導風葉片結構對渦輪式分級機流場的影響規律*

2021-12-13 07:34:06余丹逵周智鄢仁生吳文秀張利寶郭強卜祥民

石油機械 2021年12期

余丹逵周智鄢仁生吳文秀張利寶郭強卜祥民

(1.中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司裝備服務處 2.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司庫爾勒分公司3.中國石油天然氣股份有限公司長慶油田分公司第九采油廠 4.長江大學機械工程學院)

0 引言

鉆完井液和壓裂液對非常規油氣田開采效率起著決定性作用，因此眾多國內外學者對鉆完井液和壓裂液的配方進行了深入研究，結果表明鉆完井液和壓裂液配方中固相顆粒的粒度分布對其功效具有重要影響，而添加了鐵礦石粉的鉆井液和完井液作用效果顯著。渦輪式分級機作為生產超細鐵礦石粉的核心設備之一，廣泛應用于石油化工和制藥等行業[1-3]。由于行業對超細粉體的要求越來越高，所以渦輪式氣流分級機越來越難以滿足生產要求。因此，有許多學者從生產工藝上對分級機的性能進行改進[4-7]，然而這些改進只能滿足特定樣品生產需求，無法滿足分級機對各類產品生產性能提升的需求。為此，任文靜等[8]設計了一種圓弧形葉片轉輪，在保持分級精度不變的情況下，分級粒徑減小了11.5%。趙海朋等[9]對開放、封閉兩種結構的轉籠底盤進行研究，發現開放式的轉籠底盤有助于流場均勻分布，利于分級效率和分級精度的提升。武樹波等[10]對喂料系統的撒料盤進行了優化，提出了一種雙層撒料盤，這對粉體的預分散有明顯的效果，可減少顆粒團聚，提升分級性能。劉家祥等[11]在分級機內部劃分了幾個重要功能區域，其中具有兩個分離功能的區域分別是導風葉片內邊界與轉籠外邊界包圍的環形區域Ⅰ以及轉輪葉片構成的環形區域Ⅱ，研究表明環形區域Ⅰ是最主要的分離功能區。因此，導風葉片與轉籠外邊緣之間的環形區域是研究分級機結構的重點區域。

環形分離區域Ⅰ中的分級機結構的研究對象是導風葉片。目前有部分學者針對導風葉片進行了初步研究。任成等[12]對有、無導風葉片的兩種分級機內部流場進行了模擬和試驗，結果表明導風葉片能提升分級精度，并且導風葉片處的較大湍流耗散率能明顯減弱“魚鉤效應”現象。李進春等[13]設計了一種凹槽面向轉子的L形導風葉片，模擬和試驗結果皆表明，L形導風葉片有利于提高分級效率和分級精度。由于理論缺乏和導風葉片加工成本等，目前文獻關于導風葉片的研究一直不多。為此，本文以渦輪式氣流分級機內部流場中氣流運動軌跡為基點進行理論分析，推導氣流運動軌跡方程，并基于該方程設計了3種新型的導風葉片，重點考察不同結構導風葉片對分級機內部流場的影響，以期為后續渦輪式氣流分級機的優化設計提供理論指導。

1 分級原理簡介

分級機結構及原理如圖1所示。物料通過第一層磨輥與磨環間為一次粉碎，然后通過第二、三、四層分別為第二次、三次、四次粉碎，因此物料得到充分的粉碎研磨，從而得到一定細粒度的產品。但此時細粒度的產品中還有一部分達不到鉆完井液配方中鐵粉需求的粒度，因此還需要通過分級機進行篩選。其中，分級輪以及四周環形區域為分離功能區，如圖2所示。

1—分級輪；2—磨環；3—磨輥；4—轉盤。

圖2 渦輪式氣流分級機分離功能區示意圖

根據文獻[4]，在工藝參數一定的情況下，分級機內部篩分的顆粒粒徑公式如下：

(1)

式中：d50為顆粒分級直徑，r為分級轉輪半徑，n為分級轉輪轉速，CD為阻力系數，h為轉輪分級區域的轉輪高度，Q為氣流流量，ρp為顆粒密度，ρa為空氣密度。

2 導風葉片改進設計

2.1 導風葉片線型公式推導

根據文獻[14-16]，氣流在分級機筒體內部呈螺旋上升運動規律，且氣流在分級機轉輪截面處的運動方式如圖3所示。圖3中虛線為導風葉片外緣，C、B所在粗實線為流體質點運動軌跡，φ為氣流所畫截面與線OC的夾角，定義為氣流截面角。因物料為超細粉體且可以當成離散相進行分析[16]，所以氣流質點的流線即為顆粒的運動軌跡。

圖3 氣流在分級機內部運動橫截面示意圖

文獻[16]的研究已經證明，導風葉片可使分級機內部流場更加穩定，且導風葉片的形狀會影響分離功能區I的流場分布，因此導風葉片的設計成為影響分級機內部重要分級區域流場的關鍵環節。

如圖3所示，設AB截面的氣流流量為qφ，可得從弧面AC流入導風葉片的流量為φQ/(2π)。若導風葉片外緣半個圓周面(φ=0～π)的氣流剛好是氣流流量qφ，則可以推導得截面角φ與截面氣流流量qφ有以下關系：

(2)

忽略摩擦影響，分級機殼體內部的氣流不受外力做功，滿足動量矩守恒定律，則有：

Rhvht=Rvt=C(常數)

(3)

式中：Rh為轉輪葉片外緣半徑，R氣流質點所在截面半徑，vht、vt分別是半徑Rh、R所在處氣流質點的切向速度。

AB截面都是有效氣流，則可得截面的氣流流量為：

(4)

式中的h=0.740 m。

聯立式(3)和式(4)，可得：

(5)

聯立式(2)和式(5)，可得R的計算公式：

(6)

其中

2.2 導風葉片線型設計

本文將設計3種不同線型的導風葉片和無導風葉片一共4種模型(見圖4)，分別對其進行分級功能區域流場的數值仿真模擬，根據環形流場穩定性和漩渦現象、分級區湍動能強度、分級精度等3個指標來分析導風葉片對分級性能的影響規律。

圖4 幾種不同導風葉片物理模型

結合本文分級機的具體結構參數(分級機轉輪葉片長50 mm、寬4 mm、高480 mm，安裝角度60°)和工藝參數，導風葉片內緣和轉輪葉片外緣之間的環形分級功能區I的寬度與轉輪葉片直徑之比可取0.09～0.12[17]，并參考分級機和行業標準進行以下設計。

(1)直導風葉片參數為：長55 mm，寬4 mm，高480 mm。

(2)L形導風葉片凹槽面朝向轉輪葉片，三段葉片參數為：第1段長60 mm、寬4 mm、高480 mm；第2段長25 mm、寬4 mm、高480 mm；第3段長25 mm、寬4 mm、高480 mm。根據轉輪葉片安裝角設置φ1和φ2分別為30°、60°。

(3)對數螺旋線導風葉片寬4 mm、高480 mm，φ1和φ2分別為89°和92°。由式(6)可得，氣流質點的流線(顆粒軌跡)如對數螺旋線，計算得對數螺旋線導風葉片的半徑為0.729 mm。

3 數值模型及邊界條件

3.1 物理模型

3.1.1 連續相方程

使用ANSYS-Fluent 15.0進行三維穩態仿真。對于不可壓縮流動，其質量和動量方程如下：

(7)

(8)

式中：ui、xi、t、ρ、p和uj分別代表流體速度、位置、時間、恒定流體密度、靜壓和氣體黏度。

在這種情況下，選擇合適的湍流模型至關重要，而RNGk-ε模型是描述渦輪空氣分級機流動湍流的合適模型。其湍動能和湍流耗散率分別為：

(9)

(10)

式中：Gk和Gb表示由平均速度梯度和浮力引起的湍動能分量，Ym是可壓縮湍流脈動膨脹對總耗散率的影響，其余為常數。

湍流黏度系數計算式為：

(11)

式中：αε=0.769 2,αk=1,C1ε=1.44,C2ε=1.92,C3ε=0.09,Cu=0.084 5。

3.1.2 離散相方程

基于Fluent的DPM模型，可以通過對粒子上的力平衡進行積分，在拉格朗日參考系中計算離散相粒子的軌跡。力平衡方程可以用笛卡爾坐標來表示：

(12)

(13)

(14)

式中：FD(u-up)是單位顆粒質量的流體曳力，u是流體速度，up是顆粒速度，μ′是流體動力黏度，ρ是流體密度，ρp是顆粒密度，dp是顆粒分級粒徑d50，Re是相對雷諾數，CD是阻力系數。

3.2 邊界條件

模型中有一個入口和兩個出口。進氣口使用速度入口邊界條件，并假設空氣速度均勻地分布在進氣口區域，方向垂直于進氣口邊界。渦輪空氣分級機的邊界條件被規定為充分發展的管道流量，被視為流出。在壁面處使用無滑移邊界條件，近壁面是標準的壁面函數。壓力-速度耦合采用SIMPLEC算法，對流和擴散采用QUICK差分方案。離散方程的對流項均采用默認格式，松弛因子通過經驗選擇。迭代了2 000個步驟，求解精度設為0.001。

4 仿真結果分析

4.1 導風葉片對環形分級區域穩定性的影響

模擬對象渦輪式分級機工藝參數為：轉輪轉速220 r/min、風量12 500 m3/h。對無導風葉片和3種導風葉片結構的分級機內部流場進行模擬，取分級機結構縱向240 mm處的截面進行流場速度云圖分析。4種不同情況下的環形分級區截面速度云圖如圖5所示。

由圖5可知，無導風葉片和直導風葉片的轉輪葉片周圍一圈環形分級區的流場很不穩定，存在很多漩渦現象。這會導致顆粒隨氣流的運動撞擊到葉片和導風葉片的概率大大增加，轉輪外緣是粗細顆粒分級的邊界，此處速度均勻性對分級有很大影響，漩渦會影響速度分布，最后導致分級精度和分級效率降低。L形導風葉片和對數螺旋線導風葉片的環形分級區流場非常穩定，且在轉輪內的分級區域同樣穩定。直導風葉片的流場穩定性不如L形和對數螺旋線導風葉片，但在整個截面上的漩渦要略少于無導風葉片，這說明導風葉片結構對渦輪式氣流分級機的分級功能區域流場穩定性有明顯的提升，L形和對數螺旋線導風葉片更優。

圖5 幾種不同導風葉片結構的環形分級區速度云圖

4.2 導風葉片對分級機流場湍動能的影響

分級功能區穩定性判斷的一項重要指標就是湍動能強度。在葉片分級區域中，分級功能區主要輸送細粉顆粒，讓細粉隨氣流上升到細粉出口，篩分出粗粉顆粒讓離心力大的粗粉撞擊到筒壁然后降落為粗粉收集。湍動能強度越小說明在粗細分級的關鍵邊界越穩定[18]。如圖6所示，湍動能強度T大小為：T1>T2>T3>T4。T1～T4分別代表無導風葉片、直導風葉片、L形導風葉片及對數螺旋線導風葉片的湍流強度。由此可以判斷，對數螺旋線結構導風葉片流場穩定性明顯優于另外3種結構的導風葉片。

圖6 幾種不同導風葉片結構的湍動能云圖

4.3 導風葉片對分級精度的影響

用ANASYS-Fluent離散相模型進行數值模擬，并研究渦輪空氣分級機中的氣流行為。為了在不同的工藝參數下獲得模擬的Tromp曲線，結合實際生產需求設置了17種不同的粒徑：1.00、2.00、4.00、5.13、6.21、7.51、8.00、10.00、11.00、12.66、16.62、19.50、23.60、28.60、32.00、41.80和46.59 μm。通過數值模擬計算出逃逸和捕獲的粒子數，并且粒子計算步驟的上限為20 000。最后根據逃逸粒子在粒子總數中所占的百分比繪制出Tromp曲線(見圖7)。

Tromp曲線是衡量分級機分級性能的重要指標，主要以部分分級效率作為縱坐標，粉體分級粒度作為橫坐標而繪制的曲線[12,15-16]。通常以Tromp曲線中部分分級效率為25%的粒徑d25和部分分級效率為75%的粒徑d75來計算分級精度(K=d75/d25)。

由圖7可以明顯看到，部分分級效率為75%的粒徑(d75)中，d1>d2>d3>d4，而部分分級效率為25%的粒徑(d25)中，幾種不同結構的模擬結果相差很小，分級精度可以略估計為K1>K2>K3>K4。下標1、2、3、4分別代表無導風葉片、直導風葉片、L形導風葉片及對數螺旋線導風葉片。分級精度是衡量分級性能的重要指標，分級精度越大代表分級性能越差，分級精度K越接近1說明分級性能很好，因此代表部分分級效率為25%的粒徑d25和部分分級效率為75%的粒徑d75幾乎相等，也即分級后的產物粒度區間很窄，產品粒徑相差甚微。從圖7還可以看出，無導風葉片的粒徑區間跨度最大，直導風葉片次之，L形導風葉片和對數螺旋線導風葉片相對要窄一些。因此，對數螺旋線導風葉片對分級性能的提升要優于其他幾種結構。