旋風(fēng)分離器分級(jí)輪結(jié)構(gòu)對(duì)分級(jí)效果影響的研究

許 夢(mèng)* 馮俊萍 曹清林

（江蘇理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院）

旋風(fēng)分離器分級(jí)效果的主要影響因素包括進(jìn)出口壓力、分級(jí)輪轉(zhuǎn)速以及分級(jí)輪結(jié)構(gòu)等[1-3]，決定分級(jí)輪結(jié)構(gòu)的主要因素有葉片數(shù)量、形狀和傾角，優(yōu)選這些參數(shù)可以顯著提高分離器的分級(jí)效果，所以分級(jí)輪結(jié)構(gòu)是影響分離器分級(jí)效果的重要因素。

增加分離器的進(jìn)出口壓力，能夠提高分級(jí)輪內(nèi)部流場(chǎng)的穩(wěn)定性，提高分級(jí)效果[4-5]。當(dāng)于特定分離器的分級(jí)輪轉(zhuǎn)速為6 000～7 000 r/min 時(shí)，分離器內(nèi)流場(chǎng)較為穩(wěn)定，可以改善分級(jí)物的粒徑分布[6-7]，并有利于減小分級(jí)粒徑[8]。另外，采用特定的安裝方式可以增加葉片和轉(zhuǎn)籠的剛度，提高分離器的分級(jí)效率[9]，增加排氣芯管、采用二次進(jìn)風(fēng)口、改變導(dǎo)流盤傾斜角度和形狀等方式，均可以提高分離器的分級(jí)效果[10-12]。分級(jí)輪結(jié)構(gòu)（參數(shù)）與分離器分級(jí)效果之間的關(guān)系仍需進(jìn)行進(jìn)一步研究，下文對(duì)此進(jìn)行了初步分析。

1 旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)及其流場(chǎng)模型

1.1 旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)

圖 1 旋風(fēng)分離器及分級(jí)輪結(jié)構(gòu)示意圖

分離器的分級(jí)效果主要與進(jìn)出口壓力大小、分級(jí)輪轉(zhuǎn)速和分級(jí)輪結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)，在進(jìn)出口壓力和分級(jí)輪轉(zhuǎn)速一定的情況下，分級(jí)輪結(jié)構(gòu)決定了分級(jí)效果。

分級(jí)輪主要由框架和葉片兩部分組成，框架直徑一定的情況下，葉片數(shù)量、傾角θ 和形狀決定了其分級(jí)效果。常見的葉片形狀有直葉片和弧形葉片，如圖1 d）和圖1 e）所示。直葉片在分級(jí)輪上的安裝方式有兩種，一種是如圖1 c）中θ ≠ 0°的安裝方式，稱之為斜葉片，當(dāng)θ ＝ 0°時(shí)，則稱之為直葉片?；⌒稳~片一般采用直葉片方式安裝。

1.2 流場(chǎng)模型及邊界條件

為了分析分級(jí)輪葉片數(shù)量、傾角θ 和形狀與分級(jí)效果之間的關(guān)系，采用Fluent 軟件對(duì)其進(jìn)行分析，并建立了分級(jí)流場(chǎng)模型。旋風(fēng)分離器分級(jí)輪在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，旋風(fēng)分離器內(nèi)部形成了兩部分流場(chǎng)，即分級(jí)輪實(shí)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)區(qū)域和被動(dòng)旋轉(zhuǎn)區(qū)域，也就是分級(jí)輪外輪廓至筒體內(nèi)壁之間的區(qū)域。物料進(jìn)入分級(jí)器后，顆粒在兩旋轉(zhuǎn)域內(nèi)形成流場(chǎng)，通過(guò)分析流場(chǎng)，尤其是分析分級(jí)輪內(nèi)部流場(chǎng)的湍動(dòng)能、壓力和軸向速率分布情況可以判斷其分級(jí)效果。

湍動(dòng)能是流體湍流脈動(dòng)的動(dòng)能，流場(chǎng)內(nèi)流體的湍動(dòng)能變化越小，流場(chǎng)越穩(wěn)定，越有利于物料顆粒分級(jí)。為了使符合粒徑要求的顆粒及時(shí)從筒體內(nèi)排出，在出料口處采用負(fù)壓抽吸，分級(jí)輪內(nèi)區(qū)域（旋轉(zhuǎn)域）與出口處的壓力差越大，顆粒受到的壓力就越大，越有利于符合粒徑要求的顆粒排出。顆粒在筒體流場(chǎng)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)方向主要為切向（與分級(jí)輪圓周相切方向）、徑向（指向分級(jí)輪軸線Y 并與之垂直方向）和軸向[分級(jí)輪軸線Y 方向，如圖1 a）所示] 3 個(gè)方向。對(duì)于豎直放置的分級(jí)輪，筒體內(nèi)流體高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生強(qiáng)旋流，對(duì)豎直方向（軸向）的顆粒運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻礙，軸向顆粒運(yùn)動(dòng)速率的變化可以反映流場(chǎng)軸向的穩(wěn)定性，軸向顆粒運(yùn)動(dòng)速率變化越小，流場(chǎng)就越穩(wěn)定，越有利于顆粒分級(jí)。

采用Fluent 軟件分析時(shí)，需先對(duì)筒體、分級(jí)輪和葉片模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共將其劃分為316 201 網(wǎng)格，1 588 324 個(gè)節(jié)點(diǎn)，然后設(shè)置邊界條件，進(jìn)口壓力為20 000 Pa，出口壓力為-3 000 Pa，分級(jí)輪轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，物料密度為1 300 kg/m3。

2 葉片數(shù)量

分級(jí)輪葉片數(shù)量會(huì)對(duì)分級(jí)效果產(chǎn)生影響，根據(jù)實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，在分級(jí)輪直徑（297 mm）一定的情況下，葉片數(shù)量少于12 片或多于60 片時(shí)，分級(jí)效果較差，現(xiàn)針對(duì)葉片為12～60 片的情況進(jìn)行分析比較，且其葉片為30°斜葉片。

2.1 湍動(dòng)能分析

以分級(jí)輪軸線為Y 軸，筒體底面的圓心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)O，通過(guò)原點(diǎn)O 并與Y 軸垂直的直線為橫坐標(biāo)X，建立如圖1 a）所示的坐標(biāo)系。

圖2 所示是不同葉片數(shù)量情況下，垂直于Y 軸，并通過(guò)分級(jí)輪截面的流場(chǎng)內(nèi)湍動(dòng)能的變化云圖，圖3是湍動(dòng)能的具體變化值，其中，橫坐標(biāo)X 為筒體橫向方向，如圖1 a）所示，縱坐標(biāo)為湍動(dòng)能大小。

圖 2 葉片數(shù)量與湍動(dòng)能變化云圖

圖 3 不同葉片數(shù)量對(duì)湍動(dòng)能的影響

由圖3 可知，分級(jí)輪內(nèi)部（x<±297/2 mm）旋轉(zhuǎn)域顆粒湍動(dòng)能均較小，且變化較小，流場(chǎng)較為平穩(wěn)；分級(jí)輪外部被動(dòng)旋轉(zhuǎn)域的流體湍動(dòng)能較大，越接近筒體壁，顆粒湍動(dòng)能越大，且變化也較大，說(shuō)明流場(chǎng)非常不穩(wěn)定。所以，將出料口設(shè)置在分級(jí)輪軸線的正上方，物料粒子在進(jìn)入分級(jí)輪內(nèi)部穩(wěn)定流場(chǎng)后，更加利于符合粒徑要求的物料排出。

圖3 中，x ≈0.15 m 處，顆粒湍動(dòng)能較大，葉片數(shù)量越少，顆粒湍動(dòng)能的極值越大，這是由于該位置位于進(jìn)料口處，高速運(yùn)動(dòng)的物料粒子沿筒壁進(jìn)料口射入，此時(shí)粒子具有較高的能量，所以流體的湍動(dòng)能具有極值。葉片數(shù)量越少，粒子和葉片碰撞的可能性越小，其能量損耗也越小，所以湍動(dòng)能極值就越大。物料粒子沿筒體壁在被動(dòng)旋轉(zhuǎn)域內(nèi)旋轉(zhuǎn)，由于分級(jí)輪上方負(fù)壓抽吸作用，粒子從被動(dòng)旋轉(zhuǎn)域逐漸進(jìn)入分級(jí)輪內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)域，也就是穩(wěn)定的流場(chǎng)。在該過(guò)程中，粒子受到負(fù)壓抽吸、與分級(jí)輪葉片碰撞等共同作用，能量逐漸損耗，所以分級(jí)輪內(nèi)部的湍動(dòng)能較小。

隨著葉片數(shù)量不斷增加，x ≈0.15 m 處湍動(dòng)能逐漸減小，整個(gè)變化曲線趨于對(duì)稱。這是由于葉片數(shù)量越多，葉片之間的間隙越小，從進(jìn)料口高速射入的粒子與分級(jí)輪葉片碰撞的可能性越大，能量損耗也越大，粒子剩余能量就越少。出料口位于分級(jí)輪上方，分級(jí)輪內(nèi)部流場(chǎng)的穩(wěn)定程度決定了分級(jí)效果，所以分級(jí)輪內(nèi)部顆粒湍動(dòng)能變化越小，越利于分級(jí)。分級(jí)輪內(nèi)部顆粒湍動(dòng)能變化的極差ΔΕ（即湍動(dòng)能最大值與最小值的差值）如表1 所示，分級(jí)輪葉片數(shù)量為48 片時(shí)，極差ΔΕ 最小，說(shuō)明湍動(dòng)能分布最均勻，流場(chǎng)最為穩(wěn)定，分級(jí)效果最好。

表 1 葉片數(shù)量與分級(jí)輪內(nèi)部湍動(dòng)能極差ΔΕ的關(guān)系

2.2 壓力分析

在圖1 a）所示的XOY 截面內(nèi)，分析葉片數(shù)量對(duì)筒體內(nèi)部壓力的影響，圖4 所示是壓力變化云圖，圖5所示是葉片垂直于Y 軸時(shí)，分級(jí)輪截面的壓力變化情況。

圖5 中，進(jìn)料口在筒壁附近，進(jìn)料口處的壓力較大，因此筒壁附近壓力較大。流體進(jìn)入筒體后，在被動(dòng)旋轉(zhuǎn)域內(nèi)旋轉(zhuǎn)，并向筒體中心擴(kuò)散，距離筒壁越遠(yuǎn)，壓力越小，即越接近筒體中心位置，壓力較小。

圖 4 葉片數(shù)量與壓力變化云圖

圖 5 葉片數(shù)量與壓力的變化關(guān)系

分級(jí)輪葉片數(shù)量越少，葉片之間的間隙越大，被動(dòng)旋轉(zhuǎn)域內(nèi)氣流與旋轉(zhuǎn)域內(nèi)氣流之間的交換越容易。由于分級(jí)輪的轉(zhuǎn)向與流體進(jìn)入筒體的方向相反，故被動(dòng)旋轉(zhuǎn)域內(nèi)氣流與旋轉(zhuǎn)域內(nèi)氣流的旋轉(zhuǎn)方向相反，因此氣流的運(yùn)動(dòng)及壓力相互抵消的就越多，越往分級(jí)輪內(nèi)部，壓力就越小。

符合粒徑要求的物料粒子進(jìn)入分級(jí)輪內(nèi)部后，因分級(jí)輪內(nèi)部與出料口處存在壓差，物料粒子受到壓力作用從出料口排出，壓差越大越有利于物料粒子的排出。設(shè)分級(jí)輪內(nèi)部旋轉(zhuǎn)域壓力的最小值與出料口處壓力的差值為Δp，圖6 所示為葉片數(shù)量與壓差Δp的變化關(guān)系。葉片數(shù)量為48 片時(shí)Δp 最大，進(jìn)入分級(jí)輪內(nèi)部旋轉(zhuǎn)域的物料粒子所受到的壓力差就較大，更有利于符合粒徑要求的顆粒排出。

圖 6 葉片數(shù)量與壓差Δp的變化關(guān)系

2.3 軸向速率分析

圖7 為XOY 截面內(nèi)，不同葉片數(shù)量對(duì)筒體內(nèi)部軸向速率的影響云圖，圖8 為葉片垂直于Y 軸時(shí)分級(jí)輪截面的軸向速率變化情況。

圖 7 葉片數(shù)量與軸向速率變化云圖

圖 8 葉片數(shù)量與軸向速率的變化關(guān)系

圖8 中，分級(jí)輪內(nèi)部旋轉(zhuǎn)域中顆粒的軸向速率較大，變化幅度較大；筒壁到分級(jí)輪之間被動(dòng)旋轉(zhuǎn)域的顆粒軸向速率較小，且變化幅度較小。這是由于物料粒子進(jìn)入筒體后，受到重力作用后向下運(yùn)動(dòng)，故其軸向速率減?。皇茇?fù)壓抽吸作用，物料粒子加速向分級(jí)輪中心靠攏，故分級(jí)輪內(nèi)部軸向速率較大。

顆粒軸向速率的變化也是評(píng)價(jià)流場(chǎng)穩(wěn)定性的指標(biāo)之一，分級(jí)輪內(nèi)部旋轉(zhuǎn)域顆粒軸向速率變化越小，流場(chǎng)越穩(wěn)定，越有利于分級(jí)。計(jì)算分級(jí)輪內(nèi)部軸向速率最大值與最小值之差（即軸向速率極差Δv），葉片數(shù)量與軸向速率極差Δv 的關(guān)系如圖9 所示。當(dāng)葉片數(shù)量為12 片時(shí)，軸向速率極差Δv 最小，說(shuō)明分級(jí)輪內(nèi)部的流場(chǎng)較穩(wěn)定，有利于分級(jí)。

綜上所述，葉片數(shù)量為48 片時(shí)，湍動(dòng)能極差ΔΕ 最小，且軸向速率極差Δv 較小，說(shuō)明分級(jí)輪內(nèi)流場(chǎng)最為穩(wěn)定，利于物料粒子的分級(jí)；葉片為48片時(shí)壓差極值Δp 最大，利于物料粒子排出。故分級(jí)輪直徑為297 mm的情況下，葉片數(shù)量為48片時(shí)分離效果最佳。

圖 9 葉片數(shù)量與軸向速率極差Δv的變化關(guān)系

3 葉片形狀

不同形狀的葉片對(duì)旋風(fēng)分離器分級(jí)效果的影響也不同?，F(xiàn)對(duì)直葉片、斜葉片和弧形葉片3 種形狀的葉片對(duì)分離效果的影響進(jìn)行分析，其中葉片數(shù)量均為48 片，且斜葉片角度為30°。

3.1 湍動(dòng)能分析

圖 10 不同葉片形狀時(shí)顆粒湍動(dòng)能變化云圖

圖 11 葉片形狀與湍動(dòng)能的變化關(guān)系

表 2 葉片形狀與湍動(dòng)能極差ΔΕ的變化關(guān)系

3.2 壓力分析

圖 12 葉片形狀與壓力變化云圖

圖 13 葉片形狀與壓力的變化關(guān)系

由圖13 可知，不同葉片形狀對(duì)分級(jí)輪內(nèi)部壓力的影響較小?；⌒稳~片的分級(jí)輪內(nèi)部壓力較大，說(shuō)明被動(dòng)旋轉(zhuǎn)域和旋轉(zhuǎn)域內(nèi)氣流相互交換的可能性小于其他兩種葉片。表3 為3 種葉片形狀情況下的壓差Δp，其中，葉片形狀為弧形時(shí)分級(jí)輪內(nèi)的壓差Δp最大，最利于符合粒徑要求的物料粒子排出。

表 3 葉片形狀與壓力極差Δp的變化關(guān)系

3.3 軸向速率分析

圖 14 葉片形狀與顆粒軸向速率變化云圖

圖 15 葉片形狀與顆粒軸向速率的變化關(guān)系

由圖15 可知，葉片形狀為弧形時(shí)，軸向速率及其變化均較大，說(shuō)明分級(jí)輪內(nèi)部流場(chǎng)較不穩(wěn)定；而葉片形狀為直葉片和斜葉片時(shí)，分級(jí)輪內(nèi)部軸向速率均較小，且變化也較小，說(shuō)明流場(chǎng)較為穩(wěn)定。

表4 為不同葉片形狀時(shí)，分級(jí)輪內(nèi)部顆粒軸向速率極差Δv 的變化情況，斜葉片時(shí)顆粒的Δv 最小，說(shuō)明分級(jí)輪內(nèi)部流場(chǎng)最穩(wěn)定，最有利于分級(jí)。

表 4 葉片形狀與軸向速率極差Δv的變化關(guān)系

綜上所述，葉片形狀為斜葉片時(shí)，顆粒湍動(dòng)能和軸向速率的極差Δv 均最小，說(shuō)明分級(jí)輪內(nèi)部的流場(chǎng)最穩(wěn)定；而弧形葉片的壓力差Δp 最大，最利于物料粒子排出，與前兩種葉片的壓差相比，差值分別為711.8，634.2 Pa，均較小，因此，3 種葉片形狀中，斜葉片的綜合分級(jí)效果最佳。

4 葉片傾角

分級(jí)輪中葉片傾角的大小對(duì)分級(jí)效果也有一定影響。在分級(jí)輪直徑為297 mm 情況下，葉片傾角小于15°或大于40°時(shí)，分級(jí)效果較差，因此，僅針對(duì)葉片傾角為15°～40°時(shí)的情況進(jìn)行分析比較，葉片均斜葉片，其數(shù)量為48 片。

4.1 湍動(dòng)能分析

圖16 為不同葉片傾角下顆粒湍動(dòng)能的變化云圖，圖17 是不同葉片傾角時(shí)顆粒湍動(dòng)能的具體變化值。

圖 16 葉片傾角與湍動(dòng)能變化云圖

圖 17 葉片傾角與湍動(dòng)能的變化關(guān)系

如圖17 所示，隨著葉片傾角的變化，被動(dòng)旋轉(zhuǎn)域筒體至分級(jí)輪之間物料粒子的湍動(dòng)能極值也不斷變化，這說(shuō)明葉片傾角不同時(shí)，物料粒子與葉片發(fā)生碰撞的可能性也不同。當(dāng)葉片傾角為15°和35°時(shí)，顆粒湍動(dòng)能的極值較大，說(shuō)明物料粒子與葉片發(fā)生碰撞的可能性較小，能量損失較少；而當(dāng)葉片傾角為30°時(shí)，筒體至分級(jí)輪之間的粒子湍動(dòng)能極值最小，物料粒子與葉片發(fā)生碰撞的可能性最大，其能量損失也較大。

表5 為不同葉片傾角下分級(jí)輪內(nèi)部湍動(dòng)能的極差ΔΕ 變化情況。葉片傾角為30°時(shí)，分級(jí)輪內(nèi)部湍動(dòng)能極差ΔΕ 最小，說(shuō)明分級(jí)輪內(nèi)部湍動(dòng)能分布最均勻，流場(chǎng)最穩(wěn)定，分級(jí)效果最好。

表 5 葉片傾角與湍動(dòng)能極差ΔΕ的變化關(guān)系

4.2 壓力分析

圖18 為不同葉片傾角時(shí)筒體內(nèi)部壓力變化云圖，圖19 是葉片傾角與壓力的具體變化關(guān)系。

圖 18 葉片傾角與壓力變化云圖

圖 19 葉片傾角與壓力的變化關(guān)系

圖20 所示為不同葉片傾角與壓差Δp 的變化關(guān)系，當(dāng)葉片傾角為35°時(shí)，分級(jí)輪內(nèi)部的壓力與出料口處的壓差Δp 最大，即最利于物料粒子排出。

圖 20 葉片傾角與壓差Δp 的變化關(guān)系

4.3 軸向速率分析

圖21 表示不同葉片傾角時(shí)筒體內(nèi)部顆粒軸向速率變化云圖，圖22 是顆粒軸向速率的具體變化值。圖23為不同葉片傾角與軸向速率極差Δv的變化關(guān)系。

圖 21 葉片傾角與軸向速率變化云圖

由圖23 可知，當(dāng)葉片傾角θ 為30°時(shí)，湍動(dòng)能極差ΔE 和軸向速率極差Δv 都最小，分級(jí)輪內(nèi)部的流場(chǎng)最穩(wěn)定；壓差Δp 雖不是最大，但與其他葉片傾角時(shí)壓差Δp 的差距較小，綜合考慮后可知，葉片傾角為30°時(shí)分級(jí)分離效果最佳。

圖 22 葉片傾角與軸向速率的變化關(guān)系

圖 23 葉片傾角與軸向速率極差Δv 的變化關(guān)系

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)旋風(fēng)分離器中分級(jí)輪葉片數(shù)量、形狀和傾角進(jìn)行分析研究后可知，葉片數(shù)量為48 片時(shí)，顆粒湍動(dòng)能極差最小，壓差極值最大，且軸向速率極差較小，分級(jí)輪內(nèi)流場(chǎng)最為穩(wěn)定，較利于分級(jí)；葉片形狀為斜葉片時(shí)，顆粒湍動(dòng)能和軸向速率的極差均最小，壓差較大，分級(jí)輪內(nèi)部的流場(chǎng)最為穩(wěn)定，較利于分級(jí)；葉片傾角為30°時(shí)，顆粒湍動(dòng)能極差和軸向速率極差都最小，且與其他葉片傾角情況時(shí)的壓差差值較小，分級(jí)輪內(nèi)部的流場(chǎng)最穩(wěn)定，利于分級(jí)。綜合考慮后可知，葉片數(shù)量為48 片，傾角為30°的斜葉片分級(jí)效果最佳。

上述分析是在進(jìn)出口壓力、分級(jí)輪轉(zhuǎn)速均為設(shè)定值情況下得到的局部?jī)?yōu)選值，還應(yīng)進(jìn)一步改變進(jìn)出口壓力、分級(jí)輪轉(zhuǎn)速，尋求綜合最優(yōu)條件。