Опыт применения 3Д-сканирования и CFD-расчетов для исследования течения в рабочем колесе многовального центробежного компрессора и проведения оптимизации

В работе представлен анализ полуоткрытых центробежных рабочих колес трехступенчатого многовального компрессора. Проведено 3Д-сканирование геометрии рабочих колес, произведен CFD-расчет на проектном режиме работы компрессора, проведен анализ полученных результатов. Выявлены проблемы с рабочим колесом второй ступени. Далее геометрия всех трех колес оптимизирована при помощи модуля Design Exploration программного комплекса Ansys CFX, получено повышение КПД и улучшение картины течения.

1. Лунев А. Т. Структура метода проектирования и испытания проточной части нагнетателей для перекачивания природного газа // Компрессорная техника и пневматика. 2001. № 10. С. 4–7.

2. Aungier R. H. Centrifugal Compressors: A Strategy for Aerodynamic Design and Analysis. New York, USA: ASME Press, 2000. 330 p. ISBN 0-7918-0093-8.

3. Japikse D. Turbomachinery design with an agile engineering system // JSME Fluid Engineering Conference. OSAKA, September 19–20, 2003. P. 19–20.

4. Japikse D., Bittery J. Effective two-zone modeling of diffusers and return channel systems for radial and mixed-flow pumps and compressors // 11th International symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery, February 26 – March 02. Honolulu, 2006. Vol. 2. P. 511–520.

5. Japikse D., Dubitsky O. Vaneless diffuser advanced model // ASME Turbo Expo Conference, June 6 9. Reno-Tahoe, 2005.

6. Japikse D. Design system development for turbomachinery (turbopump) designs 1998 and a decade beyond // JANNAF Conference, July 15–17. Cleveland, Ohio, 1998. P. 263–275.

7. Поташев А. В., Поташев Е. В. Расчет течения газа в проточной части турбомашин по квазитрехмерной модели // Компрессорная техника и пневматика. 2020. № 3. P. 26–31. EDN: TSUBRZ.

8. Поташев А. В., Поташев Е. В., Хисамеев И. Г. Методы и программы аэродинамического расчета и проектирования рабочих элементов турбомашин // Компрессорная техника и пневматика. 2018. № 2. P. 23–33. EDN: EWKGZY.

9. Kabalyk K., Kryłłowicz W. Numerical modeling of the performance of a centrifugal compressor impeller with low inlet flow coefficient // Transactions of the institute of fluid-flow machinery. 2016. Vol. 131. P. 41–53.

10. Kryłłowicz W., Świder P., Kozanecki Z. [et al.]. Technical and Aerodynamical Aspects of a High Pressure Synthesis Gas Turbocompressor Modernization // 12th European Conference on Turbomachinery Fluid Dynamics and Thermodynamics, April 3–7. Stockholm, Sweden, 2017. DOI: 10.29008/ETC2017-171.

11. Мельников В., Прокусов А. Использование программного комплекса FlowVision при расчете элементов проточной части турбокомпрессоров в ОАО «СКБТ» // САПР и графика. 2005. № 4. С. 92–96.

12. Галеркин Ю. Б. Турбокомпрессоры. Санкт-Петербург: Изд-во КХТ, 2010. 650 c.

13. Галеркин Ю. Б., Рекстин А. Ф., Семеновский В. Б. Статистическая модель характеристики коэффициента напора колеса центробежного компрессора. Компрессорная техника и пневматика. 2023. № 1. С. 2–7. EDN: PIPEKN.

14. Маренина Л. Н., Галеркин Ю. Б. Оптимизация обратных направляющих аппаратов высокорасходных центробежных компрессорных ступеней CFD-методами // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2021. № 10. C. 49–64. DOI: 10.18698/0536-1044-2021-10-49-64. EDN: BSUPZQ.

15. Соловьёва О. А., Солдатова К. В., Галеркин Ю. Б., Рекстин А. Ф. Первичное проектирование безлопаточных диффузоров центробежных компрессорных ступеней Методом универсального моделирования // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2021. № 3 (732). С. 39–52. DOI: 10.18698/0536-1044-2021-3-39-52. EDN: SYYIIG.

16. Маренина Л. Н., Соловьёва О. А., Галеркин Ю. Б., Попова Е. Ю., Каминский В. Н. Разработка параметризованной модели и расчет осевого компрессора энергетической установки // Материаловедение. Энергетика. 2020. Т. 26, № 4. С. 100–111. DOI: 10.18721/JEST.26408. EDN: WMUUQX.

17. 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, June 15– 19. Montréal, Canada, 2015. DOI: 10.1115/GT2015-43778.

18. 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 11th International Conference on Experimental Fluid Mechanics. 2017. Vol. 143. 02073. DOI: 10.1051/epjconf/201714302073.

19. Hazby H. R., Xu L., Schleer M. Study of the Flow in a Vaneless Diffuser at Part Speed Operating Conditions // Journal of Turbomachinery. 2014. Vol. 136 (3). P. 031011–031011-9. DOI: 10.1115/1.4024693.