多種分離器轉(zhuǎn)子動(dòng)葉片流場(chǎng)仿真分析研究

李柏林

成都建筑材料工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610051

多種分離器轉(zhuǎn)子動(dòng)葉片流場(chǎng)仿真分析研究

李柏林

成都建筑材料工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610051

分離器用于立式輥磨機(jī)物料的分級(jí)，動(dòng)葉片是影響分離器物料分級(jí)效果的關(guān)鍵因素之一，所以，研究動(dòng)葉片對(duì)分離器分級(jí)區(qū)域流場(chǎng)影響十分必要。由于市面上分離器品種繁多，分級(jí)區(qū)域的動(dòng)葉片結(jié)構(gòu)形式較多，使設(shè)計(jì)或應(yīng)用選型易產(chǎn)生困惑。選取了幾種常見動(dòng)轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)行研究，通過分析比較幾種葉片形狀對(duì)流場(chǎng)的影響結(jié)果，為分離器選型和后續(xù)研發(fā)設(shè)計(jì)新型產(chǎn)品提供參考。

分離器 動(dòng)葉片 流場(chǎng)仿真

0 引言

分離器作為大型立式輥磨機(jī)分級(jí)物料核心組件，其分離效率是影響磨內(nèi)循環(huán)負(fù)荷高低主要因素之一，直接影響研磨系統(tǒng)能耗高低等。因而，研究分離器分級(jí)區(qū)域，提高分級(jí)效率，有利于提高立式輥磨機(jī)綜合能效比，經(jīng)濟(jì)效率明顯。本文將結(jié)合實(shí)際數(shù)據(jù)，通過軟件對(duì)分離器分級(jí)區(qū)域進(jìn)行流場(chǎng)模擬，研究不同形狀的動(dòng)轉(zhuǎn)子葉片在相同工況下對(duì)分離器分級(jí)區(qū)流場(chǎng)的影響。

1 分析模型及工況分析

為增加分析結(jié)果的可比性，除動(dòng)葉片本身結(jié)構(gòu)形狀不同之外，其它給定的每種動(dòng)葉片結(jié)構(gòu)尺寸和邊界條件完全一致。

1.1 分析模型

為方便模型建立，選擇磨盤直徑為6 m規(guī)格的大型立式輥磨機(jī)配套分離器結(jié)構(gòu)布局為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，得到模型結(jié)構(gòu)豎剖面截圖，見圖1。

根據(jù)系統(tǒng)工況工藝參數(shù)計(jì)算和分離器實(shí)際分級(jí)物料能力需求，分離器分級(jí)動(dòng)轉(zhuǎn)子直徑取6 m。根據(jù)李翔等人在《立式輥磨機(jī)選粉機(jī)分級(jí)環(huán)間距對(duì)分級(jí)性能的影響分析結(jié)果》表明：分離器動(dòng)、靜轉(zhuǎn)子的間距為110 mm時(shí)，粒徑小于80μm的顆粒通過率達(dá)到最佳，使分離器的分級(jí)性能達(dá)到最優(yōu)化[1]。所以，這里取環(huán)間距為110 mm。

1.2 工況分析

由圖1可知，帶料氣體由區(qū)域①經(jīng)靜轉(zhuǎn)子導(dǎo)向，在區(qū)域②實(shí)現(xiàn)分流和粗細(xì)物料分離，粒徑合格的粒料隨氣流進(jìn)入?yún)^(qū)域③，被帶出立式輥磨機(jī)，粒徑的不合格粒料向下落至區(qū)域④集料斗，重新進(jìn)入磨盤，再次被研磨。完成一次粗細(xì)粒料分離和粗料內(nèi)循環(huán)。

圖1 大型立式輥磨機(jī)分離器模型豎剖面

大型立式輥磨機(jī)具有研磨和烘干物料功能，其研磨出來的細(xì)粉物料，是以熱風(fēng)為載體，熱風(fēng)攜帶粒料經(jīng)過分離器后，合格細(xì)粉粒料被帶出立式輥磨機(jī)。所以，經(jīng)過分離器流域的流場(chǎng)為氣—固兩相，分離器內(nèi)的料氣比一般≤3 kg/m3，其固相占比體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)小于10%，所以這里采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型進(jìn)行分析，選定不可壓縮空氣（Air）作為介質(zhì)流體。

2 分離器流場(chǎng)分析

分離器流場(chǎng)分析分為以下幾步完成：一、研究對(duì)象分析及模型簡(jiǎn)化，二、邊界條件，三、結(jié)果分析。

2.1 研究對(duì)象分析及模型簡(jiǎn)化

目前，行業(yè)內(nèi)部關(guān)于分離器流場(chǎng)方面研究很多，比如李翔等人通過CFD計(jì)算流場(chǎng)模擬研究分析了立式輥磨機(jī)選粉機(jī)分級(jí)環(huán)間距對(duì)分級(jí)性能的影響[1]，綦海軍等人通過CFD流場(chǎng)分析研究了動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與立式輥磨機(jī)系統(tǒng)風(fēng)量對(duì)分級(jí)區(qū)域的影響[2]，劉家祥等人通過實(shí)驗(yàn)研究了分級(jí)環(huán)形區(qū)域?qū)挾葘?duì)選粉機(jī)分級(jí)指標(biāo)的影響規(guī)律等等[3]。本文分析研究I、L、Z和水滴形四種動(dòng)轉(zhuǎn)子葉片在相同的工況條件下對(duì)分級(jí)區(qū)域流場(chǎng)的影響分析。

為了節(jié)約計(jì)算機(jī)資源、簡(jiǎn)單直觀地展示分析結(jié)果，對(duì)分析模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化截取動(dòng)轉(zhuǎn)子中截面A-A（見圖1）為研究對(duì)象，在CAD模型空間建立分析模型，得出如下四種分析模型，見圖2。

圖2 四種動(dòng)葉片分析模型

2.2 邊界條件

如上節(jié)介紹，分離器分級(jí)區(qū)域邊界由Inlet、Fixed blade、Interfaces、Moving blade和Outlet組成，Interfaces外側(cè)為邊界固定區(qū)域（Fixed region），內(nèi)側(cè)為旋轉(zhuǎn)區(qū)域(Rotational region)，以I動(dòng)轉(zhuǎn)子葉片分布為例，如圖3所示。其中靜葉片(Fixed blade)為60片，動(dòng)葉片(Moving blade)數(shù)量為80片，流體進(jìn)口（Inlet）直徑7 m，動(dòng)、靜交界面（Interfaces）直徑6 m，流體出口（Oulet）直徑4.8 m。設(shè)置靜葉片輪廓邊界類型為壁面Wall，并設(shè)定為反射面（Reflect）類型，其回彈系數(shù)參考文獻(xiàn)[2]和[4]；設(shè)置旋轉(zhuǎn)區(qū)域旋轉(zhuǎn)速度ω=4.2 rad/s(順時(shí)針方向)，動(dòng)葉片為相對(duì)旋轉(zhuǎn)區(qū)域無滑移（No slip）連接類型。

結(jié)合分離器實(shí)際工程運(yùn)轉(zhuǎn)工況，給定流場(chǎng)流體進(jìn)口（Inlet）速度Vi=8 m/s，流體流場(chǎng)出口（Outlet）壓力Po=-600 Pa。又因?yàn)榉蛛x器內(nèi)流體流場(chǎng)為氣-固兩相流，其內(nèi)料氣比一般≤3 kg/m3，因此，其固相體積分?jǐn)?shù)占總體積比遠(yuǎn)小于10%[1]，而本文主要研究動(dòng)葉片形狀對(duì)流體流場(chǎng)的影響，對(duì)固相顆粒不作深入研究，所以，這里選擇空氣（air）作為流體流場(chǎng)介質(zhì)。通過計(jì)算氣相流場(chǎng)求解，研究在不同葉片形狀下流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

圖3 I形動(dòng)葉片邊界條件示意圖

2.3 結(jié)果分析

利用流體分析軟件求解模型。在相同求解條件下，得到四種不同動(dòng)轉(zhuǎn)子葉片的分級(jí)區(qū)域氣相速度分布云圖，見圖4。

圖4 四種動(dòng)葉片對(duì)應(yīng)速度分布云圖

觀察圖4中四種動(dòng)葉片對(duì)應(yīng)速度分布，不難發(fā)現(xiàn)在相同的邊界和初始條件下，氣流經(jīng)過靜葉片和I、L、Z和水滴形四種動(dòng)轉(zhuǎn)子葉片之間區(qū)域后，流體流場(chǎng)分布差異較大。4種動(dòng)葉片情況下，其中I形轉(zhuǎn)子作用下區(qū)域②（見圖1所示）速度最高（為52 m/s），L形最低（為44.9 m/s）；從動(dòng)葉片背后深藍(lán)色分布區(qū)域（即流體速度損失的區(qū)域）來看，I→L→Z→水滴形速度損失越來越小，水滴形動(dòng)葉片情況下，Outlet出口速度要比其他幾種速度大的多。根據(jù)分離器的分級(jí)原理，分級(jí)環(huán)區(qū)域速度對(duì)粗細(xì)粒料分離是起決定性作用的。如圖5所示，F(xiàn)為動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)對(duì)粒料產(chǎn)生的離心力，G為物料重力，所以，要分離相同的直徑的粒料，速度V愈大，所需離心力F也就越大才能實(shí)現(xiàn)，否則，F(xiàn)值不足夠的情況下，粒料將直接穿過動(dòng)葉片，無法實(shí)現(xiàn)分離。而動(dòng)葉片背面的低速區(qū)域可能會(huì)影響其后的流體流場(chǎng)分布。為了進(jìn)一步分析這種影響，將速度云圖轉(zhuǎn)化為速度矢量圖，作了局部放大圖6，以便進(jìn)一步深入分析。

圖5 粒料受力圖

圖6是相同求解條件下，四種不同動(dòng)轉(zhuǎn)子葉片條件下的分離器分級(jí)區(qū)域氣相局部速度矢量圖。

圖6 四種動(dòng)葉片對(duì)應(yīng)局部速度矢量圖

通過觀察分析圖6速度矢量云圖，可以發(fā)現(xiàn)流體在經(jīng)過I形和水滴形動(dòng)葉片時(shí)，在其后產(chǎn)生了明顯的旋轉(zhuǎn)渦流，但相對(duì)的，水滴形葉片后渦流范圍要小的多，流體在通過水滴形動(dòng)葉片后，速度大小和矢量分布更加均勻，據(jù)此推斷水滴形物料分選效率可能要高于I形動(dòng)葉片。而L、Z動(dòng)葉片速度矢量圖表明，其葉片背面區(qū)域渦流現(xiàn)象不明顯，說明葉片后端垂直半徑方向的部分，一定程度上起到了打散渦流的效果；比較這兩種葉片還可以發(fā)現(xiàn)，Z形的打散渦流效果要優(yōu)于L形動(dòng)葉片。

3 結(jié)束語

通過以上分析不難發(fā)現(xiàn)，I形動(dòng)葉片結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，材料成本最省，但是，其后背渦流明顯，對(duì)分離物料是不利的，尤其是精細(xì)粒料的分選；L、Z動(dòng)葉片具有較好的打散葉片后側(cè)渦流的能力，相對(duì)的Z形要優(yōu)于L形，有利于物料的分級(jí)；而水滴形動(dòng)葉片由其平滑的外形使得，流體速度損失較小，在動(dòng)轉(zhuǎn)子葉片后粒料分布更加均勻，但相對(duì)制作成本高。

因此，在本文給定邊界條件下，依據(jù)上述仿真分析，得出結(jié)論是I形和水滴形動(dòng)葉片適合分離粒料成品粒度相對(duì)較大的情況，如水泥原料粉磨粒料分級(jí)分離；L、Z動(dòng)葉片具有打散渦流的能力，起到減小阻力和穩(wěn)定流場(chǎng)的作用，推斷其分選效率也將大大提高，這對(duì)精細(xì)粒料分離是有利的，所以，能較好地適應(yīng)礦渣、鋼渣和水泥熟料等一類要求細(xì)度更高的粒料分級(jí)分離。

[1] 李翔, 綦海軍, 李雙躍.立磨選粉機(jī)分級(jí)環(huán)間距對(duì)分級(jí)性能的影響[J]. 化工學(xué)報(bào), 2013(4):77-83.

[2] 綦海軍, 李雙躍, 任朝富, 等. 立磨選粉機(jī)導(dǎo)流圈的數(shù)值模擬與分析[J]. 浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2012,40(1):70-74.

[3] 劉家祥. 高效渦流空氣分級(jí)機(jī)分級(jí)機(jī)理及開發(fā)[D]. 西安交通大學(xué), 2001.

[4] Wakeman T, Tabakoff W, Measured Particle Rebound Characteristics Useful for Erosion Prediction -ASME 1982 International Gas Turbine Conference and Exhibit-1982.

2016-07-25）

TQ172.632.9

A

1008-0473(2016)06-0007-03

10.16008/j.cnki.1008-0473.2016.06.003