含尘流透平叶片冲蚀的数值分析

　　1前言

　　随着能源技术的发展，含尘流透平已广泛地应用在石化、冶金等工业部门。含带于气流中的固体颗粒进入透平后，其流动轨迹不同于气流本身，依颗粒的大小、浓度、密度、流道形状和气体流场的特点而有不同的运动轨迹和特性。固体颗粒还将对叶片流道(尤其是对静、动叶片)产生冲蚀。因此，了解固体颗粒在透平流道内的运动轨迹、冲蚀部位及冲蚀率分布等规律，便成为改善含尘流透平设计、采取相应有效的措施缓解透平叶片冲蚀、延长运行周期以及考虑冲蚀对透平性能影响的重要环节.围绕透平的冲蚀问题，国内外许多透平机械工程专家开展了大量的研究。本文在文献[0]的基础上发展了含尘流透平叶片冲蚀的数值分析方法，提出了便于工程应用的冲蚀率统计分布表达式，建立了由各计算程序及绘图程序构成的含尘流透平叶片冲蚀的数值模拟体系。利用该数值模拟体系对建造中的江苏徐州贾旺增压流化床联合循环中试电站燃气轮机叶片的冲蚀问题进行了数值模拟，并对叶片表面冲蚀状态进行了分析。

　　2含尘流透平叶片冲蚀的数值分析方法

　　要对含尘流透平的叶片冲蚀进行数值分析，必须首先了解固体颗粒在透平流道内对叶片碰撞的部位、冲击速度和冲击角度等参数。为获得这些参数值，必须首先解决透平流道内气固两相流动的数值模拟问题。对此，本文采用了颗粒轨道模型在全三维气体流场中求解颗粒三维运动轨迹以获得有关参数信息，有关细节，可参阅文献[01。

　　2.1冲蚀率与冲蚀率计算

　　本文采用了质量冲蚀率:二作为表征固体材料冲蚀特性的参数，其定义为单位质量的冲蚀体造成的材料表面质量的损失量，可表达为:

通过透平流道内气固两相流动的数值模拟，可获得各个固体颗粒冲蚀叶片表面的冲蚀部位、冲击速度、冲击角度、恢复系数等参数信息，据此，可采用半经验的冲蚀分析模型计算公式(2)计算各个固体颗粒冲击叶片的冲蚀率。

　　2.2冲蚀率统计分布计算方法

　　含尘流透平流道内，各固体颗粒冲击叶片的行为是一种随机行为，较大尺寸的颗粒可能连续不断地对叶片流道进行冲击与反弹，较小尺寸的颗粒则可能一次也不碰撞叶片而跟随气流一道顺利流经透平流道。即使同一尺寸的颗粒由于受气体流场的影响以及由于进口位置的不同而有不同的流动轨迹和特性。当颗粒与叶片表面发生碰撞时，其冲击速度和冲击方向也可能不一样，因此，所产生的冲蚀(率)也不一样。叶片表面各部位受冲蚀的情况是不一样的，有些部位受冲蚀比较严重，有些部位受冲蚀相对轻缓一些。所以，对具体的叶片而言，固体颗粒对叶片冲蚀的状况是一种随机的区域性的现象。另一方面，由颗粒运动轨迹数值模拟计算得出的碰撞部位，实际上是一个个的几何点，其计算的冲蚀率也是单个颗粒冲击叶片时的冲蚀率。从工程应用的角度来看，这些冲蚀几何点和单个颗粒的冲蚀率难以客观、全面地反映出叶片受冲蚀的状况。为此，作者从数值模拟和工程应用的角度提出一个有限区域内颗粒质量