Моделирование напорной характеристики рабочего колеса центробежного компрессора на базе «невязкого» расчета

Возможность расчета зависимости напора от расхода необходима для проектирования рабочего колеса и для последующего расчета газодинамических характеристик компрессора.

В статье для исследования напорной характеристики центробежных рабочих колес используются невязкие квазитрехмерные подходы, которые не позволяют определить КПД рабочего колеса, но позволяют на основании качественного анализа диаграмм распределения скоростей по поверхностям лопаток определить эффективность выбранной геометрии. Второй подход — одномерная математическая модель, включающая в себя эмпирические зависимости, связывающие потери в элементах проточной части с их размерами и параметрами проектирования. В проектной практике авторы применяют ПК-программы метода универсального проектирования Санкт-Петербургского политехнического университета, в котором практически линейные зависимости коэффициента теоретического напора от коэффициента расхода на выходе из рабочего колеса задаются величиной коэффициента напора при нулевом расходе и углом наклона напорной характеристики.

Представленные в тексте напорные характеристики, построенные по результатам экспериментов, рабочих колес модельных ступеней Санкт-Петербургского политехнического университета сопоставлены с характеристиками, рассчитанными при невязком течении. Между первыми и вторыми установлены соотношения, аппроксимированные алгебраическими уравнениями. Эти уравнения — искомое математическое выражение напорных характеристик.

1. Mojaddam M., Benisi A. H., Movahhedy M. R. Optimal design of the volute for a turbocharger radial flow compressor. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering. 2014;229(6):GT2014-26849. https://doi.org/10.1177/0954410014542448.

2. Matas R., Syka T., Hurda L. Experimental investigation and numerical modelling of 3D radial compressor stage and influence of the technological holes on the working characteristics. EPJ Web of Conferences. 2018;180:02060. https://doi.org/10.1051/epjconf/201818002060.

3. 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 of Conferences. 2017;143:02073. https://doi.org/10.1051/epjconf/201714302073.

4. Le Sausse P., Fabrie P., Arnou D., Clunet F. CFD comparison with centrifugal compressor measurements on a wide operating range. EPJ Web of Conferences. 2013;45:01059. https://doi.org/10.1051/epjconf/20134501059.

5. Marconcini M., Rubechini F., Arnone A., Ibaraki S. Numerical analysis of the vaned diffuser of a transonic centrifugal compressor. Proceedings of ASME Turbo Expo 2007: Power for Land, Sea, and Air. 2007;GT2007-27200:987-995. https://doi.org/10.1115/GT2007-27200.

6. Marechale R., Ji M., Cave M. Experimental and Numerical Investigation of Labyrinth Seal Clearance Impact on Centrifugal Impeller Performance. Proceedings of ASME Turbo Expo 2015: Turbine Technical Conference and Exposition. GT2015-43778. Montreal, 2015. https://doi.org/10.1115/GT2015-43778.

7. Kowalski S. C., Pacheco J. E., Fakhri S., Sorokes J. M. Centrifugal stage performance prediction and validation for high Mach number applications. Proceedings of the Forty-First Turbomachinery Symposium. Houston, 2012.

8. Kryllowicz W., S wider P., Kozanecki Z. [et al.]. Technical and aerodynamical aspects of a high pressure synthesis gas turbo compressor modernization. Proceedings of 12th European Conference on Turbomachinery Fluid dynamics & Thermodynamics. ETC2017-171. Stockholm, 2017.

9. Huang J., Liu H., Xu S., Wang X. Robust performance optimization of centrifugal compressor volute with a rectangular cross-section. Proceedings of ASME Turbo Expo 2015: Turbine Technical Conference and Exposition. GT2015-42979. Montreal, 2015. https://doi.org/10.1115/GT2015-42979.

10. Heinrich M., Schwarze R. Scripted CFD-Tool for the Automated Design of Volutes for Centrifugal Compressors. Proceedings of ASME Turbo Expo 2015: Turbine Technical Conference and Exposition. GT2015-42629. Montreal, 2015. https://doi.org/10.1115/GT2015-42629.

11. Giachi M., Ramalingam V., Belardini E. [et al.]. Parametric Performance of a class of standard discharge scrolls for industrial centrifugal compressors. Proceedings of ASME Turbo Expo 2014: Turbine Technical Conference and Exposition. GT2014-26831. Dhsseldorf, 2014.

12. Guidotti G. E. Towards Centrifugal Compressor Stages Virtual Testing. Universits degli Studi di Bologna, 2014.

13. Bartelt M., Kwitschinski T., Ceyrowsky T. [et al.]. Experimental and Numerical Investigation of Different Rectangular Volute Geometries for Large Radial Compressors. Proceedings of ASME 2011 Turbo Expo: Turbine Technical Conference and Exposition. GT2011-46296. Vancouver, 2011.

14. Abel M., Newton P., Martinez-Botas R. F. [et al.]. 3D computational analysis of a compressor for heavy duty truck engine turbochargers. Proceedings ASME Turbo Expo 2018: Turbomachinery Technical Conference and Exposition. GT2018-75688. Oslo, 2018. https://doi.org/10.1115/GT2018-75688.

15. Turunen-Saaresti T., Reunanen A., Larjola J. The Time-Accurate Numerical Simulation of a Centrifugal Compressor. Proceedings of ASME Turbo Expo 2002: Power for Land, Sea, and Air. 2002;GT-2002-30385:579 -585. https://doi.org/10.1115/GT2002-30385

16. Kortikov N., Borovkov A., Voynov I. [et al.]. Modeling the gas-dynamic characteristics of the low-flow and mid-flow model stages for an industrial centrifugal compressor. MATEC Web of Conferences. 2018;245:04019. https://doi.org/10.1051/matecconf/201824504019. EDN: YYVRGX.

17. Hazby H., Casey M., Robinson C. [et al.]. The Design of a Family of Process Compressor Stages. Proceedings of 12th European Conference on Turbomachinery Fluid dynamics & Thermodynamics. ETC2017-134. Stockholm, 2017. https://doi.org/10.29008/ETC2017-134.

18. Syka T., Matas R., Lunacek O. Numerical and experimental modelling of the radial compressor stage. AIP Conference Proceedings. 2016;1745:020059.

19. Franz H., Rube C., Wedeking M. Numerical Investigation of the Return Channel of a High-Flow Centrifugal Compressor Stage. Proceedings of ASME Turbo Expo 2015: Turbine Technical Conference and Exposition. Montreal, 2015. https://doi.org/10.1115/GT2015-43640.

20. Маренина Л. М., Галеркин Ю. Б., Дроздов А. А. [и др.]. Положительный опыт CFD-моделирования характеристик центробежных компрессорных ступеней и анализ щелевых потерь. Часть 1. // Компрессорная техника и пневматика. 2022. № 2. C. 18-25. EDN: UFBZYC.

21. Маренина Л. М., Галеркин Ю. Б., Дроздов А. А. [и др.]. Положительный опыт CFD-моделирования характеристик центробежных компрессорных ступеней и анализ щелевых потерь. Часть 2. // Компрессорная техника и пневматика. 2022. № 3. C. 5-11. EDN: RREESC.

22. Штаничев Р. А., Яблоков А. М., Садовский Н. И. Верификации результатов численного моделирования малорасходной ступени центробежного компрессора с экспериментальными данными с помощью программных комплексов Numeca Fine/Turbo и Ansys CFX // Вестник Международной академии холода. 2021. № 3. С. 32-38. https://doi.org/10.175861606-4313-2021-20-3-32-38. EDN: QHDJZJ.

23. Шешуков А. П., Яблоков А. М., Маренина Л. Н. Реверс-инжиниринг и численное моделирование течения вязкого газа ступени центробежного компрессора турбостартера тС-21 для построения напорной характеристики с целью дальнейшей модернизации // Омский научный вестник. Сер. Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2025. т. 9, № 4. С. 80-87. https://doi.org/10.25206/2588-0373-2025-9-4-80-87. EDN: YCVDGE.

24. Васильев Ю. С., Петреня Ю. К., Солдатова К. В. [и др.]. труды политехнической научной школы турбоком-прессоростроения 21 века: монография. Санкт-Петербург: Издательство СПбПУ, 2023. 384 с. ISBN 978-5-7422-8024-8. EDN: IPZPYO.

25. Галеркин Ю. Б. турбокомпрессоры: монография. Москва: ООО «ИИЦ КХт», 2010. 762 с. EDN: QMLKJV.

26. Галеркин Ю. Б. труды научной школы компрессоро-строения Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого. Санкт-Петербург: Издательство Политехнического университета, 2021. 331 с.

27. Селезнев К. П., Галеркин Ю. Б. Центробежные компрессоры. Ленинград: Машиностроение, 1982. 271 с.

28. Дроздов А. А. Разработка математической модели расчёта и проектирования центробежных компрессоров на основе расчетно-экспериментальных исследований и ее практическое применение: дис. ... д-ра техн. наук. Санкт-Петербург, 2021. 440 с.

29. Карпов А. Н. Методика моделирования напорной характеристики центробежного компрессорного колеса по результатам испытаний модельных ступеней: дис. … канд. техн. наук. Санкт-Петербург, 2012. 137 c.

30. Рис В. Ф. Центробежные компрессорные машины. Москва — Ленинград: Изд-во «Машиностроение», 1964. 335 с.

31. Солдатова К. В. Создание новой математической модели проточной части центробежных компрессоров и базы данных модельных ступеней: дис. … д-ра техн. наук. Санкт-Петербург, 2017. 357 с.