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煙氣輪機(jī)(簡稱煙機(jī))是石油工業(yè)中最重要的能量回收透平機(jī)械，其工作介質(zhì)為流化催化裂化裝置(FCCU，簡稱催化裂化裝置)內(nèi)催化劑再生燒焦過程中產(chǎn)生的具有一定壓力的高溫廢煙氣。介質(zhì)通過葉輪時(shí)膨脹做功，煙機(jī)將煙氣的一部分內(nèi)能與動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能輸出，達(dá)到回收利用余能的目的。
葉輪是煙機(jī)中最重要的零件，對煙機(jī)效率和使用壽命有直接影響，所以需要對其進(jìn)行詳細(xì)的強(qiáng)度分析。在催化裂化裝置的各類停機(jī)故障中，由于煙機(jī)故障，尤其是葉片斷裂而導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)占很大比例，煙機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行直接關(guān)系到整個(gè)裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行。葉輪的破壞主要有兩方面原因：煙氣對葉片的沖蝕和葉片的疲勞破壞。煙氣的沖蝕主要與煙氣中催化劑的濃度和粒度有關(guān)，而疲勞破壞則與葉片的受力和振動(dòng)頻率有關(guān)。
葉片尺寸、溫度及葉片根部固定情況等因素對葉片的振動(dòng)頻率起決定作用。設(shè)計(jì)過程中準(zhǔn)確計(jì)算和預(yù)測葉片的動(dòng)靜強(qiáng)度，使應(yīng)力和模態(tài)有一定隔離裕度是煙機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。借助于有限元分析軟件ABAQUS對某型號(hào)煙機(jī)葉輪進(jìn)行仿真模擬，研究和分析強(qiáng)度計(jì)算的三維有限元模型和計(jì)算結(jié)果。
以某型號(hào)煙機(jī)為研究對象，一級(jí)葉片數(shù)為66，其葉輪及轉(zhuǎn)子模型如圖所示。葉輪三維有限元模型為輪盤圓周方向的1/66，即對其中1個(gè)葉片及相應(yīng)的輪盤進(jìn)行建模和計(jì)算分析，計(jì)算模型的實(shí)體如圖所示。將葉片及相應(yīng)輪盤的三維實(shí)體模型導(dǎo)入專用網(wǎng)格生成器進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于運(yùn)轉(zhuǎn)過程中葉片僅承受離心和氣動(dòng)載荷，故葉身部分采用四面體網(wǎng)格。在煙機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，葉根表面與輪盤樺槽間接觸產(chǎn)生非線性接觸應(yīng)力，故葉根和樺槽采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，葉身和葉根之間通過貼合約束的方式來處理，有限元模型的網(wǎng)格如圖所示，網(wǎng)格數(shù)如表所示。
葉輪額定轉(zhuǎn)速為3000r/min的載荷條件下，葉根和樺槽接觸，共有6個(gè)接觸對，接觸對所對應(yīng)的面單元如圖所示，接觸面的摩擦系數(shù)均取0.2，接觸的計(jì)算物理模型采用拉格朗日方法，葉輪強(qiáng)度數(shù)值計(jì)算包括考慮接觸效應(yīng)的靜強(qiáng)度計(jì)算和模態(tài)分析。
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