XJM-S型浮选机叶轮锥角对搅拌功率影响的试验研究

史英祥

(1．中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2．河北省煤炭洗选工程技术研究中心，河北 唐山 063012)

XJM-S型浮选机叶轮锥角对搅拌功率影响的试验研究

史英祥1，2

(1．中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2．河北省煤炭洗选工程技术研究中心，河北 唐山 063012)

为研究XJM-S型浮选机叶轮锥角对搅拌功率的影响，利用相似放大准则，并结合经验参数，研制出XJM-S 0.5型小浮选样机及五组不同锥角的叶轮，通过构建功率测试平台，对各组叶轮在不同浸没深度与转速条件下进行了功率测试。试验结果表明：在90°～130°范围内，锥角为130°的叶轮搅拌功率最高，90°锥角叶轮次之，100°、110°、120°锥角叶轮搅拌功率相近且最低；叶轮锥角变大，搅拌功率随浸没深度增加有升高趋势，且转速越高趋势越明显；搅拌功率的实测值与通过相似准则计算的理论值相比，在低转速区实测值比理论值高，在高转速区实测值比理论值低；功率因数随叶轮转速的升高在1～2之间逐渐降低。

浮选机；搅拌功率；叶轮锥角；叶轮浸没深度；叶轮转速

XJM-S型浮选机是目前国内选煤厂使用最为广泛的煤泥分选设备[1，2]。近年来，在选煤厂应用的大型XJM-S型浮选机有20、24、28、36、45、60、90 m3等七种规格，均是利用相似放大准则、结合经验参数及流场模拟逐步大型化研发的科技成果[3-5]。在XJM-S型浮选机的大型化设计和产品研发过程中，叶轮的设计是以叶轮周边线速度恒定、叶轮和定子基本遵从几何相似为基础进行的相似放大[6-8]。但是，对于改变叶轮的结构参数对动力参数的影响并没有过多的探究。为了指导浮选机叶轮结构参数的节能优化设计与大型浮选机的研发，完善以相似放大准则和经验公式为依据的设计方法，以叶轮的锥角为研究对象，设计制作了试验样机和五组不同锥角的叶轮，对叶轮在不同浸没深度与转速条件下的搅拌功率变化进行了试验研究。

1 试验

1.1 试验样机及叶轮设计

试验样机设计为槽体容积为0.5 m3的XJM-S 0.5型小浮选样机，其关键参数的设计以相似放大准则为理论依据：

式中：D为叶轮直径，m；De为槽体当量圆面积直径，m；H1为槽体有效深度，m；V为槽体有效容积，m3；U为叶轮边缘线速度，m/s；NQa为气流数，无因次；Qa为充气量，m3/s；N为叶轮转速，r/s；Np为功率数，无因次；P为搅拌功率，kW；ρ为水的密度，为1 000 kg/m3；各常数为试验与经验数据。

将V=0.50 m3代入公式，解方程组，可得D=0.206 m,De=0.869 m，H1=0.847 m,P=1.54 kW，Qa=0.009 016 m3/s，N=13.752 r/s。浮选机槽体水平断面设计为正方形结构，槽体边长B=0.770 m。XJM-S 0.5型浮选机依此结构和动力参数进行设计制造。

浮选机叶轮锥角由三个不同参数构成，分别是上叶轮顶部锥角(又称上锥角)，上下叶轮之间连接板(简称叶轮间板)的锥角(又称中锥角)与下叶轮底板锥角(又称下锥角)，如图1所示。

现有XJM-S型浮选机的叶轮上、中、下三个锥角参数分别为120°、130°及158°，定子锥角与叶轮上锥角相同。为考查叶轮和定子锥角对搅拌功率的影响，以XJM-S 0.5型浮选机为研究对象，设计出5组不同锥角的直径为0.206 m的叶轮及配套定子，叶轮锥角参数如表1所示。

图1 浮选机叶轮结构示意图

叶轮上锥角/(°)中锥角/(°)下锥角/(°)1(基准叶轮)120130158211012014831001101384901001285130140168

1.2 试验装置与试验方法

功耗测试系统由XJM-S 0.5型浮选机、变频器、电能测试仪、转速测试仪等构成，可以测试功率在5.5 kW、转速在1 450 r/min以下叶轮的搅拌功率。测试系统如图2所示。

1—交流电源；2—钳形传感器；3—电压测试线；4—电能测试仪；5—变频器；6—搅拌电机；7—转速测试仪；8—浮选槽；9—搅拌机构；10—叶轮定子组件

电能测试仪采用MODEL6300型数字电力计，该仪器利用10 A量程的钳形传感器与电压测试线，采用三相三线式接线方法，可测试搅拌电机的瞬时电流、电压、功率以及一定时间段内电能，从而得出这段时间内的平均功率；通过转速测试仪测试变频器在某一频率下搅拌机构轴的转速，从而测得叶轮的转速。功耗测试试验以8.9 m/s为基准转速，一共为XJM-S 0.5型浮选机设计了10种转速(表2)，以723 mm为基准浸没深度设置了7种叶轮浸没深度(表3)。

表2 功耗测试试验的叶轮转速Table 2 Rotating speed of impeller in power consumptiontesting experiment

表3 功耗测试试验的叶轮浸没深度

测试方法如下：

(1)把上锥角为130°的叶轮安装在搅拌机构上，向浮选槽内加水至液位高度为950 mm，利用变频器调整搅拌电机至设定转速649 r/min，利用电能测试仪测试搅拌电机5 min内的平均功率，依次调整余下9种转速，测得该浸没深度下10种转速的搅拌功率。

(2)依次调整浮选槽内其他6种液位，测得该锥角叶轮的70个搅拌功率。

(3)依次更换叶轮，重复试验，测得余下4组叶轮的各自70个搅拌功率。

2 试验结果与分析

2.1 不同锥角叶轮浸没深度与功率的关系

根据五组叶轮在不同浸没深度、不同转速下的搅拌功率，可以得出各锥角的叶轮(以上锥角为代表)在不同转速与浸没深度时搅拌功率的变化曲线，如图3—7所示。

由图3—7可知，锥角为130°、120°、110°、100°的四种叶轮在转速相同时，搅拌功率随浸没深度增加有升高趋势，且转速越高搅拌功率升高越明显；在浸没深度相同时，搅拌功率随转速升高而明显升高，转速对搅拌功率的影响比浸没深度的影响大。由图7可知，锥角为90°的叶轮，在线速度为7.0 m/s、7.5 m/s时，搅拌功率随浸没深度增加先升高后降低，在线速度在8.0 m/s以上时，搅拌功率呈波动变化，转速越高，搅拌功率随浸没深度波动越大，且有先下降后升高的趋势。

图3 θ=130°叶轮在不同转速下条件下的浸没深度-功率曲线

图4 θ=120°叶轮在不同转速条件下的浸没深度-功率曲线

图5 θ=110°叶轮在不同转速条件下的浸没深度-功率曲线

图6 θ=100°叶轮在不同转速条件下的浸没深度-功率曲线

图7 θ=90°叶轮在不同转速条件下的浸没深度-功率曲线

由此可以看出，对于锥角在100°～130°范围内的伞形叶轮，锥角越大的叶轮，浸没深度对搅拌功率影响越大，且随浸没深度增加有升高趋势，转速越高，趋势越明显；对于θ=90°叶轮，搅拌功率随浸没深度波动，转速越高，波动越大；转速对搅拌功率的影响比浸没深度对搅拌功率的影响大。

2.2 不同锥角叶轮转速与功率的关系

由五组叶轮在基准浸没深度(723 mm)时的搅拌功率可得到不同锥角的叶轮在各个转速条件下的变化曲线，设相似放大准则中功率数Np为恒定值1.6,可得各个转速与理论功率的N-P曲线，如图8所示。

图8 不同锥角叶轮的转速-功率的变化曲线

由图8可以看出，不同锥角的叶轮在浸没深度为723 mm时，搅拌功率随转速增加而升高，θ=130°叶轮的N-P曲线在其他四个锥角叶轮的N-P曲线的上方，θ=90°的叶轮N-P曲线在θ=120°、110°、100°叶轮的N-P曲线上方，而这三个锥角叶轮的N-P曲线相近；放大准则公式的理论N-P曲线与各叶轮实际曲线在低转速区(N<750 r/min)交叉。

由此可以得出，在转速相同时，锥角在90°～130°范围内的伞形叶轮，锥角为130°的叶轮搅拌功率最高，其次为90°，100°、110°、120°锥角叶轮搅拌功率相近且最低；不同锥角叶轮的搅拌功率随转速变化而升高的趋势一致；放大准则公式中的理论值与实际测量值有偏差，两者相比较，在N>750 r/min的转速区，实际测量值比理论值低。在利用相似准则设计XJM-S型浮选机搅拌功率时，应据叶轮圆周速度合理选择功率因数。

2.3 不同锥角叶轮转速与功率因数的关系

根据相似放大准则公式，功率因数为经验值1.6，是叶轮周边线速度为8.9 m/s时不同直径叶轮功率数值计算的依据，是浮选机设计时选择电机型号的基础。一定直径的叶轮，由功率、转速根据公式(1)可以反算出它的功率因数，由试验实耗功率与转速测量可得出五组叶轮在不同转速下的功率因数，进而得出叶轮线速度与功率因数的关系曲线。图9所示为七组叶轮的U-NP曲线。

图9 叶轮的U-NP曲线

由图9可以看出，各组叶轮线速度与功率因数的变化趋势是一致的，功率因数随着转速升高而在1～2之间逐渐降低；而对于D=206 mm的五组叶轮定子，在相同转速下，θ=130°叶轮功率因数最高，θ=90°叶轮次之，θ=120°、110°、100°的三组叶轮相近且最低。

3 结论

(1)对于锥角在100°～130°范围内的伞形叶轮，锥角越大，浸没深度对搅拌功率影响越大，且随浸没加深有升高趋势，转速越高，趋势越明显。

(2)转速对搅拌功率的影响比浸没深度对搅拌功率的影响大。

(3)对于锥角在90°～130°范围内的伞形叶轮，130°的搅拌功率最高，其次为90°，100°、110°、120°锥角叶轮搅拌功率相近且最低。

(4)在N>750 r/min的转速区内，由相似放大准则计算的功率理论值比实际测量值高。

(5)随着叶轮转速升高，功率因数在1～2之间逐渐降低，对于D=206 mm的五组叶轮，在相同转速条件下，θ=130°叶轮功率因数最高，θ=90°叶轮次之，θ=120°、110°、100°的三组叶轮功率因数相近且最低。

[1] 程宏志，张孝钧，石 焕，等. XJM-(K)S系列浮选机研究现状与展望[J].选煤技术，2008(4)：122.

[2] 叶大武.2006年中国选煤和煤炭质量概况[J].选煤技术,2007(4):1-4.

[3] 程宏志,蔡 璋，严 峰，等.充气速率对浮选效果的影响及机械搅拌式浮选机充气机理的探讨[J].选煤技术,2000(2).

[4] 程宏志.机械搅拌式浮选机相似转换原理[J].煤炭学报,2000,25(Sup)：182-185.

[5] 刘春艳.浮选机流场数值分析与相似特征参数的研究[D].北京：煤炭科学研究总院，2008.

[6] 程宏志.张孝钧，石 焕,等.XJM-KS20大型浮选机的研究[J]. 选煤技术，2006(6):20-22.

[7] 史英祥.XJM-S28浮选机的工业应用[J]. 选煤技术，2011(1):23-26.

[8] 史英祥.XJM-S45型浮选机的研制与工业应用[J]. 选煤技术，2013(2):1-4.

Experimental research on effect of taper angle of XJM-S flotation machine impeller on agitation power

SHI Ying-xiang1，2

(1. China Coal Technology & Engineering Group Tangshan Research Institute Co., Ltd., Tangshan, Hebei 063012, China; 2.Coal Preparation Engineering & Technology Research Center of Hebei Province, Tangshan, Hebei 063012, China)

To understand the effect of taper angle of XJM-S flotation machine impeller on agitation power, based on scale-up principle and proven parameters, small XJM-S 0.5 type flotation machine model and impellers & stators with different five groups of taper angles are developed, what's more, power of each group impeller & stator is measured under the condition of different submersion depth and rotating speed. The results show that: within the limits of 90°-130°, the biggest agitation power of impeller is obtained at 130° taper angle, and the agitation power of impeller at 90° taper angle comes second; the minimum agitation power at 100° taper angle is close to that at 110°, 120° taper angle; the bigger taper angle, agitation power will tend towards rising with the submersion depth increasing, moreover, obvious tendency happens in higher rotating speed; as for agitation power value, measured value is higher at slow rotating speed area and smaller at high rotating speed than theoretical value

by scale-up principle; power factor becomes small gradually step by step with rotating speed of impeller increasing.

flotation machine; agitation power; taper angle of impeller; submersion depth of impeller; rotating speed of impeller

TD943

A

1001-3571(2015)04-0001-05

2015-06-08

10.16447/j.cnki.cpt.2015.04.001

天地科技股份有限公司青年创新基金项目(KJ-2013-TDTS-02)

史英祥(1979—)，男，河南省商丘市人，硕士，副研究员，从事浮选工艺与设备的研究。

E-mail：xiangfchina@163.com Tel：0315-7759642