e-works数字化企业网  »  文章频道  »  产品创新数字化(PLM)  »  CAE

利用ANSYS集成型涡轮机械设计平台设计离心式压缩机

2016/12/26    来源:ANSYS    作者:Brice Caussanel  Renaud Signoret      
关键字:涡轮机械  压缩机  
ANSYS集成型涡轮机械设计平台帮助某旋转机械公司设计一款离心式压缩机,其有望在污水处理操作中节能2%至5%0此外,该公司还能在研发新一代产品时降低成本并缩短设计时间。

改善曝气压缩机的效率可有效节省成本和能耗

    多数污水处理厂都会利用废水中自然产生的微生物快速降解可形成二氧化碳和水的有机物质。曝气是污水处理厂的重要工作,通过向污水中注入空气来加速有机污染物中的好氧生物降解。注入空气的压缩机需要消耗大量的电力,才能克服水位高度的反压力以及空气喷射系统的损耗,这种情况的耗电量实在非常巨大。例如,在美国约有20000家市政污水处理厂,其耗电量约占美国发电总量的4%,而曝气过程中的空气压缩操作估计占到该用电量的大约60%。

    曝气过程是市政污水处理厂的一笔巨大开支,改善曝气压缩机的效率有望大幅减少成本与能耗。Continental Industrie公司在离心式鼓风机和排气产品的研发、制造领域拥有40年的丰富经验。公司的工程师利用ANSYS集成型涡轮机械设计系统设计了用于废水曝气的新一代离心式压缩机,与上一代压缩机相比可将效率提高2%至5%。对于一家普通的污水处理厂而言,这种效率提升能节省15kW至50kW的电能。按每年运行时间2000小时、电价为0.20美元/kWh计算,每台压缩机每年可节省6,000至20,000美元。工程师利用优化算法探索1-D、2-D和3-D设计,使设计一次性成功,同时还能最大限度减少建模和计算工作量。

传统的设计方法

    离心式压缩机涉及众多设计变量,每一种变量以及变量之间的相互作用都对最终产品的性能具有相当复杂的影响。在设计上一代压缩机产品时,经验丰富的设计人员使用的是经验法则。首先使用一维分析和工程直觉获得具备合理效率等级的初始设计。然后再构建一个试验台模型,用于进行粗略的性能测量。经验丰富的涡轮机械设计人员检查测试结果,并有根据地推测哪种设计变更有可能显著提高性能。这些设计人员确实能实现明显的改善,但他们无法完全优化设计。全尺寸原型不能始终满足设计规范.这需要额外讲行更多次成本高昂的原型构建和物理测试。

图1 新压缩机设计中使用的ANSYS Workbench几何结构和CFD仿真工作流程原理图

图1 新压缩机设计中使用的ANSYS Workbench几何结构和CFD仿真工作流程原理图

图2 新型离心式压缩机

图2 新型离心式压缩机

Continental Industrie在设计流程之初就使用仿真来优化设计方案

    为了设计用于污水处理行业的最新单级离心式压缩机,Continental Industrie在构建物理原型之前,从设计流程之初就使用仿真来优化设计方案。ContinentalIndustrie之所以选择ANSYS集成型涡轮机械设计方案,原因如下:ANSYS解决方案的易用性使其可以在短时间内定义完整的工作流程和方法;ANSYS参数化平台允许团队探索完整设计空间,以高准确度确定最佳解决方案,而无需再做猜测;流体和结构工程团队都使用相同的设计几何结构,因此可方便地在优化方案中包含两种仿真类型。

图3 ANSYS Workbench使工程师能方便地设计和优化压缩机。

图3 ANSYS Workbench使工程师能方便地设计和优化压缩机。

初步设计

    Continental Industrie的工程师使用ANSYS Vista CCD工具(集成在ANSYS BladeModeler软件中)进行初步设计,或者根据输入参数(例如压力比、质量流率、旋转速度和其他几何约束)设置压缩机的尺寸。为了充分了解不同参数的影响,他们手动评估了大约50种叶轮片,然后使用ANSYS DesignXplorer进行设计试验,对大约200多种设计方案进行评估,以便从1D角度充分优化设计。Vista CCD运行时间非常短,因此评估每种设计只需花费不到一分钟。

图4 工程师使用仿真满足新产品的设计目标。 

图4 工程师使用仿真满足新产品的设计目标。

责任编辑:马倩
本文为授权转载文章,任何人未经原授权方同意,不得复制、转载、摘编等任何方式进行使用,e-works不承担由此而产生的任何法律责任! 如有异议请及时告之,以便进行及时处理。联系方式:editor@e-works.net.cn tel:027-87592219/20/21。
e-works
官方微信
掌上
信息化
编辑推荐
新闻推荐
博客推荐
视频推荐