編譯：謝文麗 上海安世亞太流體應用工程師

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▲ FCC熱氣膨脹器流體域的實體模型

出于對實際操作的考慮，含有固體顆粒的葉輪機械流是一種不希望出現(xiàn)的、但往往是不可避免的情況。灰塵、沙子、粉煤灰、氧化鐵、工藝產生的材料以及可磨蝕密封件或葉片摩擦產生的碎片，都是這些固體顆粒不同成分的例子。這些顆粒會引起侵蝕、沉積或腐蝕，因此它們是性能退化和部件損壞的共同來源。其后果是昂貴的，包括必須維修的葉輪機械部件的費用。

ANSYS為世界各地的機構提供設計、分析和測試服務，并且在各種旋轉機械的設計和分析方面具有豐富的經(jīng)驗，計算流體力學(CFD)在葉輪機械流道優(yōu)化設計中應用已多年。

針對發(fā)生沖蝕磨損的葉輪機械，借助ANSYS CFD軟件能分析葉輪內部氣流速度場、氣流壓力場、葉片溫度場的分布規(guī)律；利用離散相模型能研究葉輪內部的氣固兩相流動，分析顆粒直徑對顆粒運行軌跡、運動速度、偏聚濃度及造成葉片沖蝕分布的影響規(guī)律。

以下比較了兩種熱氣膨脹器設計的侵蝕率。

FCC熱氣膨脹器受到侵蝕的困擾

催化裂化用FCC熱氣體膨脹器是工業(yè)渦輪機械的一個子集，通常會持續(xù)受到嚴重的侵蝕破壞。

催化裂化過程通過使用粉狀催化劑，再加上高溫，將高分子量的石油碳氫化合物轉化為更有價值的石油產品，包括汽油。整個過程通常在煉油廠連續(xù)運行長達幾個月。

煙氣是催化裂化過程的副產品，它會通過分離器去除90%的催化劑顆粒，然后再通過催化裂化熱氣膨脹器。

FCC熱氣膨脹器是一種特殊類型的透平機械，它回收殘留在煙氣中的相當大一部分的壓力和熱能，并用它來驅動工藝設備或發(fā)電。

除了有較高的進口溫度，單級FCC熱氣膨脹器的特點是一個大的壓力比，通常是3比1。FCC熱氣膨脹器的渦輪葉片同時受到大量的氣動和熱應力，這加劇了殘余固體催化劑顆粒造成的侵蝕破壞。

強大的分析技巧提供解決方案

計算流體力學(CFD)在葉輪機械流道優(yōu)化設計中已應用多年。ANSYS CFX軟件包括在流體領域跟蹤固體顆粒的能力，以及預測固體顆粒的侵蝕在理論模型中的應用。

機械設計人員可以利用這些模型來量化通道壁和葉片的潛在損傷。此外，用戶還可以根據(jù)腐蝕情況判斷設計變更的效果。

▲ FCC熱氣膨脹器在40%反應(左)和68%反應(右)情況下的CFD模型

▲ 預測轉子侵蝕率密度的彩色等高線圖，40%的反應幾何(左)和68%的反應幾何(右)，紅色區(qū)域表示最高的侵蝕率。

根據(jù)時間變化數(shù)據(jù)，建立FCC熱氣膨脹器承受過量固體顆粒侵蝕破壞的特定模型。

在對一條擴張器生產線進行計劃升級時，使用ANSYS CFX對這臺機器的流道進行了計算腐蝕分析。通過增加膨脹器階段的設計反應，分析量化侵蝕率的差異。

■ 工程師設計了新的40%反應流道，并將其與另一個類似的68%反應設計進行了比較，設計壓力比為3.5，轉子轉速為5070轉/分。每個設計由三個相鄰的流體域組成，分別代表定子、轉子和擴散器。由于每個域是循環(huán)對稱的，因此只需要對每個域中的一個葉片行或扇區(qū)進行建模，從而減少了求解時間。

■ 采用ANSYS TurboGrid軟件對模型進行網(wǎng)格劃分，生成一個約63.7萬個節(jié)點的六面體網(wǎng)格。

■ 采用考慮了湍流效應的k-ε湍流模型，將stage模型應用于定子、轉子和擴壓器之間的交界面。

■ 侵蝕模型考慮了固體顆粒的尺寸和相對速度、顆粒沖擊角、顆粒和侵蝕面材料。

■ 采用石英鋼的系數(shù)代表固體顆粒和侵蝕面，并采用侵蝕模型的默認回彈特征。

▲ 40%反應幾何值(左)和68%反應幾何值(右)下葉片前緣轉子侵蝕率密度的彩色放大圖

▲ 40%反應幾何圖形(上)和68%反應幾何圖形(下)Half-span馬赫數(shù)顏色等高線圖

兩種設計的氣動性能預測相當相似，40%和68%的反應設計的效率分別為87.2%和87.9%。然而，對侵蝕速率的差異進行預測后發(fā)現(xiàn)，其結果是不同的。

從40%的反應流路徑設計到68%的反應流路徑設計，通過CFD分析預測，動葉平均侵蝕率密度降低22%，靜葉平均侵蝕率密度降低5%。

對于40%的反應設計，轉子葉片與靜葉相比，腐蝕率密度高65%；但68%的反應設計僅比具有較高的腐蝕率密度高出35%。這表明，在68%的反應設計情況下，轉子和定子葉片磨損將以更一致的速率發(fā)生。

68%的反應設計明顯改善了侵蝕性能，尤其是在動葉的前緣。毫無疑問，這是由于在旋轉葉片前緣的煙道氣流速度減少，是這種設計的特點。

雖然兩種設計都具有跨音速流動和高氣動載荷，但馬赫數(shù)圖顯示，在68%的反應設計中，定子載荷顯著降低。流線圖顯示了每個轉子壓力側相似的流型(上圖)。然而，通過模擬預測了在吸力面上輪轂二次流的減少，68%的反應設計可以使性能得到顯著改善。

▲ 40%反應幾何值(左對)和68%反應幾何值(右對)動葉表面流線圖和速度著色圖，每對的左邊代表壓力側、右邊代表吸力側。

結論

對兩種FCC氣體膨脹器設計的流體流動分析表明，該設計能夠重新設計葉輪機械的流道，并為提高葉片壽命量身定制侵蝕特性。

■ 與周期性更換葉片、降低機器效率和因設備停機而造成的生產損失相比，使用CFD分析解決侵蝕問題的成本是最小的。

■ 由于可以減小主流道中夾帶的固體顆粒對葉輪機的侵蝕破壞程度，可以顯著延長葉輪機械的使用壽命。

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