烟机叶轮的计算模型研究与强度分析
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第 ２ １卷
第 １期
北京 石油 化工 学 院学 报
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｂｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ
Ｐｅ ｔ ｒ ｏ — ｃ ｈｅ ｍｉ ｃ ａ ｌ Ｔｅ ｃ ｈｎｏ ｌ ｏ ｇｙ
Ｖｏ １ ． ２ １ ＮＯ ． １
安全稳 定运 行 ］ 。叶轮 的破 坏主要 有两 方面 原 因： 烟气 对叶 片 的冲蚀 和 叶片 的疲 劳破 坏 。烟
计算模 型 的实体 如 图 ２所示 。
气 的冲蚀 主要 与烟气 中催 化剂 的浓度 和粒度 有 关 ，而疲 劳破 坏 则 与 叶 片 的 受 力 和 振 动 频 率
有关 。 叶片 尺寸 、 温 度及 叶片 根 部 固定 情 况 等 因
计 算 结 果 显 示 最 大 应 力 发 生 在 叶 身 底部 背弧 的 中 心位 置 ， 这 与 实 际 运行 现场 发 生 断裂 故 障 一 致 ， 说 明 进
行 叶 轮 的静 强 度 有 限 元 数 值 计 算 时 在保 证 网格 质 量 的前 提 下 必 须 考 虑 叶根 与 榫 槽 接 合 面 之 间非 线 性 接
１ ２ ９ １ ８ ０ ９ ７ ８ ２ ＠ｑ ｑ ． Ｃ Ｏ ｎ。 ｒ
将 叶片及 相应 轮盘 的三维 实体模 型导 入专
用 网格生 成 器进 行 网格 划 分 ， 由于运 转 过程 中
叶 片仅 承受 离 心 和气 动 载荷 ， 故 叶 身部 分采 用 四面 体 网格 （ Ｃ ３ Ｄ ４ ） 单元 ； 在 烟机 转 动 过 程 中 ，
Ｍ ａ ｒ ． ２ ０１ ２
２ ０ １ ３年 ３月
烟 机 叶 轮 的计 算 模 型研 究 与 强度分 析
肖云 峰 ，孙 涛 ， 唐 涛。 ，吕 涛 ，张 志莲
（ １ ． 北 京 石油 化工 学 院 ，北 京 １ ０ ２ ６ １ ７ ；２ ．北 京 化 工 大学 ， 北京 １ ０ ０ ０ ２ ９ ； ３ ．成 都 成 发 科 能 动 力 工 程 有 限公 司 ，四川 成 都 ６ １ ０ ５ ０ ０ ）
素对 叶片 的振动 频率起 决定 作用 。设计 过程 中 准 确计 算 和 预测 叶 片 的动 静强 度 ， 使 应力 和 模
图１ 烟 机 叶 轮 及 转 子 模 型
态 有一定 隔离 裕度是 烟机 设计 的关键 。笔 者借
收 稿 日期 ： ２ Ｏ １ ２ － ０ ７ — ０ ６ 作者简介 ： 肖云 峰 （ １ ９ ７ ６ 一） ，男 ， 硕 士 ，副 教 授 ，Ｅ — ｍａ ｉ ｌ
第 １ 期
肖云峰 等 ．烟机 叶轮 的计 算模 型研 究与强 度分 析 烟 机结构 设计 具有 重要 意义 。 参 考文献
１ ５
头接 触非线 性效 应 和榫槽 的周 期性 效应 。
（ ２ ） 网格划 分 时在 榫 槽 和 叶根 榫 头 接 触 的
位置 需 用 六 面体 实 体单 元 ， 接 触 部 位 的 网格 节
表 明该 型 号 烟 机 的叶 轮 强 度 满 足 要 求 ， 对烟机叶轮的叶型设计具有指导意义 。 关 键 词 ： 烟 机 ；叶 轮 ；计 算 模 型 ；强 度分 析
中 图法 分 类 号 ： ＴＫ １ ４ 文 献标 志码 ： Ａ
烟 气轮机 （ 简称 烟机 ） 是石 油工 业 中最 重要
６ ６ ， 其 叶轮及 转 子模 型如 图 １所 示 。叶轮 三 维 有 限元 模 型为轮 盘 圆周方 向的 １ ／ ６ ６ ， 即对其 中
１ 个 叶 片及 相 应 的 轮 盘进 行 建 模 和计 算 分 析 ，
的零件 ， 对 烟机效 率和使 用 寿命有 直接影 响 ［ １ ］ 。 在催 化裂 化装 置 的各类停 机 故 障中 ，由于烟 机 故障， 尤 其 是 叶片 断 裂而 导 致机 组 停机 占很 大 比例 ，烟机 的平稳 运行 直 接关 系到 整个装 置 的
废 烟气 。介 质通 过 叶 轮 时膨 胀 做 功 ， 烟 机 将 烟
气 的一 部 分 内能 与动 能转 化 为 机械 能 输 出 ， 达 到 回Leabharlann Baidu利用余 能 的 目的 。叶轮是烟 机 中最 重要
１ 几 何模 型 与 网格 划 分
以某 型号烟 机 为研 究 对 象 ， 一 级 叶 片数 为
助于有 限元 软件 ＡＢ ＡＱＵＳ对 某 型号 烟 机 叶轮
的能 量 回 收透 平机 械 ， 其 工作 介 质 为流 化 催化 裂化装 置 （ Ｆ Ｃ Ｃ ｕ， 简 称催 化 裂 化 装 置 ） 内催 化
剂 再生 烧焦 过程 中产生 的具有 一定 压力 的高 温
进行 仿 真模 拟 ， 研 究 和分 析强 度 计算 的三维 有 限元模 型 和计算结 果 。
摘
要： 烟 气 轮 机 结 构 设 计 的 关 键 是 准 确 计算 叶 轮 强度 。采 用 数 值 模 拟 仿 真 的 方 法 ， 通 过 有
限 元 软 件 ＡＢ ＡＱＵＳ计 算 叶 轮 强 度 ， 计 算 内容 包 括 叶 轮 的动 静 强 度 。物 理 模 型 选 取 叶 轮 的 １ ／ ６ ６ ， 静 强 度
点一 一对 应 ， 有 助 于计算 收敛 和结 果准 确 。 通过 有 限元 数值 模 型 计 算 烟 机 叶 轮 强 度 ，
烟机 静 叶片安 装角 再加 工［ Ｊ ］ ． 石 油／ ４ ＆ Ｅ ｌ ｉ 杜荣立．
工通用机械 ， ２ Ｏ １ ０（ ８ ）： ４ ６ — ４ ７ ．
ｒ ｔ ｅ ｒ Ｔ Ｊ ． Ｃｏ ｍｍｏ ｎ Ｆａ ｉ ｌ ｕ ｒ ｅ ｓ ｉ ｎ Ｇａ ｓ Ｔｕ ｒ ｂ ｉ ｎ ｅ ［ ２ ］ Ｃａ
触效应 ， 而且 接 触 部 位 的 网格 需 用 六 面 体 网格 。动 频 数 值 计 算 时 ， 分 别 对 ２种 约 束 形 式 下 的 模 型 进 行 计 算， 结 果 表 明 固定 叶根 情 况 下 动 频 与 考 虑 接 触 效 应 动 频 之 间 的差 异 主 要 体 现 在 一 阶模 态 上 。强 度 分 析
第 １期
北京 石油 化工 学 院学 报
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｂｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ
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Ｖｏ １ ． ２ １ ＮＯ ． １
安全稳 定运 行 ］ 。叶轮 的破 坏主要 有两 方面 原 因： 烟气 对叶 片 的冲蚀 和 叶片 的疲 劳破 坏 。烟
计算模 型 的实体 如 图 ２所示 。
气 的冲蚀 主要 与烟气 中催 化剂 的浓度 和粒度 有 关 ，而疲 劳破 坏 则 与 叶 片 的 受 力 和 振 动 频 率
有关 。 叶片 尺寸 、 温 度及 叶片 根 部 固定 情 况 等 因
计 算 结 果 显 示 最 大 应 力 发 生 在 叶 身 底部 背弧 的 中 心位 置 ， 这 与 实 际 运行 现场 发 生 断裂 故 障 一 致 ， 说 明 进
行 叶 轮 的静 强 度 有 限 元 数 值 计 算 时 在保 证 网格 质 量 的前 提 下 必 须 考 虑 叶根 与 榫 槽 接 合 面 之 间非 线 性 接
１ ２ ９ １ ８ ０ ９ ７ ８ ２ ＠ｑ ｑ ． Ｃ Ｏ ｎ。 ｒ
将 叶片及 相应 轮盘 的三维 实体模 型导 入专
用 网格生 成 器进 行 网格 划 分 ， 由于运 转 过程 中
叶 片仅 承受 离 心 和气 动 载荷 ， 故 叶 身部 分采 用 四面 体 网格 （ Ｃ ３ Ｄ ４ ） 单元 ； 在 烟机 转 动 过 程 中 ，
Ｍ ａ ｒ ． ２ ０１ ２
２ ０ １ ３年 ３月
烟 机 叶 轮 的计 算 模 型研 究 与 强度分 析
肖云 峰 ，孙 涛 ， 唐 涛。 ，吕 涛 ，张 志莲
（ １ ． 北 京 石油 化工 学 院 ，北 京 １ ０ ２ ６ １ ７ ；２ ．北 京 化 工 大学 ， 北京 １ ０ ０ ０ ２ ９ ； ３ ．成 都 成 发 科 能 动 力 工 程 有 限公 司 ，四川 成 都 ６ １ ０ ５ ０ ０ ）
素对 叶片 的振动 频率起 决定 作用 。设计 过程 中 准 确计 算 和 预测 叶 片 的动 静强 度 ， 使 应力 和 模
图１ 烟 机 叶 轮 及 转 子 模 型
态 有一定 隔离 裕度是 烟机 设计 的关键 。笔 者借
收 稿 日期 ： ２ Ｏ １ ２ － ０ ７ — ０ ６ 作者简介 ： 肖云 峰 （ １ ９ ７ ６ 一） ，男 ， 硕 士 ，副 教 授 ，Ｅ — ｍａ ｉ ｌ
第 １ 期
肖云峰 等 ．烟机 叶轮 的计 算模 型研 究与强 度分 析 烟 机结构 设计 具有 重要 意义 。 参 考文献
１ ５
头接 触非线 性效 应 和榫槽 的周 期性 效应 。
（ ２ ） 网格划 分 时在 榫 槽 和 叶根 榫 头 接 触 的
位置 需 用 六 面体 实 体单 元 ， 接 触 部 位 的 网格 节
表 明该 型 号 烟 机 的叶 轮 强 度 满 足 要 求 ， 对烟机叶轮的叶型设计具有指导意义 。 关 键 词 ： 烟 机 ；叶 轮 ；计 算 模 型 ；强 度分 析
中 图法 分 类 号 ： ＴＫ １ ４ 文 献标 志码 ： Ａ
烟 气轮机 （ 简称 烟机 ） 是石 油工 业 中最 重要
６ ６ ， 其 叶轮及 转 子模 型如 图 １所 示 。叶轮 三 维 有 限元 模 型为轮 盘 圆周方 向的 １ ／ ６ ６ ， 即对其 中
１ 个 叶 片及 相 应 的 轮 盘进 行 建 模 和计 算 分 析 ，
的零件 ， 对 烟机效 率和使 用 寿命有 直接影 响 ［ １ ］ 。 在催 化裂 化装 置 的各类停 机 故 障中 ，由于烟 机 故障， 尤 其 是 叶片 断 裂而 导 致机 组 停机 占很 大 比例 ，烟机 的平稳 运行 直 接关 系到 整个装 置 的
废 烟气 。介 质通 过 叶 轮 时膨 胀 做 功 ， 烟 机 将 烟
气 的一 部 分 内能 与动 能转 化 为 机械 能 输 出 ， 达 到 回Leabharlann Baidu利用余 能 的 目的 。叶轮是烟 机 中最 重要
１ 几 何模 型 与 网格 划 分
以某 型号烟 机 为研 究 对 象 ， 一 级 叶 片数 为
助于有 限元 软件 ＡＢ ＡＱＵＳ对 某 型号 烟 机 叶轮
的能 量 回 收透 平机 械 ， 其 工作 介 质 为流 化 催化 裂化装 置 （ Ｆ Ｃ Ｃ ｕ， 简 称催 化 裂 化 装 置 ） 内催 化
剂 再生 烧焦 过程 中产生 的具有 一定 压力 的高 温
进行 仿 真模 拟 ， 研 究 和分 析强 度 计算 的三维 有 限元模 型 和计算结 果 。
摘
要： 烟 气 轮 机 结 构 设 计 的 关 键 是 准 确 计算 叶 轮 强度 。采 用 数 值 模 拟 仿 真 的 方 法 ， 通 过 有
限 元 软 件 ＡＢ ＡＱＵＳ计 算 叶 轮 强 度 ， 计 算 内容 包 括 叶 轮 的动 静 强 度 。物 理 模 型 选 取 叶 轮 的 １ ／ ６ ６ ， 静 强 度
点一 一对 应 ， 有 助 于计算 收敛 和结 果准 确 。 通过 有 限元 数值 模 型 计 算 烟 机 叶 轮 强 度 ，
烟机 静 叶片安 装角 再加 工［ Ｊ ］ ． 石 油／ ４ ＆ Ｅ ｌ ｉ 杜荣立．
工通用机械 ， ２ Ｏ １ ０（ ８ ）： ４ ６ — ４ ７ ．
ｒ ｔ ｅ ｒ Ｔ Ｊ ． Ｃｏ ｍｍｏ ｎ Ｆａ ｉ ｌ ｕ ｒ ｅ ｓ ｉ ｎ Ｇａ ｓ Ｔｕ ｒ ｂ ｉ ｎ ｅ ［ ２ ］ Ｃａ
触效应 ， 而且 接 触 部 位 的 网格 需 用 六 面 体 网格 。动 频 数 值 计 算 时 ， 分 别 对 ２种 约 束 形 式 下 的 模 型 进 行 计 算， 结 果 表 明 固定 叶根 情 况 下 动 频 与 考 虑 接 触 效 应 动 频 之 间 的差 异 主 要 体 现 在 一 阶模 态 上 。强 度 分 析