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1、2010年1月 第35卷 第1期 润滑与密封 LUBRICATI ON ENGI NEERI NG Jan12010 Vol135 No11 DO I: 1013969/j1issn10254 - 0150120101011021 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:crazy299991631com1 超细选粉机主动气流密封装置研究 3 张亚南 1 李双跃 1 田 坪 1 李 翔 2 金应贵 2 任朝富 2 (1 1西南科技大学制造学院
2、 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
3、标识码: A 文章编号: 0254 - 0150 (2010) 1 - 078 - 5 Research on the SealDevice of I nitiative Airflow of Superfine Classifier Zhang Yanan 1 Li Shuangyue 1 Tian P ing 1 LiXiang 2 J in Yinggui 2 Ren Chaofu 2 (1. School ofManufacture, SouthwestUniversity of Science and Technology,Mianyang Sichuan 621010, China
4、; 2. Seeker Science and Technology Development Co. ,Ltd,Mianyang Sichuan 621000, China) Abstract:A new type of seal equipment of initiative airflow was developed to aim at the leakage phenomenon of mechanical labyrinth seal of the classifier, FLUENT code was used to simulate its geometric parameters
5、 and operational parameters . Through statistical analysis of X2Y plot data obtained from numerical simulation, the connections between velocity standard deviation, pressure standard deviation of spill airflow and each structure parameter of seal area and inlet pressure were discussed, the critical
6、dimensions of seal structure and the pressure control parameters were got . The sieve residue experiments of ground calcium carbonate was made with prototyping SCX400, the experimental result validated qualitatively the correctness of the numerical simulation result . Keywords:superfine classifier;
7、seal performance; initiative airflow; velocity standard deviation; pressure standard devia2 tion 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 响 1。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
8、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 摩擦磨损而失去密封作用 2 。 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。 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 Fig 1Schematic diagram of flow2guided seal structure 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
9、 体呈倒 “ 凹 ”形,与转子叶片相连接;密封环(见 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
10、数分析 图5 密封区域示意图 Fig 5Sketch map of seal zone 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H1D1L1通 道从转子外部气流出口溢出,另一分支沿H2D2 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
11、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 到限制。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RS M进行耦合隐 式不可压缩单相稳态3D双精度求解,控制方程 为 4 : 质量守恒方程: 9 9t + 9
12、9xi (ui)=Sm(1) 动量守恒方程: 9 9t (ui)+ 9 9xj (uiuj)= - 9p 9xi +gi+Fi(2) 在目前DNS和LES难于应用于复杂工程问题前 提下,虽然RS M在2D求解中加入了4个方程,会比 k-e和k-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。RS M流动方程表 示为: 9 9t (u iuj) + 9 9xk (uku iuj = - 9 9xk u iujuk + p( kjui+ikuj ) + 9 9xk 9 9xk
13、( u iuj ) - ( u iuk 9uj 9xk + u juk 9ui 9xk )- ( g iuj+gjuj)+ p( 9u i 9xj + 9u j 9xi )- 29u i 9xk 9u j 9xk - 2 k (u jumeikm+uiumejkm)+Suser (3) 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。 972010年第1期张亚南等:超细选粉机主动气流密封装置研究 212 边界条件设置 图6 物理模型网格和边界条件 F
14、ig 6Mesh of physicalmodel and boundary conditions 具体分析模拟机为Seeker公司SCX400型,由 Pro/E D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Second order upwind
15、格式,压力速度耦合方程采用 SI MPLE算法,欠松弛因子经验选取。其中湍流强度 I由公式 5 (4)取得 I=0116 (Re DH) - 1/8 (4) 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17 000 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
16、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: p 2 0= 1 n- 1 n i=1 ( p i-p0)- 1 n n i=1 ( p i- p) 2 (5) v 2 = 1 n- 1 n i=1 ( v i- 1 n n i=1 vi) 2 (6) 312H1/H2对密封效果的影响 在截面方向上,气流沿轴向上
17、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 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= 312 kPa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=11751195、压力标准 差在H1/H2=11118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。 313D1/D2对密封效果的影响 两部分气流在分别通过H1、H2通
18、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= 312 kPa,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。 08润滑与密封第35卷 314L1/L2对密封效果的影响 图11 速度标准差与L1/L2关系(pin=312 kPa) Fig 11Relationship between velocity standard deviation andL1/L2(pin=312 kPa) 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
19、pin=312 kPa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115116时为最佳。 图12 压力标准差与L1/L2关系(pin=312 kPa) Fig 12Relationship between pressure standard deviation andL1/L2(pin=312 kPa) 315 进口压力对密封效果的影响 进口压力也
20、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 产生干扰,影响分级效率 6 。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。 182010年第1期张亚南等:超细选粉机主动气流密封装置研究 可以看出当进口压力在34 kPa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。
21、 图15 速度矢量图 Fig 15Velocity vector 4 实验测试 图16 测试线 Fig 16Measuring line 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 度约3 000 kg/m 3、含水量小于等于 011% ,要求分级 细度为20m、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 16所示,表1为样机实验数据。 表1 样机测试结果 Table
22、1The measuring results of prototype 序号 样机转速/ ( rad min - 1 ) 20m细粉筛余量/% 迷宫 式密封 主动气 流未打开 主动气 流打开 11 60014111416810 21 80012101214618 32 00010121111615 42 300910918413 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
23、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20m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 【1】袁洪钦,赵云峰.选粉机原因造成细度连续跑粗的快速处理 J .四川水泥, 2006, 23(6) : 23. 【2】张保玉.离心式选
24、粉机产品跑粗的分析与处理J .水泥技 术, 2003, 17(6) : 79. ZHANG Baoyu. Coarse Size Analysis and Treatment from Cen2 trifugual Separator J . Cement Technology, 2003, 17(6) : 79. 【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,王刚,等. Fluent技术基础与应用实例M . 北京:清华大学出版社, 2007: 33 - 40. 【5】于勇,张俊明,姜连田,等. FLUENT入门与进阶教程M . 北京:北京理工大学出版社, 2008: 238 - 243. 【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. 28润滑与密封第35卷