上海安世亞太公司

某家旋轉機械公司使用Ansys集成的渦輪機設計平臺設計出一款離心式壓縮機，在廢水處理操作過程中可節省2%至5%的能源。此外，該公司還能夠在開發下一代產品時減少成本和設計時間。

多數污水處理廠利用廢水中自然發生的微生物快速分解有機物，形成二氧化碳和水。曝氣通過向廢水中添加空氣來促進有機污染物的好氧生物降解，在這些植物中起著不可或缺的作用。噴射這種空氣的壓縮機消耗大量的電力來克服水高度的背壓和空氣噴射系統中的損失。因此，功率的大小是很重要的。例如，美國大約20000個城市污水處理廠消耗的電能約占美國所產生的電能的4%，而用于曝氣過程的空氣壓縮量估計約占這一電能的60%。

提高曝氣壓縮機的效率能有效節約成本和能源。

曝氣是城市污水處理廠的一項巨大開支，提高曝氣壓縮機的效率能有效節約成本和能源。大陸工業公司在離心鼓風機和排氣產品的研究、開發和制造方面有40年的經驗。該公司的工程師使用Ansys渦輪機綜合設計系統設計了一種用于廢水曝氣應用的下一代離心式壓縮機，與前代壓縮機相比，效率提高了2%至5%。這應可為一般污水廠節省15千瓦至50千瓦。按每年運行2 000小時和每千瓦時0.20美元計算，每臺壓縮機每年可節省6000至20000美元。工程師使用優化算法。來探索一維、二維和三維設計，以便在最小化建模和計算工作量的同時，可以第一時間獲得正確的設計。

利用Ansys Workbench的幾何圖形和CFD模擬工作流程原理圖設計新型壓縮機

舊式設計方法

離心式壓縮機涉及的設計變量很多，每一個變量對成品產品的性能都有復雜的影響，而且往往是相互影響的。為了設計這些壓縮機的前一代，有經驗的設計師使用了經驗方法。該過程首先使用一維分析和工程直覺，獲得了具有合理效率水平的初始設計。其次建立了一個臺架模型，方便進行粗略的性能測試。葉輪機械設計人員審查了試驗結果，并對哪些設計變更可能帶來顯著的性能改進作出了有根據的猜測。這些設計人員能夠實現重大改進，但不能完全優化設計。全尺寸原型并不總是符合設計規格，這就需要昂貴的原型建造和物理測試的額外周期。

新型離心壓縮機

為了設計用于廢水處理行業的最新單級離心式壓縮機，大陸工業公司從設計過程開始就利用模擬來優化設計，然后再投入物理原型。

Continental Industrie選擇Ansys集成方法進行渦輪機設計有以下幾點原因：Ansys解決方案的易用性使其能夠在短時間內定義完整的工作流程和方法；Ansys參數化平臺讓團隊可以探索完整的設計空間，高精度確定最優解決方案，消除猜測工作；并且流動和結構工程團隊都使用相同的設計幾何結構工作，這使得將兩種模擬類型合并到優化中成為可能。

工程師運用Ansys Workbench輕松設計和優化壓縮機

工程師使用仿真模擬來實現新產品的設計目標

初步設計

Continental Industrie工程師使用Ansys Vista CCD工具（與Ansys BladeModeler軟件一起使用）根據輸入參數（如壓力比、質量流量、旋轉速度和其他幾何約束）對壓縮機進行初步設計或尺寸確定。他們手工評估了大約50個葉輪葉片，對不同參數的影響有知情理解。然后使用Ansys DesignXplorer對約200多個設計進行了設計評估，達到從一維角度充分優化變化。Vista CCD提供的非常短的運行時間使得我們可以在不到一分鐘的時間內評估每個設計。

接下來，工程師使用Ansys Vista TF對二維葉片排設計進行了評估。通流解以較少的計算工作量捕獲了全三維流動模擬的許多特征。在此階段執行了一個附加步驟，去優化葉輪中的葉片。在這一階段，大陸工業公司的工程師檢查了20種不同的設計，只對參數做了很小的改動，但在預計的效率方面獲得了顯著的改進。

完整三維壓縮機設計 

下一步涉及將葉輪集成到完整的三維壓縮機中。Continental Industrie工程師在SolidWorks?計算機輔助設計軟件中制作出完整流道的幾何形狀，包括入口導葉、葉輪、擴壓器和泵殼。他們將幾何形狀導入Ansys DesignModeler后，Ansys網格平臺生成泵殼套管流體體積內的網格，Ansys TurboGrid自動生成所有葉片部件--進氣導葉、葉輪和擴壓器的六面體網格。利用Ansys CFX計算流體力學(CFD)軟件最大限度地降低擴散器和泵殼的流動損失，工程師們利用Ansys DesignXplorer進行了另一個約有250個設計的實驗，對系統進行了重新優化。

利用Ansys CFX計算中跨壓力場

 

通過壓縮機的總壓力變化

結構設計

為評估葉輪、輪和其他機械部件的應力水平和變形，工程師還使用Ansys Workbench將Ansys CFD的壓力和溫度預測與Ansys Mechanical連接起來。結構模擬揭示了初始葉輪設計經歷了超過葉輪材料屈服強度的應力值，因此工程師增加了葉片厚度，確?？煽啃?。在三種質量流率下進行了額外的CFD計算，檢驗新設計。利用Ansys Mechanical提供的葉輪變形結果，避免葉輪葉尖與護罩的接觸。對旋轉葉輪的振動特性進行了模態分析，確保其在正常工作條件下不會產生任何共振頻率。

通過在三個不同的階段對壓縮機進行優化的綜合設計過程，大陸工業公司的工程師能夠提供比該公司上一代廢水處理離心壓縮機高2%到5%的效率。新型壓縮機可以在保持恒定壓力的同時改變流量，通過將流量降低到工藝所需的最低水平，從而節省更多的能源。Continental Industrie還在這一過程中產生了實質的成本節約，因為整個設計是由一個三人團隊完成的，而且第一臺樣機符合公司的性能要求。

利用Ansys CFD進行的三維流動模擬使大陸工業公司得以改善離心壓縮機的性能

通過壓縮機的總壓力變化對葉輪進行了模態分析

對壓氣機葉片的應力場進行了模擬，以保證其可靠性