Компрессор является одной из важнейших частей энергетических установок. Необходимо проводить оптимальное проектирование компрессора на заданные параметры. По этой причине изучение и понимание рабочего процесса компрессора является актуальным и востребованным.

Целью работы является численный эксперимент для лопаточного диффузора центробежной компрессорной ступени. Исследования выполняются с применением пакета программ Ansys CFX 14.0 (правообладатель лицензии — Отделение вычислительных ресурсов ИТК СПбГПУ). В процессе исследования решалась стационарная задача с применением RANS-модели турбулентности SST, по рекомендации [3].

В ходе работы рассматривался промышленный четырехступенчатый центробежный компрессор, виды которых находят широкое применение в холодильной и криогенной технике. Численный эксперимент проведен для лопаточного диффузора первой ступени.

Поток в лопаточном диффузоре предоставляет огромный интерес для исследователя. Согласно [2], в  безлопаточном диффузоре постоянной ширины поток движется с практически постоянным углом. Если в это безлопаточное пространство установить лопатки с углом αл4>α3, то они отклонят поток в сторону, противоположную вращению, что приведет к уменьшению окружной составляющей скорости по сравнению с окружной составляющей скорости на выходе из БЛД.

На кафедре КВХТ проводятся исследования диффузоров центробежных компрессоров с применением пакета программ ANSYS CFX как отдельно, так и в составе ступени.

В данной исследовательской работе рассматривается вопрос о влиянии шероховатости на результат расчета. Лопаточный диффузор первой ступени центробежного компрессора использован как объект исследования. Исследовали 3 вида шероховатости: гладкие стенки, песочная шероховатость 5 мкм и песочная шероховатость 10 мкм.

Работа производилась в несколько этапов:

1. Построение и корректировка трехмерной модели лопаточного диффузора при помощи программы BladeGen, входящую в состав пакета Ansys CFX.
2. Построение блочно-структирированной расчётной сетки лопаточного диффузора в программе TurboGrid по рекомендациям [1] и ее перенесение в программу CFX-Pre для дальнейшего задания граничных условий и расчёта течения.
3. Расчет течения на кластере.
4. Обработка полученных данных в программе CFD-Post, получение необходимых зависимостей и графических интерпритаций.

Общее число элементов всей расчётной области составило 1452466 элементов.

Как можно заметить на рисунке 1 шероховатость 10 мкм дала большой отрыв на сходе с лопатки в то время как гладкие стенки и шероховатость 5 мкм дали безотрывное обтекание.

Рисунок 1. Линии тока вблизи лопатки ЛД а) гладкие стенки, б) песочная шероховатость 5 мкм, в) песочная шероховатость 10 мкм.

Были проведены расчеты характеристик лопаточного диффузора:

Результаты сведены в таблицу 1 и построены характеристики в зависимости от шероховатости стенок:

Таблица 1. Характеристики лопаточного диффузора

Рисунок 2: а) Зависимость потерь полного давления от шероховатости стенок; б) Зависимость коэффициента потерь от шероховатости стенок; в) Зависимость повышения давления от шероховатости стенок

Исходя из рисунка 2 и из вышеперечисленного видно, что увеличение шероховатости стенок лопаточного диффузора приводит к различиям при обтекании лопаток, повышению коэффициента потерь и потерь полного давления, а также к уменьшению повышения статического давления. При шероховатости стенок равной 10 мкм наблюдается отрыв на сходе с лопатки диффузора.

Работа выполнена при поддержке Советом по грантам Президента Российской Федерации (грант № МК-5839.2012.8).