, Hebei 063012, China; 2.Coal Preparation Engineering & Technology Research Center of Hebei Province, Tangshan, Hebei 063012, China)

To understand the effect of taper angle of XJM-S flotation machine impeller on agitation power, based on scale-up principle and proven parameters, small XJM-S 0.5 type flotation machine model and impellers & stators with different five groups of taper angles are developed, what's more, power of each group impeller & stator is measured under the condition of different submersion depth and rotating speed. The results show that: within the limits of 90°-130°, the biggest agitation power of impeller is obtained at 130° taper angle, and the agitation power of impeller at 90° taper angle comes second; the minimum agitation power at 100° taper angle is close to that at 110°, 120° taper angle; the bigger taper angle, agitation power will tend towards rising with the submersion depth increasing, moreover, obvious tendency happens in higher rotating speed; as for agitation power value, measured value is higher at slow rotating speed area and smaller at high rotating speed than theoretical value

by scale-up principle; power factor becomes small gradually step by step with rotating speed of impeller increasing.

flotation machine; agitation power; taper angle of impeller; submersion depth of impeller; rotating speed of impeller

TD943

A

1001-3571(2015)04-0001-05

2015-06-08

10.16447/j.cnki.cpt.2015.04.001

天地科技股份有限公司青年創(chuàng)新基金項(xiàng)目(KJ-2013-TDTS-02)

史英祥(1979—)，男，河南省商丘市人，碩士，副研究員，從事浮選工藝與設(shè)備的研究。

E-mail：xiangfchina@163.com Tel：0315-7759642