预测涡轮机械冲蚀率

  冲蚀磨损是指：液体或固体以松散的小颗粒按一定速度或角度对材料表明上进行冲击所造成的一种材料损耗的现象或过程。

  它广泛存在于多种工业生产之中，造成的设备损坏给生产带来了巨大损失。因此，对侵蚀率的预测有助于设计者提高必须在恶劣环境下运行的旋转设备的寿命。

  出于对真实的操作的考虑，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有着非常丰富的经验，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。

  催化裂化过程利用粉状催化剂，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。整一个完整的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。

  机械设计人能利用这些模型来量化通道壁和叶片的潜在损伤。此外，用户还能够准确的通过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%的反应几何(右)，红域表示最高的侵蚀率。

  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，由此减少了求解时间。

  ■ 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。

  对40%反应流路径设计预估的初级侵蚀破坏，与在炼油厂运行的这种类型的FCC气体膨胀器所遭受的破坏非常相似。这表明，CFD模型与实际FCC膨胀器存在良好的相关性。

  68%的反应设计显著改善了侵蚀性能，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，定子载荷明显降低。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非常明显改善。

  ▲ 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。

  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做侵蚀特性。

  ■ 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。

  ■ 由于能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常规使用的寿命。