Территория «НЕФТЕГАЗ». 2019; : 28-35
Моделирование течения вязкого газа в модельных малорасходных ступенях центробежного компрессора
Аннотация
В статье представлены результаты моделирования течения вязкого газа в малорасходных модельных ступенях центробежных компрессоров. Задача решена в стационарной постановке с использованием программного комплекса ANSYS CFX. Численное моделирование было проведено на трех модельных ступенях сверхвысокого давления, у двух из которых лопатки рабочего колеса классического, у одной – телесного типа. Значение условного коэффициента расхода составляло 0,0063–0,015. В рамках исследования использовались блочно-структурированные расчетные сетки для всех элементов проточной части с общим числом элементов 13–15 млн. В ходе расчетов была осуществлена валидация численной характеристики с результатами испытаний, проведенных на кафедре компрессорной, вакуумной и холодильной техники Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого.
По результатам моделирования течения вязкого газа в малорасходных ступенях установлено, что для заданной математической модели наблюдается завышение суммарного коэффициента потерь на протечки и дисковое трение (1 + βтр + βпр) при увеличении входного давления. Напорная характеристика хорошо соотносится на расчетной точке, при увеличении расхода наблюдаются расхождения. Анализ течения в лабиринтных уплотнениях показал увеличение полной температуры около дисков на 30–50°С, однако данный факт не сказывается на параметрах газа в сечении за рабочим колесом. Результаты расчета на более мелкой расчетной сетке с величиной первой пристеночной ячейки 0,001 мм абсолютно идентичны результатам расчета на сетке с размером первой пристеночной ячейки 0,01 мм.
Список литературы
1. Стрижак Л.Я. Термогазодинамические основы проектирования центробежных компрессоров высокого и сверхвысокого давления: дисс. … докт. техн. наук. СПб.: Санкт-Петербургский государственный технический университет, 1995. 573 с.
2. Садовский Н.И. Повышение эффективности малорасходных ступеней центробежных компрессоров высокого и сверхвысокого давления на основе изучения влияния числа Рейнольдса и шероховатости на основные рабочие процессы: дисс. … канд. техн. наук. СПб.: Санкт-Петербургский государственный технический университет, 1994. 343 с.
3. Власов В.М. Разработка метода проектирования малорасходных ступеней центробежного компрессора высокого давления на основе модели вязкого течения реального газа: дисс. … канд. техн. наук. СПб.: Санкт-Петербургский государственный технический университет, 1995.
4. Измайлов Р.А. Нестационарные аэродинамические процессы в центробежных компрессорах: дисс. … докт. техн. наук. Л.: Ленинградский политехнический институт имени М.И. Калинина, 1989. 464 с.
5. Селезнев К.П., Галеркин Ю.Б. Центробежные компрессоры. Л.: Машиностроение, 1982. 271 с.
6. Danilishin A.M., Kozhukhov Y.V., Yun V.K. Multi-Objective Optimization for Impeller Shroud Contour, Width of Vane Diffuser and Number of Blades of the Centrifugal Compressor Stage Based on the CFD Calculation. IOP Conference Series Materials Science and Engineering 2015;90 (1):012046 [Электронный источник]. Режим доступа: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1757-899X/90/1/012046/pdf (дата обращения: 29.04.2019).
7. Яблоков А.М., Кожухов Ю.В., Лебедев А.А. Исследование течения в малорасходной ступени центробежного компрессора методами вычислительной газодинамики // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. 2015. № 4 (231). С. 59–69.
8. Базан И.С., Садовский Н.И. Расчет течения в межступенчатых каналах центробежного компрессора // Материалы научной конференции с между-народным участием «Неделя науки СПбПУ». СПб: изд-во СПбПУ, 2016. С. 146–148.
9. Рис В.Ф. Центробежные компрессорные машины. 3-е изд., перераб. и доп. Л.: Машиностроение, 1981. 351 с.
Territorija “NEFTEGAS” [Oil and Gas Territory]. 2019; : 28-35
Simulation of Viscid Gas Flow in Model Low Consumption Centrifugal Compressor Stages
Abstract
The article presents the simulation data for viscid gas flow in model low consumption centrifugal compressor stages. The problem is solved in stationary statement using the ANSYS CFX software. Three model stages of ultrahigh pressure are used for numerical simulation, with the rotor blades of the two of them being of classical type, while of the one – of a bodily type. The conditional flow coefficient – 0.0063–0.015. As part of the study block-structured design meshes are used for all air-gas channel elements, with their total number being equaled 13–15 mln. The calculations included numerical parameter validation with the data from the tests carried out at the Department of Compressor Refrigerating Vacuum Installations of the Peter-the-Great St.-Petersburg Polytechnical University. In increasing inlet pressure an overstatement of the cumulative leak and disc friction loss factor (1 + βтр + βпр) for the given mathematical model has been arrived at by the viscid gas flow simulation in model low consumption centrifugal compressor stages. Pressure characteristic was in close fit at design point, in flow rate increasing certain discrepancies were observed. The analysis of flow in labyrinth seals has shown an increase of total temperature near the discs by 30–50 °С, nevertheless this fact did not influence gas parameters in the behind-the-rotor section. The calculation data obtained with finer design mesh where the first near-wall cell was 0.001 mm are absolutely identical to those obtained with the mesh where the first near-wall cell – 0.01mm.
References
1. Strizhak L.Ya. Termogazodinamicheskie osnovy proektirovaniya tsentrobezhnykh kompressorov vysokogo i sverkhvysokogo davleniya: diss. … dokt. tekhn. nauk. SPb.: Sankt-Peterburgskii gosudarstvennyi tekhnicheskii universitet, 1995. 573 s.
2. Sadovskii N.I. Povyshenie effektivnosti maloraskhodnykh stupenei tsentrobezhnykh kompressorov vysokogo i sverkhvysokogo davleniya na osnove izucheniya vliyaniya chisla Reinol'dsa i sherokhovatosti na osnovnye rabochie protsessy: diss. … kand. tekhn. nauk. SPb.: Sankt-Peterburgskii gosudarstvennyi tekhnicheskii universitet, 1994. 343 s.
3. Vlasov V.M. Razrabotka metoda proektirovaniya maloraskhodnykh stupenei tsentrobezhnogo kompressora vysokogo davleniya na osnove modeli vyazkogo techeniya real'nogo gaza: diss. … kand. tekhn. nauk. SPb.: Sankt-Peterburgskii gosudarstvennyi tekhnicheskii universitet, 1995.
4. Izmailov R.A. Nestatsionarnye aerodinamicheskie protsessy v tsentrobezhnykh kompressorakh: diss. … dokt. tekhn. nauk. L.: Leningradskii politekhnicheskii institut imeni M.I. Kalinina, 1989. 464 s.
5. Seleznev K.P., Galerkin Yu.B. Tsentrobezhnye kompressory. L.: Mashinostroenie, 1982. 271 s.
6. Danilishin A.M., Kozhukhov Y.V., Yun V.K. Multi-Objective Optimization for Impeller Shroud Contour, Width of Vane Diffuser and Number of Blades of the Centrifugal Compressor Stage Based on the CFD Calculation. IOP Conference Series Materials Science and Engineering 2015;90 (1):012046 [Elektronnyi istochnik]. Rezhim dostupa: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1757-899X/90/1/012046/pdf (data obrashcheniya: 29.04.2019).
7. Yablokov A.M., Kozhukhov Yu.V., Lebedev A.A. Issledovanie techeniya v maloraskhodnoi stupeni tsentrobezhnogo kompressora metodami vychislitel'noi gazodinamiki // Nauchno-tekhnicheskie vedomosti Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo politekhnicheskogo universiteta. 2015. № 4 (231). S. 59–69.
8. Bazan I.S., Sadovskii N.I. Raschet techeniya v mezhstupenchatykh kanalakh tsentrobezhnogo kompressora // Materialy nauchnoi konferentsii s mezhdu-narodnym uchastiem «Nedelya nauki SPbPU». SPb: izd-vo SPbPU, 2016. S. 146–148.
9. Ris V.F. Tsentrobezhnye kompressornye mashiny. 3-e izd., pererab. i dop. L.: Mashinostroenie, 1981. 351 s.
