旋轉(zhuǎn)煤粉分離器動葉結(jié)構(gòu)數(shù)值優(yōu)化研究

閆順林, 王皓軒, 韓　韋, 劉　洋， 張永昇

(華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，河北保定071003)

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旋轉(zhuǎn)煤粉分離器動葉結(jié)構(gòu)數(shù)值優(yōu)化研究

閆順林, 王皓軒, 韓韋, 劉洋， 張永昇

(華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，河北保定071003)

為解決旋轉(zhuǎn)煤粉分離器綜合分離效率低、出口粉煤細(xì)度無法滿足無煙煤的燃燒要求等問題，提出了改造分離器動葉結(jié)構(gòu)的方案，在直葉片基礎(chǔ)上改造成彎扭葉片，并對旋轉(zhuǎn)分離器進(jìn)行數(shù)值建模，研究內(nèi)部流場。通過對分離器多結(jié)構(gòu)參數(shù)改造前后的數(shù)值模擬結(jié)果的對比分析，確定了新型葉片的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)果表明：最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)下的新型分離器綜合分離效率提升了24.25%，出口煤粉細(xì)度降低了41.4%，性能提升顯著，說明該新型旋轉(zhuǎn)煤粉分離器具有明顯的高效性。

旋轉(zhuǎn)煤粉分離器；綜合分離效率；煤粉細(xì)度；動葉結(jié)構(gòu)； 數(shù)值模擬

0　引言

旋轉(zhuǎn)煤粉分離器作為制粉系統(tǒng)中的重要輔助設(shè)備，有些問題仍在存在，例如其綜合分離效率較低、出口粉煤細(xì)度可優(yōu)化空間較大等[1-3]。目前，針對旋轉(zhuǎn)煤粉分離器的研究主要集中在內(nèi)部結(jié)構(gòu)改造及運(yùn)行優(yōu)化上，研究人員試圖通過改變靜葉及動葉結(jié)構(gòu)，使分離器內(nèi)部流場得到改善、降低內(nèi)部阻力、減小阻力損失、提高磨煤機(jī)出力。本文通過改變分離器動葉結(jié)構(gòu)及安裝方式來優(yōu)化分離器的工作性能[4]，采用數(shù)值模擬技術(shù)對旋轉(zhuǎn)式分離器建模，研究內(nèi)部流場，分析旋轉(zhuǎn)煤粉分離器的動葉彎扭角度和安裝角度之間的變化關(guān)系，這對改造和優(yōu)化旋轉(zhuǎn)煤粉分離器的動葉結(jié)構(gòu)，都有著十分重要的意義[3]140。

1　旋轉(zhuǎn)煤粉分離器的結(jié)構(gòu)

如圖1所示，旋轉(zhuǎn)煤粉分離器由靜葉、旋轉(zhuǎn)動葉及驅(qū)動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等構(gòu)成，外層為靜葉，起導(dǎo)流作用，內(nèi)層為旋轉(zhuǎn)動葉。風(fēng)粉混合物在進(jìn)入兩個(gè)動葉間時(shí)，由于旋轉(zhuǎn)動葉的影響，其切向速度不斷增大，煤粉顆粒所受離心力也隨之增大，當(dāng)其所受氣流曳引力小于葉片產(chǎn)生的離心力時(shí)，煤粉將從風(fēng)粉氣流中脫離，在自身重力的作用下落至回粉錐。旋轉(zhuǎn)煤粉分離器具有煤粉細(xì)度調(diào)節(jié)響應(yīng)速度快、煤粉細(xì)度調(diào)節(jié)范圍大等優(yōu)點(diǎn)[5]，因此被普遍應(yīng)用于現(xiàn)代電廠中。

圖1　旋轉(zhuǎn)式煤粉分離器工作原理圖

2　彎扭葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

彎扭葉片在直葉片基礎(chǔ)之上，考慮了葉片厚度，并將固定截面改進(jìn)成變截面，同時(shí)借鑒了汽輪機(jī)彎扭葉片的設(shè)計(jì)思想[6]，將葉片進(jìn)行彎曲和扭轉(zhuǎn)變形。彎扭葉片的進(jìn)氣邊為直邊設(shè)計(jì)，與靜葉出氣邊保持平行，有助于減少沖擊損失；彎扭變形后的葉面附面層將會徑向遷移，徑向的壓力梯度減小，使葉片出氣邊低能流體減少，有利于降低氣流損失；彎扭動葉迎風(fēng)面積加大，增大了葉片在轉(zhuǎn)動過程中對風(fēng)粉氣流切向速度的加速作用，增強(qiáng)了對大顆粒煤粉的篩選能力，并且增大了顆粒與煤粉的撞擊幾率，分離器性能有所提升。

2.1彎扭葉片形成過程

彎扭葉片形成過程較為復(fù)雜，其過程可分為彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形2個(gè)步驟[7-9]：

(1)如圖2中彎曲葉片所示，在直葉片基礎(chǔ)上，將葉片做變截面處理后，以E-E′為折轉(zhuǎn)軸，A-B邊和C-D邊向中間靠攏，將葉片彎折一定角度，保持A-B和C-D邊平行，使∠AE′C=∠BED=ξ，形成彎曲葉片。

圖2　葉片改進(jìn)過程圖

(2)保持動葉進(jìn)氣邊A-B和靜葉出氣邊為直邊并且保持平行，對彎曲葉片進(jìn)行扭轉(zhuǎn)變形，形成彎扭葉片。

2.2葉片參數(shù)選擇

與直葉片旋轉(zhuǎn)煤粉分離器一樣，彎扭葉片旋轉(zhuǎn)分離器內(nèi)部同樣設(shè)有靜、動葉片各60個(gè)。俯視觀測時(shí)，定義靜葉下端面與軸線夾角φ為靜葉水平安裝角，定義動葉下端面與軸線夾角α為動葉水平安裝角，豎直安裝角記為γ，如圖3所示。

分離器內(nèi)部流通結(jié)構(gòu)、葉片迎風(fēng)面積會隨著動葉葉型、葉片安裝角的變化而相應(yīng)地發(fā)生改變，這些又會導(dǎo)致分離器的綜合分離效率、出口煤粉細(xì)度、內(nèi)部阻力損失發(fā)生變化[10]。例如：動葉水平安裝角α的變化會引起分離器內(nèi)部流通結(jié)構(gòu)的變化，對分離效率產(chǎn)生很大的影響，合理選擇動葉水平安裝角對于控制分離器內(nèi)部阻力損失和風(fēng)粉氣流對動葉的沖擊損失至關(guān)重要；葉片的迎風(fēng)面積隨著動葉扭轉(zhuǎn)角β增大而增加從而影響分離器效率。

圖3　靜葉及動葉安裝角示意圖

為了研究彎扭葉片的最佳角度參數(shù)，本文對裝配了不同參數(shù)葉片的分離器進(jìn)行建模與模擬，其中動葉水平安裝角α選取30°、35°、40°、45°、50°，動葉扭轉(zhuǎn)角β選取10°、15°、20°，動葉豎直安裝角γ選取-10°、-5°、0°、5°、10°進(jìn)行模擬。彎扭葉片分離器模擬的邊界條件設(shè)置與直葉片旋轉(zhuǎn)分離器模擬邊界條件設(shè)置保持一致。

3　旋轉(zhuǎn)煤粉分離器數(shù)值模型

3.1物理模型

本文使用Gambit軟件對分離器和磨煤機(jī)主體結(jié)構(gòu)一起建模。使用多塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分的方法。利用切割功能將整體模型做分割處理，保持各部分之間的連接，保證每個(gè)區(qū)域都可以生成貼體網(wǎng)格，且各區(qū)域在邊界處的網(wǎng)格相同，各區(qū)域網(wǎng)格塊再通過拼接形成總體的網(wǎng)格系統(tǒng)。根據(jù)實(shí)際尺寸劃分網(wǎng)格貼合性更好的四面體網(wǎng)格，最后生成的網(wǎng)格總數(shù)為190萬左右，最大網(wǎng)格扭曲率為0.86<0.9，最大網(wǎng)格橫縱比為4.27<5，模型網(wǎng)格合格率為100%，符合模型計(jì)算收斂要求。模型網(wǎng)格示意圖如圖4所示。

3.2數(shù)學(xué)模型

本文中模擬的旋轉(zhuǎn)分離器內(nèi)部流場非常復(fù)雜?？梢哉J(rèn)為是典型的湍流流動問題。Fluent軟件中提供了標(biāo)準(zhǔn)k-ε，RNGk-ε方程以及Realizablek-ε方程。在控制方程的選擇上，整個(gè)過程都要滿足質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律以及能量守恒定律。湍流運(yùn)動的基本方程如下[11-12]：

連續(xù)性方程

(1)

動量守恒方程

(2)

能量守恒方程

(3)

湍動能方程k

(4)

湍動能耗散率方程ε

(5)

式中：Gk為湍能體積生成率。

(6)

(7)

對湍流粘度系數(shù)μt的定義為：

(8)

(9)

式中：μeff為有效粘度系數(shù)。

以上式中系數(shù)取值參考表1。

當(dāng)時(shí)均應(yīng)變率特別大的時(shí)候，標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型計(jì)算會有負(fù)正應(yīng)力的情況出現(xiàn)，為此，針對正應(yīng)力增加數(shù)學(xué)約束，使得湍流粘度公式中的Cμ隨應(yīng)變率變化而變化，經(jīng)改進(jìn)后，在湍流粘度公式中加入了旋轉(zhuǎn)和應(yīng)變率及曲率的相關(guān)內(nèi)容，得到本文所用可實(shí)現(xiàn)的k-ε模型——Realizablek-ε模型。

出口煤粉細(xì)度：

(10)

式中:a為篩子上剩余煤粉質(zhì)量；b為通過篩孔的煤粉質(zhì)量。

定義煤粉綜合分離效率為細(xì)粉分離效率和粗粉分離效率的差值。分離器出口中煤粉粒徑i≤90 μm的各顆粒群總質(zhì)量與入口中粒徑i≤90 μm的煤粉總質(zhì)量的百分比稱為細(xì)粉分離效率；分離器出口中煤粉粒徑i>90 μm的各顆粒群總質(zhì)量與入口中粒徑i>90 μm的煤粉總質(zhì)量的百分比稱為粗粉分離效率。具體表達(dá)式如下：

(11)

(12)

(13)

3.3邊界條件的設(shè)置

如圖5所示，將分離器底部風(fēng)環(huán)設(shè)定為入口邊界，條件設(shè)置為入口速度，分離器上部的5個(gè)出粉口和回粉錐均設(shè)置為出口邊界，其邊界條件設(shè)定為出流邊界(outflow)。

圖5　模型邊界條件示意圖

3.3.1連續(xù)相邊界條件設(shè)置

入口邊界：入口連續(xù)相氣體的密度設(shè)置為1.225 kg/m3，湍流粘度設(shè)置為1.79×10-5kg/m·s，旋轉(zhuǎn)風(fēng)環(huán)入口總風(fēng)量為72 t/h，經(jīng)計(jì)算入口風(fēng)速為28 m/s，水力半徑為0.18。

出口邊界：分離器上出粉口和回粉錐出口設(shè)置為自由出口(outflow)，在求解前模型出口流速和壓力都未知時(shí)，采用該邊界條件設(shè)置。

壁面邊界：模型內(nèi)的壁面全部設(shè)定為無滑移邊界墻壁(wall)。

體邊界：對旋轉(zhuǎn)區(qū)域采用MRF模型，選擇Frame Motion選項(xiàng)，以Z軸為旋轉(zhuǎn)軸，設(shè)置動葉的旋轉(zhuǎn)速度為-8.38 rad/s(80 r/min)。

計(jì)算模型設(shè)置：采用壓力基、隱式、三維、定常求解器，湍流模型選擇Realizablek-ε模型。

3.3.2離散相邊界條件設(shè)置

入口邊界：粒子射入類型為面引射，根據(jù)磨煤機(jī)實(shí)際出力45 t/h，經(jīng)計(jì)算顆粒質(zhì)量流量為12.5 kg/s。磨好的煤粉被拋至風(fēng)環(huán)入口，在設(shè)置邊界條件時(shí)，認(rèn)為煤粉在入口處的速度為零，并且均勻分布。

出口邊界：設(shè)置分離器頂部出口為逃逸口(escape)，回粉錐出口為捕捉口(trap)，出口邊界保持出流邊界(outflow)。

4　計(jì)算結(jié)果及優(yōu)化分析

為了研究新型彎扭動葉對分離器性能影響，本文對彎扭動葉煤粉分離器模型的出口煤粉細(xì)度、進(jìn)出口壓差以及綜合煤粉分離效率3個(gè)主要性能指標(biāo)進(jìn)行了計(jì)算統(tǒng)計(jì)，分析不同動葉結(jié)構(gòu)下的彎扭動葉旋轉(zhuǎn)煤粉分離器的分離特性和內(nèi)部流通阻力變化，從而對彎扭動葉旋轉(zhuǎn)煤粉分離器進(jìn)行優(yōu)化，并選出最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)。本文先確定動葉水平安裝角和扭轉(zhuǎn)角之后再對豎直安裝角單獨(dú)研究。

4.1動葉水平安裝角和扭轉(zhuǎn)角優(yōu)化

(1)出口煤粉細(xì)度特性分析。彎扭動葉旋轉(zhuǎn)煤粉分離器的煤粉細(xì)度隨動葉水平安裝角變化而變化，如圖6所示。由圖可知，扭轉(zhuǎn)角度β一定時(shí)，出口煤粉細(xì)度隨水平安裝角的增大而呈現(xiàn)下降趨勢，其中β=15°時(shí)出口煤粉細(xì)度較低。這是由于水平安裝角的增大，增大了動葉的迎風(fēng)面積，風(fēng)粉氣流通過動葉旋轉(zhuǎn)區(qū)時(shí)受到的撞擊作用和離心力都增強(qiáng)，導(dǎo)致出口煤粉細(xì)度呈下降趨勢。當(dāng)動葉水平安裝角α=50°，扭轉(zhuǎn)角β=15°時(shí)，出口煤粉細(xì)度的質(zhì)量最好，R90達(dá)到了最低值6.12%。

圖6　煤粉細(xì)度隨動葉水平安裝角度變化曲線

(2)進(jìn)出口壓差特性分析。分離器內(nèi)部通風(fēng)阻力是一項(xiàng)評價(jià)分離器性能的重要指標(biāo)，其表征了內(nèi)部通風(fēng)阻力損失的大小，本文通過記錄分離器進(jìn)出口壓差來衡量分離器內(nèi)部通風(fēng)阻力值。

圖7為彎扭動葉旋轉(zhuǎn)煤粉分離器的進(jìn)出口壓差隨動葉水平安裝角變化而變化的曲線圖。

圖7　進(jìn)出口壓差隨動葉水平安裝角度變化曲線

由圖7可知，當(dāng)動葉扭轉(zhuǎn)角β一定時(shí)，分離器進(jìn)出口壓差隨著動葉水平安裝角的逐漸增大而先下降后上升。究其原因是隨著水平安裝角的增大，動葉的入口方向更加貼近氣流的切向流動方向，所以其流通阻力降低，直到安裝角到達(dá)35°之后，隨著安裝角繼續(xù)加大，動葉作用面積也隨之加大，在旋轉(zhuǎn)作用下對氣流產(chǎn)生的阻力也增大，導(dǎo)致進(jìn)出口壓差在后期階段有上升趨勢。綜合來看，當(dāng)動葉水平安裝角α=35°、扭轉(zhuǎn)角β=20°時(shí)，彎扭動葉旋轉(zhuǎn)煤粉分離器內(nèi)部的通風(fēng)阻力最小，其值為511.4 Pa，較之直葉片分離器降低明顯。

(3)綜合分離效率特性分析。圖8為彎扭動葉旋轉(zhuǎn)煤粉分離器的綜合分離效率隨動葉水平安裝角變化而變化的曲線圖。綜合分離效率先隨動葉水平安裝角α的增大而升高，綜合分離效率在動葉水平安裝角α=45°時(shí)達(dá)到最大值，之后呈下降趨勢。當(dāng)α較小時(shí)，細(xì)粉受旋轉(zhuǎn)動葉的影響較小，幾乎可以全部從分離器頂部出口飛出，但是此時(shí)存在大量的粗粉從頂部出口逃逸現(xiàn)象，所以此時(shí)綜合分離效率較低；隨著水平安裝角的逐漸增大，旋轉(zhuǎn)動葉的作用逐漸增強(qiáng)，此時(shí)細(xì)粉由于顆粒質(zhì)量較小、跟隨性好，所以細(xì)粉分離效率幾乎保持不變，而粗粉受到離心力和動葉撞擊的作用，頂部出口的粗粉數(shù)量逐漸減小，此時(shí)綜合分離效率隨著α的增大而增大；當(dāng)α=50°時(shí)，由于分離器的分離作用較強(qiáng)，小粒徑煤粉受此影響出現(xiàn)回落至回粉錐的現(xiàn)象，導(dǎo)致細(xì)粉分離效率下降、回粉量增加，所以綜合分離效率出現(xiàn)了下降趨勢。比較可得，彎扭動葉旋轉(zhuǎn)煤粉分離器的動葉參數(shù)為α=45°、β=15°時(shí)，綜合分離效率達(dá)到最高值91.2%，與直葉片分離器相比，效率提高顯著。

圖8　綜合分離效率隨動葉水平安裝角度變化曲線

4.2豎直安裝角優(yōu)化

綜合考慮分離器出口煤粉細(xì)度R90、進(jìn)出口壓差、綜合分離效率3個(gè)性能指標(biāo)后，選定α=45°、β=15°為彎扭動葉旋轉(zhuǎn)煤粉分離器的最佳水平安裝角和扭轉(zhuǎn)角的組合。在此基礎(chǔ)之上研究這3個(gè)性能指標(biāo)隨動葉豎直安裝角度的變化情況，如圖9～10所示。

由圖9可知，隨著動葉豎直安裝角度γ按照-10°、-5°、0°、5°、10°的變化時(shí)，出口煤粉細(xì)度R90呈下降趨勢，且前期下降的較快，分離器進(jìn)出口壓差呈近似線性的上升趨勢，由此可見，隨著動葉豎直安裝角度γ的變化，出口煤粉細(xì)度得到了改善，但是與此同時(shí)阻力損失有所增加。

圖9　出口煤粉細(xì)度與進(jìn)出口壓差分別隨動葉豎直安裝角變化曲線

由圖10可知，細(xì)粉分離效率和粗粉分離效率都隨著動葉豎直安裝角度γ呈現(xiàn)下降的趨勢，而綜合分離效率以0°為分界呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。究其原因，是因?yàn)榧?xì)粉跟隨性較好，當(dāng)γ為負(fù)角度時(shí)，細(xì)粉分離效率接近100%，而此時(shí)粗粉分離效率隨動葉豎直安裝角變化明顯降低，導(dǎo)致二者差值呈上升趨勢；當(dāng)γ為正角度時(shí)，細(xì)粉分離效率隨動葉豎直安裝角度降低明顯，而粗粉分離效率處在較低的數(shù)值變化很小，導(dǎo)致二者的差值呈下降趨勢。

圖10　煤粉分離效率隨動葉豎直安裝角變化曲線

本文在優(yōu)化豎直安裝角度時(shí)，以綜合分離效率為主要參考指標(biāo)，選取豎直安裝角度γ=0°為最佳的豎直安裝角。

4.3彎扭動葉與直葉片模型對比分析

圖11給出了粒徑為150 μm的顆粒在改造前后分離器中的運(yùn)動軌跡：雖然最終都落入回粉錐，但顆粒在直葉片分離器中運(yùn)行軌跡更長。原因在于直葉片分離器中，動靜葉片在豎直方向上均沒有傾角，大顆粒被動葉彈回后不能立即落入回粉錐，而彎扭動葉分離器中，由于采用彎扭葉片，顆粒與動葉撞擊后受到斜向下的反作用力，加快了大顆粒煤粉的回落，提高了分離器的性能。

圖11　150 μm顆粒運(yùn)動軌跡對比圖

5　結(jié)論

(1)通過對彎扭動葉煤粉分離器模型的出口煤粉細(xì)度、進(jìn)出口壓差以及綜合煤粉分離效率3個(gè)指標(biāo)模擬優(yōu)化分析，得到了彎扭動葉旋轉(zhuǎn)煤粉分離器最佳動葉參數(shù)為：動葉水平安裝角α=45°、扭轉(zhuǎn)角β=15°和豎直安裝角γ=0°。

(2)采用彎扭動葉設(shè)計(jì)后，扭轉(zhuǎn)角度β一定時(shí)，旋轉(zhuǎn)煤粉分離器的出口煤粉細(xì)度隨動葉水平安裝角增大而呈下降趨勢，一定條件下能夠達(dá)到電廠在無煙煤燃燒及低氮燃燒器投用時(shí)對于煤粉細(xì)度的要求。

(3)對比最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)下的新型旋轉(zhuǎn)分離器和傳統(tǒng)直葉旋轉(zhuǎn)分離器顆粒軌跡運(yùn)行圖，及相關(guān)數(shù)據(jù)，可知采用新型彎扭動葉設(shè)計(jì)后，旋轉(zhuǎn)分離器的分離性能得到優(yōu)化，內(nèi)部風(fēng)粉氣流均勻性得到改善，出口煤粉細(xì)度及綜合分離效率優(yōu)化效果明顯。新型分離器的出口煤粉細(xì)度R90為8.32%，降幅達(dá)到41.4%；新型分離器的綜合分離效率為91.2%，效率提高了24.25%。

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Numerical Optimization Study on Dynamic Blade Structure of Rotary Pulverized Coal Separator

YAN Shunlin, WANG Haoxuan, HAN Wei, LIU Yang, ZHANG Yongsheng

( School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

In order to solve the problems of the low efficiency of integrated separation, and dissatisfactory fineness of pulverized coal that cannot meet the requirements of anthracite coal combustion, this paper proposes a scheme to modify the structure of the moving blade of the separator with turning the straight blade into twisted one, and the numerical simulation technology is used to model the rotating pulverized coal separator. Meanwhile, the internal flow field is studied. By comparing and analyzing the results of the numerical simulation of the multi structure parameters of the separator before and after the modification, the optimum structure parameters of the new blade are determined. The results show that the comprehensive separation efficiency rises by 24.25%, and the coal fineness falls by 41.4% in the new separator. The performance is remarkably improved, and it is obviously of high efficiency.

rotary pulverized coal separator; comprehensive separation efficiency; pulverized coal fineness; dynamic blade structure; numerical simulation

2016-07-14。

閆順林(1959-)，男，教授，主要研究方向?yàn)闊崃ο到y(tǒng)節(jié)能理論及應(yīng)用，E-mail:yanshunlin@126.com。

TK212

ADOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.10.010