多種分離器轉子動葉片流場仿真分析研究

李柏林

成都建筑材料工業設計研究院有限公司，四川 成都 610051

多種分離器轉子動葉片流場仿真分析研究

李柏林

成都建筑材料工業設計研究院有限公司，四川 成都 610051

分離器用于立式輥磨機物料的分級，動葉片是影響分離器物料分級效果的關鍵因素之一，所以，研究動葉片對分離器分級區域流場影響十分必要。由于市面上分離器品種繁多，分級區域的動葉片結構形式較多，使設計或應用選型易產生困惑。選取了幾種常見動轉子葉片進行研究，通過分析比較幾種葉片形狀對流場的影響結果，為分離器選型和后續研發設計新型產品提供參考。

分離器 動葉片 流場仿真

0 引言

分離器作為大型立式輥磨機分級物料核心組件，其分離效率是影響磨內循環負荷高低主要因素之一，直接影響研磨系統能耗高低等。因而，研究分離器分級區域，提高分級效率，有利于提高立式輥磨機綜合能效比，經濟效率明顯。本文將結合實際數據，通過軟件對分離器分級區域進行流場模擬，研究不同形狀的動轉子葉片在相同工況下對分離器分級區流場的影響。

1 分析模型及工況分析

為增加分析結果的可比性，除動葉片本身結構形狀不同之外，其它給定的每種動葉片結構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規格的大型立式輥磨機配套分離器結構布局為基礎數據，得到模型結構豎剖面截圖，見圖1。

根據系統工況工藝參數計算和分離器實際分級物料能力需求，分離器分級動轉子直徑取6 m。根據李翔等人在《立式輥磨機選粉機分級環間距對分級性能的影響分析結果》表明：分離器動、靜轉子的間距為110 mm時，粒徑小于80μm的顆粒通過率達到最佳，使分離器的分級性能達到最優化[1]。所以，這里取環間距為110 mm。

1.2 工況分析

由圖1可知，帶料氣體由區域①經靜轉子導向，在區域②實現分流和粗細物料分離，粒徑合格的粒料隨氣流進入區域③，被帶出立式輥磨機，粒徑的不合格粒料向下落至區域④集料斗，重新進入磨盤，再次被研磨。完成一次粗細粒料分離和粗料內循環。

圖1 大型立式輥磨機分離器模型豎剖面

大型立式輥磨機具有研磨和烘干物料功能，其研磨出來的細粉物料，是以熱風為載體，熱風攜帶粒料經過分離器后，合格細粉粒料被帶出立式輥磨機。所以，經過分離器流域的流場為氣—固兩相，分離器內的料氣比一般≤3 kg/m3，其固相占比體積分數遠小于10%，所以這里采用標準的k-ε湍流模型進行分析，選定不可壓縮空氣（Air）作為介質流體。

2 分離器流場分析

分離器流場分析分為以下幾步完成：一、研究對象分析及模型簡化，二、邊界條件，三、結果分析。

2.1 研究對象分析及模型簡化

目前，行業內部關于分離器流場方面研究很多，比如李翔等人通過CFD計算流場模擬研究分析了立式輥磨機選粉機分級環間距對分級性能的影響[1]，綦海軍等人通過CFD流場分析研究了動轉子轉速與立式輥磨機系統風量對分級區域的影響[2]，劉家祥等人通過實驗研究了分級環形區域寬度對選粉機分級指標的影響規律等等[3]。本文分析研究I、L、Z和水滴形四種動轉子葉片在相同的工況條件下對分級區域流場的影響分析。

為了節約計算機資源、簡單直觀地展示分析結果，對分析模型進行了適當的簡化截取動轉子中截面A-A（見圖1）為研究對象，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 四種動葉片分析模型

2.2 邊界條件

如上節介紹，分離器分級區域邊界由Inlet、Fixed blade、Interfaces、Moving blade和Outlet組成，Interfaces外側為邊界固定區域（Fixed region），內側為旋轉區域(Rotational region)，以I動轉子葉片分布為例，如圖3所示。其中靜葉片(Fixed blade)為60片，動葉片(Moving blade)數量為80片，流體進口（Inlet）直徑7 m，動、靜交界面（Interfaces）直徑6 m，流體出口（Oulet）直徑4.8 m。設置靜葉片輪廓邊界類型為壁面Wall，并設定為反射面（Reflect）類型，其回彈系數參考文獻[2]和[4]；設置旋轉區域旋轉速度ω=4.2 rad/s(順時針方向)，動葉片為相對旋轉區域無滑移（No slip）連接類型。

結合分離器實際工程運轉工況，給定流場流體進口（Inlet）速度Vi=8 m/s，流體流場出口（Outlet）壓力Po=-600 Pa。又因為分離器內流體流場為氣-固兩相流，其內料氣比一般≤3 kg/m3，因此，其固相體積分數占總體積比遠小于10%[1]，而本文主要研究動葉片形狀對流體流場的影響，對固相顆粒不作深入研究，所以，這里選擇空氣（air）作為流體流場介質。通過計算氣相流場求解，研究在不同葉片形狀下流體運動規律。

圖3 I形動葉片邊界條件示意圖

2.3 結果分析

利用流體分析軟件求解模型。在相同求解條件下，得到四種不同動轉子葉片的分級區域氣相速度分布云圖，見圖4。

圖4 四種動葉片對應速度分布云圖

觀察圖4中四種動葉片對應速度分布，不難發現在相同的邊界和初始條件下，氣流經過靜葉片和I、L、Z和水滴形四種動轉子葉片之間區域后，流體流場分布差異較大。4種動葉片情況下，其中I形轉子作用下區域②（見圖1所示）速度最高（為52 m/s），L形最低（為44.9 m/s）；從動葉片背后深藍色分布區域（即流體速度損失的區域）來看，I→L→Z→水滴形速度損失越來越小，水滴形動葉片情況下，Outlet出口速度要比其他幾種速度大的多。根據分離器的分級原理，分級環區域速度對粗細粒料分離是起決定性作用的。如圖5所示，F為動轉子旋轉對粒料產生的離心力，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也就越大才能實現，否則，F值不足夠的情況下，粒料將直接穿過動葉片，無法實現分離。而動葉片背面的低速區域可能會影響其后的流體流場分布。為了進一步分析這種影響，將速度云圖轉化為速度矢量圖，作了局部放大圖6，以便進一步深入分析。

圖5 粒料受力圖

圖6是相同求解條件下，四種不同動轉子葉片條件下的分離器分級區域氣相局部速度矢量圖。

圖6 四種動葉片對應局部速度矢量圖

通過觀察分析圖6速度矢量云圖，可以發現流體在經過I形和水滴形動葉片時，在其后產生了明顯的旋轉渦流，但相對的，水滴形葉片后渦流范圍要小的多，流體在通過水滴形動葉片后，速度大小和矢量分布更加均勻，據此推斷水滴形物料分選效率可能要高于I形動葉片。而L、Z動葉片速度矢量圖表明，其葉片背面區域渦流現象不明顯，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現，Z形的打散渦流效果要優于L形動葉片。

3 結束語

通過以上分析不難發現，I形動葉片結構最為簡單，材料成本最省，但是，其后背渦流明顯，對分離物料是不利的，尤其是精細粒料的分選；L、Z動葉片具有較好的打散葉片后側渦流的能力，相對的Z形要優于L形，有利于物料的分級；而水滴形動葉片由其平滑的外形使得，流體速度損失較小，在動轉子葉片后粒料分布更加均勻，但相對制作成本高。

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

[1] 李翔, 綦海軍, 李雙躍.立磨選粉機分級環間距對分級性能的影響[J]. 化工學報, 2013(4):77-83.

[2] 綦海軍, 李雙躍, 任朝富, 等. 立磨選粉機導流圈的數值模擬與分析[J]. 浙江工業大學學報,2012,40(1):70-74.

[3] 劉家祥. 高效渦流空氣分級機分級機理及開發[D]. 西安交通大學, 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