旋风分离器分级轮结构对分级效果影响的研究（上）|分离器|方向|气流|流体|物料

作者：许梦冯俊萍曹清林(江苏理工学院机械工程学院）

摘要：为了优化旋风分离器的分级轮结构，增强分级效果，提高分级效率，采用Fluent软件模拟分析了分级轮在不同叶片形状、数量和倾角情况下，旋风分离器内颗粒湍动能、压力和轴向速率的变化情况。在特定边界条件下，叶片数量为4 8 片时，颗粒湍动能极差最小，压差极值最大，且轴向速率极差较小，分级轮内流场较为稳定；叶片形状为斜叶片时，颗粒湍动能和轴向速率的极差均最小，压差较大，分级轮内部的流场较为稳定；叶片倾角为3 0。时，颗粒湍动能极差和轴向速率极差都最小，且比其他叶片倾角角度的压差差值更小，分级轮内部的流场较稳定，利于分级。

关键词：旋风分离器分级轮结构 Fluent 叶片

中图分类号TD 454

DOI:10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2020.04.007

旋风分离器分级效果的主要影响因素包括进出口压力、分级轮转速以及分级轮结构等[1-3],决定分级轮结构的主要因素有叶片数量、形状和倾角，优选这些参数可以显著提高分离器的分级效果，所以分级轮结构是影响分离器分级效果的重要因素。

增加分离器的进出口压力，能够提高分级轮内部流场的稳定性，提高分级效果[4-5]。当于特定分离器的分级轮转速为6000~7000r/min 时，分离器内流场较为稳定，可以改善分级物的粒径分布[6-7]并有利于减小分级粒径[8]。另外，采用特定的安装方式可以增加叶片和转笼的刚度，提高分离器的分级效率[9],增加排气芯管、采用二次进风口、改变导流盘倾斜角度和形状等方式，均可以提高分离器的分级效果[10-12]。分级轮结构（参数）与分离器分级效果之间的关系仍需进行进一步研究，下文对此进行了初步分析。

1 旋风分离器结构及其流场模型

1.1旋风分离器结构

图1为旋风分离器与分级轮结构示意图。物料自进料口处进人筒体，经过分级轮作用后，合格的物料颗粒在负压抽吸作用下从出料口排出，不合格物料(较重）颗粒下落至筒体底部排出。

1—筒体 2—进料口 3—出料口 4—分级轮

图1 旋风分离器及分级轮结构示意图

分离器的分级效果主要与进出口压力大小、分级轮转速和分级轮结构等因素有关，在进出口压力和分级轮转速一定的情况下，分级轮结构决定了分级效果。

分级轮主要由框架和叶片两部分组成，框架直径一定的情况下，叶片数量、倾角θ和形状决定了其分级效果。常见的叶片形状有直叶片和弧形叶片，如图1 d ) 和图1 e ) 所示。直叶片在分级轮上的安装方式有两种，一种是如图1 c ) 中θ≠0°的安装方式，称之为斜叶片，当θ = 0 °时，则称之为直叶片。弧形叶片一般采用直叶片方式安装。

1.2流场模型及边界条件

为了分析分级轮叶片数量、倾角θ和形状与分级效果之间的关系，采用Fluent软件对其进行分析，并建立了分级流场模型。旋风分离器分级轮在电机驱动下旋转，旋风分离器内部形成了两部分流场，即分级轮实体内部结构区域和被动旋转区域，也就是分级轮外轮廓至筒体内壁之间的区域。物料进人分级器后，颗粒在两旋转域内形成流场，通过分析流场，尤其是分析分级轮内部流场的湍动能、压力和轴向速率分布情况可以判断其分级效果。

湍动能是流体湍流脉动的动能，流场内流体的湍动能变化越小，流场越稳定，越有利于物料颗粒分级。为了使符合粒径要求的颗粒及时从筒体内排出，在出料口处采用负压抽吸，分级轮内区域（旋转域）与出口处的压力差越大，颗粒受到的压力就越大，越有利于符合粒径要求的颗粒排出。颗粒在筒体流场内的运动方向主要为切向（与分级轮圆周相切方向）、径向（指向分级轮轴线Y并与之垂直方向）和轴向[分级轮轴线Y方向，如图1 a ) 所示]3个方向。对于竖直放置的分级轮，筒体内流体高速旋转产生强旋流，对竖直方向（轴向）的颗粒运动产生阻碍，轴向颗粒运动速率的变化可以反映流场轴向的稳定性，轴向颗粒运动速率变化越小，流场就越稳定，越有利于颗粒分级。

采用Fluent软件分析时，需先对筒体、分级轮和叶片模型进行网格划分，共将其划分为316 201网格，1 588 324个节点，然后设置边界条件，进口压力为20000 Pa，出口压力为-3000 Pa, 分级轮转速为 6000r/min, 物料密度为 1300kg/m³。

2 叶片数量

分级轮叶片数量会对分级效果产生影响，根据实际使用经验，在分级轮直径（297mm ) —定的情况下,叶片数量少于12片或多于60片时，分级效果较差,现针对叶片为12-60片的情况进行分析比较，且其叶片为30°斜叶片。

2.1湍动能分析

以分级轮轴线为Y轴，筒体底面的圆心点为坐标原点O , 通过原点O并与Y轴垂直的直线为横坐标X，建立如图1 a ) 所示的坐标系。图2 所示是不同叶片数量情况下，垂直于Y轴，并通过分级轮截面的流场内湍动能的变化云图，图3是湍动能的具体变化值，其中，横坐标X，为筒体横向方向，如图1 a ) 所示，纵坐标为湍动能大小。

图2 叶片数置与湍动能变化云图

图3 不同叶片数置对湍动能的影响

由图3可知，分级轮内部（x< ± 297/2 mm) 旋转域颗粒湍动能均较小，且变化较小，流场较为平稳；分级轮外部被动旋转域的流体湍动能较大，越接近筒体壁，颗粒湍动能越大，且变化也较大，说明流场非常不稳定。所以，将出料口设置在分级轮轴线的正上方，物料粒子在进入分级轮内部稳定流场后，更加利于符合粒径要求的物料排出。

图3中，x≈0.15 m 处，颗粒湍动能较大，叶片数量越少，颗粒湍动能的极值越大，这是由于该位置位于进料口处，高速运动的物料粒子沿筒壁进料口射入，此时粒子具有较高的能量，所以流体的湍动能具有极值。叶片数量越少，粒子和叶片碰撞的可能性越小，其能量损耗也越小，所以湍动能极值就越大。物料粒子沿筒体壁在被动旋转域内旋转，由于分级轮上方负压抽吸作用，粒子从被动旋转域逐渐进人分级轮内部的旋转域，也就是稳定的流场。在该过程中，粒子受到负压抽吸、与分级轮叶片碰撞等共同作用，能量逐渐损耗，所以分级轮内部的湍动能较小。

随着叶片数量不断增加， x≈0.15 m处湍动能逐渐减小，整个变化曲线趋于对称。这是由于叶片数量越多，叶片之间的间隙越小，从进料口高速射入的粒子与分级轮叶片碰撞的可能性越大，能量损耗也越大，粒子剩余能量就越少。出料口位于分级轮上方，分级轮内部流场的稳定程度决定了分级效果，所以分级轮内部颗粒湍动能变化越小，越利于分级。

分级轮内部颗粒湍动能变化的极差ΔE（即湍动能最大值与最小值的差值）如表1所示，分级轮叶片数量为48片时，极差ΔE最小，说明湍动能分布最均匀，流场最为稳定，分级效果最好。

表1 叶片数置与分级轮内部湍动能极差ΔE的关系

叶片数量/片

湍动能极差/（J·kg-1）

2.2 压力分析

在图1 a ) 所示的XOY 截面内，分析叶片数量^筒体内部压力的影响，图4所示是压力变化云图，图5所示是叶片垂直于Y轴时，分级轮截面的压力变化情况。

图5中，进料口在筒壁附近，进料口处的压力较大，因此筒壁附近压力较大。流体进人筒体后，在被动旋转域内旋转，并向筒体中心扩散，距离筒壁越远,压力越小，即越接近筒体中心位置，压力较小。

图4 叶片数置与压力变化云图

图5 叶片数置与压力的变化关系

分级轮叶片数量越少，叶片之间的间隙越大，被动旋转域内气流与旋转域内气流之间的交换越容易。由于分级轮的转向与流体进人筒体的方向相反，故被动旋转域内气流与旋转域内气流的旋转方向相反，因此气流的运动及压力相互抵消的就越多，越往分级轮内部，压力就越小。

符合粒径要求的物料粒子进人分级轮内部后，因分级轮内部与出料口处存在压差，物料粒子受到压力作用从出料口排出，压差越大越有利于物料粒子的排出。设分级轮内部旋转域压力的最小值与出料口处压力的差值为Δp，图6 所示为叶片数量与压差Δp的变化关系。叶片数量为48片时Δp最大，进入分级轮内部旋转域的物料粒子所受到的压力差就较大，更有利于符合粒径要求的颗粒排出。

图6 叶片数量与压差的变化关系

2.3轴向速率分析

图7为XOY截面内，不同叶片数量对筒体内部轴向速率的影响云图，图8为叶片垂直于y 轴时分级轮截面的轴向速率变化情况。

图7 叶片数量与轴向速率变化云图

图8 叶片数置与轴向速率的变化关系

图8 中，分级轮内部旋转域中颗粒的轴向速率较大，变化幅度较大；筒壁到分级轮之间被动旋转域的颗粒轴向速率较小，且变化幅度较小。这是由于物料粒子进人筒体后，受到重力作用后向下运动，故其轴向速率减小；受负压抽吸作用，物料粒子加速向分级轮中心靠拢，故分级轮内部轴向速率较大。

颗粒轴向速率的变化也是评价流场稳定性的指标之一，分级轮内部旋转域颗粒轴向速率变化越小,流场越稳定，越有利于分级。计算分级轮内部轴向速率最大值与最小值之差（即轴向速率极差Δv )，叶片数量与轴向速率极差Δv的关系如图9 所示。当叶片数量为12片时，轴向速率极差Δv最小，说明分级轮内部的流场较稳定，有利于分级。

综上所述，叶片数量为48片时，湍动能极差Δp最小，且轴向速率极差Δv较小，说明分级轮内流场最为稳定，利于物料粒子的分级；叶片为48片时压差极值Δp最大，利于物料粒子排出。故分级轮直径为297 mm的情况下，叶片数量为48片时分离效果最佳。

3叶片形状

不同形状的叶片对旋风分离器分级效果的影响也不同。现对直叶片、斜叶片和弧形叶片3种形状的叶片对分离效果的影响进行分析，其中叶片数量均为48片，且斜叶片角度为30°。

3.1湍动能分析

图10为不同形状叶片颗粒湍动能的变化云图,图11是不同形状叶片时颗粒湍动能的具体变化情况。

图10 不同形状叶片颗粒湍动能的变化云图

图11 叶片形状与湍动能的变化关系

图11中，在筒体筒壁至分级轮之间，颗粒的湍动能具有极值，叶片为直叶片时极值最大，叶片为斜叶片极值时最小。这是由于物料粒子从进料口射人后，在分级轮内部与叶片碰撞产生能量损耗。斜叶片与物料粒子接触面积最大，发生碰撞的可能性最大，粒子能量损耗最多，所以颗粒湍动能极值最小；直叶片与物料粒子接触面积最小，发生碰撞的可能性最小，粒子能量损耗最小，所以颗粒湍动能极值最大。

表2 所示为不同叶片形状情况下，分级轮内部湍动能极差ΔE的变化情况。叶片形状为斜叶片时,分级轮内部湍动能极差ΔE最小，流场最稳定，有利于分级。

表2 叶片形状与湍动能极差ΔE的变化关系

叶片形状

直叶片

斜叶片

弧形叶片

湍动能极差ΔE/(J·kg-1)

未完待续

来源：化工装备技术