超细选粉机主动气流密封装置研究

DOI:1013969/j1issn10254-0150120101011021

润滑与密封

LUBRICATIONENGINEERING

Jan12010

Vol135No11

超细选粉机主动气流密封装置研究

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张亚南　李双跃　田　坪　李　翔　金应贵　任朝富

2

(11西南科技大学制造学院　四川绵阳621010;21绵阳西金科技发展有限公司技术中心　四川绵阳621000)

摘要:针对选粉机机械迷宫式密封存在的产品跑粗问题,设计了一种新型主动气流密封装置,并采用FLUENT流

体力学软件对密封装置的几何参数与操作参数进行了数值模拟,在分析模拟所得X-Y散点数据基础上,通过讨论溢出气流速度、压力标准差与密封区域内各结构参数及进口压力等重要参数的关系,得到了密封结构的关键尺寸与压力控制参数。通过试制样机SCX400并利用重质碳酸钙进行筛余实验,定性验证了数值模拟结果的正确性。

关键词:选粉机;密封性能;主动气流;速度标准差;压力标准差中图分类号:TD452;TB42　文献标识码:A　文章编号:0254-0150(2010)1-078-5

ResearchontheSealDeviceofInitiativeAirflowofSuperfineClassifier

ZhangYanan　LiShuangyue　TianPing　LiXiang　JinYinggui　RenChaofu

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(1.SchoolofManufacture,SouthwestUniversityofScienceandTechnology,MianyangSichuan621010,China;

2.SeekerScienceandTechnologyDevelopmentCo.,Ltd,MianyangSichuan621000,China)

Abstract:Anewtypeofsealequipmentofinitiativeairflowwasdevelopedtoaimattheleakagephenomenonofmechanicallabyrinthsealoftheclassifier,FLUENTcodewasusedtosimulateitsgeometricparametersandoperationalparameters.ThroughstatisticalanalysisofX2Yplotdataobtainedfromnumericalsimulation,theconnectionsbetweenvelocitystandarddeviation,pressurestandarddeviationofspillairflowandeachstructureparameterofsealareaandinletpressurewerediscussed,thecriticaldimensionsofsealstructureandthepressurecontrolparametersweregot.ThesieveresidueexperimentsofgroundcalciumcarbonatewasmadewithprototypingSCX400,theexperimentalresultvalidatedqualitativelythecorrectnessofthenumericalsimulationresult.

Keywords:superfineclassifier;sealperformance;initiativeairflow;velocitystandarddeviation;pressurestandarddevia2tion

　选粉机内转子与壳体间密封的失效是造成产品细度跑粗或出现粗颗粒的原因之一,使得细粉中混入粗颗粒,细粉筛余过高,给产品质量造成很大的影[1]

响。传统密封都是采用机械迷宫式密封,其密封主要原理是靠控制密封间隙来保证密封的效果,但由于其间隙始终存在,使部分较粗甚至毫米级的颗粒没有经过转子的分选就直接混入成品中,因此,传统的机械迷宫式密封在超细选粉机中的密封效果并不佳。且迷宫式密封方式要求回转部件和静止部件间的间隙较小,若它们之间的同心度保证得不好,将会使其产生

[2]

摩擦磨损而失去密封作用。

本文作者针对SCX超细选粉机机械密封方式的不足,参考传统机械密封方式的结构特点,采用主动气流密封原理,设计了新型气动密封结构,并用数值模拟方法对其结构参数进行优化。

3基金项目:四川省教育厅重点项目(07ZA137)1收稿日期:2009-08-03

作者简介:张亚南(1983—),男,硕士研究生,研究方向为CAD/CAM1E2mail:crazy29999@1631com1

1　主动密封装置简介

111　密封原理与结构

图1　主动气流密封方式示意图

Fig1　Schematicdiagramofflow2guidedsealstructure

设计的SCX超细选粉机主动气流密封结构如图1所示,其主要由气管弯头、管接头、密封圈和密封环构成。其截面形状如图2所示,密封槽(见图3)整体呈倒“凹”形,与转子叶片相连接;密封环(见

2010年第1期张亚南等:超细选粉机主动气流密封装置研究79

图4)上开有气流槽,其整体与出风筒连接;管接头与密封环连接,选粉机工作时转子带动密封圈转动,密封环与管接头为固定件,由气管弯头内引入高压气流,气流沿着密封槽与密封环的间隙溢出,同时在密封区域形成强大的溢出气流而使物料无法通过,有效地阻碍了细粉颗粒的进入,从而产生良好的密封效果。主动气流密封在结构上较凹凸镶嵌式密封复杂,但其主要是通过气流强度来密封的,密封间隙相对传统密封方式要大得多,因此从另外一方面也降低了加工和安装的精度要求。只要保证合理的密封间隙和产生的气流强度,气流密封将达到很好的密封效果。

112　密封区域参数分析

图5　密封区域示意图

Fig5　Sketchmapofsealzone

密封槽工作时随转子转动,由于密封槽的转动为面转动,因此忽略转子对密封区域的影响。密封区域的水平截面为圆环形状,其直径由转子直径决定,在此不做深入研究。密封区域的竖直截面近似为“几”

字形状,如图5所示,气流在进入区域最高点后分为

相反方向的2个分支,其中一分支沿H1→D1→L1通道从转子外部气流出口溢出,另一分支沿H2→D2→L2从转子内部气流出口溢出。其中前一分支负责阻碍转子外部的干扰气流,对密封起主导作用,其强弱和方向直接决定了密封效果的好坏,后一分支则对密封基本不起作用。

因此要达到良好的密封效果,需合理地控制2个分支气流的强度大小。由密封区域的结构可以看出,控制气流强度的结构参数主要有3组通道宽度的比值H1/H2、D1/D2、L1/L2,其操作参数主要是主动气流的压强p,以下将运用FLUENT软件通过数值模拟对结构参数和操作参数做进一步分析与优化。2　数值模拟211　数学模型的建立

主动气流密封结构复杂,密封空间呈狭长线性分布,若直接进行求解,不仅较难收敛,网格数量也受到。同时,密封部分主要为单相流区域,故仅结合质量守恒方程、动量守恒方程与RSM进行耦合隐式不可压缩单相稳态3D双精度求解,控制方程[4]为:质量守恒方程:ρ99(ρ(1)+ui)=Sm

9t9xi

动量守恒方程:999p(ρ(ρ(2)ui)+uiuj)=-+ρgi+Fi9t9xj9xi

在目前DNS和LES难于应用于复杂工程问题前提下,虽然RSM在2D求解中加入了4个方程,会比k-e和k-ω类湍流模型耗费更多计算资源,但由于其放弃了各向同性湍流黏度假设,直接对Reynolds方程中的湍流脉动应力建立微分方程,因而在各项异性的强旋转流动求解中更具有优势。RSM流动方程表示为:999(ρu′(ρ+uku′[ρu′iu′j)iu′j=-iu′ju′k+9t9xk9xk

9uj99(u′p(δ[μ+kju′i+δiku′j)]+iu′j)]-ρ(u′iu′k

9xk9xk9xk

9ui9u′9u′ij

)-ρβ(giu′θθu′+gju′+)-ju′kjj)+p(9xk9xj9xi9u′i9u′jμρΩk(u′(3)2-2′eikm+u′′ejkm)+Suserjumium

9xk9xk

式中等号左端第一、第二相分别为随时间变化率及平均运动的对流;右端依次为湍流扩散项、压力产生项、浮力产生项、压强应变项、耗散项、旋流产生项和颗粒作用源项。具体符号意义及推导过程详见文献[5]。

80

212　边界条件设置

润滑与密封

2

第35卷

v=

1n1n2

(vi-∑∑vi)n-1i=1ni=1

(6)

312　H1/H2对密封效果的影响

在截面方向上,气流沿轴向上升到顶部后分成2个方向流出,一部分气流背离轴心从外部出口流出,这部分气流对密封效果起决定性作用,另一部分指向

图6　物理模型网格和边界条件

Fig6　Meshofphysicalmodelandboundaryconditions

具体分析模拟机为Seeker公司SCX400型,由

Pro/ED建立实体模型,导入Gambit中作网格划分,网格如图6所示,区域主要采用四面体结构,但是在适当位置可以包含六面体、锥形和楔型网格单元。进风口设置速度进口边界条件,出口设置压力出口边界条件,固壁无滑移且不可穿透,采用标准壁面函数处理,在FLUENT里进行有限体积法求解。其中流体密度、黏度、出口风压、风量等参数按裸机工作状况选取,Reynolds应力分量按文献[6]计算。各变量均为Secondorderupwind格式,压力速度耦合方程采用SIMPLE算法,欠松弛因子经验选取。其中湍流强度[5]

(4)取得I由公式

-1/8

(4)I=0116(ReD)

水力直径取流通面积与湿润周长比值的4倍。完成初步求解后进行网格自适应调整,共迭代约17000次达到较优结果。3　结果与分析311　密封效果分析

沿转子外部气流出口的气流全部溢出时即产生密封效果,且溢出气流的强度越大对细粉的阻碍性越强,但是过大的溢出气流不仅需要消耗大量的动能,而且会对分级流场产生扰动,影响分级精度和分级效率。因此定义当转子外部气流出口产生流速最小的溢出气流时即达到最佳的密封效果。

从模拟结果中很难对密封效果进行直接分析,因此采集出口圆周上的散点数据对溢出气流的压力和速度进行定量分析。当达到既定密封效果时,则气流外部出口各点压力与选粉机内部压力之差皆大于0,气流的速度矢量方向皆指向选粉机外壳且流速最小。即气流出口各散点压力与选粉机内部压力之差的偏差均值p0最小,溢出气流的速度偏差均值v也达到最小。其中p0与v分别为:

H

轴心从内部出口流出获得释放。而两部分气流的初始强度取决于两侧通道的高度H1、H2之比,通过改变两者的比值来合理地分配气流的强度以获得最优解,结果如图7,8所示,可以看出,在进口压力pin=312kPa时,H1与H2的比值过大或过小都会使密封效果降低,其中速度标准差在H1/H2=1175～1195、压力标准差在H1/H2=11～118之间取得最优值,两者吻合较好,综合考虑取H1/H2=1175较为合适。

313　D1/D2对密封效果的影响

1n1n

()p-p-∑(pi-p)p=∑i0

ni=1n-1i=1

2

0

2

(5)

两部分气流在分别通过H1、H2通道后进入下沉阶段,在进口压力不变的情况下D1,D2,的大小对两部气流的强度起重要作用。图9,10反映了进口压力pin=312kPa,H1/H2=1175时,D1/D2对密封效果的影响。可以看出当D1/D2=115时密封效果最好。

2010年第1期张亚南等:超细选粉机主动气流密封装置研究81

图12　压力标准差与L1/L2关系(pin=312kPa)

　　　　Fig12　Relationshipbetweenpressurestandard

deviationandL1/L2(pin=312kPa)

315　进口压力对密封效果的影响

314　L1/L2对密封效果的影响

图11　速度标准差与L1/L2关系(pin=312kPa)　　　　Fig11　Relationshipbetweenvelocitystandard

deviationandL1/L2(pin=312kPa)

气流出口是密封的发生区,溢出气流与选粉机内部的气流发生干涉冲击,在进口压力pin=312kPa时,如图11,12所示,当L1/L2过小时,L1处溢出气流过大,虽然密封效果好,但由于沿出口圆周速度标准差过大,会对分级流场产生不利影响。同样的L1/L2过大时,L1处溢出气流过小,不仅沿出口圆周速度标准差增大,而且还会产生溢出气流的返混导致密封失效。从图中可以看出取L1/L2为115～116时为最佳。

进口压力也是影响密封效果的重要因素,通常情况下,进口压力过小,气流达不到完全密封,产品产生跑粗现象,反之压力过大,不仅需要消耗大量的能量,气流的速度梯度大,而且溢出气流会对分级流场

[6]

产生干扰,影响分级效率。图13,14反映了在密封装置取最优值H1/H2=1175、D1/D2=115、L1/L2=116的情况下,不同的进口压力对密封效果的影响。

82润滑与密封第35卷

可以看出当进口压力在3～4kPa时为最优。

图15是在经过上述改进优化后的速度矢量图,直观显示了密封区域速度分布情况。可以看出除进风口部分速度突变较大外,其余两侧速度衰减较平稳。

16所示,表1为样机实验数据。

表1　样机测试结果

Table1　Themeasuringresultsofprototype

序号1234

20μm细粉筛余量/%

)

样机转速/(rad・min

1600180020002300

-1

迷宫式密封141112101012910

主动气流未打开141612141111918

主动气流打开810618615413

图15　速度矢量图

Fig15　Velocityvector

4　实验测试

　由实验数据可以看出迷宫式密封与主动气流密封

气流未打开时的密封效果大致相同,这是由于二者的密封都是依靠调整间隙来达到密封效果的,因此跑粗现象比较普遍,细粉筛余升高,成品质量低。与迷宫式密封相比,主动气流密封(主动气流打开)能使细粉筛余下降4%左右,其跑粗现象明显下降,密封效果良好,能取得较高的分级精度和分级效率。5　结论(1)主动气流密封装置通过引入高压气流在密封区间产生溢出性气流进行密封,对选粉机的跑粗现象、提高选粉精度有良好的效果。

(2)通过FLUENT软件运用拉格朗日模型对气流密封区域进行气固两相模拟分析与参数优化,得到了密封结构的关键尺寸与压力控制参数。

(3)与传统密封进行对照实验表明,装有主动气流密封的选粉机对于20μm细粉筛余可达到4%左右,优于目前市场上绝大多数选粉机。

参考文献

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[J].四川水泥,2006,23(6):23.

图16　测试线Fig16　Measuringline

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术,2003,17(6):79.

ZHANGBaoyu.CoarseSizeAnalysisandTreatmentfromCen2trifugualSeparator[J].CementTechnology,2003,17(6):79.

以选粉机的专业生产厂西金科技有限公司为实验基地,设计出SCX400样机进行筛余测试。将迷宫式密封装置和主动气流密封装置先后装入样机进行分选实验,实验材料为重质碳酸钙粉,其堆积密

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度约3000kg/m、含水量小于等于011%,要求分级细度为20μm、固气比大于等于113,分别测得采用迷宫式密封装置、主动密封装置未打开主动气流和打开主动气流的3组分选成品筛余数据,实验系统如图

【3】张德.重视选粉机密封的作用[J].水泥,2003,25(6):25-26.

【4】王瑞金,张开,,等.Fluent技术基础与应用实例[M].

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【6】刘圣照.涡流式空气分级机结构及流场特性的研究[D].

北京:北京化工大学,2007.