王琦¹， 王建军¹， 许伟伟¹， 杨芳婷¹， 万德海¹， 许明德²， 宋海涛²， 凤孟龙²

1. 中国石油大学（华东） 石大山能新能源学院， 山东 青岛 266580； 2.中石化石油化工科学研究院有限公司， 北京 100083

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DOI：10.13732/j.issn.1008-5548.2026.02.015

收稿日期： 2025-01-01， 修回日期： 2025-06-02， 上线日期： 2025-09-17。

基金项目： 国家自然科学基金项目，编号：52476043。

第一作者简介： 王琦（2000—），女，硕士生，研究方向为气固-气液、 多相流动过程及旋流分离技术。E-mail：2304842241@qq.com。

通信作者简介： 王建军（1971—），男，副教授，博士，硕士生导师，研究方向为气固-气液、 多相流动过程及旋流分离技术。E-mail：wangjj01@upc.edu.cn。

摘要： 【目的】 为了减少炼油厂催化裂化装置中烟气轮机的动叶片由入口处烟气中的催化剂颗粒造成的冲蚀磨损，提高烟气轮机运行的稳定性和可靠性，避免发生设备停工检修故障，实现对动叶片冲蚀磨损的有效防控。【方法】 采用白色光固化丙烯酸树脂制得单动叶片实验模型，通过涂抹黑、黄、绿3种颜色的树脂漆用以观察单动叶片的冲蚀区域；以SiC颗粒模拟催化剂颗粒，构建了单动叶片的绕流冷态冲蚀实验装置；研究了测试管道中的空气体积流量、催化剂颗粒体积质量、催化剂颗粒粒径对单动叶片的冲蚀区域的影响；以失质量率作为单动叶片所受到的冲蚀程度的评价指标，采用熵值法计算了测试管道中的空气体积流量、空气速度、催化剂颗粒粒径对单动叶片所受到的冲蚀程度影响的权重。【结果】 单动叶片的冲蚀区域主要集中于压力面，随着冲蚀时间、空气体积流量、催化剂颗粒体积质量、催化剂颗粒粒径的增大，单动叶片冲蚀区域和冲蚀程度逐渐变化，冲蚀区域从叶顶向叶根沿叶高方向、从前缘向后缘沿弦长方向不断扩展。随着空气体积流量、颗粒体积质量、颗粒粒径的增大，SiC颗粒导致的单动叶片的失质量率均不断增大。当SiC颗粒的中位粒径D₅₀为275 μm、空气体积流量为1 600 m³/h时，单动叶片的失质量率达到0.46%；当颗粒体积质量为80 g/m³时，SiC颗粒的D₅₀为188 μm 时单动叶片的失质量率达到0.38%；当SiC颗粒体积质量为80 g/m³、测试管道中颗粒粒径为600 μm时，单动叶片的失质量率达到0.64%。 测试管道中空气体积流量、颗粒体积质量、颗粒粒径的权重分别是31.4%、25.0%、43.6%；颗粒粒径的权重最大，颗粒体积质量的权重最小，说明颗粒粒径对单动叶片失质量率的影响最大，颗粒体积质量对单动叶片失质量率的影响最小。【结论】 冲蚀区域和冲蚀程度共同反映了催化剂颗粒对单动叶片的冲蚀特征，分析催化剂颗粒对烟气轮机单动叶片的冲蚀特征以及影响因素，有助于提升烟气轮机运行稳定性与使用寿命。

关键词： 烟气轮机； 单动叶片； 催化剂颗粒； 冲蚀区域； 冲蚀程度； 失质量率； 冲蚀特征

Abstract

Objective To reduce the erosion wear of the moving blades of flue gas turbines caused by catalyst particles in the inlet flue gas stream of refinery catalytic cracking units， enhance the operational stability and reliability of flue gas turbines， and avoid equipment shutdowns for maintenance， it is essential to achieve effective prevention and control of erosion wear in moving blades.

Methods In this study， a single-moving blade of a flue gas turbine was taken as the research object. An experimental model of the blade was established using white light-cured acrylic resin， and black， yellow， and green resin paints were applied to visually identify the erosion areas on the blade surface. Silicon carbide （SiC） particles were used to simulate catalyst particles， and a cold-flow erosion experimental setup was established. The effects of air flow rate， catalyst particle volume concentration， and catalyst particle size in the test pipeline on the erosion areas of a single-moving blade were studied. The mass loss rate was used as an evaluation metric for the degree of erosion experienced by the blade， and the entropy evaluation method （EEM） was adopted to determine the weight values of the influence of air flow rate， air velocity， and catalyst particle size in the test pipeline on erosion degree of the single-moving blade.

Results and Discussion The erosion areas of the single-moving blade were primarily concentrated on the pressure surface. The erosion area and the degree of erosion exhibited progressive changes as erosion time， air flow rate， catalyst particle volume concentration， and particle size increased. The erosion area expanded from the blade tip to the root along the blade height direction and from the leading edge to the trailing edge along the chord direction. The leading edge wore out first， with the erosion area initially appearing black， then gray， and finally white as it spread from the upper part to the blade root along the blade height direction， indicating the most severe erosion. The wear at the blade tip occurred slightly later compared to the leading edge， with the erosion degree gradually decreasing from the leading edge to the trailing edge along the chord direction， transitioning from a mixed yellow-green color to black and then gray， reflecting relatively severe erosion. The trailing edge wore out later than the tip， with the erosion area spreading gradually from the upper part to the middle part along the blade height direction， displaying a mixed yellow-green-black color， indicating the mildest erosion. The mass loss fraction of the single-moving blade caused by SiC particles increased with elevated air flow rate， particle volume concentration， and particle size. When SiC particles had a median particle size （D₅₀） of 275 μm and an air flow rate of 1 600 m³/h， the maximum mass loss fraction reached 4.6 mg/g. At a particle volume concentration of 80 g/m³ and D₅₀ of 188 μm， the mass loss fraction peaked at 3.8 mg/g. When the SiC particle volume concentration was 80 g/m³ and the particle size in the test pipeline was 600 μm， the maximum mass loss fraction reached 6.4 mg/g. The weight values of air flow rate， particle volume concentration， and particle size in the test pipeline were 31.4%， 25%， and 43.6%， respectively. The particle size exhibited the highest weight value， while the particle volume concentration had the lowest， indicating that particle size had the greatest influence on the mass loss fraction of the single moving blade， whereas particle volume concentration had the least influence.

Conclusion The erosion areas and the degree of erosion collectively reflect the erosion characteristics caused by catalyst particle sizes on the single-moving blade. Analyzing the erosion characteristics of catalyst particles on the single-moving blade of a flue gas turbine and their influencing factors provides critical insights for enhancing turbine’s operational stability and service life.

Keywords： flue gas turbine； single-moving blade； catalyst particle； erosion area； degree of erosion； mass loss rate； erosion characteristics

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