選粉機常見動葉片阻力特性研究

摘要：本文針對工業應用中常見的四種動葉片結構，基于動力相似原理，設計了四種不同的動葉片工藝配置方案，采用計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，縮寫CFD）的滑移動網格技術數值研究了TRM56.4輥磨選粉機流場，得到了常見動葉片結構的阻力特性，為高效低阻選粉機的開發提供了重要的理論依據。

關鍵詞：選粉機 立磨 粉體 CFD 數值模擬

中圖分類號：TQ172.6+3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）09（c）-0020-03

近年來，隨著我國水泥工業生產無球化技術的推廣應用，立式輥磨在水泥生料粉磨、水泥熟料粉磨都得了廣泛的應用。選粉機是立式輥磨的一核心部件，其性能好壞直接決了產品的質量、系統產量及系統粉磨電耗，因此，為降低系統粉磨電耗，提高成品質量，國內外均對選粉機開展了深入的理論研究[1-6]，但對不同動葉片結構性能的研究還未見到過報道，此外選粉機轉子轉動過程的處理上均采用多重參照系MRF方法，MRF方法實質上是固定轉子，氣流按設定的轉速繞轉子及動葉片流動的方法，從理論上違背了選粉區內氣流由于轉子及動葉片的轉動而被動流動的實際物理過程，據此本文采用了滑移動網格方法處理選粉機轉子轉動過程。

1 幾何物理模型模型

本文結合TRM56.4立磨選粉機為研究對象，以降低選粉機阻力為結構優化目的，采用三維建模軟件構建選粉機流體域實體幾何模型，為采用滑移網格技術，以選粉機動-靜葉片1/2間隙柱面位置及轉子上、下面端面位置對選粉機幾何模型進行分割（圖1），將生成的三維幾何模型導出parasolid格式文件（*.x_t），并導入網格生成軟件Gambit2.4.6，采用網格加密和網格過渡技術，生成圖1所示的計算網格。為研究幾種常見動葉片的阻力特性，對“TRM”、“LV”、“Leosche”及“L”型動葉片結構基于動力相似（相同的動葉片靜態間隙風速）工藝計算結果（表1）分別進行幾何建模、網格劃分和流場計算，動葉片結構形式及尺寸見圖2。

2 計算邊界條件略。

3 數值求解

本文采用CFD商用軟件Fluent6.3非定常求解器，湍流模型采用RNG [7]湍流模型，速度-壓力耦合方程采用PISO算法[8]求解，差分格式除壓力采用PRESTO！格式外，其余均采用Third-Order MUSCL格式，滑移動網格求解設置如下：

1）定義轉子流體域為rotor，類型為Fluid，將rotor內轉子葉片、筋板、轉子軸等所有隨轉子一起轉動的幾何結構面統一定義為固壁rotor-wall，類型為WALL；

2）定義圖1所示滑移網格界面為INTERFACE類型邊界，輸出各流體域網格，并逐個導入CFD求解器，然后分別將Slide1-1與Slide1-2、Slide2-1與Slide2-2、Slide3-1與Slide3-2定義Slide1、Slide2、Slide3三個滑移網格副；其次，將轉子流體域rotor設置為動網格（Moving mesh），設置自轉revolving運動類型，并根據轉子轉動方向按右手定則定義轉軸矢量坐標，依據轉子設計或工作轉速度計算并設置rotor轉速α（rad/s）。

3）將轉子rotor-wall壁面設置為跟隨相鄰網格運動，將相對運動速度值設置為0m/s，實現轉子葉片及內部筋板、轉軸按照流體域rotor 設定的轉速度轉動

4）按表2所示的選粉機喂料量及喂料粒度分布定義DPM多相流模型，設置選粉機入口為顆粒相注入口，入口類型為面Surface，入射方向沿氣流方向。

5）求解器采用非定常求解器，并按照轉子轉速α（rad/s）、單個轉子葉片掃過相鄰靜子葉片間隙所經過的角度θ（rad），計算數值求解最大時間步長 、 ：

其中 整數，視實際求解過程的穩定性取值，n值越大求解越穩定，但計算收斂速度越慢。

6）初始化求解程序，設置求解殘差及選粉機進、出口壓力監控曲線，開始迭代計算，求解過程中視殘差曲線的穩定性調整計算時間步長 （ ），待選粉機進、出口壓力監控曲線水平或長時間規律波動、選粉機入口與成品出口和粗粉回料出口質量流速平衡，即可視為求解收斂。

4 計算結果與討論

圖2所示四種不同的動葉片結構在57r/min、35r/min兩種轉子轉速工況下選粉機阻力計算數據見表3。

各方案采用相同結構和數目的靜葉片，且動葉片數目基于動葉片間相同的靜態間隙風速條件計算得到，在相同的轉子轉速、選粉機風量和喂料量條件下，表1選粉機動葉片配置方案具有動力相似的條件，從而計算得到的選粉機阻力具有可比性，也即計算得到的各方案選粉機阻力主要是由于動葉片結構不同造成的。據表3，在兩種不同的轉子轉速條件下，均以“LV”動葉片方案具有最小的選粉機阻力；此外，在35r/min轉子轉速下，“LV”動葉片同其它方案的阻力差最大613.4Pa，最小345.2Pa，在57r/min條件下，陰力差最大957.7Pa，最小424.8Pa，這說明轉子速度越高，其低阻優勢越明顯。

根據圖2所示選粉機動葉片結構，“LV”動葉片區別于其它動葉片結構的共同點在于其外側擋板，該擋板能有效克服動葉片間氣流的旋轉離心力阻礙來自靜葉片的氣流進入動葉片間隙（圖3）；如無該擋板，動葉片間的旋轉氣流的離心力就在一定程度上阻礙靜葉片氣流進入動葉間隙（圖4），從而增加阻力。“Leosche”動葉片雖有外側擋板，但由于該擋板同葉片直段存在42°的夾角，在隨其內側轉子高速旋轉過程中，該擋板會直接對來自靜葉片的氣流產生外推作用，此外，42°夾角相對于LV的垂直角，其平衡動葉片間氣流離心作用的效果也造到削弱，這必然導致“Leosche”動葉片方案阻力最高，且轉子速度越高，阻力越高。

“LV”動葉片方案計算阻力低，這同工業應用實踐中“LV”選粉機相比“TRM”、“Leosche”、“L”型立磨選粉機阻力低的現象吻合，此說明本文所采用的選粉機流場數值研究方法合理，能基本正確反映工業生產實踐的現象。

5 結語

1）采用滑移動網格技術成功解決了選粉機流場研究中轉子轉動問題，改善了目前國內外普遍采用的MRF方法處理轉子轉動過程研究的不足，提高了選粉機流場研究的精度。

2）“LV”動葉片結構相對于“TRM”、“Leosche”、“L”型選粉機動葉片方案具有最低的阻力性能，且低阻優勢隨轉子速度的增加而增加。

3）選粉機動葉片在結構上要避免其外端在回轉過程中產生的外推來自靜葉片氣流作用的結構設計。

參考文件

[1] 童聰，李雙躍，綦海軍，等.立磨選粉機葉片結構對分級區速度場影響分析[J]， 化工進展，2012，31（4）：778-783.

[2] 童聰，李雙躍，綦海軍，等.立磨選粉機葉片參數的分析與優化設計[J].過程工程學報，2012，12（1）：14-18.

[3] 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.

[4] 陳杰來，姜大志，黃億輝.O-Sepa選粉機轉子結構對流場特性的影響[J]，中國粉體技術[J]，2011，17（6）：38-41.

[5] 范增曉，姜大志，黃億輝.O-SEPA選粉機內部流場數值模擬的方法選擇[J].江南大學學報（自然科學版），2011， 10（5）：568-572.

[6] Karunakumari L，Eswaraiah C，Jayanti S，et al，Experimental and numerical study of a rotating wheel air classi-fier[J].AIChE Journal，2005，51（3）：780.

[7] D.Choudhury.Introduction to the Renormalization Group Method and Turbulence Modeling.Fluent Inc.Technical Memorandum TM-107，1993.