耐磨气固两相流离心风机的理论研究与开发

　　气固两相流风机主要用于机械、石化、钢铁、建材、粮食饲料等部门输送含颗粒的气流,它们占风机总量的25%以上。长期以来,这类风机都是为局部孤立地应付生产中某一专门需要而制造的,没有从气固两相流的角度进行设计,更没有考虑叶轮的磨损,因此存在效率低、寿命短等问题,而频繁更换风机又影响了正常的生产,造成经济损失。

　　为解决以上问题,就必须进行耐磨风机的研究。国外的研究主要是在最近的20年间,其中最活跃的是Tabakoff[1]的研究集体,其研究内容包括气固两相流场计算、固粒对壁面的碰撞和反弹、材料磨损的机理。但是将理论研究结果用于产品的设计和开发上却未见报道。20世纪80年代以来,国内也进行了相应研究,一些工厂很早就意识到研制耐磨风机的迫切性,曾进行过叶轮材料的改进及表面处理工作,但这些都是被动的方法,而且以提高成本为代价。因此,本研究旨在通过主动控制流场来减轻固粒对叶片的磨损,从而开发耐磨气固两相流风机。

　　1　风机叶轮磨损的部位和机理

　　以往国内外的研究结果认为,固粒对风机叶轮的撞击冲蚀是造成叶轮磨损的主要机理[2],但最近的研究结果表明,固粒在叶轮壁面滑动或滚动所造成的擦伤式磨粒磨损也是叶轮磨损的重要形式[3]。计算表明,叶轮的磨损主要在靠近前盘的进口、后盘的出口位置以及叶轮的压力面。叶轮的进口边和压力面上进口附近的磨损主要由固粒的冲击造成,而出口部分压力面和后盘上的磨损则由固粒的冲击和固粒在壁面上的滑动或滚动时的擦伤式磨粒磨损造成。这一结论与现场拍下的叶轮磨损照片非常吻合。

　　由于在固粒的物理特性一定的情况下,叶轮壁面的磨损与冲击壁面的固粒数量成正比,同时也与固粒冲击壁面时速度的方次成正比,还与固粒接触壁面时的夹角有关。所以为了减轻叶轮壁面的磨损,就必须减少碰壁的固粒数量、降低固粒碰撞壁面时的速度、改变固粒的碰撞角度使之尽量处于低磨损的状态。

　　2　风机叶片附近流场特性与磨损的关系

　　要掌握固粒对叶片磨损的特性,必须考虑流场对固粒的作用,而叶片附近的流场(可认为是边界层流场)是固粒碰壁前经过的流场,因而对固粒的影响特别重要。叶片附近流场特性变化将改变作用在固粒上的力乃至改变固粒的运动和轨迹。因此,从原理上讲,可以通过改变叶片附近边界层流场的特性来减轻壁面磨损。

　　2.1　固粒穿过湍流和层流边界层对壁面造成磨损的比较

　　对固粒通过层流和湍流边界层时的速度和轨迹以及碰壁时的速度和夹角的计算和对比,说明当固粒以相同条件进入边界层时,若为层流边界层,固粒更容易碰到壁面,而且碰壁时的速度比湍流边界层情况更大,可见固粒穿越层流边界层时,更容易对壁面造成磨损(见图1a),其定量结果见文献[4]。