Математическая модель безлопаточного диффузора центробежного компрессора на основе CFD-расчетов

При проектировании центробежных компрессоров применяются приближенные инженерные методики, основанные на математическом моделировании. Одной из таких методик является хорошо зарекомендовавшая себя в практическом применении методика универсального моделирования. В последней версии модели компрессора для расчета параметров потока в безлопаточных диффузорах применена математическая модель на основе обобщения серии CFD-расчетов. Модель диффузора идентифицирована по результатам экспериментальных исследований среднерасходных модельных ступеней, проведенных в СПбПУ. Модель также применена для расчетов малорасходных центробежных компрессорных ступеней фирмы "Кларк" с узкими диффузорами с относительной шириной в диапазоне 0,5...2,0 %. Для таких ступеней разработанная математическая модель показала недостаточную эффективность, поскольку размеры диффузоров выходят за границы ее применимости. Для решения поставленной задачи рассчитана серия безлопаточных диффузоров с относительной шириной в диапазоне 0,6...1,2 % в программном комплексе ANSYS CFX. По результатам CFD-расчетов построены газодинамические характеристики коэффициентов потерь и изменения угла потока в зависимости от угла потока на входе в безлопаточный диффузор. Для обработки расчетных данных применен метод регрессионного анализа, с помощью которого разработана система алгебраических уравнений, связывающая геометрические, газодинамические параметры и критерии подобия. Полученные уравнения внесены в новую математическую модель метода универсального моделирования для расчета параметров потока безлопаточных диффузоров. Сопоставление рассчитанных газодинамических характеристик по новой модели с экспериментальными данными показало среднюю погрешность моделирования расчетного (максимального) КПД, равную 1,08 %

Исследование выполнено при поддержке гранта Президента Российской Федерации для молодых кандидатов наук МК-1893.2020.8. Расчеты проведены с использованием суперкомпьютерного центра "Политехнический" СПбПУ

Литература

[1] Startsev A., Fokin Yu., Steshakov Eu. CFD design and analysis of a compact single-spool compressor for a heavy transport helicopter’s powerplant. 29th ICAS Cong., 2014. URL: http://www.icas.org/icas_archive/icas2014/data/papers/2014_0928_paper.pdf (дата обращения 25.06.2018).

[2] Xu C., Chen W.J. Computational analysis on a compressor blade. Int. Conf. Jets, Wakes Separated Flow. Toba-shi, Mie, Japan, 2005.

[3] Kosprdova J., Oldrich J. The development of centrifugal turbo compressor stage using CFD. 20th Int. Conf. Hydraulics and Pneumatics, 2008. URL: https://ru.scribd.com/document/45780046/000000194-f (дата обращения: 25.06.2018).

[4] Puzyrewski R., Galerkin Y.B., Flaszynski P. Direct and inverse numerical calculation for the tested centrifugal impeller. XL Int. Tagung Forschung Praxis und Didaktik im Modernen Maschinеnbau. Germany, 2001, pp. 41--48.

[5] Mosdzien M., Enneking M., Hehn A., et al. Influence of blade geometry on secondary flow development in a transonic centrifugal compressor. J. Glob. Power Propuls. Soc., 2018, vol. 2, no. 1, pp. 429--441. DOI: https://doi.org/10.22261/JGPPS.I1RSJ3

[6] Sorokes J.M., Hutchinson B.R. The practical application of CFD in the design of industrial centrifugal compressors. Challenges and Goals in Pipeline Compressors, 2000, PID, vol. 5, pp. 47--54.

[7] Sorokes J.M., Nye D.A., D’Orsi N., et al. Sidestream optimization through the use of computational fluid dynamics and model testing. Proc. 29th Turbomachinery Symp. Texas, A&M, 2000, pp. 21--29.

[8] Guidotti E. Towards centrifugal compressor stages virtual testing. Ph. D. Thes. Universita degli Studi di Bologna, 2014.

[9] Kryllowicz W., Swider P., Kozanecki Z., et al. Technical and aerodynamical aspects of a high pressure synthesis gas turbocompressor modernization. 12th Europ. Conf. on Turbomachinery Fluid Dynamics and Thermodynamics, 2017. URL: https://www.euroturbo.eu/paper/ETC2017-171.pdf (дата обращения: 25.06.2018).

[10] Matas R., Syka T., Lunacek O. Numerical and experimental modelling of the centrifugal compressor stage--setting the model of impellers with 2D blades. EPJ Web Conf., 2017, vol. 143, art. 02073. DOI: https://doi.org/10.1051/epjconf/201714302073

[11] Galerkin Y., Voinov I., Drozdov A. Comparison of CFD-calculations of centrifugal compressor stages by NUMECA Fine/Turbo and ANSYS CFX programs. IOP Conf. Ser.: Mater. Sc. Eng., 2017, vol. 232, art. 012044. DOI: https://doi.org/10.1088/1757-899X/232/1/012044

[12] Borovkov A.I., Voinov I.B., Nikitin M.A., et al. Experience of performance modeling the single-stage pipeline centrifugal compressor. AIP Conf. Proc., 2019, vol. 2141, no. 1, art. 030051. DOI: https://doi.org/10.1063/1.5122101

[13] Borovkov A.I., Voinov I.B., Galerkin Yu.B., et al. Experimental characteristic simulation for two-stage pipeline centrifugal compressor. IOP Conf. Ser.: Mater. Sc. Eng., 2019, vol. 604, art. 012052. DOI: https://doi.org/10.1088/1757-899X/604/1/012052

[14] Боровков А.И., Воинов И.Б., Галеркин Ю.Б. и др. Вопросы моделирования газодинамических характеристик на примере модельной ступени центробежного компрессора. Научно-технические ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки, 2018, т. 24, № 2, с. 44--57. DOI: https://doi.org/10.18721/JEST.240204

[15] Маренина Л.Н. CFD-моделирование и анализ характеристик неподвижных элементов проточной части центробежной компрессорной ступени. Компрессорная техника и пневматика, 2016, № 3, с. 27--35.

[16] Galerkin Y., Solovyeva O.A. Flow behavior and performances of centrifugal compressor stage vaneless diffusers. Int. J. Mech. Aerosp. Ind. Mech. Manuf. Eng., 2015, vol. 9, no. 1, pp. 128--133.

[17] Соловьёва О.А. Математическая модель для расчета газодинамических характеристик и оптимизации безлопаточных диффузоров центробежных компрессорных ступеней. Дис. ... канд. техн. наук. СПб., СпбПУ, 2018.

[18] Cumpsty N.A. Compressor aerodynamics. Longman, 1989.