旋風分離器分級輪結構對分級效果影響的研究

許 夢* 馮俊萍 曹清林

（江蘇理工學院 機械工程學院）

旋風分離器分級效果的主要影響因素包括進出口壓力、分級輪轉速以及分級輪結構等[1-3]，決定分級輪結構的主要因素有葉片數量、形狀和傾角，優選這些參數可以顯著提高分離器的分級效果，所以分級輪結構是影響分離器分級效果的重要因素。

增加分離器的進出口壓力，能夠提高分級輪內部流場的穩定性，提高分級效果[4-5]。當于特定分離器的分級輪轉速為6 000～7 000 r/min 時，分離器內流場較為穩定，可以改善分級物的粒徑分布[6-7]，并有利于減小分級粒徑[8]。另外，采用特定的安裝方式可以增加葉片和轉籠的剛度，提高分離器的分級效率[9]，增加排氣芯管、采用二次進風口、改變導流盤傾斜角度和形狀等方式，均可以提高分離器的分級效果[10-12]。分級輪結構（參數）與分離器分級效果之間的關系仍需進行進一步研究，下文對此進行了初步分析。

1 旋風分離器結構及其流場模型

1.1 旋風分離器結構

圖 1 旋風分離器及分級輪結構示意圖

分離器的分級效果主要與進出口壓力大小、分級輪轉速和分級輪結構等因素有關，在進出口壓力和分級輪轉速一定的情況下，分級輪結構決定了分級效果。

分級輪主要由框架和葉片兩部分組成，框架直徑一定的情況下，葉片數量、傾角θ 和形狀決定了其分級效果。常見的葉片形狀有直葉片和弧形葉片，如圖1 d）和圖1 e）所示。直葉片在分級輪上的安裝方式有兩種，一種是如圖1 c）中θ ≠ 0°的安裝方式，稱之為斜葉片，當θ ＝ 0°時，則稱之為直葉片。弧形葉片一般采用直葉片方式安裝。

1.2 流場模型及邊界條件

為了分析分級輪葉片數量、傾角θ 和形狀與分級效果之間的關系，采用Fluent 軟件對其進行分析，并建立了分級流場模型。旋風分離器分級輪在電機驅動下旋轉，旋風分離器內部形成了兩部分流場，即分級輪實體內部結構區域和被動旋轉區域，也就是分級輪外輪廓至筒體內壁之間的區域。物料進入分級器后，顆粒在兩旋轉域內形成流場，通過分析流場，尤其是分析分級輪內部流場的湍動能、壓力和軸向速率分布情況可以判斷其分級效果。

湍動能是流體湍流脈動的動能，流場內流體的湍動能變化越小，流場越穩定，越有利于物料顆粒分級。為了使符合粒徑要求的顆粒及時從筒體內排出，在出料口處采用負壓抽吸，分級輪內區域（旋轉域）與出口處的壓力差越大，顆粒受到的壓力就越大，越有利于符合粒徑要求的顆粒排出。顆粒在筒體流場內的運動方向主要為切向（與分級輪圓周相切方向）、徑向（指向分級輪軸線Y 并與之垂直方向）和軸向[分級輪軸線Y 方向，如圖1 a）所示] 3 個方向。對于豎直放置的分級輪，筒體內流體高速旋轉產生強旋流，對豎直方向（軸向）的顆粒運動產生阻礙，軸向顆粒運動速率的變化可以反映流場軸向的穩定性，軸向顆粒運動速率變化越小，流場就越穩定，越有利于顆粒分級。

采用Fluent 軟件分析時，需先對筒體、分級輪和葉片模型進行網格劃分，共將其劃分為316 201 網格，1 588 324 個節點，然后設置邊界條件，進口壓力為20 000 Pa，出口壓力為-3 000 Pa，分級輪轉速為6 000 r/min，物料密度為1 300 kg/m3。

2 葉片數量

分級輪葉片數量會對分級效果產生影響，根據實際使用經驗，在分級輪直徑（297 mm）一定的情況下，葉片數量少于12 片或多于60 片時，分級效果較差，現針對葉片為12～60 片的情況進行分析比較，且其葉片為30°斜葉片。

2.1 湍動能分析

以分級輪軸線為Y 軸，筒體底面的圓心點為坐標原點O，通過原點O 并與Y 軸垂直的直線為橫坐標X，建立如圖1 a）所示的坐標系。

圖2 所示是不同葉片數量情況下，垂直于Y 軸，并通過分級輪截面的流場內湍動能的變化云圖，圖3是湍動能的具體變化值，其中，橫坐標X 為筒體橫向方向，如圖1 a）所示，縱坐標為湍動能大小。

圖 2 葉片數量與湍動能變化云圖

圖 3 不同葉片數量對湍動能的影響

由圖3 可知，分級輪內部（x<±297/2 mm）旋轉域顆粒湍動能均較小，且變化較小，流場較為平穩；分級輪外部被動旋轉域的流體湍動能較大，越接近筒體壁，顆粒湍動能越大，且變化也較大，說明流場非常不穩定。所以，將出料口設置在分級輪軸線的正上方，物料粒子在進入分級輪內部穩定流場后，更加利于符合粒徑要求的物料排出。

圖3 中，x ≈0.15 m 處，顆粒湍動能較大，葉片數量越少，顆粒湍動能的極值越大，這是由于該位置位于進料口處，高速運動的物料粒子沿筒壁進料口射入，此時粒子具有較高的能量，所以流體的湍動能具有極值。葉片數量越少，粒子和葉片碰撞的可能性越小，其能量損耗也越小，所以湍動能極值就越大。物料粒子沿筒體壁在被動旋轉域內旋轉，由于分級輪上方負壓抽吸作用，粒子從被動旋轉域逐漸進入分級輪內部的旋轉域，也就是穩定的流場。在該過程中，粒子受到負壓抽吸、與分級輪葉片碰撞等共同作用，能量逐漸損耗，所以分級輪內部的湍動能較小。

隨著葉片數量不斷增加，x ≈0.15 m 處湍動能逐漸減小，整個變化曲線趨于對稱。這是由于葉片數量越多，葉片之間的間隙越小，從進料口高速射入的粒子與分級輪葉片碰撞的可能性越大，能量損耗也越大，粒子剩余能量就越少。出料口位于分級輪上方，分級輪內部流場的穩定程度決定了分級效果，所以分級輪內部顆粒湍動能變化越小，越利于分級。分級輪內部顆粒湍動能變化的極差ΔΕ（即湍動能最大值與最小值的差值）如表1 所示，分級輪葉片數量為48 片時，極差ΔΕ 最小，說明湍動能分布最均勻，流場最為穩定，分級效果最好。

表 1 葉片數量與分級輪內部湍動能極差ΔΕ的關系

2.2 壓力分析

在圖1 a）所示的XOY 截面內，分析葉片數量對筒體內部壓力的影響，圖4 所示是壓力變化云圖，圖5所示是葉片垂直于Y 軸時，分級輪截面的壓力變化情況。

圖5 中，進料口在筒壁附近，進料口處的壓力較大，因此筒壁附近壓力較大。流體進入筒體后，在被動旋轉域內旋轉，并向筒體中心擴散，距離筒壁越遠，壓力越小，即越接近筒體中心位置，壓力較小。

圖 4 葉片數量與壓力變化云圖

圖 5 葉片數量與壓力的變化關系

分級輪葉片數量越少，葉片之間的間隙越大，被動旋轉域內氣流與旋轉域內氣流之間的交換越容易。由于分級輪的轉向與流體進入筒體的方向相反，故被動旋轉域內氣流與旋轉域內氣流的旋轉方向相反，因此氣流的運動及壓力相互抵消的就越多，越往分級輪內部，壓力就越小。

符合粒徑要求的物料粒子進入分級輪內部后，因分級輪內部與出料口處存在壓差，物料粒子受到壓力作用從出料口排出，壓差越大越有利于物料粒子的排出。設分級輪內部旋轉域壓力的最小值與出料口處壓力的差值為Δp，圖6 所示為葉片數量與壓差Δp的變化關系。葉片數量為48 片時Δp 最大，進入分級輪內部旋轉域的物料粒子所受到的壓力差就較大，更有利于符合粒徑要求的顆粒排出。

圖 6 葉片數量與壓差Δp的變化關系

2.3 軸向速率分析

圖7 為XOY 截面內，不同葉片數量對筒體內部軸向速率的影響云圖，圖8 為葉片垂直于Y 軸時分級輪截面的軸向速率變化情況。

圖 7 葉片數量與軸向速率變化云圖

圖 8 葉片數量與軸向速率的變化關系

圖8 中，分級輪內部旋轉域中顆粒的軸向速率較大，變化幅度較大；筒壁到分級輪之間被動旋轉域的顆粒軸向速率較小，且變化幅度較小。這是由于物料粒子進入筒體后，受到重力作用后向下運動，故其軸向速率減小；受負壓抽吸作用，物料粒子加速向分級輪中心靠攏，故分級輪內部軸向速率較大。

顆粒軸向速率的變化也是評價流場穩定性的指標之一，分級輪內部旋轉域顆粒軸向速率變化越小，流場越穩定，越有利于分級。計算分級輪內部軸向速率最大值與最小值之差（即軸向速率極差Δv），葉片數量與軸向速率極差Δv 的關系如圖9 所示。當葉片數量為12 片時，軸向速率極差Δv 最小，說明分級輪內部的流場較穩定，有利于分級。

綜上所述，葉片數量為48 片時，湍動能極差ΔΕ 最小，且軸向速率極差Δv 較小，說明分級輪內流場最為穩定，利于物料粒子的分級；葉片為48片時壓差極值Δp 最大，利于物料粒子排出。故分級輪直徑為297 mm的情況下，葉片數量為48片時分離效果最佳。

圖 9 葉片數量與軸向速率極差Δv的變化關系

3 葉片形狀

不同形狀的葉片對旋風分離器分級效果的影響也不同。現對直葉片、斜葉片和弧形葉片3 種形狀的葉片對分離效果的影響進行分析，其中葉片數量均為48 片，且斜葉片角度為30°。

3.1 湍動能分析

圖 10 不同葉片形狀時顆粒湍動能變化云圖

圖 11 葉片形狀與湍動能的變化關系

表 2 葉片形狀與湍動能極差ΔΕ的變化關系

3.2 壓力分析

圖 12 葉片形狀與壓力變化云圖

圖 13 葉片形狀與壓力的變化關系

由圖13 可知，不同葉片形狀對分級輪內部壓力的影響較小。弧形葉片的分級輪內部壓力較大，說明被動旋轉域和旋轉域內氣流相互交換的可能性小于其他兩種葉片。表3 為3 種葉片形狀情況下的壓差Δp，其中，葉片形狀為弧形時分級輪內的壓差Δp最大，最利于符合粒徑要求的物料粒子排出。

表 3 葉片形狀與壓力極差Δp的變化關系

3.3 軸向速率分析

圖 14 葉片形狀與顆粒軸向速率變化云圖

圖 15 葉片形狀與顆粒軸向速率的變化關系

由圖15 可知，葉片形狀為弧形時，軸向速率及其變化均較大，說明分級輪內部流場較不穩定；而葉片形狀為直葉片和斜葉片時，分級輪內部軸向速率均較小，且變化也較小，說明流場較為穩定。

表4 為不同葉片形狀時，分級輪內部顆粒軸向速率極差Δv 的變化情況，斜葉片時顆粒的Δv 最小，說明分級輪內部流場最穩定，最有利于分級。

表 4 葉片形狀與軸向速率極差Δv的變化關系

綜上所述，葉片形狀為斜葉片時，顆粒湍動能和軸向速率的極差Δv 均最小，說明分級輪內部的流場最穩定；而弧形葉片的壓力差Δp 最大，最利于物料粒子排出，與前兩種葉片的壓差相比，差值分別為711.8，634.2 Pa，均較小，因此，3 種葉片形狀中，斜葉片的綜合分級效果最佳。

4 葉片傾角

分級輪中葉片傾角的大小對分級效果也有一定影響。在分級輪直徑為297 mm 情況下，葉片傾角小于15°或大于40°時，分級效果較差，因此，僅針對葉片傾角為15°～40°時的情況進行分析比較，葉片均斜葉片，其數量為48 片。

4.1 湍動能分析

圖16 為不同葉片傾角下顆粒湍動能的變化云圖，圖17 是不同葉片傾角時顆粒湍動能的具體變化值。

圖 16 葉片傾角與湍動能變化云圖

圖 17 葉片傾角與湍動能的變化關系

如圖17 所示，隨著葉片傾角的變化，被動旋轉域筒體至分級輪之間物料粒子的湍動能極值也不斷變化，這說明葉片傾角不同時，物料粒子與葉片發生碰撞的可能性也不同。當葉片傾角為15°和35°時，顆粒湍動能的極值較大，說明物料粒子與葉片發生碰撞的可能性較小，能量損失較少；而當葉片傾角為30°時，筒體至分級輪之間的粒子湍動能極值最小，物料粒子與葉片發生碰撞的可能性最大，其能量損失也較大。

表5 為不同葉片傾角下分級輪內部湍動能的極差ΔΕ 變化情況。葉片傾角為30°時，分級輪內部湍動能極差ΔΕ 最小，說明分級輪內部湍動能分布最均勻，流場最穩定，分級效果最好。

表 5 葉片傾角與湍動能極差ΔΕ的變化關系

4.2 壓力分析

圖18 為不同葉片傾角時筒體內部壓力變化云圖，圖19 是葉片傾角與壓力的具體變化關系。

圖 18 葉片傾角與壓力變化云圖

圖 19 葉片傾角與壓力的變化關系

圖20 所示為不同葉片傾角與壓差Δp 的變化關系，當葉片傾角為35°時，分級輪內部的壓力與出料口處的壓差Δp 最大，即最利于物料粒子排出。

圖 20 葉片傾角與壓差Δp 的變化關系

4.3 軸向速率分析

圖21 表示不同葉片傾角時筒體內部顆粒軸向速率變化云圖，圖22 是顆粒軸向速率的具體變化值。圖23為不同葉片傾角與軸向速率極差Δv的變化關系。

圖 21 葉片傾角與軸向速率變化云圖

由圖23 可知，當葉片傾角θ 為30°時，湍動能極差ΔE 和軸向速率極差Δv 都最小，分級輪內部的流場最穩定；壓差Δp 雖不是最大，但與其他葉片傾角時壓差Δp 的差距較小，綜合考慮后可知，葉片傾角為30°時分級分離效果最佳。

圖 22 葉片傾角與軸向速率的變化關系

圖 23 葉片傾角與軸向速率極差Δv 的變化關系

5 結論

通過對旋風分離器中分級輪葉片數量、形狀和傾角進行分析研究后可知，葉片數量為48 片時，顆粒湍動能極差最小，壓差極值最大，且軸向速率極差較小，分級輪內流場最為穩定，較利于分級；葉片形狀為斜葉片時，顆粒湍動能和軸向速率的極差均最小，壓差較大，分級輪內部的流場最為穩定，較利于分級；葉片傾角為30°時，顆粒湍動能極差和軸向速率極差都最小，且與其他葉片傾角情況時的壓差差值較小，分級輪內部的流場最穩定，利于分級。綜合考慮后可知，葉片數量為48 片，傾角為30°的斜葉片分級效果最佳。

上述分析是在進出口壓力、分級輪轉速均為設定值情況下得到的局部優選值，還應進一步改變進出口壓力、分級輪轉速，尋求綜合最優條件。