旋轉閥的選型設計

楊寶華*

（格律克粉體工程（上海）有限公司）

0 前言

旋轉閥也稱旋轉葉片給料機或星形給料機，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。旋轉閥也是一種定量輸送設備，能將上部的物料連續、均勻地輸送到下一工藝過程中，其輸送量可根據工藝流程的不同要求通過轉速進行調節，可調節的范圍一般為4～100 m3/h[1]。

旋轉閥常用于給料系統、氣力輸送系統、計量系統及計量輸送系統等，其特點是構造簡單、安裝凈高低、占地少、造價便宜，適合安裝在輸送管道上或料倉出口。同時旋轉閥還具備鎖氣功能，能對燃燒和爆炸起隔離作用，因而其在化工、食品、材料等行業得到了廣泛應用。

1 旋轉閥的工作原理與使用條件

1.1 旋轉閥的工作原理

旋轉閥的星形輪由帶有徑向葉片的軸構成，軸的兩端由軸承支撐，在旋轉過程中2 個葉片與外殼之間的區域即為運料空間。當物料下落到旋轉閥星形輪的2 個葉片中間時，電機帶動星形輪將葉片中的物料旋轉到下面，物料下落并由風送空氣或氮氣經風送管線送至料倉。

1.2 旋轉閥的類型與使用條件

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

表1 旋轉閥的分類

旋轉閥的操作參數包括工作壓力、工作溫度、輸送能力等，詳細使用條件可見表2。

表2 旋轉閥的使用條件

2 旋轉閥的結構

2.1 主機結構

旋轉閥主機主要由閥體、轉子、端蓋、軸、軸承、支架、密封件及附件等部件組成，詳見圖1。

圖1 旋轉閥主機結構

2.2 整機結構及主要附件

旋轉閥整機主要由主機、減速機、電動機、調節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 轉子結構

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

圖2 旋轉閥的轉子型式

2.4 密封型式

低壓密封型旋轉閥的轉子一般采用開式結構，轉子與端蓋之間采用間隙密封形式，軸密封結構一般采用填料式。而中壓和高壓密封型旋轉閥的轉子一般采用閉式結構，轉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。

旋轉閥的軸密封結構要求很高。旋轉閥轉子兩端各有2 道密封圈, 設備正常工作時, 腔體內充入略高于輸送壓力的氣體,確保粉塵不會進入轉子端部。若粉塵進入密封件內, 一方面會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失去密封作用;另一方面大量粉塵進入轉子端部后, 會導致轉子卡死,電機電流過大而跳閘停機。

3 旋轉閥的漏氣量

3.1 旋轉閥漏氣的產生

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

旋轉閥漏氣會強烈干擾或影響其輸送性能，阻礙物料流動，降低物料密度，從而降低給料能力。粗糙物料會增大閥壁的磨損程度，倉泵出口的旋轉閥磨損是密相氣力輸送常見問題之一[3]，磨損會增大設備維護工作量，增加操作運行成本，同時也增大了粉塵的爆炸風險。

3.2 影響旋轉閥漏氣量的主要因素

（1）轉子轉速和轉子直徑

旋轉閥是依靠轉子與閥體內腔之間的容積來輸送物料的，物料在閥體內從上到下運動，向下旋轉的半邊轉子葉片與閥體之間的容積充滿物料，從而實現物料輸送的目的，向上旋轉的半邊轉子葉片與閥體之間的容積則把下方的氣體帶到了上方，轉子轉速越快，帶到上方的氣體也就越多。氣體的泄漏量與轉子直徑和轉子軸向長度有直接關系。轉子直徑越大，轉子與閥體之間的容積就越大，轉子在旋轉過程中帶到上方的氣體量就越多，轉子的直徑和轉子軸向長度越大，轉子與閥體之間的軸向間隙和徑向間隙也就越大，在特定轉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閥兩端的壓差有關，壓差越大，氣體的泄漏量也越大。

3.3 減少旋轉閥漏氣的方法

（1）當輸送空氣或氮氣經過旋轉閥時都會產生泄漏，緊靠殼體的每個轉子葉片均按壓力梯度方向產生壓降，因此增加轉子的葉片數目可以減少泄漏量。圖3 所示為通過試驗得到的同一型號旋轉閥不同葉片數量時的漏氣量。從圖3 可以看出，當壓差一定時，漏氣量隨葉片數目增加而減少。但在處理給定物料時，轉子上可裝設的葉片數目是有限制的，這種限制在很大程度上與物料本身有關。葉片數目增加，必然會使料槽的夾角減小，對某些物料來說則會妨礙其排料。因此工業上常用的旋轉閥轉子葉片數一般為6～10 片。

（2）葉片與殼體之間的轉動間隙會對旋轉閥的性能產生較大影響，因此要縮小間隙，使泄漏對其給料能力的影響程度達到最小。圖4 所示為通過試驗得到的同一型號旋轉閥不同間隙時的漏氣量。從圖4 可以看出，當壓差一定時，隨著間隙增大其漏氣量也增大。一臺新的旋轉閥間隙大約為0.075～0.150 mm。如果要求更小的間隙，將會大大增加其制造成本。

圖3 不同葉片數目的漏氣量

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。

漏氣量是旋轉閥選型的重要參數，在選型設計時要結合物料特性和使用工況合理選擇旋轉閥的型號和可承受的漏氣量，如用戶有特殊要求，則應進行模擬工況的漏氣量試驗。

4 旋轉閥的設計與選型

4.1 旋轉閥的選型計算

旋轉閥的主要性能參數包括輸送能力、漏氣量、整機效率、適用介質、適用壓力和適用溫度等。其中輸送能力和漏氣量是主要設計參數，漏氣量可參考廠家提供的漏氣量表或模擬工況的試驗數值，也可以通過理論計算，如通過《運輸機械選型設計手冊》[4]中的計算公式計算得到。

假設轉子的料槽被物料完全充滿，則旋轉閥的給料量可根據下式計算：

式中：Q0——旋轉閥的給料能力，t/h；

ρ——物料的堆密度，t/m3；

V0—— 1 個料槽的容積，m3；

n——轉子轉速，r/min；

N ——轉子上料槽的個數。

由于旋轉閥輸送過程中不可能完全填滿，其選型設計還應考慮填充系數（或整機效率），正壓輸送的填充系數為70%～85%,負壓輸送的填充系數則為75%～90%，因此旋轉閥的實際給料能力可根據下式計算：

式中：φ——填充系數。

旋轉閥的給料能力與物料的性質、轉子轉速、轉子與殼體的間隙以及系統壓力等因素有關。但對于1臺已知的旋轉閥來說，若給定物料與工況，其給料能力只與轉子轉速有關。轉子的最佳轉速是根據轉子外徑的線速度來衡量的,但旋轉閥的給料量并不隨轉速的增加而線性增加。一般情況下, 轉子外徑的轉速為15～30 r/min。 轉子外徑較小時, 轉子的轉速會高一些, 為25 r/min 左右；轉子外徑較大時, 轉子的轉速則可以低一些。為了實現工藝物料的定量輸送，可通過配置無級變速器或變頻電機來調速。結合式（1）和式（2），旋轉閥的轉速可根據下式計算：

因此，旋轉閥的設計選型步驟如下：（1）獲取物料特性(如物料名，堆積密度，流動性等參數)和輸送能力要求；（2）從旋轉閥型號中初選尺寸和規格；（3）根據物料特性、輸送方式及輸送壓力，確定填充系數；（4）試算轉速；（5）核算給料能力。

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

表3 不同規格旋轉閥的輸送能力

由于物料流動性較好，正壓密相輸送，因此選取填充系數為0.8。

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

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

3）進一步核算額定轉速時BSM250 閥門的給料能力：Q=0.6×0.68×20×0.8=6.5 t/h，輸送能力達到要求，因此選定BSM250 為實際使用型號。

4.2 旋轉閥與接料器的配置

接料器是旋轉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，主要用于流動性較好的粉狀物料。

（2）文丘里式接料器

根據文丘里管原理，文丘里式接料器在進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，吸引旋轉閥送出的物料連同噴射空氣一起噴入輸送管道，因旋轉閥出口處壓力降低，減少了旋轉閥空氣的泄漏量。

（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，通過控制其進入的物料量，來確保轉子的斜槽不會被充滿，在轉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，這是為處理流動性較差、有黏滯性的物料而設計的。

此外還有密封外殼式和吹掃式接料器，在此不再贅述。當物料特性和旋轉閥使用工況不同時，應選擇不同的接料器進行設計。另外，在旋轉閥運行過程中，要確保物料中的粉塵不能進入到軸密封件內，軸密封內應設有平衡氣連接管，平衡氣壓力與輸送氣壓力相同，平衡氣的輸氣量應大于旋轉閥的耗氣量。

4.3 控制方式及其他要求

當用戶有要求時，旋轉閥應設有零速檢測保護裝置，當轉子轉速低于某一設定值時，應有信號反饋到中心控制室，并與旋轉閥前段工藝流程中的供料設備或閥門聯鎖。旋轉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、維護不善、設備溫度過高等，因此旋轉閥應設置刮壁報警裝置。有防爆性能要求的旋轉閥，應滿足使用工況的相關要求。

5 結論

旋轉閥的選型設計，需結合閥門的結構和漏氣量進行綜合考慮，在確定物料和工況以后，先判斷旋轉閥的選用類型及可承受的漏氣量，再根據選型設計步驟進行試算和核算，其步驟如下：（1）獲取工藝資料、物料特性及應用工況；（2）初選旋轉閥型號和尺寸；（3）根據物料特性和輸送方式確定填充系數；（4）試算閥門轉速，并核算其給料能力。