多种分离器转子动叶片流场仿真分析研究

李柏林

成都建筑材料工业设计研究院有限公司，四川 成都 610051

多种分离器转子动叶片流场仿真分析研究

李柏林

成都建筑材料工业设计研究院有限公司，四川 成都 610051

分离器用于立式辊磨机物料的分级，动叶片是影响分离器物料分级效果的关键因素之一，所以，研究动叶片对分离器分级区域流场影响十分必要。由于市面上分离器品种繁多，分级区域的动叶片结构形式较多，使设计或应用选型易产生困惑。选取了几种常见动转子叶片进行研究，通过分析比较几种叶片形状对流场的影响结果，为分离器选型和后续研发设计新型产品提供参考。

分离器 动叶片 流场仿真

0 引言

分离器作为大型立式辊磨机分级物料核心组件，其分离效率是影响磨内循环负荷高低主要因素之一，直接影响研磨系统能耗高低等。因而，研究分离器分级区域，提高分级效率，有利于提高立式辊磨机综合能效比，经济效率明显。本文将结合实际数据，通过软件对分离器分级区域进行流场模拟，研究不同形状的动转子叶片在相同工况下对分离器分级区流场的影响。

1 分析模型及工况分析

为增加分析结果的可比性，除动叶片本身结构形状不同之外，其它给定的每种动叶片结构尺寸和边界条件完全一致。

1.1 分析模型

为方便模型建立，选择磨盘直径为6 m规格的大型立式辊磨机配套分离器结构布局为基础数据，得到模型结构竖剖面截图，见图1。

根据系统工况工艺参数计算和分离器实际分级物料能力需求，分离器分级动转子直径取6 m。根据李翔等人在《立式辊磨机选粉机分级环间距对分级性能的影响分析结果》表明：分离器动、静转子的间距为110 mm时，粒径小于80μm的颗粒通过率达到最佳，使分离器的分级性能达到最优化[1]。所以，这里取环间距为110 mm。

1.2 工况分析

由图1可知，带料气体由区域①经静转子导向，在区域②实现分流和粗细物料分离，粒径合格的粒料随气流进入区域③，被带出立式辊磨机，粒径的不合格粒料向下落至区域④集料斗，重新进入磨盘，再次被研磨。完成一次粗细粒料分离和粗料内循环。

图1 大型立式辊磨机分离器模型竖剖面

大型立式辊磨机具有研磨和烘干物料功能，其研磨出来的细粉物料，是以热风为载体，热风携带粒料经过分离器后，合格细粉粒料被带出立式辊磨机。所以，经过分离器流域的流场为气—固两相，分离器内的料气比一般≤3 kg/m3，其固相占比体积分数远小于10%，所以这里采用标准的k-ε湍流模型进行分析，选定不可压缩空气（Air）作为介质流体。

2 分离器流场分析

分离器流场分析分为以下几步完成：一、研究对象分析及模型简化，二、边界条件，三、结果分析。

2.1 研究对象分析及模型简化

目前，行业内部关于分离器流场方面研究很多，比如李翔等人通过CFD计算流场模拟研究分析了立式辊磨机选粉机分级环间距对分级性能的影响[1]，綦海军等人通过CFD流场分析研究了动转子转速与立式辊磨机系统风量对分级区域的影响[2]，刘家祥等人通过实验研究了分级环形区域宽度对选粉机分级指标的影响规律等等[3]。本文分析研究I、L、Z和水滴形四种动转子叶片在相同的工况条件下对分级区域流场的影响分析。

为了节约计算机资源、简单直观地展示分析结果，对分析模型进行了适当的简化截取动转子中截面A-A（见图1）为研究对象，在CAD模型空间建立分析模型，得出如下四种分析模型，见图2。

图2 四种动叶片分析模型

2.2 边界条件

如上节介绍，分离器分级区域边界由Inlet、Fixed blade、Interfaces、Moving blade和Outlet组成，Interfaces外侧为边界固定区域（Fixed region），内侧为旋转区域(Rotational region)，以I动转子叶片分布为例，如图3所示。其中静叶片(Fixed blade)为60片，动叶片(Moving blade)数量为80片，流体进口（Inlet）直径7 m，动、静交界面（Interfaces）直径6 m，流体出口（Oulet）直径4.8 m。设置静叶片轮廓边界类型为壁面Wall，并设定为反射面（Reflect）类型，其回弹系数参考文献[2]和[4]；设置旋转区域旋转速度ω=4.2 rad/s(顺时针方向)，动叶片为相对旋转区域无滑移（No slip）连接类型。

结合分离器实际工程运转工况，给定流场流体进口（Inlet）速度Vi=8 m/s，流体流场出口（Outlet）压力Po=-600 Pa。又因为分离器内流体流场为气-固两相流，其内料气比一般≤3 kg/m3，因此，其固相体积分数占总体积比远小于10%[1]，而本文主要研究动叶片形状对流体流场的影响，对固相颗粒不作深入研究，所以，这里选择空气（air）作为流体流场介质。通过计算气相流场求解，研究在不同叶片形状下流体运动规律。

图3 I形动叶片边界条件示意图

2.3 结果分析

利用流体分析软件求解模型。在相同求解条件下，得到四种不同动转子叶片的分级区域气相速度分布云图，见图4。

图4 四种动叶片对应速度分布云图

观察图4中四种动叶片对应速度分布，不难发现在相同的边界和初始条件下，气流经过静叶片和I、L、Z和水滴形四种动转子叶片之间区域后，流体流场分布差异较大。4种动叶片情况下，其中I形转子作用下区域②（见图1所示）速度最高（为52 m/s），L形最低（为44.9 m/s）；从动叶片背后深蓝色分布区域（即流体速度损失的区域）来看，I→L→Z→水滴形速度损失越来越小，水滴形动叶片情况下，Outlet出口速度要比其他几种速度大的多。根据分离器的分级原理，分级环区域速度对粗细粒料分离是起决定性作用的。如图5所示，F为动转子旋转对粒料产生的离心力，G为物料重力，所以，要分离相同的直径的粒料，速度V愈大，所需离心力F也就越大才能实现，否则，F值不足够的情况下，粒料将直接穿过动叶片，无法实现分离。而动叶片背面的低速区域可能会影响其后的流体流场分布。为了进一步分析这种影响，将速度云图转化为速度矢量图，作了局部放大图6，以便进一步深入分析。

图5 粒料受力图

图6是相同求解条件下，四种不同动转子叶片条件下的分离器分级区域气相局部速度矢量图。

图6 四种动叶片对应局部速度矢量图

通过观察分析图6速度矢量云图，可以发现流体在经过I形和水滴形动叶片时，在其后产生了明显的旋转涡流，但相对的，水滴形叶片后涡流范围要小的多，流体在通过水滴形动叶片后，速度大小和矢量分布更加均匀，据此推断水滴形物料分选效率可能要高于I形动叶片。而L、Z动叶片速度矢量图表明，其叶片背面区域涡流现象不明显，说明叶片后端垂直半径方向的部分，一定程度上起到了打散涡流的效果；比较这两种叶片还可以发现，Z形的打散涡流效果要优于L形动叶片。

3 结束语

通过以上分析不难发现，I形动叶片结构最为简单，材料成本最省，但是，其后背涡流明显，对分离物料是不利的，尤其是精细粒料的分选；L、Z动叶片具有较好的打散叶片后侧涡流的能力，相对的Z形要优于L形，有利于物料的分级；而水滴形动叶片由其平滑的外形使得，流体速度损失较小，在动转子叶片后粒料分布更加均匀，但相对制作成本高。

因此，在本文给定边界条件下，依据上述仿真分析，得出结论是I形和水滴形动叶片适合分离粒料成品粒度相对较大的情况，如水泥原料粉磨粒料分级分离；L、Z动叶片具有打散涡流的能力，起到减小阻力和稳定流场的作用，推断其分选效率也将大大提高，这对精细粒料分离是有利的，所以，能较好地适应矿渣、钢渣和水泥熟料等一类要求细度更高的粒料分级分离。

[1] 李翔, 綦海军, 李双跃.立磨选粉机分级环间距对分级性能的影响[J]. 化工学报, 2013(4):77-83.

[2] 綦海军, 李双跃, 任朝富, 等. 立磨选粉机导流圈的数值模拟与分析[J]. 浙江工业大学学报,2012,40(1):70-74.

[3] 刘家祥. 高效涡流空气分级机分级机理及开发[D]. 西安交通大学, 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