旋轉(zhuǎn)閥的選型設(shè)計(jì)

楊寶華*

（格律克粉體工程（上海）有限公司）

0 前言

旋轉(zhuǎn)閥也稱旋轉(zhuǎn)葉片給料機(jī)或星形給料機(jī)，是一類用途特殊的閥門，用于散狀固體物料或粉粒狀物料的輸送。旋轉(zhuǎn)閥也是一種定量輸送設(shè)備，能將上部的物料連續(xù)、均勻地輸送到下一工藝過程中，其輸送量可根據(jù)工藝流程的不同要求通過轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，可調(diào)節(jié)的范圍一般為4～100 m3/h[1]。

旋轉(zhuǎn)閥常用于給料系統(tǒng)、氣力輸送系統(tǒng)、計(jì)量系統(tǒng)及計(jì)量輸送系統(tǒng)等，其特點(diǎn)是構(gòu)造簡單、安裝凈高低、占地少、造價(jià)便宜，適合安裝在輸送管道上或料倉出口。同時(shí)旋轉(zhuǎn)閥還具備鎖氣功能，能對(duì)燃燒和爆炸起隔離作用，因而其在化工、食品、材料等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。

1 旋轉(zhuǎn)閥的工作原理與使用條件

1.1 旋轉(zhuǎn)閥的工作原理

旋轉(zhuǎn)閥的星形輪由帶有徑向葉片的軸構(gòu)成，軸的兩端由軸承支撐，在旋轉(zhuǎn)過程中2 個(gè)葉片與外殼之間的區(qū)域即為運(yùn)料空間。當(dāng)物料下落到旋轉(zhuǎn)閥星形輪的2 個(gè)葉片中間時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)星形輪將葉片中的物料旋轉(zhuǎn)到下面，物料下落并由風(fēng)送空氣或氮?dú)饨?jīng)風(fēng)送管線送至料倉。

1.2 旋轉(zhuǎn)閥的類型與使用條件

根據(jù)系統(tǒng)中輸送氣體的工作壓力，旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)子的端部密封和軸密封能夠滿足的壓差及工作溫度，旋轉(zhuǎn)閥可分為低壓密封、中壓密封和高壓密封3 類，具體可見表1[2]。

表1 旋轉(zhuǎn)閥的分類

旋轉(zhuǎn)閥的操作參數(shù)包括工作壓力、工作溫度、輸送能力等，詳細(xì)使用條件可見表2。

表2 旋轉(zhuǎn)閥的使用條件

2 旋轉(zhuǎn)閥的結(jié)構(gòu)

2.1 主機(jī)結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)閥主機(jī)主要由閥體、轉(zhuǎn)子、端蓋、軸、軸承、支架、密封件及附件等部件組成，詳見圖1。

圖1 旋轉(zhuǎn)閥主機(jī)結(jié)構(gòu)

2.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)及主要附件

旋轉(zhuǎn)閥整機(jī)主要由主機(jī)、減速機(jī)、電動(dòng)機(jī)、調(diào)節(jié)部分及固定部分等組成，主要附件包括插板閥、抽氣室、混合器、排氣管和支架等。

2.3 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)子的基本類型有2 種：端板和無端板。轉(zhuǎn)子的料槽結(jié)構(gòu)也可分為2 種：深槽型和淺槽型。深槽型轉(zhuǎn)子具有較大的容積，適合處理能自由流動(dòng)的物料；淺槽型轉(zhuǎn)子具有較小的容積，適合處理黏性較大的物料。輸送磨琢性物料時(shí)，旋轉(zhuǎn)閥應(yīng)使用可更換尖端的葉片，從而延長轉(zhuǎn)子的壽命。圖2 為不同型式轉(zhuǎn)子示意圖。

圖2 旋轉(zhuǎn)閥的轉(zhuǎn)子型式

2.4 密封型式

低壓密封型旋轉(zhuǎn)閥的轉(zhuǎn)子一般采用開式結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子與端蓋之間采用間隙密封形式，軸密封結(jié)構(gòu)一般采用填料式。而中壓和高壓密封型旋轉(zhuǎn)閥的轉(zhuǎn)子一般采用閉式結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子和端蓋之間采用密封件密封，軸密封一般采用密封件或填料式密封。

旋轉(zhuǎn)閥的軸密封結(jié)構(gòu)要求很高。旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)子兩端各有2 道密封圈, 設(shè)備正常工作時(shí), 腔體內(nèi)充入略高于輸送壓力的氣體,確保粉塵不會(huì)進(jìn)入轉(zhuǎn)子端部。若粉塵進(jìn)入密封件內(nèi), 一方面會(huì)增加密封件與軸之間的摩擦, 加快密封件與軸的磨損,使密封件與軸在短期內(nèi)失去密封作用;另一方面大量粉塵進(jìn)入轉(zhuǎn)子端部后, 會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子卡死,電機(jī)電流過大而跳閘停機(jī)。

3 旋轉(zhuǎn)閥的漏氣量

3.1 旋轉(zhuǎn)閥漏氣的產(chǎn)生

旋轉(zhuǎn)閥漏氣途徑主要有2 個(gè)：（1）從轉(zhuǎn)子與閥體之間的軸向間隙和徑向間隙泄漏，這個(gè)間隙是由適用的工況介質(zhì)粒度、介質(zhì)溫度等因素決定的，對(duì)于特定的工況，其間隙要求是一定的，這也是閥門漏氣的主要因素；（2）轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過程中，葉片與閥體之間的容積會(huì)造成氣體泄漏，即葉片攜帶漏氣。

旋轉(zhuǎn)閥漏氣會(huì)強(qiáng)烈干擾或影響其輸送性能，阻礙物料流動(dòng)，降低物料密度，從而降低給料能力。粗糙物料會(huì)增大閥壁的磨損程度，倉泵出口的旋轉(zhuǎn)閥磨損是密相氣力輸送常見問題之一[3]，磨損會(huì)增大設(shè)備維護(hù)工作量，增加操作運(yùn)行成本，同時(shí)也增大了粉塵的爆炸風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 影響旋轉(zhuǎn)閥漏氣量的主要因素

（1）轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子直徑

旋轉(zhuǎn)閥是依靠轉(zhuǎn)子與閥體內(nèi)腔之間的容積來輸送物料的，物料在閥體內(nèi)從上到下運(yùn)動(dòng)，向下旋轉(zhuǎn)的半邊轉(zhuǎn)子葉片與閥體之間的容積充滿物料，從而實(shí)現(xiàn)物料輸送的目的，向上旋轉(zhuǎn)的半邊轉(zhuǎn)子葉片與閥體之間的容積則把下方的氣體帶到了上方，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越快，帶到上方的氣體也就越多。氣體的泄漏量與轉(zhuǎn)子直徑和轉(zhuǎn)子軸向長度有直接關(guān)系。轉(zhuǎn)子直徑越大，轉(zhuǎn)子與閥體之間的容積就越大，轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過程中帶到上方的氣體量就越多，轉(zhuǎn)子的直徑和轉(zhuǎn)子軸向長度越大，轉(zhuǎn)子與閥體之間的軸向間隙和徑向間隙也就越大，在特定轉(zhuǎn)速和特定壓差條件下，氣體的泄漏量也就越多。

（2）工作壓差

2 種氣體泄漏途徑中的泄漏量都與旋轉(zhuǎn)閥兩端的壓差有關(guān)，壓差越大，氣體的泄漏量也越大。

3.3 減少旋轉(zhuǎn)閥漏氣的方法

（1）當(dāng)輸送空氣或氮?dú)饨?jīng)過旋轉(zhuǎn)閥時(shí)都會(huì)產(chǎn)生泄漏，緊靠殼體的每個(gè)轉(zhuǎn)子葉片均按壓力梯度方向產(chǎn)生壓降，因此增加轉(zhuǎn)子的葉片數(shù)目可以減少泄漏量。圖3 所示為通過試驗(yàn)得到的同一型號(hào)旋轉(zhuǎn)閥不同葉片數(shù)量時(shí)的漏氣量。從圖3 可以看出，當(dāng)壓差一定時(shí)，漏氣量隨葉片數(shù)目增加而減少。但在處理給定物料時(shí)，轉(zhuǎn)子上可裝設(shè)的葉片數(shù)目是有限制的，這種限制在很大程度上與物料本身有關(guān)。葉片數(shù)目增加，必然會(huì)使料槽的夾角減小，對(duì)某些物料來說則會(huì)妨礙其排料。因此工業(yè)上常用的旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)子葉片數(shù)一般為6～10 片。

（2）葉片與殼體之間的轉(zhuǎn)動(dòng)間隙會(huì)對(duì)旋轉(zhuǎn)閥的性能產(chǎn)生較大影響，因此要縮小間隙，使泄漏對(duì)其給料能力的影響程度達(dá)到最小。圖4 所示為通過試驗(yàn)得到的同一型號(hào)旋轉(zhuǎn)閥不同間隙時(shí)的漏氣量。從圖4 可以看出，當(dāng)壓差一定時(shí)，隨著間隙增大其漏氣量也增大。一臺(tái)新的旋轉(zhuǎn)閥間隙大約為0.075～0.150 mm。如果要求更小的間隙，將會(huì)大大增加其制造成本。

圖3 不同葉片數(shù)目的漏氣量

圖4 不同間隙的漏氣量

（3）解決空氣泄漏問題的方法還包括排除泄漏空氣的各種措施，如安裝平衡氣管等，但應(yīng)以不妨礙料槽的裝料為前提。由于排出的空氣含有夾帶的物料，因此可將其直接返回到供料倉或送至分離過濾裝置。

漏氣量是旋轉(zhuǎn)閥選型的重要參數(shù)，在選型設(shè)計(jì)時(shí)要結(jié)合物料特性和使用工況合理選擇旋轉(zhuǎn)閥的型號(hào)和可承受的漏氣量，如用戶有特殊要求，則應(yīng)進(jìn)行模擬工況的漏氣量試驗(yàn)。

4 旋轉(zhuǎn)閥的設(shè)計(jì)與選型

4.1 旋轉(zhuǎn)閥的選型計(jì)算

旋轉(zhuǎn)閥的主要性能參數(shù)包括輸送能力、漏氣量、整機(jī)效率、適用介質(zhì)、適用壓力和適用溫度等。其中輸送能力和漏氣量是主要設(shè)計(jì)參數(shù)，漏氣量可參考廠家提供的漏氣量表或模擬工況的試驗(yàn)數(shù)值，也可以通過理論計(jì)算，如通過《運(yùn)輸機(jī)械選型設(shè)計(jì)手冊(cè)》[4]中的計(jì)算公式計(jì)算得到。

假設(shè)轉(zhuǎn)子的料槽被物料完全充滿，則旋轉(zhuǎn)閥的給料量可根據(jù)下式計(jì)算：

式中：Q0——旋轉(zhuǎn)閥的給料能力，t/h；

ρ——物料的堆密度，t/m3；

V0—— 1 個(gè)料槽的容積，m3；

n——轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/min；

N ——轉(zhuǎn)子上料槽的個(gè)數(shù)。

由于旋轉(zhuǎn)閥輸送過程中不可能完全填滿，其選型設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮填充系數(shù)（或整機(jī)效率），正壓輸送的填充系數(shù)為70%～85%,負(fù)壓輸送的填充系數(shù)則為75%～90%，因此旋轉(zhuǎn)閥的實(shí)際給料能力可根據(jù)下式計(jì)算：

式中：φ——填充系數(shù)。

旋轉(zhuǎn)閥的給料能力與物料的性質(zhì)、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子與殼體的間隙以及系統(tǒng)壓力等因素有關(guān)。但對(duì)于1臺(tái)已知的旋轉(zhuǎn)閥來說，若給定物料與工況，其給料能力只與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速有關(guān)。轉(zhuǎn)子的最佳轉(zhuǎn)速是根據(jù)轉(zhuǎn)子外徑的線速度來衡量的,但旋轉(zhuǎn)閥的給料量并不隨轉(zhuǎn)速的增加而線性增加。一般情況下, 轉(zhuǎn)子外徑的轉(zhuǎn)速為15～30 r/min。 轉(zhuǎn)子外徑較小時(shí), 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速會(huì)高一些, 為25 r/min 左右；轉(zhuǎn)子外徑較大時(shí), 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速則可以低一些。為了實(shí)現(xiàn)工藝物料的定量輸送，可通過配置無級(jí)變速器或變頻電機(jī)來調(diào)速。結(jié)合式（1）和式（2），旋轉(zhuǎn)閥的轉(zhuǎn)速可根據(jù)下式計(jì)算：

因此，旋轉(zhuǎn)閥的設(shè)計(jì)選型步驟如下：（1）獲取物料特性(如物料名，堆積密度，流動(dòng)性等參數(shù))和輸送能力要求；（2）從旋轉(zhuǎn)閥型號(hào)中初選尺寸和規(guī)格；（3）根據(jù)物料特性、輸送方式及輸送壓力，確定填充系數(shù)；（4）試算轉(zhuǎn)速；（5）核算給料能力。

如某客戶需要1 臺(tái)旋轉(zhuǎn)閥安裝在正壓密相輸送的倉泵出料口，物料的流動(dòng)性較好，物料的堆積密度為0.6 t/m3，要求輸送量為4 t/h。某系列旋轉(zhuǎn)閥的規(guī)格和輸送能力如表3 所示，其物料輸送能力即為其額定轉(zhuǎn)速（20 r/min）時(shí)的輸送能力。

表3 不同規(guī)格旋轉(zhuǎn)閥的輸送能力

由于物料流動(dòng)性較好，正壓密相輸送，因此選取填充系數(shù)為0.8。

1）初步選型BSM200，試算轉(zhuǎn)速n=4/0.6×0.35×0.8=23＞20，超過額定轉(zhuǎn)速，不適用；

2）再 選 擇BSM250，試 算 轉(zhuǎn) 速n=4/0.6×0.68×0.8=12＞20，該型號(hào)閥門適用；

3）進(jìn)一步核算額定轉(zhuǎn)速時(shí)BSM250 閥門的給料能力：Q=0.6×0.68×20×0.8=6.5 t/h，輸送能力達(dá)到要求，因此選定BSM250 為實(shí)際使用型號(hào)。

4.2 旋轉(zhuǎn)閥與接料器的配置

接料器是旋轉(zhuǎn)閥與輸送管道連接的一種部件，其常用形式包括以下幾種。

（1）直落式接料器

直落式接料器是最常用的一種簡單形式接料器，主要用于流動(dòng)性較好的粉狀物料。

（2）文丘里式接料器

根據(jù)文丘里管原理，文丘里式接料器在進(jìn)料處管道的截面積縮小，使噴出的壓縮空氣速度增大，從而降低氣束周圍壓力，吸引旋轉(zhuǎn)閥送出的物料連同噴射空氣一起噴入輸送管道，因旋轉(zhuǎn)閥出口處壓力降低，減少了旋轉(zhuǎn)閥空氣的泄漏量。

（3）偏置式接料器

偏置式接料器主要用來處理粒狀及球狀物料，可以避免物料被剪切，通過控制其進(jìn)入的物料量，來確保轉(zhuǎn)子的斜槽不會(huì)被充滿，在轉(zhuǎn)子葉片與殼體間隙之間卡物料的可能就可消除。

（4）空氣沖擊式接料器

空氣沖擊式接料器利用壓縮空氣噴吹旋轉(zhuǎn)閥的下料葉片，使物料受到空氣的沖擊而落下，這是為處理流動(dòng)性較差、有黏滯性的物料而設(shè)計(jì)的。

此外還有密封外殼式和吹掃式接料器，在此不再贅述。當(dāng)物料特性和旋轉(zhuǎn)閥使用工況不同時(shí)，應(yīng)選擇不同的接料器進(jìn)行設(shè)計(jì)。另外，在旋轉(zhuǎn)閥運(yùn)行過程中，要確保物料中的粉塵不能進(jìn)入到軸密封件內(nèi)，軸密封內(nèi)應(yīng)設(shè)有平衡氣連接管，平衡氣壓力與輸送氣壓力相同，平衡氣的輸氣量應(yīng)大于旋轉(zhuǎn)閥的耗氣量。

4.3 控制方式及其他要求

當(dāng)用戶有要求時(shí)，旋轉(zhuǎn)閥應(yīng)設(shè)有零速檢測(cè)保護(hù)裝置，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于某一設(shè)定值時(shí)，應(yīng)有信號(hào)反饋到中心控制室，并與旋轉(zhuǎn)閥前段工藝流程中的供料設(shè)備或閥門聯(lián)鎖。旋轉(zhuǎn)閥葉片刮壁的原因主要包括葉片過載（壓力過高或物料堵塞）、軸承失效、不正確的安裝或組裝、維護(hù)不善、設(shè)備溫度過高等，因此旋轉(zhuǎn)閥應(yīng)設(shè)置刮壁報(bào)警裝置。有防爆性能要求的旋轉(zhuǎn)閥，應(yīng)滿足使用工況的相關(guān)要求。

5 結(jié)論

旋轉(zhuǎn)閥的選型設(shè)計(jì)，需結(jié)合閥門的結(jié)構(gòu)和漏氣量進(jìn)行綜合考慮，在確定物料和工況以后，先判斷旋轉(zhuǎn)閥的選用類型及可承受的漏氣量，再根據(jù)選型設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行試算和核算，其步驟如下：（1）獲取工藝資料、物料特性及應(yīng)用工況；（2）初選旋轉(zhuǎn)閥型號(hào)和尺寸；（3）根據(jù)物料特性和輸送方式確定填充系數(shù)；（4）試算閥門轉(zhuǎn)速，并核算其給料能力。