離心壓縮機仿真的案例
淺析離心壓縮機設計與流固耦合仿真
離心壓縮機設計與流固耦合仿真案例
離心壓縮機幾何模型設計
本案例在CFturbo中進行了單級離心壓縮機的設計，包括離心壓縮機葉輪、進口段和葉片式擴壓器等組成部件，如下為具體設計參數：
表1
利用CFturbo內置的離心壓縮機設計經驗函數和相關文獻資料和已有設計經驗，最終獲得壓縮機的設計方案如下：
表2 離心葉輪主要參數
離心壓縮機二維子午面與三維模型如下圖：
離心壓縮機設計方案
此外，在CFturbo中進行了離心壓縮機葉輪部分固體域的加厚設計，如下圖：
壓縮機輪盤結構
在CFturbo中完成壓縮機的設計工作后，可直接進行流體域和結構域的切割工作，方便設計人員進行后續的數值分析工作。其中流體域模型如下：
離心壓縮機流體域
離心壓縮機熱力學仿真計算
基于CFturbo與Simerics-MP+的無縫集成接口，通過CFturbo設計的離心壓縮機整機流體域模型可直接導出并激活Simerics-MP+軟件進行CFD仿真，且前處理網格劃分、模型設置及求解等工作均自動完成，只需啟動仿真計算即可查看結果。
展開 壓縮機仿真學習：影響離心壓縮機特性曲線的參數，你了解過嗎?
5能量傳遞與壓力升高
由于流體的能量與質量流量成正比，壓縮機壓力升高時，通過能量傳遞會對進口溫度，比熱容等多個因素產生影響。為了建立流量壓力升高的模型，也要考慮喘振工況，其值決定了旋轉葉片在反方向提供給流體的阻力。在流量為負時，壓縮機可以認作是偏正壓力的節流裝置。在壓縮機實際工作中，為了生產安全的需要，應當盡量避免進入喘振區，同時，負流量在實際中無法測量，在工程上只需要畫出正流量時的出口特性曲線。
6離心壓縮機的出口溫度
離心壓縮機通過葉輪的高速旋轉對氣體做功，使氣體的壓力得到提高，同時氣體的溫度也隨之提高。如果在轉速一定，入口條件也一定的情況下，壓縮機的溫度比是一個定值。
7離心壓縮機模型的仿真及入口參數的影響
反映離心壓縮機級的主要參數為壓力比、效率及流量。為了便于把級性能清晰地表示出來，常常在一定的進口氣體狀態及某個轉速下，用不同流量時的級壓力或出口壓力、級效率與進口流量表示出來。若忽略動能的變化，葉輪對氣體所做的功主要用來提高氣體的壓力和克服流動損失。所以，要知道不同流量下壓力提高的情況，還要知道不同流量下流動損失的大小。
在設計工況下，氣流方向基本上和葉片方向一致，分離沖擊損失小；當流量增大或減小時，分離沖擊損失增大。
展開 壓縮機仿真學習：離心壓縮機參數辨識
文章來源：壓縮機網
離心式壓縮機仿真案例
一、多參坐標系描述
旋轉機械問題設計到旋轉的流體域（rotating flow domain），所有的旋轉部件（moving parts，fan blades，hub，shaft surfaces...）是以一定的角速度進行旋轉的，靜止壁面（stationary walls，shrouds-蓋板，duct walls-風道壁面）是關于旋轉軸的轉轉曲面（surfaces of revolution），所涉及到的整體域被作為一個單一旋轉參考坐標系（a single rotating frame of reference）；然而當其中一部分是關于不同旋轉軸進行轉轉，或關于相同的軸按照不同的速度旋轉或靜止壁面不屬于“surfaces of revolution”（如在離心式壓縮機輪子周圍的蝸殼），單一的旋轉坐標系統（single rotating coordinate system）已不能夠滿足使計算域固定（immobilize），為了預測穩態的流場，因此必須以“多參考坐標系”（multiple reference frames）的方式進行仿真；
離心式鼓風機（Centrifugal blower）2D模型：
使用MRF模型能夠分析與一個或多個旋轉部件相關的流動特性，在一個單一計算域內多旋轉參考坐標系能夠被使用，流場結果代表旋轉部件移動到某一位置時的瞬態結果（snapshot-抓拍of the transient flow field）；然而在很多案例中交界面能夠以這種方式進行選擇-在該位置的流場是獨立于移動部件的方向的，這就意味著如果交界面能夠被繪制（drawn）以具有很小或者沒有角度依賴性（little or no angular dependence），MRF模型能夠成為可靠的工具用于時均流場的求解（time-averaged flow fields
展開 
ANSYS CFX 壓縮機仿真-離心壓縮機葉輪
本文利用CFX模擬離心壓縮機葉輪的氣動性能。
注：本文采用CFX 2019R2進行演示
1 幾何模型
幾何模型來自ANSYS-CFX的教程文檔。下圖是幾何模型的示意圖。這個葉輪有24個葉片，以22360rpm的轉速繞Z軸旋轉。
△ 幾何模型示意圖
2 BladeGen定義幾何
啟動Workbench 2019 R2，將BladeGen模塊拖入工程視圖，右擊
A2：Blade Design→Properties，在屬性面板中設置如下圖所示
△ 屬性設置
加載創建好的葉輪。
ANSYS Fluent 壓縮機仿真｜離心壓縮機計算
本案例演示利用Fluent計算離心式壓縮機內部流程并實現參數化的一般流程。
1 問題描述
要計算的壓縮機如下圖所示。
其包含6個主葉片及6個分流葉片，只計算單流道模型，如下圖所示。
流體介質為空氣，葉輪轉速155733 rpm，沿z軸旋轉。
2 計算流程
啟動Workbench，讀取文件
TurbochargerCompressorFluentStartingPoint.wbpz
添加Fluent模塊，計算模塊如下圖所示
雙擊
D2單元格進入Fluent
3 Fluent計算
3.1 General設置
進入
General設置面板，保持默認設置
設置
angular-velocity的單位為
rev/min
3.2 Models設置
開啟能量方程
選擇使用
SST k-omega湍流模型
3.3 Materials設置
指定密度為
ideal-gas，指定粘度為
sutherland
Sutherland對話框采用默認設置。
展開 壓縮機為什么會有振動噪聲？噴油螺桿、無油螺桿和離心機我們挨個分析
因此，根據無油螺桿空壓機振動噪聲特點，開發內壓縮降噪技術，在壓縮機升壓過程中就開始衰減氣流脈動，降低氣動噪聲，此外在排氣管路上研發出一種寬頻穿孔消聲器，進一步衰減空壓機排氣噪聲，如圖3所示。通過某款無油壓縮機的振動噪聲測試分析，結合理論研究，制定出一套定制化的減振降噪技術方案。試驗結果表明，應用減振降噪技術方案后，某款無油壓縮機應用減振降噪技術方案后，全轉速下噪聲降低11～16dBA，將所有轉速下噪聲值在85dBA以下。
2.3 離心空壓機
離心壓縮機葉輪與汽缸無接觸，運動部件少，機械噪聲低，氣動噪聲成為主要噪聲源。離心機屬于速度式壓縮機，無內壓縮過程，氣流脈動小，因此，相對于螺桿壓縮機，噪聲值更低。離心機的運行轉速高，噪聲頻率高，尖銳刺耳，主要以轉子轉頻噪聲為主。針對離心壓縮機的振動噪聲控制，首先要進行正向低噪設計，除了必要的轉子動力學的分析，還要建立全流道的CFD的模型進行流場計算，然后把流場的結果和聲場進行流場-聲場耦合計算，預測空壓機的噪聲特性。通過流場和聲場的反復迭代，進行結構優化設計，確定最佳的氣動設計，最小的噪聲設計。
例如葉輪氣動設計方面，在葉片的壓力面和吸力面，不能有明顯的低速流團出現，特別是葉輪吸力面容易出現低速流團，這對離心壓縮機噪聲有非常大的不利影響，同樣對性能也有不利影響，如圖4所示。在流道設計方面的一個基本原則就是在整個全流道內既不能誘發新的脈動源，又不能放大氣流脈動。通過對離心壓縮機CFD仿真計算的結果分析，蝸舌附近位置處的壓力脈動往往較大，需要重點關注與優化。
展開 離心壓縮機葉輪振動特性仿真及試驗研究
離心壓縮機葉輪前四階模態陣型見圖6。
1.3 葉輪模態數值仿真
1.3.1 模型建立
運用葉片造型軟件NREC進行建模并進行網格劃分，然后導入到ANSYS進行數值計算，采用無約束載荷，模型及其網格劃分見圖7。葉輪材料參數設置為：彈性模量2.0×105MPa，泊松比為0.3，材料密度為7 800kg/m3 。本文選擇的單元類型是SOLID185，為提高計算精度，采用六面體單元對葉輪進行網格劃分，劃分的最終結果是共有110 580個節點，87 300個單元。
1.3.2 約束及加載
固有頻率和固有振型是由結構的幾何形狀、材料特性以及約束載荷形式決定的。本文對離心壓縮機葉輪采用自由模態分析，即無約束，無加載。在自由模態分析中，對于所選取的實體單元有六個剛體自由度，即六階剛體模態，其固有頻率為零；因此，模態分析求解的葉輪前六階固有頻率為零，第七階為真正意義上的第一階固有頻率。
1.3.3 結果分析
對離心壓縮機葉輪模態模擬計算結果進行分析，得出離心壓縮機葉輪前四階模態陣型，見圖8。從振型圖看出，由于決定各階固有頻率的葉輪部位不同，所以葉輪振型不再遵循一階（單節點）和二階（雙節點）的規律。
1.4 分析對比
將ANSYS計算的葉輪前四階模態和LMS試驗測試結果相對比，見表1，可以發現兩者存在著一定的偏差。這是由于試驗條件限制和計算過程中不可避免的誤差等原因引起的。但是兩者的絕對偏差都在6%以內，屬于可接受范圍[8-9] ，而且葉輪的固有頻率變化趨勢和模態陣型一致，所以我們可以認為用ANSYS有限元軟件計算葉輪模態得出的結果是可信的。
展開 AxSTREAM冷水機組中的離心壓縮機設計和優化
AxSTREAM冷水機組中的離心壓縮機設計和優化
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離心壓縮機防喘振條件及措施
當進口氣體流量瞬時降低，低過了所允許的最低工況點時，壓縮機內的氣流流動方向與葉片進口安裝角出現很大的偏差，造成葉道內的氣流出現嚴重的“旋轉脫離”，使氣體在葉道中滯流，致使壓縮機壓力突然降低，然而出口系統的壓力并沒有瞬時下降，這就使排氣管內壓力高的氣體流回壓縮機，使葉道內的流量又得以補充，并恢復正常工作，當壓縮機內的流量再次減小時，系統氣體又會出現倒流，如此反復，系統中的氣流便產生了周期性的振蕩，并伴隨著強烈的噪聲，這就形成了壓縮機的喘振。
2. 喘振發生的外因
通過對離心式壓縮機性能曲線的分析，當喘振發生時，其工作點一定進入了喘振工況區。因此，壓縮機的喘振與管網特性有著密切關系。所謂“管網”就是離心式壓縮機實現氣體介質輸送任務的管道系統，位于壓縮機入口之前的稱吸入管道，位于壓縮機出口之后的稱為排出管道。管網一般均由管線、管件、閥門和設備等四大要素組成。實踐表明，離心壓縮機管網容量愈大，喘振的振幅愈大，振頻愈低；管網容量愈小，喘振的振幅就越小，振頻愈高。
展開 離心機壓縮型式結構
離心機壓縮型式結構
一、離心式冷水機組前視圖、后視圖
1）前視圖
2）后視圖
3）三級離心結構圖
二、離心式壓縮機
2.1.三種不同型式壓縮示意圖
a.單級壓縮
b.兩級壓縮
c.三級壓縮
2.2.不同型式離心壓縮機及其構成
a.半封閉離心壓縮機
b.開啟式離心壓縮機結構
c.三級離心壓縮機結構
2.3.關于壓縮機型式的描述：
1）葉輪方面：
a)閉式葉輪的穩定工況范圍比半開式葉輪的穩定工況范圍要窄；
b)小流量區間內，即：部分負荷情況下，半開式葉輪的性能優于閉式葉輪的性能；
c)兩種形式葉輪內部都存在回流區域，半開式葉輪內部的回流區域較少。
2）電機方面：
a)閉式電機散熱于系統中，增加制冷系統能耗3%,閉式電機在冷媒中旋轉，阻力大，增加動力系統能耗3%。
b)封閉式結構設計，電機處于腔體內，具有良好的運轉環境；避免開放式電機因殼體散熱裝置直接暴露在空氣中臟堵而影響其穩定性；封閉式電機均有內置式熱保護系統，可保證電機的運行安全（而開放式電機采用僅依靠電流過載來保護電機，可靠性較低）；封閉式結構設計，電機采用制冷劑噴液冷卻，工作溫度低，使用壽命長；（而開放式電機處于機房內，電機的工作環境溫度較高）。
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離心壓縮機防喘振條件及措施
當進口氣體流量瞬時降低，低過了所允許的最低工況點時，壓縮機內的氣流流動方向與葉片進口安裝角出現很大的偏差，造成葉道內的氣流出現嚴重的“旋轉脫離”，使氣體在葉道中滯流，致使壓縮機壓力突然降低，然而出口系統的壓力并沒有瞬時下降，這就使排氣管內壓力高的氣體流回壓縮機，使葉道內的流量又得以補充，并恢復正常工作，當壓縮機內的流量再次減小時，系統氣體又會出現倒流，如此反復，系統中的氣流便產生了周期性的振蕩，并伴隨著強烈的噪聲，這就形成了壓縮機的喘振。
2. 喘振發生的外因
通過對離心式壓縮機性能曲線的分析，當喘振發生時，其工作點一定進入了喘振工況區。因此，壓縮機的喘振與管網特性有著密切關系。所謂“管網”就是離心式壓縮機實現氣體介質輸送任務的管道系統，位于壓縮機入口之前的稱吸入管道，位于壓縮機出口之后的稱為排出管道。管網一般均由管線、管件、閥門和設備等四大要素組成。實踐表明，離心壓縮機管網容量愈大，喘振的振幅愈大，振頻愈低；管網容量愈小，喘振的振幅就越小，振頻愈高。
展開 離心壓縮機的監測及故障診斷
離心壓縮機的監測及故障診斷
馮明義 張晨
隨著國內鋼鐵企業的蓬勃發展，制氧設備的發展呈現出大型化的趨勢，而與空分裝置相配套的大型離心式壓縮機的使用越來越普遍、地位越來越重要。作為一名制氧操作工加強壓縮機基本理論知識的學習、注重總結實際工作中的經驗教訓、全面提高自身的綜合素質，維護和操作好自己所轄的離心壓縮機，就顯得非常重要。
我們知道，一臺離心式壓縮機組是由電氣、機械、潤滑、冷卻、控制等各個密不可分的部分組成的一套完整的系統。系統的任何一個部分發生故障都將影響到整臺機組的平穩運轉，嚴重時還會造成機組停運，影響相關系統正常運行。因此，操作工如何及時檢查和發現離心壓縮機存在的故障,并迅速診斷出發生故障的原因，維持機組的正常運轉，避免發生重大設備和人員傷害事故，為檢修人員提供科學的依據，保證制氧裝置的平穩高效運行，有著重要的現實意義。
一、學習理論知識、了解機組構造
加強理論知識學習和專業技能的培訓是操作離心壓縮機的基礎，了解自己所轄機組的基本構造是診斷離心壓縮機故障的前提。我們需要學習的基礎資料有：《制氧工問答》、《壓縮機工》、《機械基礎》、《電機故障診斷技術》，以及相關機組的操作說明書，如：《沈鼓空壓機操作說明書》、《杭氧氧壓機操作說明書》、《英格索蘭氮壓機操作說明書》等相關資料。了解機組基本構造最直接的辦法是利用檢修人員對壓縮機檢修安裝、拆卸時到現場觀摩，了解壓縮機各部件的形狀、位置、組合等等。
通過對壓縮機基本理論知識的學習提高我們的專業理論水平，通過現場觀摩和學習增強我們對壓縮機感性的認識，研究透各種類型離心壓縮機的設計原理，了解其各不相同的內部結構，掌握機組在不同的運行條件下相關操作方法，全面提高我們的操作運行水平。這樣才能使我們在日常工作中，在檢查、診斷離心壓縮機出現的故障時得心應手。
展開 離心式壓縮機故障診斷
離心式壓縮機故障診斷
摘 要：介紹了離心式壓縮機振動過大故障的診斷過程，用實例說明了借助振動頻譜分析進行壓縮機的故障診斷是非常有效的，對機組的維護和維修都具有指導意義。
關鍵詞：轉子 振動 監測 頻譜 故障診斷
天津石化公司化工廠芳烴車間離心式壓縮機C501是生產中的關鍵設備之一，系日本日立公司產品，4級離心式回轉式驅動電機功率610kW，主機轉子轉速15300r/min，工作介質是氫氣，氣流量38066m3（標準）/h，出口壓力11.32×105Pa，氣體溫度200℃。該機配有美國本特利內華達公司7200系列振動監測系統，測點有7個，分布如圖1。測點A、B、C、D為壓縮機主軸瓦徑向位移傳感器。測點E、F分別為齒輪增速箱高速軸和低速軸軸瓦的徑向位移傳感器，測點G為壓縮機主軸軸向位移傳感器。7200系列儀表可隨時示出振動位移峰峰值，超過報警限時報警。
該機沒有備份，全年連續運轉，僅在大修期間可以停機檢修，生產過程中，一旦停機將影響全線生產。該機功率大，轉速高，介質是氫氣，振動異常有可能造成極為嚴重的惡性事故，是公司重點監測的設備之一。
圖1 C501壓縮機測點
1．故障現象
化工廠于2000年5月中旬開始停車大檢修，6月初經檢測各項靜態指標均達到規定標準。6月10日下午啟動，投入催化劑再生工作，為全線開車做準備。再生工作要連續運行一星期左右，再生過程中，工作介質是氮氣，這使得壓縮機負荷大一些。壓縮機啟動后，各項動態參數如油量、壓力、溫度、油溫、電流等都在規定范圍內，機器正常工作，運行到6月12日上午，出現振動報警，測點D振動值越過報警限，在60-80 μm之間波動，測點C振動值也偏大，在50-60μm之間波動。其他測點振動正常。
展開 CFdesign離心壓縮機模擬算例
離心壓縮機模擬CFDesign / Wildfire2.0
模型描述
圖1為轉子形狀，圖2為壓縮機的第一個原始模型，圖3、4為改進后的幾何模型.較薄的流體區域增加導流槽。通過本次模擬，實現對三種不同設計方案的壓縮機的流量及其壓力分布進行模擬對比。
圖1
圖2
圖3
圖4
圖5
模擬過程
導入CFdesign：直接從pro/e界面將裝配件導入到CFdesign中
單位：mm
邊界條件： 進、出口壓力為0Psi（圖二中紅色已選面）
網格設定（手動設定網格）：
1.體網格：旋轉區域及轉子網格20mm其余為25mm
2.面網格：渦殼出口處較大曲率的曲面網格設定為8mm（如圖4所示）
材料設定：
旋轉區域的設定：1000RPM
轉子：steel_variable
其它：使用默認材料為air_constant
求解設置
時間步長：使用默認時間步長
模擬結果
圖6 截面上的壓力分布云圖
圖7 方案3中轉子在不同時刻所受的轉矩
因附件大小所限，需要模擬過程視頻的請Email至secongsonw@gmail.com
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