喷气织机新型引纬片结构设计及引纬流场分析

陈永当，赵诚诚，殷俊清，程云飞，顾金芋

(西安工程大学 机电工程学院，陕西 西安 710048)

0 引 言

自无梭织机20世纪50年代实现商业化以来，其织造技术得到快速发展，其中喷气织机因具有宽幅、高效、高产等织造特点，成为目前的主导机型。

在喷气引纬领域，国内外学者的关注点主要在织机车速合理、织物品种适应性、节能降耗等方面。多尼尔公司对单孔辅助喷嘴的设计和制造进行了优化, 改进了其性能, 减少了空气消耗；丰田公司研发的新型节能型辅助喷嘴，使纬纱在低压环境下飞行更加平稳，从而降低了耗气量；必佳乐研发的TwinJet节能型喷嘴，显著提升了多孔喷嘴低压下的气流集束程度，进一步降低了能耗[1-2]。喷气引纬的另一研究重点在于降低喷射气流对纬纱的影响，从而提高引纬效率和稳定性。文献[3]分析了单孔辅助喷嘴结构参数和供气压力对射流特性的影响；文献[4]为提高喷气织机工作效率，减少断纬引起的停车，利用LabVIEW开发了喷气织机综合性能测试软件；文献[5]通过对不同组合流场进行数值分析，证明了辅喷流场具有可叠加性；文献[6]研究了延伸喷嘴的不同结构及参数对导纱管内气流速度、流场稳定性的影响，并对延伸喷嘴结构及其参数进行了优化；文献[7]设计了一种高频喷射阀以降低喷气织机的气耗问题；文献[8-11]研究了辅助喷嘴几何结构对喷射效果及耗气量的影响，对辅助喷嘴结构进行了优化；文献[12]对主、辅喷嘴和异形筘的组合流场进行数值模拟，改善了辅助喷嘴引纬的综合性能；文献[13]建立了计算流体力学模型，并对旋涡旋压喷嘴内的气流特性进行了三维数值模拟，得到了旋涡旋流喷嘴内的气流特性；文献[14-15]模拟了主喷嘴气流与纱线运动之间的相互作用，建立了流固耦合框架预测纱线在主喷嘴推动下的速度；文献[16]分析了辅助喷嘴流场中气流速度的具体分布情况以及变化趋势，并结合相关实验进行了验证。

综上可知，目前对于喷气引纬的研究工作主要集中在对辅助喷嘴喷射性能,主、辅喷嘴与异形筘组合流场,引纬工艺参数优化等方面。国产喷气织机在引纬幅宽、入纬率、织物成品质量及品种适应性、能耗控制等方面，与国外先进喷气织机的差距尤为明显，在喷气织机节能降耗、新型引纬装置等方面的研究也相对较少。本文改进喷气织机引纬机构，提出主喷嘴+引纬片的新型引纬方式。利用有限元分析软件对引纬片流场进行分析，得到新型引纬片对称截面的速度云图、气流引纬中心线上速度衰减曲线、耗气量以及速度截面图。

1 新型引纬流场模型

1.1 新型引纬片结构设计

喷气织机依靠主、辅喷嘴的高速气流对纬纱的牵引力进行引纬。现行主流的喷气织机多采用主喷嘴+辅助喷嘴+异性筘的引纬方式，其气流通道为U型半封闭槽，气流耗散较快，耗气量大。基于此，本文在文献[17]的基础上，设计一种新型的带有气路通道的引纬片模型，采用主喷嘴+引纬片的方式进行引纬。图1为新型引纬片的结构参数及三维图形。由于新型引纬片内部空间含有气路通道，常规的加工方法难以实现，因此采取文献[18]中提供的高精度的3D打印方法进行加工。

(a)新型引纬片结构参数(单位：mm)

1.2 新型引纬片流场三维模型

利用SolidWorks软件建立新型引纬片的三维模型，利用有限元分析软件Ansys中SpaceClaim模块对引纬片中的流场域进行抽取。图2为新型引纬片的流场域模型，包括内嵌式气路流场和外部远扬流场，其中外部远扬流场包括脱纱区域及半封闭引纬区域，半封闭引纬区域的直径为15 mm，长度为100 mm。

图2 新型引纬片的流场域模型

1.3 模型网格的划分

利用Ansys中的Mesh插件对新型引纬片的流场域模型进行网格划分，并设置压力入口、压力出口2个边界条件，参数设置与文献[19]保持一致。其中网格质量为fine，网格密度调整为100，网格生成数量为157万，入口压力为0.3 MPa，静压为297.51 kPa，入口湍动耗散率为8 428.8 kg·m2·s-3，湍动能为5.019 2 m2·s-2，温度为293 K。采用CFD密度基隐式求解器进行计算，湍流模型选用RNGk-ε双方程模型，流体介质选用理想气体，迭代次数为800次。图3为新型引纬片的流场域网格化分模型，其中压力入口设置为内嵌式气路的4个入口，压力出口设置为外部远扬流场的左、右、上端面3个出口。

图3 新型引纬片的流场域网格化分模型

2 数值模拟

2.1 新型引纬片流场分析

应用Fluent有限元分析软件对新型引纬片的流场域模型进行分析。图4(a)为气流汇聚示意图，可以看出引纬内腔排布的多个喷孔，通过调整喷射角，气流可在引纬内腔中心线线上汇聚；图4(b)为流场域的对称面上的速度云图，由此看出气流通过内嵌式气路通道在空间内射流中心线上汇聚并稳定向前扩散；图4(c)为引纬内腔中心线上的速度衰减曲线，由此看出引纬速度v最大值为109 m/s，最小值为40 m/s，平均速度为64 m/s。当引纬距离为0～9 mm时，多个喷孔喷出的气流尚未在引纬内腔中心线上汇聚，此时半封闭腔内气流较为紊乱，不利于引纬；当引纬距离9～100 mm时，多个喷孔喷出气流已然在流域中心线上汇聚，流场的集束性较好，有利于引纬。文献[20]指出，TT-800型喷气织机实际生产中纱线飞行临界速度为30 m/s。当引纬距离为100 mm时，引纬速度为40 m/s(图4(c))满足引纬要求，故选取9～100 mm范围内的流体作为有效引纬区间。图4(d)为不同引纬距离下气流速度截面分布图，由此看出流体在某一距离处截面速度的分布情况。通过仿真分析，得到引纬片全流场下入口质量流为71.3 g/s，由此可得耗气量为1.997 m3/h。

(a)气流汇聚示意图

2.2 常规单圆孔辅助喷嘴流场

选取喷射角4°，壁厚0.4 mm，喷孔出口面积为1.766 25 mm2的单圆孔辅助喷嘴进行研究，其他参数设置与上述保持一致。采用数值模拟的方法，得到供气压力0.3 MPa时，辅助喷嘴对称截面上的速度云图、气流引纬中心线上速度衰减曲线及耗气量等。图5(a)为单圆孔辅助喷嘴流体在对称面上的气流速度分布情况，可以看出辅助喷嘴最大出口速度为434 m/s。图5(b)为气流引纬中心线上气流速度衰减曲线。

(a)单圆孔辅助喷嘴对称截面上的气流速度云图

当引纬距离处于0～20 mm时，曲线斜率较大，气流波动较大，不利于引纬；当引纬距离处于20～80 mm时，气流较为平稳，集束性较好，有利于引纬。最小速度为40 m/s，大于纱线飞行临界速度，故选取20～80 mm为有效引纬区间。通过仿真分析，得到单圆孔辅助喷嘴全流场下入口质量流为1.013 5 g/s，由此可得耗气量为2.822 m3/h。

3 结 论

1)当供气压力为0.3 MPa时，新型引纬片全流场下耗气量为1.997 m3/h，常规单圆孔辅助喷嘴全流场下耗气量为2.822 m3/h，二者相比，新型引纬片耗气量降低了约25%。

2)常规单圆孔辅助喷嘴具有出口速度较大，气流集束性强的优势，但气流速度衰减较快。新型引纬片在多喷孔气流汇聚前，气流在引纬中心线上集束性较差；在气流汇聚后，气流集束性较好并且与辅助喷嘴相比速度衰减较慢。

3)在满足临界引纬速度的前提下，新型引纬片与常规单圆孔辅助喷嘴相比，引纬距离较大。

4)与常规单圆孔辅助喷嘴进行比较，新型引纬片在保证有效引纬速度与引纬距离的前提下，可有效降低耗气量，进而证明新型的主喷嘴+引纬片的引纬方式是可行的。