離心風(fēng)機(jī)氣固兩相流葉輪防磨損的措施
關(guān)鍵詞：離心風(fēng)機(jī)氣固兩相流葉輪防磨損的措施 發(fā)布時(shí)間：2013-11-20 點(diǎn)擊數(shù)：1532
離心風(fēng)機(jī) 氣- 固兩相流廣泛存在于氣力輸送、煤粉燃燒、航空航 天、環(huán)保除塵等場(chǎng)合。當(dāng)含有固體顆粒的流體作為工作介質(zhì) 通過(guò)葉輪機(jī)械時(shí), 被流體夾帶的固體顆粒將對(duì)所流經(jīng)的固體 壁面產(chǎn)生磨損作用, 嚴(yán)重的將使過(guò)流部件洞穿和變形, 惡化 風(fēng)機(jī)內(nèi)的流動(dòng)特性。尤其對(duì)于燒結(jié)、排塵、鍋爐引風(fēng)機(jī)等, 由 于固體顆粒對(duì)葉片和機(jī)殼表面的經(jīng)常沖擊, 使葉片和機(jī)殼磨 損最為嚴(yán)重, 甚至引發(fā)葉片斷裂及飛車等重大事故。 離心風(fēng)機(jī)葉輪的磨損是一個(gè)十分復(fù)雜的物理過(guò)程, 它與 磨粒特性、流動(dòng)特性、混合物濃度及葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所用材料 都有關(guān)系, 各因素之間相互制約, 相互影響。
1 防磨措施的研究
引起離心風(fēng)機(jī)葉輪磨損的因素很多, 有風(fēng)機(jī)本身的原 因, 也有整個(gè)輸送系統(tǒng)的原因, 大致可以分為兩類: ( 1) 外部 因素, 包括載荷、滑動(dòng)速度、滑動(dòng)距離, 塵粒的大小、密度、硬 度及來(lái)流速度、沖角及葉輪葉片的形狀等。隨著風(fēng)機(jī)載荷、 塵粒硬度、來(lái)流速度增大, 風(fēng)機(jī)的磨損速度也加快。(2) 材料 本身的內(nèi)在因素, 如材料本身的硬度、成分等。風(fēng)機(jī)的磨損 速度隨著磨損材料的硬度的增加而減少, 但耐磨性不僅取決于它的硬度, 而且與材料的成分有關(guān)。所以要提高材料的耐 磨性, 不僅要提高材料硬度, 也要選用耐磨性好的材料。 1. 1 堆焊耐磨層、在易磨處加防磨襯板 選擇耐磨材料時(shí)要分析載荷的大小及塵粒硬度、尖銳程 度等, 著眼于控制來(lái)流速度、塵粒沖擊角及改善被沖擊材料 的硬度這三個(gè)方面來(lái)延長(zhǎng)葉輪壽命。建議引風(fēng)機(jī)葉片選用 16Mn 材料。考慮外部因素對(duì)葉輪耐磨性影響主要表現(xiàn)在來(lái) 流速度、氣流夾帶顆粒沖擊角及塵粒大小的綜合作用。通過(guò) 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 沖擊角約在 20b達(dá)到峰值, 脆性材料是沖角達(dá)到 90b時(shí)磨損達(dá)到頂峰。 進(jìn)行處理的方法是在葉片頭部駐點(diǎn)附近用焊條進(jìn)行堆 焊, 然后從堆焊部向出風(fēng)口方向焊接一塊 16Mn 襯板, 并在每 塊襯板上用焊條堆焊波紋狀, 堆焊高度為 3~ 4mm, 波形單弧 圓心角為 60b。這樣做的好處是使磨料粒角大致出現(xiàn)在波谷 附近, 而且氣流在兩堆焊波間回旋流動(dòng)對(duì)粉塵產(chǎn)生一種氣墊 作用, 削弱粉塵的沖擊能量。 1. 2 加耐磨肋條 加耐磨肋條指在葉輪葉片壓力面靠近后盤的出口區(qū)域 內(nèi)按一定方式焊接肋條, 主要用來(lái)減輕磨粒的磨損作用。固粒在磨損部位的基本運(yùn)動(dòng)方式是沿著葉片的表面滑動(dòng)或滾 動(dòng), 并對(duì)表面有一定的壓力作用, 焊接在該部位的肋條將阻 擋這種運(yùn)動(dòng), 從而改變固粒的運(yùn)動(dòng)方向, 導(dǎo)致固粒跳離葉片 表面以減輕磨損程序。 1. 3 葉片表面粘接耐磨陶瓷 沖角比較小的小葉輪其磨損的機(jī)理取決于粒子碰撞的 沖角, 磨損形式主要以切削機(jī)理為主。此時(shí)增加靶材硬度是 提高磨損的一種比較有效的方法。研究指出, 在沖角較小 時(shí), 陶瓷和金屬、橡膠相比, 其磨損最小。所以用陶瓷粘接在 葉片表面來(lái)提高葉片抗磨損能力是可行的。但采用這種方 法需要解決一些問(wèn)題: ( 1) 陶瓷材料與鋼材料的膨脹差大; ( 2)要保證粘接的復(fù)合強(qiáng)度, 防止耐磨陶瓷在運(yùn)行中的脫落。 ( 3) 要保證葉片表面平整, 沒有噴涂層。 1. 4 固體 B- V- Re 共滲 固體B- V- Re 共滲技術(shù)是在滲 B工藝的基礎(chǔ)上在1993 年前后研究開發(fā)的一種技術(shù)。一般鋼材經(jīng)過(guò)共滲處理后, 可 以獲得較高的表面硬度, 且經(jīng)共滲處理后, 表面硬度極高, 由 表面至中心部分的硬度下降剃度較為緩和。例如, 45 鋼及 16Mn 鋼表面可以獲得HV700~ 2400 的硬度, 硬化層深度大于 200Lm, 耐腐性和耐磨蝕性有很大提高。 1. 5 滲碳、滲硼、涂刷防磨涂料、噴焊耐磨合金 這種防磨方法主要是從材料方面考慮, 其目的是為了使 金屬表面形成硬而耐磨的保護(hù)層, 同時(shí)保持鋼材芯部的韌 性。對(duì)于滲碳和滲硼, 滲層越深, 耐磨效果越好, 但脆性越 大, 葉片也越易斷裂。這種方法的工藝比較復(fù)雜。另外在葉 片工作表面涂刷防磨涂料, 提高葉片材料硬度的同時(shí), 要根 據(jù)沖刷角度的大小來(lái)選擇脆性表層涂料或塑性表層涂料。 1. 6 焊接耐磨刃口 由于葉片的頭部一般磨損較為嚴(yán)重, 所以采用由復(fù)合硼 化鐵組成的燒結(jié)硬質(zhì)合金的耐磨葉片前緣也不失為一種行 之有效的防磨措施。 1. 7 變中空葉片為實(shí)心葉片 這種方法主要針對(duì)的是機(jī)翼型葉片。由于機(jī)翼型葉片 是中空的, 所以當(dāng)葉片磨穿后會(huì)有塵粒進(jìn)入, 破壞風(fēng)機(jī)的平 衡, 可使風(fēng)機(jī)壽命縮短。因此可將原空心葉片做成等厚度的 實(shí)心直板葉片。 1. 8 選用較窄的葉片 葉片的磨損率與其自身的安裝角和氣流的流入角有密 切的關(guān)系。對(duì)于硬度較低的塑性材料, 磨損量最大發(fā)生在撞 擊角15b~ 30b之間。所以當(dāng)葉片的壓力面是圓弧形的時(shí), 總 是存在與塵粒構(gòu)成最不利的撞擊角部位, 使這部位的切削能 力加強(qiáng), 形成磨損最嚴(yán)重的地方。而對(duì)于較窄的直板葉片離 心風(fēng)機(jī), 只要合理設(shè)計(jì)安裝葉片安裝角, 磨損則相對(duì)較輕。 1. 9 前置防磨葉柵或增加導(dǎo)向葉片 從風(fēng)機(jī)的磨損機(jī)理可知, 其磨損部位很不均勻, 原因是 氣流中固體粒子分布不均勻, 濃度大的地方磨損嚴(yán)重, 濃度 小的地方磨損輕。前置防磨葉柵或增加導(dǎo)向葉片都是從氣 體動(dòng)力學(xué)的角度考慮, 設(shè)法控制粒子使其均勻分布, 從而降低磨損的方法。前置防磨葉柵法, 其工作原理是當(dāng)葉輪安裝 了前置防磨葉柵后工作時(shí), 前置葉柵隨之轉(zhuǎn)動(dòng), 產(chǎn)生一股可 取散粒子束的氣流, 強(qiáng)制其軌道半徑減少, 阻止粒子向后盤 及葉根處運(yùn)動(dòng), 使固體粒子沿葉輪進(jìn)口邊比較均勻的分布, 從而將粒子的集中磨損轉(zhuǎn)化為均勻磨損, 提高葉輪耐磨性, 延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)使用壽命。 1. 10 采用控制載荷設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)新的葉型 控制載荷設(shè)計(jì)法主要考慮風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)特性, 從葉型設(shè)計(jì) 的角度出發(fā), 減少葉輪葉片磨損。采用控制載荷法及單相耦 合和塑) 脆性損失模型分別對(duì)四種載荷的葉型進(jìn)行了葉片 磨損的計(jì)算和分析, 認(rèn)為采用最小擴(kuò)壓度加載的葉型可望獲 得高效耐磨的葉輪。葉片載荷規(guī)律決定了葉片形成。在實(shí) 驗(yàn)中, 證實(shí)了最小擴(kuò)壓度加載葉型具有較好的磨損均勻性。 單圓弧葉型非線形載荷葉型由進(jìn)口至出口磨損率呈減小的 趨勢(shì), 但進(jìn)口區(qū)的磨損較嚴(yán)重, 出口區(qū)的磨損要輕得多。 1. 11 降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速 實(shí)踐證明, 風(fēng)機(jī)的磨損速度與輸送氣體的含塵濃度和圓 周速度的三次方成正比: F= cu3 , 在滿足了系統(tǒng)流量、壓力的 前提下, 可盡量降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速, 以減輕磨損。 1. 12 合理選用風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口 合理選用風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口就是改善含塵風(fēng)機(jī)的進(jìn)氣條件, 從 氣- 固兩相流運(yùn)動(dòng)規(guī)律出發(fā), 分析粒子的運(yùn)動(dòng)及磨損機(jī)理, 從氣動(dòng)角度改變風(fēng)機(jī)中粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡, 是一種從風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì) 方面改善機(jī)磨損的方法。 1. 13 在葉片表面分布球狀耐磨顆粒 含塵離心風(fēng)機(jī)的粒子與葉片的碰撞實(shí)際上是在葉片表 面附近的氣- 固兩相流邊界層內(nèi)發(fā)生的, 而邊界層的存在不 僅會(huì)降低粒子與葉片的碰撞幾率, 還會(huì)降低粒子沖擊葉片的 速度。在葉片表面分布球狀顆粒就是要將葉片表面附近的 邊界層增厚, 以降低邊界層內(nèi)氣體和固體顆粒的速度, 從而 降低固粒對(duì)葉片的磨損。
2 總結(jié)與展望
離心風(fēng)機(jī)氣- 固兩相流葉輪葉片防磨損的措施, 歸納起 來(lái)可以分為兩大類: (1) 被動(dòng)防磨, (2) 主動(dòng)防磨。被動(dòng)防磨 是選取適當(dāng)?shù)哪湍ゲ牧匣驅(qū)Ρ荒ゲ牧线M(jìn)行適當(dāng)?shù)哪湍ヌ幚怼?被動(dòng)防磨現(xiàn)在被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)實(shí)際中, 本文所中提到的 前五種防磨方法就屬于此類防磨方法。雖然被動(dòng)防磨方法 在防磨方面起到了一定的作用, 但卻不從根本上消除和緩解 磨損的發(fā)生。主動(dòng)防磨也稱為氣動(dòng)防磨, 主要是從氣- 固兩 相流的動(dòng)力學(xué)特征入手, 對(duì)流體機(jī)械本身進(jìn)行抗磨損等的優(yōu) 化設(shè)計(jì), 對(duì)流動(dòng)參數(shù)進(jìn)行控制與優(yōu)化配置。因此, 從理論上 來(lái)講氣動(dòng)防磨是解決帶粒流磨損問(wèn)題的根本之道。