如何提高曝氣壓縮機的效率，節約成本和能源？
使用Ansys集成的渦輪機設計平臺，來設計離心式壓縮機，在廢水處理操作過程中可節省2%至5%的能源。此外，還能夠減少下一代產品的開發成本和設計時間。
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。某公司使用Ansys渦輪機綜合設計系統設計了一種用于廢水曝氣應用的離心式壓縮機，與前代壓縮機相比，效率提高了2%至5%。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。
| 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。
在設計用于廢水處理行業的單級離心式壓縮機時，使用Ansys集成方法進行渦輪機設計，有以下幾點優勢：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。
| 初步設計
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。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，使用Ansys Vista TF對二維葉片排設計進行評估。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，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。工程師在CAD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CFX計算得到展向的壓力場
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，還使用lAnsys 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，因此增加了葉片厚度，確保可靠性。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，新型壓縮機比上一代提升了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。
利用Ansys CFD進行的三維流動模擬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
文章來源：上海安世亞太
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