雙軸差速立式捏合機(jī)混合特性分析

                             圖1  混合釜徑向集合結(jié)構(gòu)                             圖2  混合釜內(nèi)有效混合區(qū)

   VKM-5雙軸差速立式捏合機(jī)的攪拌系統(tǒng)由混合釜、實(shí)心槳與空心槳組成。混合釜釜壁內(nèi)部為中空的保溫層，內(nèi)充由供水系統(tǒng)提供的30℃恒溫水，空心槳與實(shí)心槳豎直安裝，兩攪拌槳距混合釜中心偏心距分別為ek和es ,而且 ek=2es ?？招臉赞D(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為 ωk  ,實(shí)心槳自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為 ωs ，而且ωk=2ωs 。 兩槳公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為ω，自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速比ωk/ω=15。 混合釜直徑D=200mm，空心槳與實(shí)心槳之間的捏合間隙為c1=3mm，實(shí)心槳與混合釜釜壁之間的捏合間隙為c2=3mm,如圖1所示。在攪拌過程中，混合工作區(qū)由空心槳與實(shí)心槳形成捏合區(qū)（Ⅰ區(qū)）、空心槳與混合釜釜壁形成近壁區(qū)（Ⅱ區(qū)）、雙槳底面與混合釜底形成的釜底區(qū)（Ⅲ區(qū)）三個區(qū)域組成。如圖2所示，在這三個混合工作區(qū)內(nèi)，空心槳、實(shí)心槳槳葉推動固體推進(jìn)劑物料與混合釜釜壁與釜底相互作用，促使物料混合均勻。

1. 流場特性

       圖3  Y向截面速度矢量場                       圖4  X向截面速度矢量場                     圖5  Z向截面速度矢量場

      雙軸差速立式捏合機(jī)實(shí)際工作轉(zhuǎn)速為30-90r/min, 取中速60r/min的計算結(jié)果進(jìn)行分析研究，攪拌槳非中心對稱，單一視圖難以顯示流暢全貌，圖3、圖4為混合釜Y向和X向軸向速度矢量場(vL為切向速度），圖5為混合釜Z向速度矢量場。由于攪拌槳曲面非常不規(guī)則，因此整個流場較為復(fù)雜，軸向流、切向流、徑向流并存，固體推進(jìn)劑物料在混合釜內(nèi)部形成軸向與徑向循環(huán)流并上下翻滾。在兩槳葉捏合區(qū)具有的軸向速度與較大的徑向速度，剪切作用強(qiáng)烈，是有效的混合區(qū)域即有效混合Ⅰ區(qū)，在空心槳與混合釜釜壁之間的刮壁區(qū)具有的切向速度與較大軸向速度，是有效混合Ⅱ區(qū)，在空心槳、實(shí)心槳底部與混合釜釜底形成的釜底區(qū)具有的徑向速度與較大的切向速度，是有效混合Ⅲ區(qū)，其他區(qū)域由于固體推進(jìn)劑高粘度的特性，流動性及時變性較差，主要靠分子擴(kuò)散進(jìn)行混合，混合效率。

     2. 壓力場分析

      空心槳和實(shí)心槳的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)是促進(jìn)固體推進(jìn)劑物料混合均勻的動力來源，兩槳運(yùn)動所引發(fā)的剪切、拉伸作用使混合釜內(nèi)形成一定的壓力差，壓力差是驅(qū)動物料運(yùn)動的主要推動力，將直接影響到混合釜內(nèi)流場的速度分布與功率消耗。

      在槳葉運(yùn)動過程中，雙槳之間捏合區(qū)間隙小，對固體推進(jìn)劑物料的剪切作用，捏合區(qū)的空心槳迎料面以及實(shí)心槳背料面所受壓力，這將有助于推動物料沿軸向與徑向運(yùn)動，形成軸向與徑向循環(huán)流。因此，雙槳捏合區(qū)物料所受壓力也，可以達(dá)到1.46x105Pa，壓力場沿軸向正方向逐步減小，沿軸向負(fù)方向快速減至-2.3x104Pa，并形成軸向流，這將有利于拉伸物料更快地填充捏合區(qū)，加速整個混合釜物料快速混合均勻，在空心槳近壁區(qū)葉片具有的切向速度,對物料產(chǎn)生切向和軸向擠壓，壓力場沿軸向反方向?yàn)?1.08x104Pa，負(fù)壓區(qū)將不斷拉伸近壁區(qū)底部物料填充近壁區(qū)進(jìn)行切向和軸向的剪切混合。

      釜底區(qū)所受壓力小于捏合區(qū)、近壁區(qū)壓力場，壓力主要集中在空心槳的兩個刀尖處。空心槳靠近釜壁的迎料面運(yùn)動所產(chǎn)生的壓強(qiáng)為2.6x104Pa，可與靜止的釜底產(chǎn)生一定的切向剪切作用，空心槳靠近釜壁的背料面與雙槳間隙均為-3.85x104Pa，可對物料進(jìn)行拉伸并提供混合釜內(nèi)循環(huán)流流動所需的空間和通道。