预测涡轮机械冲蚀率

编译：谢文丽 上海安世亚太流体应用工程师

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▲ FCC热气膨胀器流体域的实体模型

出于对实际操作的考虑，含有固体颗粒的叶轮机械流是一种不希望出现的、但往往是不可避免的情况。灰尘、沙子、粉煤灰、氧化铁、工艺产生的材料以及可磨蚀密封件或叶片摩擦产生的碎片，都是这些固体颗粒不同成分的例子。这些颗粒会引起侵蚀、沉积或腐蚀，因此它们是性能退化和部件损坏的共同来源。其后果是昂贵的，包括必须维修的叶轮机械部件的费用。

ANSYS为世界各地的机构提供设计、分析和测试服务，并且在各种旋转机械的设计和分析方面具有丰富的经验，计算流体力学(CFD)在叶轮机械流道优化设计中应用已多年。

针对发生冲蚀磨损的叶轮机械，借助ANSYS CFD软件能分析叶轮内部气流速度场、气流压力场、叶片温度场的分布规律；利用离散相模型能研究叶轮内部的气固两相流动，分析颗粒直径对颗粒运行轨迹、运动速度、偏聚浓度及造成叶片冲蚀分布的影响规律。

以下比较了两种热气膨胀器设计的侵蚀率。

FCC热气膨胀器受到侵蚀的困扰

催化裂化用FCC热气体膨胀器是工业涡轮机械的一个子集，通常会持续受到严重的侵蚀破坏。

催化裂化过程通过使用粉状催化剂，再加上高温，将高分子量的石油碳氢化合物转化为更有价值的石油产品，包括汽油。整个过程通常在炼油厂连续运行长达几个月。

烟气是催化裂化过程的副产品，它会通过分离器去除90%的催化剂颗粒，然后再通过催化裂化热气膨胀器。

FCC热气膨胀器是一种特殊类型的透平机械，它回收残留在烟气中的相当大一部分的压力和热能，并用它来驱动工艺设备或发电。

除了有较高的进口温度，单级FCC热气膨胀器的特点是一个大的压力比，通常是3比1。FCC热气膨胀器的涡轮叶片同时受到大量的气动和热应力，这加剧了残余固体催化剂颗粒造成的侵蚀破坏。

强大的分析技巧提供解决方案

计算流体力学(CFD)在叶轮机械流道优化设计中已应用多年。ANSYS CFX软件包括在流体领域跟踪固体颗粒的能力，以及预测固体颗粒的侵蚀在理论模型中的应用。

机械设计人员可以利用这些模型来量化通道壁和叶片的潜在损伤。此外，用户还可以根据腐蚀情况判断设计变更的效果。

▲ FCC热气膨胀器在40%反应(左)和68%反应(右)情况下的CFD模型

▲ 预测转子侵蚀率密度的彩色等高线图，40%的反应几何(左)和68%的反应几何(右)，红色区域表示最高的侵蚀率。

根据时间变化数据，建立FCC热气膨胀器承受过量固体颗粒侵蚀破坏的特定模型。

在对一条扩张器生产线进行计划升级时，使用ANSYS CFX对这台机器的流道进行了计算腐蚀分析。通过增加膨胀器阶段的设计反应，分析量化侵蚀率的差异。

■ 工程师设计了新的40%反应流道，并将其与另一个类似的68%反应设计进行了比较，设计压力比为3.5，转子转速为5070转/分。每个设计由三个相邻的流体域组成，分别代表定子、转子和扩散器。由于每个域是循环对称的，因此只需要对每个域中的一个叶片行或扇区进行建模，从而减少了求解时间。

■ 采用ANSYS TurboGrid软件对模型进行网格划分，生成一个约63.7万个节点的六面体网格。

■ 采用考虑了湍流效应的k-ε湍流模型，将stage模型应用于定子、转子和扩压器之间的交界面。

■ 侵蚀模型考虑了固体颗粒的尺寸和相对速度、颗粒冲击角、颗粒和侵蚀面材料。

■ 采用石英钢的系数代表固体颗粒和侵蚀面，并采用侵蚀模型的默认回弹特征。

▲ 40%反应几何值(左)和68%反应几何值(右)下叶片前缘转子侵蚀率密度的彩色放大图

▲ 40%反应几何图形(上)和68%反应几何图形(下)Half-span马赫数颜色等高线图

两种设计的气动性能预测相当相似，40%和68%的反应设计的效率分别为87.2%和87.9%。然而，对侵蚀速率的差异进行预测后发现，其结果是不同的。

从40%的反应流路径设计到68%的反应流路径设计，通过CFD分析预测，动叶平均侵蚀率密度降低22%，静叶平均侵蚀率密度降低5%。

对于40%的反应设计，转子叶片与静叶相比，腐蚀率密度高65%；但68%的反应设计仅比具有较高的腐蚀率密度高出35%。这表明，在68%的反应设计情况下，转子和定子叶片磨损将以更一致的速率发生。

68%的反应设计明显改善了侵蚀性能，尤其是在动叶的前缘。毫无疑问，这是由于在旋转叶片前缘的烟道气流速度减少，是这种设计的特点。

虽然两种设计都具有跨音速流动和高气动载荷，但马赫数图显示，在68%的反应设计中，定子载荷显著降低。流线图显示了每个转子压力侧相似的流型(上图)。然而，通过模拟预测了在吸力面上轮毂二次流的减少，68%的反应设计可以使性能得到显著改善。

▲ 40%反应几何值(左对)和68%反应几何值(右对)动叶表面流线图和速度着色图，每对的左边代表压力侧、右边代表吸力侧。

结论

对两种FCC气体膨胀器设计的流体流动分析表明，该设计能够重新设计叶轮机械的流道，并为提高叶片寿命量身定制侵蚀特性。

■ 与周期性更换叶片、降低机器效率和因设备停机而造成的生产损失相比，使用CFD分析解决侵蚀问题的成本是最小的。

■ 由于可以减小主流道中夹带的固体颗粒对叶轮机的侵蚀破坏程度，可以显著延长叶轮机械的使用寿命。

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