離心風機氣固兩相流葉輪防磨損的措施
關鍵詞：離心風機氣固兩相流葉輪防磨損的措施 發(fā)布時間：2013-11-20 點擊數(shù)：1681
離心風機 氣- 固兩相流廣泛存在于氣力輸送、煤粉燃燒、航空航 天、環(huán)保除塵等場合。當含有固體顆粒的流體作為工作介質 通過葉輪機械時, 被流體夾帶的固體顆粒將對所流經的固體 壁面產生磨損作用, 嚴重的將使過流部件洞穿和變形, 惡化 風機內的流動特性。尤其對于燒結、排塵、鍋爐引風機等, 由 于固體顆粒對葉片和機殼表面的經常沖擊, 使葉片和機殼磨 損最為嚴重, 甚至引發(fā)葉片斷裂及飛車等重大事故。 離心風機葉輪的磨損是一個十分復雜的物理過程, 它與 磨粒特性、流動特性、混合物濃度及葉輪結構設計所用材料 都有關系, 各因素之間相互制約, 相互影響。
1 防磨措施的研究
引起離心風機葉輪磨損的因素很多, 有風機本身的原 因, 也有整個輸送系統(tǒng)的原因, 大致可以分為兩類: ( 1) 外部 因素, 包括載荷、滑動速度、滑動距離, 塵粒的大小、密度、硬 度及來流速度、沖角及葉輪葉片的形狀等。隨著風機載荷、 塵粒硬度、來流速度增大, 風機的磨損速度也加快。(2) 材料 本身的內在因素, 如材料本身的硬度、成分等。風機的磨損 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。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 選擇耐磨材料時要分析載荷的大小及塵粒硬度、尖銳程 度等, 著眼于控制來流速度、塵粒沖擊角及改善被沖擊材料 的硬度這三個方面來延長葉輪壽命。建議引風機葉片選用 16Mn 材料�？紤]外部因素對葉輪耐磨性影響主要表現(xiàn)在來 流速度、氣流夾帶顆粒沖擊角及塵粒大小的綜合作用。通過 實驗發(fā)現(xiàn), 沖擊角約在 20b達到峰值, 脆性材料是沖角達到 90b時磨損達到頂峰。 進行處理的方法是在葉片頭部駐點附近用焊條進行堆 焊, 然后從堆焊部向出風口方向焊接一塊 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對粉塵產生一種氣墊 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 內按一定方式焊接肋條, 主要用來減輕磨粒的磨損作用。固粒在磨損部位的基本運動方式是沿著葉片的表面滑動或滾 動, 并對表面有一定的壓力作用, 焊接在該部位的肋條將阻 擋這種運動, 從而改變固粒的運動方向, 導致固粒跳離葉片 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理取決于粒子碰撞的 沖角, 磨損形式主要以切削機理為主。此時增加靶材硬度是 提高磨損的一種比較有效的方法。研究指出, 在沖角較小 時, 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 法需要解決一些問題: ( 1) 陶瓷材料與鋼材料的膨脹差大; ( 2)要保證粘接的復合強度, 防止耐磨陶瓷在運行中的脫落。 ( 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 共滲技術是在滲 B工藝的基礎上在1993 年前后研究開發(fā)的一種技術。一般鋼材經過共滲處理后, 可 以獲得較高的表面硬度, 且經共滲處理后, 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層, 同時保持鋼材芯部的韌 性。對于滲碳和滲硼, 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, 要根 據沖刷角度的大小來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重, 所以采用由復合硼 化鐵組成的燒結硬質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 變中空葉片為實心葉片 這種方法主要針對的是機翼型葉片。由于機翼型葉片 是中空的, 所以當葉片磨穿后會有塵粒進入, 破壞風機的平 衡, 可使風機壽命縮短。因此可將原空心葉片做成等厚度的 實心直板葉片。 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 切的關系。對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。所以當葉片的壓力面是圓弧形的時, 總 是存在與塵粒構成最不利的撞擊角部位, 使這部位的切削能 力加強, 形成磨損最嚴重的地方。而對于較窄的直板葉片離 心風機, 只要合理設計安裝葉片安裝角, 磨損則相對較輕。 1. 9 前置防磨葉柵或增加導向葉片 從風機的磨損機理可知, 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重, 濃度 小的地方磨損輕。前置防磨葉柵或增加導向葉片都是從氣 體動力學的角度考慮, 設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, 其工作原理是當葉輪安裝 了前置防磨葉柵后工作時, 前置葉柵隨之轉動, 產生一股可 取散粒子束的氣流, 強制其軌道半徑減少, 阻止粒子向后盤 及葉根處運動, 使固體粒子沿葉輪進口邊比較均勻的分布, 從而將粒子的集中磨損轉化為均勻磨損, 提高葉輪耐磨性, 延長風機使用壽命。 1. 10 采用控制載荷設計法設計新的葉型 控制載荷設計法主要考慮風機的啟動特性, 從葉型設計 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四種載荷的葉型進行了葉片 磨損的計算和分析, 認為采用最小擴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 驗中, 證實了最小擴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口至出口磨損率呈減小的 趨勢, 但進口區(qū)的磨損較嚴重, 出口區(qū)的磨損要輕得多。 1. 11 降低風機轉速 實踐證明, 風機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, 可盡量降低風機轉速, 以減輕磨損。 1. 12 合理選用風機進風口 合理選用風機進風口就是改善含塵風機的進氣條件, 從 氣- 固兩相流運動規(guī)律出發(fā), 分析粒子的運動及磨損機理, 從氣動角度改變風機中粒子的運動軌跡, 是一種從風機設計 方面改善機磨損的方法。 1. 13 在葉片表面分布球狀耐磨顆粒 含塵離心風機的粒子與葉片的碰撞實際上是在葉片表 面附近的氣- 固兩相流邊界層內發(fā)生的, 而邊界層的存在不 僅會降低粒子與葉片的碰撞幾率, 還會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, 以降低邊界層內氣體和固體顆粒的速度, 從而 降低固粒對葉片的磨損。
2 總結與展望
離心風機氣- 固兩相流葉輪葉片防磨損的措施, 歸納起 來可以分為兩大類: (1) 被動防磨, (2) 主動防磨。被動防磨 是選取適當?shù)哪湍ゲ牧匣驅Ρ荒ゲ牧线M行適當?shù)哪湍ヌ幚怼?被動防磨現(xiàn)在被廣泛的應用于工業(yè)實際中, 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。主動防磨也稱為氣動防磨, 主要是從氣- 固兩 相流的動力學特征入手, 對流體機械本身進行抗磨損等的優(yōu) 化設計, 對流動參數(shù)進行控制與優(yōu)化配置。因此, 從理論上 來講氣動防磨是解決帶粒流磨損問題的根本之道。