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煙氣輪機(簡稱煙機)是石油工業(yè)中最重要的能量回收透平機械，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)通過葉輪時膨脹做功，煙機將煙氣的一部分內(nèi)能與動能轉(zhuǎn)化為機械能輸出，達到回收利用余能的目的。
葉輪是煙機中最重要的零件，對煙機效率和使用壽命有直接影響，所以需要對其進行詳細的強度分析。在催化裂化裝置的各類停機故障中，由于煙機故障，尤其是葉片斷裂而導致機組停機占很大比例，煙機的平穩(wěn)運行直接關系到整個裝置的安全穩(wěn)定運行。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，而疲勞破壞則與葉片的受力和振動頻率有關。
葉片尺寸、溫度及葉片根部固定情況等因素對葉片的振動頻率起決定作用。設計過程中準確計算和預測葉片的動靜強度，使應力和模態(tài)有一定隔離裕度是煙機設計的關鍵。借助于有限元分析軟件ABAQUS對某型號煙機葉輪進行仿真模擬，研究和分析強度計算的三維有限元模型和計算結(jié)果。
以某型號煙機為研究對象，一級葉片數(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個葉片及相應的輪盤進行建模和計算分析，計算模型的實體如圖所示。將葉片及相應輪盤的三維實體模型導入專用網(wǎng)格生成器進行網(wǎng)格劃分，由于運轉(zhuǎn)過程中葉片僅承受離心和氣動載荷，故葉身部分采用四面體網(wǎng)格。在煙機轉(zhuǎn)動過程中，葉根表面與輪盤樺槽間接觸產(chǎn)生非線性接觸應力，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個接觸對，接觸對所對應的面單元如圖所示，接觸面的摩擦系數(shù)均取0.2，接觸的計算物理模型采用拉格朗日方法，葉輪強度數(shù)值計算包括考慮接觸效應的靜強度計算和模態(tài)分析。
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