李明華，　陳克新，　喬夢華，　李文超

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

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新型雙級旋流管空氣濾效率研究

李明華，陳克新，喬夢華，李文超

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

為了研究雙級旋流管空氣濾的適宜濾清效率，對雙級旋流管空氣濾進行了仿真分析和試驗研究，試驗結果表明:雙級旋流管空氣濾的重量效率達到98%以上，對10 μm以上粒子的分離效率達到90%以上，與仿真結果相差13%.仿真和試驗結果證明新型雙級旋流管空氣濾能夠滿足壓氣機前端對進氣過濾重量效率要求，可在此基礎上進一步研究旋流管空氣濾適宜濾清效率.

雙級旋流管；分級效率；重量效率

新型雙級直通式旋流管空氣濾具有高效率、免維護、在車上布置靈活的特點，結合動力裝置的布置需要，對旋流管空氣濾提出了更高、更具體的要求，即要求旋流管對指定尺寸粉塵粒子的分離效果.實踐證明發(fā)動機及壓氣機的磨損不單取決于進氣中的灰塵量，而且還取決于灰塵的粒徑，所以在研究壓氣機和發(fā)動機受損時應了解進入發(fā)動機的灰塵重量及粒度兩方面的情況.

目前，各國濾清器的濾清效率是指單位時間內(nèi)被空氣濾清器濾除的塵土量與隨空氣進入空氣濾清器的塵土量的比值的百分數(shù).這種傳統(tǒng)的概念是用重量法來衡量濾清效率的，測出的僅是穿透濾清器灰塵的重量是多少，而不能提供有關塵粒尺寸的信息，以至于不能區(qū)分各種濾清器的不同.實質(zhì)上，進入發(fā)動機的顆粒大小與數(shù)量直接影響發(fā)動機的使用壽命.因此，須改變原來傳統(tǒng)的濾清效率概念，而引用一個新的概念，即適宜濾清效率.適宜濾清效率采用被空氣濾清器濾除的塵粒直徑大小和數(shù)量與隨空氣進入空氣濾清器的塵粒直徑大小和數(shù)量之比[1]，采用適宜濾清效率就把空氣濾清器的濾清能力與其對發(fā)動機的保護程度統(tǒng)一起來.

1　粉塵對高轉速葉片機械的影響

與活塞環(huán)式發(fā)動機不同，粉塵會造成壓氣機的葉片的侵蝕和磨損.壓氣機的特點是轉速高、進氣速度高，粉塵會堵塞空氣道，降低傳熱效率，造成功率下降、過熱或者失去平衡，損壞壓氣機.美國對燃氣輪機的試驗表明， 1～2 μm的粉塵不會發(fā)生沖擊，而會造成沉積.5～7 μm將導致腐蝕，造成壓氣機損壞.大于10 μm的粉塵粒子會造成壓氣機葉片表面的沖擊，20 μm的粉塵粒子對壓氣機造成的損壞最嚴重.美國某公司燃氣輪機脈沖自動清洗空氣濾清的要求見表1.

表1　美國某公司燃氣輪機脈沖自動清洗空氣濾清的要求

2　旋流管的分離機理及新型雙級旋流　管的結構

2.1旋流管的分離機理

旋流管空氣濾的原理是靠離心力將旋轉氣流中的粉塵顆粒分離出來，達到凈化發(fā)動機進氣的目的.對于這種離心式的氣固分離設備，根據(jù)其結構的不同，在一定的處理流量下，設備的切割粒徑是一定的.即旋流管的結構確定以后，其在各種工況下的分離效率理論上是一個定值.

對于旋流管分離器，分離性能的基本指標是切割粒徑x50，它主要是由旋流管的旋轉流動所決定的，捕集概率為50%.x50對旋流管的性能起著決定性的影響，正是這個參數(shù)決定了旋流管分級效率曲線的分布.

最終可以算出內(nèi)旋渦半徑處的切向速度：

(1)

知道了內(nèi)旋渦半徑處的切向速度VθCS，則旋轉流的切割粒徑x50為

(2)

(3)

所以，旋流管的分離機理可以部分地解釋為：旋流管的切割粒徑x50越小，總分離效率就越大.但是在相同的入口風速下，旋流管的切割粒徑x50是一定的，同時還受到粉塵濃度、粉塵顆粒的入口位置等因素的影響.所以當旋流管的入口風速一定時，針對不同尺寸的粉塵粒子，可以采用兩級具有不同分離效果的旋流管(具有不同的導流葉片或者其它結構尺寸)串聯(lián)，以增加旋流管對小尺寸粒子的分離能力，進而提高旋流管粗濾器的分離效率[2].

2.2新型過濾方式對旋流管性能的特殊要求

發(fā)動機的集成化進氣系統(tǒng)一般是將多級串聯(lián)的旋流管布置在壓氣機的前端，要求旋流管分離器的分離性能滿足壓氣機的使用要求，這樣就能將濾芯布置在壓氣機后端，因壓氣機后端過濾的是壓縮后的氣體，氣體的體積將大大減小，從而減小濾芯的體積，滿足集成化輔助系統(tǒng)的發(fā)展需求.

這里討論兩級串聯(lián)的旋流管分離器.在串聯(lián)的兩級旋流管中，綜合考慮系統(tǒng)的流動阻力和分離性能，對每一級的性能要求不盡相同.第一級旋流管分離的粒子相對于第二級較大，所以在旋流管葉片結構的設計中，可以將氣流的軸向速度取得大一些，切向速度分量小一些，來達到以較小的阻力分離較大的粒子.在第二級旋流管中，主要分離第一級沒有分離出來的小粒子.

2.3新型雙級串聯(lián)旋流管的結構特點

目前，某已有旋流管的阻力和分離效果已經(jīng)達到第一級旋流管使用的要求，本研究在此基礎上針對第二級旋流管進行研究.第二級的旋流管葉片設計要求考慮分離更小的粒子，這主要有兩種措施:一種是增加小粒子在旋流管中的停留時間，以使其能夠運動到壁面而被分離；另一種是增加旋轉氣流的切向力來分離更小的粒子.這里討論延長粒子在旋流管中的滯留時間，以達到分離小粒子的目的.

應用于第一級分離的旋流管如圖1(a)所示，含塵氣流從旋流管入口進入，導流葉片產(chǎn)生的切向力將粒子和氣流推向壁面，然后氣流又攜帶著小粒子沿徑向向旋流管中心運動，并從中心管逃逸，而大粒子則沿著壁面向下，最后從排塵口排出.在圖1的結構中，小粒子會隨著氣流的徑向運動而逃逸；將第二級旋流管的中心設置一段導流段，如圖1(b)所示，這將延長小粒子受離心力的作用時間，進而提高對小粒子的分離效率，從而提高整個旋流管分離器的性能.將兩種旋流管串聯(lián)起來，理論上就可以達到以最小的流動阻力獲得最好的分離效果的目的.兩種不同結構旋流管串聯(lián)成的雙級旋流管見圖1(c).

圖1　旋流管元件圖

3　新型雙級串聯(lián)旋流管的仿真和試驗　研究

3.1新型雙級串聯(lián)旋流管的仿真

3.1.1仿真情況介紹

將葉片不帶導流段的旋流管作為第一級，葉片帶導流段且葉輪輪轂加粗的旋流管作為第二級，以及二者串聯(lián)組成的旋流管分離器的性能利用CFD進行了分析，圖2是CFD仿真模型圖.

通過仿真分析得到了不同結構旋流管的粒子分離軌跡、分離效率和流動阻力.圖3是當旋流管的出口流量為40 m3/h時，旋流管中的粒子軌跡.分級效率及阻力情況見圖4至圖9.

圖2　旋流管元件仿真模型

圖3　旋流管中的粒子軌跡

對比圖4和圖5可以發(fā)現(xiàn)，無論旋流管導流葉片下端帶不帶導流段，隨著入口氣流速度的減小，旋流管對小粒子的分離效果越來越差，但是帶導流段的旋流管在各個流量下對小粒子的分離效果都比沒帶導流段的旋流管好.

對比圖6和圖7可以發(fā)現(xiàn)，旋流管導流葉片下帶導流段后，對小粒子的分離效果得到改善，特別是在小流量下，對小粒子的分離效果提高較大.

圖4　葉片不帶導流段的的分離效果

圖5　葉片帶導流段的分離效果

圖6　入口速度為 7 m/s時的分離效果

圖7　入口速度為 14 m/s時的分離效果

圖8　入口速度為 4 m/s時的分離效果

圖9　3種結構的阻力結果

從圖8、圖9中可以看出，對于雙級串聯(lián)旋流管的每一級分離的側重點不同，第一級不帶導流段的旋流管側重分離10 μm以上的大粒子，在相同條件下的流動阻力最??；第二級葉輪輪轂加粗并在葉片下方設置導流段，側重分離5～10 μm的小粒子，旋流管的流動阻力相對于第一級有所增加；兩級串聯(lián)以后整個旋流管分離器的流動阻力接近于單級的2倍，但是分離效率達到了較理想的效果.

3.1.2仿真結果分析

通過以上的仿真分析，可以得到以下結論：

1) 旋流管的入口速度越大，分離效果越好，但是達到一定的速度以后，對效率的提升幅度減小.

2) 葉片帶導流段的旋流管在各種入口速度下，對小粒子的分離效果都有較明顯的提升.

3) 雙級串聯(lián)以后，旋流管分離器的性能有較大的提高，特別是在小流量下，也能達到較好的分離效果.

4)第一級旋流管分離器側重分離較大的粒子，阻力相對較低；第二級旋流管分離器通過結構上的改變達到側重于分離較小粒子的目的，但是阻力相對于第一級增加了20%～30%；通過這樣兩級旋流管的合理匹配，使得兩級串聯(lián)旋流管分離器的阻力和效率都達到較理想的效果.

3.2新型旋流管的試驗研究

針對上述的單級和雙級旋流管的一級濾清器，制作試驗樣件開展了試驗研究，得到了旋流管式一級濾的壓降、重量效率和分級效率.表2是旋流管濾清器的阻力，表3是旋流管濾清器的重量效率，圖10和圖11是效率和阻力曲線.圖12和圖13是對雙級進行分級效率測試的結果.

表2　旋流管一級濾的阻力

表3　旋流管一級濾的重量效率

圖10　旋流管效率試驗結果

圖11　旋流管阻力試驗結果

在雙級旋流管總成出口的空氣額定流量的40%、60%、80%、100%，抽塵量10%，分別按照1 g/m3濃度10 min加灰量加入ISO-A4粉塵，測得一級濾清器總成分離后氣流中的粉塵分布見圖12至圖13.從試驗數(shù)據(jù)可以得到：單級旋流管對小粒子的分離效率較低，采用雙級旋流管后，一級濾清器總成在各個流量下分離后氣流中的粒子都小于10 μm；分離后氣流中所含粒子90%以上是小于10 μm的小顆粒.

從試驗結果可以看出，雙級旋流管空氣濾對10 μm以上粒子的分離效率不低于90%，對5～10 μm范圍內(nèi)粒子的分離效率在80%～90%之間.通過仿真得到雙級旋流管空氣濾對10 μm以上粒子的分離效率達到100%，對5～10 μm范圍內(nèi)粒子的分離效率在90%～100%之間.仿真結果與試驗結果還有一定的差距，相差小于13%.產(chǎn)生誤差的主要原因是在仿真過程中對于粒子在氣流中的跟隨性、粒子與壁面之間的碰撞以及粒子之間的碰撞等條件設置很難與實際情況相符.

圖12　單級旋流管分級效率試驗結果

圖13　雙級旋流管分級效率試驗結果

4　結　論

1)針對使用多級串聯(lián)直通式旋流管空氣濾清器的趨勢，根據(jù)適宜濾清效率的新概念，對旋流管分級效率的研究是非常必要的，該研究可分析旋流管分離器是否能夠濾出對壓氣機造成損壞的粉塵顆粒.

2)通過仿真和試驗研究了雙級旋流管空氣濾結構和性能，指出了雙級過濾中每一級過濾性能的側重點，并通過試驗分析了通過兩種不同結構旋流管串聯(lián)的旋流管分離器的性能，效率達到98%以上.仿真和試驗結果表明，雙級旋流管空氣濾的兩級旋流管結構設計特點保證了對不同尺寸粉塵的分離效果.能夠滿足新型過濾技術中對壓氣機前端分離器性能的要求.

3)通過仿真得到雙級旋流管空氣濾對10 μm以上粒子的分離效率達到100%，對5～10 μm范圍內(nèi)粒子的分離效率在90%～100%之間.試驗結果表明，對10 μm以上粒子的分離效率不低于90%，

對5～10 μm范圍內(nèi)粒子的分離效率在80%～90%之間，與試驗結果對比還有一定的差距，相差小于13%.

4)針對雙級旋流管一級濾的研究工作需結合發(fā)動機和壓氣機，來確定需要過濾多大尺寸的粒子才能滿足發(fā)動機和壓氣機的使用需求，而不會引起壓氣機的磨損和損壞，這就需要發(fā)動機及增壓器廠家提出較確切的塵粒適宜分離效率.那么，旋流管分離器就要通過結構優(yōu)化設計來盡量滿足壓氣機對粉塵的要求.

[1]李明華，王建東，王秉才．旋流管式車輛空氣濾清器過濾技術研究[J].過濾與分離, 2007，(1)；32-34.

[2]李明華，王建東，李繼新，等．雙級旋流管分離器研究[J]，過濾與分離2010，(3):27-30.

Study on the Efficiency of the Two-stage Cyclone Air Cleaner

LI Ming-hua,CHEN Ke-xin,QIAO Meng-hua,LI Wen-chao

(China North Vehicle Research Institute，Beijing 100072, China)

In order to study the appropriate efficiency of the two-stage cyclone air cleaner, CFD simulation and experimentation were carried out on the two-stage cyclone air cleaner. The results showed the weight efficiency was about 98%, and the separation efficiency for particles larger than 10μm was 90%, which met the requirements of the Turbo Charge. The discrepancy between CFD simulation and experimentation results was about 13%. Finally, study on the appropriate efficiency of the cyclone air cleaner was pointed out.

two-stage cyclone； fractional efficiency；weight efficiency

1009-4687(2016)01-0043-05

URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.4493.TH.20150928.1039.002.html

2015-05-29.

10.16599/j.cnki.1009-4687.20150928.001

李明華(1976-)，女，研究員級高級工程師，研究方向為過濾技術.

TK413.4+6

A