烟气轮机动叶片冲蚀磨损的数值模拟

发布时间：2017-08-25 22:12

  本文关键词：烟气轮机动叶片冲蚀磨损的数值模拟

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【摘要】：烟气轮机广泛应用于石油化工行业,是催化裂化能量回收装置中最为关键的设备。高温烟气膨胀做功带动烟气轮机动叶片高速旋转而输出轴功到发电机组或压缩机等机械设备,创造了巨大的经济财富。但是高速烟气中的催化剂颗粒冲击叶片会造成严重的冲蚀磨损,不仅降低叶片的强度,而且改变烟气流道、恶化流动工况、降低工作效率,甚至引起停车事故,所以烟气轮机动叶片冲蚀磨损的研究对于催化裂化能量回收装置的稳定运行具有重要意义。建立了一种新的基于微切削和变形疲劳磨损的可用于高温环境的叶材冲蚀率模型。采用积分计算了磨粒微切削造成的靶材磨屑体积,根据局部化模型和低周疲劳理论推导出变形疲劳磨损的表达式,计算了烟气轮机叶材GH864随冲角变化的冲蚀率,并与前人实验进行了比较,结合GH864的高温特性,对其在实际工况下的冲蚀特性及冲蚀率作了研究。结果表明:GH864表现出塑性金属的冲蚀特性,但发生最大冲蚀率的冲角在50°左右,而不是通常认为的30°左右;GH864的临界变形量hc随温度的升高先减小而后略增大,最大变形量H随温度的升高而增大,最大抗冲击次数Nf随温度的升高呈指数型增长;GH864在30°和50°冲角下冲蚀率随温度增加而增加,在550℃后增速减缓;90°冲角下的冲蚀率在常温至400℃间几乎不变,400℃以后大幅减小;不同温度下流动应力、动态硬度和临界应变的变化对冲蚀特性影响很大,环境温度的升高会增加GH864的切削磨损,但也可以减小变形疲劳磨损。在Fluent中数值模拟了某化工厂烟气轮机的内部流场,研究了烟气的压力、流速及速度矢量与动叶片表面形成的冲角等对催化剂颗粒流动及冲蚀磨损有重要影响的因素。结果表明:烟气在动静叶流道中产生了较大压降,特别在动叶片出口处出现了低压区,造成了烟气流动的不稳定性;动叶片压力面温度处于771K~893K之间,吸力面温度处于690K~880K之间,整个动叶片表面温度差异较大;烟气流速在动叶片进气边达到最大值,约为400m/s左右,在动叶片后部到动叶流道出口烟气呈加速流动,最终以289m/s~336m/s的速度喷出;烟气速度矢量与动叶压力面大部分区域呈高角度冲击,在出气边呈低角度冲击;动叶片流道在径向存在较大的压力梯度,烟气形成二次流,出现向动叶片下部流动的趋势,会对催化剂颗粒的运动有影响。加入DPM分析了不同粒径催化剂颗粒的流动规律及其对动叶片的冲蚀磨损位置及冲蚀率,探寻了预防及减小烟气轮机动叶片冲蚀磨损的方法和措施。催化剂颗粒在动叶流道中的运动规律随粒径的变化大不相同,颗粒越小越趋于在整个流道中均与分布,反之越易贴近动叶压力面向顶部集中,从而加大该区域的冲蚀磨损;相同粒径的催化剂颗粒在叶片表面上不同位置处的冲蚀率不同;小粒径催化剂颗粒冲蚀磨损主要在动叶进气边和出气边,其余区域基本很小,大粒径催化剂颗粒冲蚀磨损主要在动叶叶高中部以上位置;在催化剂颗粒流量恒定的情况下,烟气轮机动叶片上的整体冲蚀磨损率随粒径的增大先增大后减小,在10μm时达到最大值。
【关键词】：烟气轮机 催化剂颗粒 GH864 高温 冲蚀 数值模拟
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE96
【目录】：

• 摘要7-9
• Abstract9-13
• 符号注释表13-14
• 第1章 绪论14-20
• 1.1 课题研究的意义14-15
• 1.2 国内外研究历史与现状15-17
• 1.2.1 烟气轮机叶片冲蚀机理的研究15-16
• 1.2.2 烟气轮机内部气固两相流的研究16-17
• 1.3 课题来源与主要研究工作17-18
• 1.4 课题的创新点与关键性问题18-20
• 第2章 烟气轮机叶片冲蚀磨损的理论基础20-26
• 2.1 冲蚀磨损理论基础20-22
• 2.2 冲蚀磨损的影响因素22-23
• 2.2.1 磨粒特性的影响因素22-23
• 2.2.2 靶材特性的影响因素23
• 2.2.3 冲蚀环境的影响因素23
• 2.3 烟气轮机叶片冲蚀磨损23-26
• 第3章 烟气轮机叶材的高温冲蚀建模及分析26-40
• 3.1 切削磨损26-32
• 3.1.1 弹性变形阶段27-28
• 3.1.2 塑性变形阶段28-31
• 3.1.3 弹性恢复阶段31-32
• 3.1.4 磨粒离开阶段32
• 3.1.5 微切削磨屑体积32
• 3.2 变形疲劳磨损32-33
• 3.3 总冲蚀磨损率33-34
• 3.4 理论模型验证及影响因素分析34-38
• 3.4.1 冲角对冲蚀率的影响35
• 3.4.2 环境温度对冲蚀率的影响35-38
• 3.5 本章小结38-40
• 第4章 烟气轮机内部流场分析40-49
• 4.1 Fluent简介及本研究所涉及关键理论点40-41
• 4.2 数值模拟41-44
• 4.2.1 计算区域和网格划分41-43
• 4.2.2 连续相模型43
• 4.2.3 边界条件及模型求解43
• 4.2.4 后处理43-44
• 4.3 烟气轮机流场分析44-48
• 4.3.1 烟气压力变化44-45
• 4.3.2 烟气温度变化45-46
• 4.3.3 烟气速度变化46-47
• 4.3.4 烟气二次流47-48
• 4.4 本章小结48-49
• 第5章 催化剂颗粒对动叶冲蚀磨损的数值模拟49-56
• 5.1 离散相模型49-50
• 5.2 催化剂颗粒的运动及冲蚀模拟50-55
• 5.2.1 不同粒径催化剂颗粒的分布规律50-52
• 5.2.2 不同粒径催化剂颗粒对动叶的冲蚀磨损52-55
• 5.4 本章小结55-56
• 结论与展望56-59
• 参考文献59-63
• 致谢63-64
• 附录A 攻读硕士学位期间发表的学术论文64-65
• 附录B 催化剂颗粒对烟气轮机叶材冲蚀率的计算程序65-68

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本文编号：738408