Оптимизация обратных направляющих аппаратов высокорасходных центробежных компрессорных ступеней CFD-методами

Расчеты, выполненные с помощью современных программ вычислительной газодинамики (CFD), помогают оптимизировать проточную часть центробежного компрессора. Рассчитанные CFD-методами характеристики неподвижных элементов проточной части считаются достаточно точными. Проведена оптимизация обратных направляющих аппаратов (ОНА) трех ступеней с большим коэффициентом расхода (0,15) и разными коэффициентами теоретического напора (0,45; 0,60; 0,70). Для оптимизации исследуемых аппаратов создана параметризованная модель их проточной части. Оптимизация проведена методом MOGA (Multi-Objective Genetic Algorithm) в программе Direct Optimization комплекса ANSYS. Цель оптимизации заключалась в достижении минимального коэффициента потерь в расчетной точке. Варьируемыми параметрами являлись число и входной угол лопаток, их высота на входе, внешний и внутренний радиусы кривизны поворотного колена. Для ОНА с минимальным коэффициентом потерь рассчитаны зависимости этого параметра от коэффициента расхода. Сравнение с характеристикой исходного варианта показало, что оптимизированные ОНА более эффективны во всем диапазоне коэффициента расхода. Оптимизация ОНА позволила уменьшить коэффициент потерь на 20 %.

Литература

[1] Галеркин Ю.Б., ред. Труды научной школы компрессоростроения СПбГПУ. Москва, СПбГПУ, 2010. 669 с.

[2] Васильев Ю.С., Родионов П.И., Соколовский М.И. Высокоэффективные центробежные компрессоры нового поколения. Научные основы расчета, разработка методов оптимального проектирования и освоение производства. Промышленность России, 2000, № 10–11, с. 78–85.

[3] Galеrkin Y.B., Danilov К.A., Popova E.Y. Universal modelling for centrifugal compressors-gas dynamic design and optimization concepts and application. Yokohama Int. Gas Turbine Cong., 1995, Yokohama.

[4] Galerkin Y., Danilov К., Popova Е. Design philosophy for industrial centrifugal compressor. Int. Conf. Compressors and their Systems. London, City University, 1999, pp. 465–480.

[5] Galerkin Yu.B., Rekstin A.F., Solovyeva O.A. Vaneless diffuser of the centrifugal compressor stage design method. AIP Conf. Proc., 2019, vol. 2141, no. 1, art. 030007, doi: https://doi.org/10.1063/1.5122057

[6] Rekstin A.F., Galerkin Yu.B. The primary design method development of centrifugal compressor impellers based on the analysis of the geometrical parameters. AIP Conf. Proc., 2019, vol. 2141, no. 1, art. 030052, doi: https://doi.org/10.1063/1.5122102

[7] Solovyeva O., Drozdov A. Mathematical model of centrifugal compressor vaneless diffuser based on CFD calculations. E3S Web Conf., 2020, vol. 178, art. 01014, doi: https://doi.org/10.1051/e3sconf/202017801014

[8] Рекстин А.Ф., Галеркин Ю.Б. Особенности первичного проектирования малорасходных центробежных компрессорных ступеней. Вестник пермского национального исследовательского политехнического университета, 2018, т. 20, № 2, с. 43–54, doi: https://doi.org/10.15593/2224-9877/2018.2.06

[9] Галеркин Ю.Б., Рекстин А.Ф., Маренина Л.Н. и др. Создание параметризированной модели проточной части ОНА для испытаний в виртуальной аэродинамической трубе. Техника и технология нефтехимического и нефтегазового производства. Мат. 10-й Межд. науч.-тех. конф. Омск, ОмГТУ, 2020, с. 127–128.

[10] Marenina L., Galerkin Yu., Drozdov A. Stator elements optimization of centrifugal compressor intermediate type stage by CFD methods. E3S Web Conf., 2020, vol. 178, art. 01020, doi: https://doi.org/10.1051/e3sconf/202017801020

[11] Рис В.Ф. Центробежные компрессорные машины. Ленинград, Машгиз, 1951. 245 c.

[12] Ден Г.Н. Проектирование проточной части центробежных компрессоров. Ленинград, Машиностроение, 1980. 230 с.

[13] Лившиц С.П. Аэродинамика центробежных компрессорных машин. Москва, Ленинград, Машиностроение, 1966. 340 с.

[14] Селезнев К.П., Галеркин Ю.Б. Центробежные компрессоры. Ленинград, Машиностроение, 1982. 271 с.

[15] Галеркин Ю.Б. Турбокомпрессоры. Рабочий процесс, расчет и проектирование проточной части. Москва, КХТ, 2010. 581 с.

[16] Aungier R.H. Centrifugal compressors: a strategy for aerodynamic design and analysis. New York, ASME, 2000. 320 p.

[17] Cumpsty N.A. Compressor aerodynamics. Longman, 1989. 509 p.

[18] Галеркин Ю.Б., Солдатова К.В. Моделирование рабочего процесса промышленных центробежных компрессоров. Научные основы, этапы развития, современное состояние. Санкт-Петербург, изд-во Политехн. ун-та, 2011. 328 с.

[19] Галеркин Ю.Б., Рекстин А.Ф., Солдатова К.В. и др. Развитие научной школы турбокомпрессоростроения ЛПИ-СПбПУ Петра Великого, результаты сотрудничества с компрессоростроителями. 17 Межд. науч.-тех. конф. Казань, 2017, с. 19–29.

[20] Шнепп В.Б. Конструкция и расчет центробежных компрессорных машин. Москва, Машиностроение, 1995. 240 с.

[21] Rube C., Rossbach T., Wedeking M., et al. Experimental and numerical investigation of the flow inside the return channel of a centrifugal process compressor. J. Turbomach., 2016, vol. 138, no. 10, art. 101006, doi: https://doi.org/10.1115/1.4032905

[22] Bisping J., Rossbach T., Grates D., et al. Influence of diffuser diameter ratio on the performance of a return channel within a centrifugal compressor stage. Proc. GPPS Forum 18 Global Power and Propulsion Society. Montreal, 2018. https://gpps.global/wp-content/uploads/2021/02/GPPS-NA-2018-0034.pdf

[23] Yagi M., Nishioka T., Kobayashi H., et al. Effects of return channel with splitter vanes on performance of multistage centrifugal compressor. ASME Turbo Expo, 2015, paper no. GT2015-42442, doi: https://doi.org/10.1115/GT2015-42442

[24] Nishida H., Kobayashi H., Nishida H., et al. Performance improvement of a return channel in a multistage centrifugal compressor using multiobjective optimization. J. Turbomach., 2013, vol. 135, no. 3, art. 031026, doi: https://doi.org/10.1115/1.4007518

[25] 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 Conf., 2018, vol. 245, art. 04019, doi: https://doi.org/10.1051/matecconf/201824504019

[26] 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

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

[28] Borovkov A., Voinov I., Galerkin Y., et al. Issues of gas dynamic characteristics modeling: a study on a centrifugal compressor model stage. E3S Web Conf., 2019, vol. 140, art. 06003, doi: https://doi.org/10.1051/e3sconf/201914006003

[29] Ji Ch., Li Ch., Fang J., et al. Loss mechanism of static interstage components of multistage centrifugal compressors for integrated blade design. Math. Probl. Eng., 2018, vol. 2018, art. 9025650, doi: https://doi.org/10.1155/2018/9025650

[30] Veress A., Van den Braembussche R. Inverse design and optimization of a return channel for a multistage centrifugal compressor. J. Fluids Eng., 2004, vol. 126, no. 5, pp. 799–806, doi: https://doi.org/10.1115/1.1792258

[31] Drozdov A., Rekstin A. Analysis of the velocity diagrams of impellers of centrifugal compressor stages after the preliminary design. MATEC Web Conf., 2018, vol. 245, art. 04004, doi: https://doi.org/10.1051/matecconf/201824504004

[32] Попова Е.Ю. Оптимизация основных параметров ступеней турбомашин на основе математического моделирования. Дисс … канд. тех. наук. Санкт-Петербург, СПбГПУ, 1991. 275 с.

[33] Rekstin A.F., Soldatova K.V., Galerkin Yu.B. Experience of application the computer program based on a simplified mathematical model for industrial centrifugal compressors candidates. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng., 2018, vol. 604, art. 012045, doi: https://doi.org/10.1088/1757-899X/604/1/012045

[34] Rekstin A.F., Soldatova K.V., Galerkin Yu.B., et al. Verification of a simplified mathematical model of centrifugal compressor stages. E3S Web Conf., 2019, vol. 124, art. 01005, doi: https://doi.org/10.1051/e3sconf/201912401007

[35] Рекстин А.Ф., Бакаев Б.В. Вариантные расчеты промышленных центробежных компрессоров на основе упрощенной математической модели. Научно-технические ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки, 2018, т. 24, № 4, с. 24–38, doi: https://doi.org/10.18721/JEST.24403

[36] Sorokes J.M. The practical application of CFD in the design of industrial centrifugal impellers. Texas A&M University, 1993, doi: https://doi.org/10.21423/R1P074

[37] Galerkin Y., Rekstin A., Drozdov A., et al. The optimal gas dynamic design system of industrial centrifugal compressors based on universal modeling method. E3S Web Conf., 2020, vol. 178, art. 01028, doi: https://doi.org/10.1051/e3sconf/202017801028

[38] Галеркин Ю.Б., Маренина Л.Н. Исследование и совершенствование неподвижных элементов центробежных ступеней методами вычислительной газодинамики. Часть 1. Компрессорная техника и пневматика, 2014, № 1, с. 30–36.

[39] Marenina L., Galerkin Y., Soldatova К. Computational fluid dynamics application for analysis of centrifugal compressor stage stator part. Int. J. Mech. Eng. Robot. Res., 2018, vol. 7, no. 6, pp. 656–661, doi: https://doi.org/10.18178/ijmerr.7.6.656-661

[40] Соловьева О.А. Математическая модель для расчета газодинамических характеристик и оптимизации безлопаточных диффузоров центробежных компрессорных ступеней. Дисс. … канд. тех. наук. Санкт-Петербург, СПбПУ, 2018. 162 с.

[41] Рекстин А.Ф., Дроздов А.А., Соловьева О.А. и др. Сравнение двух математических моделей безлопаточного диффузора центробежной компрессорной ступени. Компрессорная техника и пневматика, 2019, № 1, с. 2–10.