离心风机 气- 固两相流广泛存在于气力输送、煤粉燃烧、航空航 天、环保除尘等场合。当含有固体颗粒的流体作为工作介质 通过叶轮机械时, 被流体夹带的固体颗粒将对所流经的固体 壁面产生磨损作用, 严重的将使过流部件洞穿和变形, 恶化 风机内的流动特性。尤其对于烧结、排尘、锅炉引风机等, 由 于固体颗粒对叶片和机壳表面的经常冲击, 使叶片和机壳磨 损最为严重, 甚至引发叶片断裂及飞车等重大事故。 离心风机叶轮的磨损是一个十分复杂的物理过程, 它与 磨粒特性、流动特性、混合物浓度及叶轮结构设计所用材料 都有关系, 各因素之间相互制约, 相互影响。

                                                                                    
1 防磨措施的研究
引起离心风机叶轮磨损的因素很多, 有风机本身的原 因, 也有整个输送系统的原因, 大致可以分为两类: ( 1) 外部 因素, 包括载荷、滑动速度、滑动距离, 尘粒的大小、密度、硬 度及来流速度、冲角及叶轮叶片的形状等。随着风机载荷、 尘粒硬度、来流速度增大, 风机的磨损速度也加快。(2) 材料 本身的内在因素, 如材料本身的硬度、成分等。风机的磨损 速度随着磨损材料的硬度的增加而减少, 但耐磨性不仅取决于它的硬度, 而且与材料的成分有关。所以要提高材料的耐 磨性, 不仅要提高材料硬度, 也要选用耐磨性好的材料。 1. 1 堆焊耐磨层、在易磨处加防磨衬板 选择耐磨材料时要分析载荷的大小及尘粒硬度、尖锐程 度等, 着眼于控制来流速度、尘粒冲击角及改善被冲击材料 的硬度这三个方面来延长叶轮寿命。建议引风机叶片选用 16Mn 材料。考虑外部因素对叶轮耐磨性影响主要表现在来 流速度、气流夹带颗粒冲击角及尘粒大小的综合作用。通过 实验发现, 冲击角约在 20b达到峰值, 脆性材料是冲角达到 90b时磨损达到顶峰。 进行处理的方法是在叶片头部驻点附近用焊条进行堆 焊, 然后从堆焊部向出风口方向焊接一块 16Mn 衬板, 并在每 块衬板上用焊条堆焊波纹状, 堆焊高度为 3~ 4mm, 波形单弧 圆心角为 60b。这样做的好处是使磨料粒角大致出现在波谷 附近, 而且气流在两堆焊波间回旋流动对粉尘产生一种气垫 作用, 削弱粉尘的冲击能量。 1. 2 加耐磨肋条 加耐磨肋条指在叶轮叶片压力面靠近后盘的出口区域 内按一定方式焊接肋条, 主要用来减轻磨粒的磨损作用。固粒在磨损部位的基本运动方式是沿着叶片的表面滑动或滚 动, 并对表面有一定的压力作用, 焊接在该部位的肋条将阻 挡这种运动, 从而改变固粒的运动方向, 导致固粒跳离叶片 表面以减轻磨损程序。 1. 3 叶片表面粘接耐磨陶瓷 冲角比较小的小叶轮其磨损的机理取决于粒子碰撞的 冲角, 磨损形式主要以切削机理为主。此时增加靶材硬度是 提高磨损的一种比较有效的方法。研究指出, 在冲角较小 时, 陶瓷和金属、橡胶相比, 其磨损最小。所以用陶瓷粘接在 叶片表面来提高叶片抗磨损能力是可行的。但采用这种方 法需要解决一些问题: ( 1) 陶瓷材料与钢材料的膨胀差大; ( 2)要保证粘接的复合强度, 防止耐磨陶瓷在运行中的脱落。 ( 3) 要保证叶片表面平整, 没有喷涂层。 1. 4 固体 B- V- Re 共渗 固体B- V- Re 共渗技术是在渗 B工艺的基础上在1993 年前后研究开发的一种技术。一般钢材经过共渗处理后, 可 以获得较高的表面硬度, 且经共渗处理后, 表面硬度极高, 由 表面至中心部分的硬度下降剃度较为缓和。例如, 45 钢及 16Mn 钢表面可以获得HV700~ 2400 的硬度, 硬化层深度大于 200Lm, 耐腐性和耐磨蚀性有很大提高。 1. 5 渗碳、渗硼、涂刷防磨涂料、喷焊耐磨合金 这种防磨方法主要是从材料方面考虑, 其目的是为了使 金属表面形成硬而耐磨的保护层, 同时保持钢材芯部的韧 性。对于渗碳和渗硼, 渗层越深, 耐磨效果越好, 但脆性越 大, 叶片也越易断裂。这种方法的工艺比较复杂。另外在叶 片工作表面涂刷防磨涂料, 提高叶片材料硬度的同时, 要根 据冲刷角度的大小来选择脆性表层涂料或塑性表层涂料。 1. 6 焊接耐磨刃口 由于叶片的头部一般磨损较为严重, 所以采用由复合硼 化铁组成的烧结硬质合金的耐磨叶片前缘也不失为一种行 之有效的防磨措施。 1. 7 变中空叶片为实心叶片 这种方法主要针对的是机翼型叶片。由于机翼型叶片 是中空的, 所以当叶片磨穿后会有尘粒进入, 破坏风机的平 衡, 可使风机寿命缩短。因此可将原空心叶片做成等厚度的 实心直板叶片。 1. 8 选用较窄的叶片 叶片的磨损率与其自身的安装角和气流的流入角有密 切的关系。对于硬度较低的塑性材料, 磨损量最大发生在撞 击角15b~ 30b之间。所以当叶片的压力面是圆弧形的时, 总 是存在与尘粒构成最不利的撞击角部位, 使这部位的切削能 力加强, 形成磨损最严重的地方。而对于较窄的直板叶片离 心风机, 只要合理设计安装叶片安装角, 磨损则相对较轻。 1. 9 前置防磨叶栅或增加导向叶片 从风机的磨损机理可知, 其磨损部位很不均匀, 原因是 气流中固体粒子分布不均匀, 浓度大的地方磨损严重, 浓度 小的地方磨损轻。前置防磨叶栅或增加导向叶片都是从气 体动力学的角度考虑, 设法控制粒子使其均匀分布, 从而降低磨损的方法。前置防磨叶栅法, 其工作原理是当叶轮安装 了前置防磨叶栅后工作时, 前置叶栅随之转动, 产生一股可 取散粒子束的气流, 强制其轨道半径减少, 阻止粒子向后盘 及叶根处运动, 使固体粒子沿叶轮进口边比较均匀的分布, 从而将粒子的集中磨损转化为均匀磨损, 提高叶轮耐磨性, 延长风机使用寿命。 1. 10 采用控制载荷设计法设计新的叶型 控制载荷设计法主要考虑风机的启动特性, 从叶型设计 的角度出发, 减少叶轮叶片磨损。采用控制载荷法及单相耦 合和塑) 脆性损失模型分别对四种载荷的叶型进行了叶片 磨损的计算和分析, 认为采用最小扩压度加载的叶型可望获 得高效耐磨的叶轮。叶片载荷规律决定了叶片形成。在实 验中, 证实了最小扩压度加载叶型具有较好的磨损均匀性。 单圆弧叶型非线形载荷叶型由进口至出口磨损率呈减小的 趋势, 但进口区的磨损较严重, 出口区的磨损要轻得多。 1. 11 降低风机转速 实践证明, 风机的磨损速度与输送气体的含尘浓度和圆 周速度的三次方成正比: F= cu3 , 在满足了系统流量、压力的 前提下, 可尽量降低风机转速, 以减轻磨损。 1. 12 合理选用风机进风口 合理选用风机进风口就是改善含尘风机的进气条件, 从 气- 固两相流运动规律出发, 分析粒子的运动及磨损机理, 从气动角度改变风机中粒子的运动轨迹, 是一种从风机设计 方面改善机磨损的方法。 1. 13 在叶片表面分布球状耐磨颗粒 含尘离心风机的粒子与叶片的碰撞实际上是在叶片表 面附近的气- 固两相流边界层内发生的, 而边界层的存在不 仅会降低粒子与叶片的碰撞几率, 还会降低粒子冲击叶片的 速度。在叶片表面分布球状颗粒就是要将叶片表面附近的 边界层增厚, 以降低边界层内气体和固体颗粒的速度, 从而 降低固粒对叶片的磨损。
2 总结与展望
离心风机气- 固两相流叶轮叶片防磨损的措施, 归纳起 来可以分为两大类: (1) 被动防磨, (2) 主动防磨。被动防磨 是选取适当的耐磨材料或对被磨材料进行适当的耐磨处理。 被动防磨现在被广泛的应用于工业实际中, 本文所中提到的 前五种防磨方法就属于此类防磨方法。虽然被动防磨方法 在防磨方面起到了一定的作用, 但却不从根本上消除和缓解 磨损的发生。主动防磨也称为气动防磨, 主要是从气- 固两 相流的动力学特征入手, 对流体机械本身进行抗磨损等的优 化设计, 对流动参数进行控制与优化配置。因此, 从理论上 来讲气动防磨是解决带粒流磨损问题的根本之道。