仿真案例｜提高曝气压缩机的效率，有效节约成本和能源

上海安世亚太公司

某家旋转机械公司使用Ansys集成的涡轮机设计平台设计出一款离心式压缩机，在废水处理操作过程中可节省2%至5%的能源。此外，该公司还能够在开发下一代产品时减少成本和设计时间。

多数污水处理厂利用废水中自然发生的微生物快速分解有机物，形成二氧化碳和水。曝气通过向废水中添加空气来促进有机污染物的好氧生物降解，在这些植物中起着不可或缺的作用。喷射这种空气的压缩机消耗大量的电力来克服水高度的背压和空气喷射系统中的损失。因此，功率的大小是很重要的。例如，美国大约20000个城市污水处理厂消耗的电能约占美国所产生的电能的4%，而用于曝气过程的空气压缩量估计约占这一电能的60%。

提高曝气压缩机的效率能有效节约成本和能源。

曝气是城市污水处理厂的一项巨大开支，提高曝气压缩机的效率能有效节约成本和能源。大陆工业公司在离心鼓风机和排气产品的研究、开发和制造方面有40年的经验。该公司的工程师使用Ansys涡轮机综合设计系统设计了一种用于废水曝气应用的下一代离心式压缩机，与前代压缩机相比，效率提高了2%至5%。这应可为一般污水厂节省15千瓦至50千瓦。按每年运行2 000小时和每千瓦时0.20美元计算，每台压缩机每年可节省6000至20000美元。工程师使用优化算法。来探索一维、二维和三维设计，以便在最小化建模和计算工作量的同时，可以第一时间获得正确的设计。

利用Ansys Workbench的几何图形和CFD模拟工作流程原理图设计新型压缩机

旧式设计方法

离心式压缩机涉及的设计变量很多，每一个变量对成品产品的性能都有复杂的影响，而且往往是相互影响的。为了设计这些压缩机的前一代，有经验的设计师使用了经验方法。该过程首先使用一维分析和工程直觉，获得了具有合理效率水平的初始设计。其次建立了一个台架模型，方便进行粗略的性能测试。叶轮机械设计人员审查了试验结果，并对哪些设计变更可能带来显著的性能改进作出了有根据的猜测。这些设计人员能够实现重大改进，但不能完全优化设计。全尺寸原型并不总是符合设计规格，这就需要昂贵的原型建造和物理测试的额外周期。

新型离心压缩机

为了设计用于废水处理行业的最新单级离心式压缩机，大陆工业公司从设计过程开始就利用模拟来优化设计，然后再投入物理原型。

Continental Industrie选择Ansys集成方法进行涡轮机设计有以下几点原因：Ansys解决方案的易用性使其能够在短时间内定义完整的工作流程和方法；Ansys参数化平台让团队可以探索完整的设计空间，高精度确定最优解决方案，消除猜测工作；并且流动和结构工程团队都使用相同的设计几何结构工作，这使得将两种模拟类型合并到优化中成为可能。

工程师运用Ansys Workbench轻松设计和优化压缩机

工程师使用仿真模拟来实现新产品的设计目标

初步设计

Continental Industrie工程师使用Ansys Vista CCD工具（与Ansys BladeModeler软件一起使用）根据输入参数（如压力比、质量流量、旋转速度和其他几何约束）对压缩机进行初步设计或尺寸确定。他们手工评估了大约50个叶轮叶片，对不同参数的影响有知情理解。然后使用Ansys DesignXplorer对约200多个设计进行了设计评估，达到从一维角度充分优化变化。Vista CCD提供的非常短的运行时间使得我们可以在不到一分钟的时间内评估每个设计。

接下来，工程师使用Ansys Vista TF对二维叶片排设计进行了评估。通流解以较少的计算工作量捕获了全三维流动模拟的许多特征。在此阶段执行了一个附加步骤，去优化叶轮中的叶片。在这一阶段，大陆工业公司的工程师检查了20种不同的设计，只对参数做了很小的改动，但在预计的效率方面获得了显著的改进。

完整三维压缩机设计 

下一步涉及将叶轮集成到完整的三维压缩机中。Continental Industrie工程师在SolidWorks®计算机辅助设计软件中制作出完整流道的几何形状，包括入口导叶、叶轮、扩压器和泵壳。他们将几何形状导入Ansys DesignModeler后，Ansys网格平台生成泵壳套管流体体积内的网格，Ansys TurboGrid自动生成所有叶片部件--进气导叶、叶轮和扩压器的六面体网格。利用Ansys CFX计算流体力学(CFD)软件最大限度地降低扩散器和泵壳的流动损失，工程师们利用Ansys DesignXplorer进行了另一个约有250个设计的实验，对系统进行了重新优化。

利用Ansys CFX计算中跨压力场

 

通过压缩机的总压力变化

结构设计

为评估叶轮、轮和其他机械部件的应力水平和变形，工程师还使用Ansys Workbench将Ansys CFD的压力和温度预测与Ansys Mechanical连接起来。结构模拟揭示了初始叶轮设计经历了超过叶轮材料屈服强度的应力值，因此工程师增加了叶片厚度，确保可靠性。在三种质量流率下进行了额外的CFD计算，检验新设计。利用Ansys Mechanical提供的叶轮变形结果，避免叶轮叶尖与护罩的接触。对旋转叶轮的振动特性进行了模态分析，确保其在正常工作条件下不会产生任何共振频率。

通过在三个不同的阶段对压缩机进行优化的综合设计过程，大陆工业公司的工程师能够提供比该公司上一代废水处理离心压缩机高2%到5%的效率。新型压缩机可以在保持恒定压力的同时改变流量，通过将流量降低到工艺所需的最低水平，从而节省更多的能源。Continental Industrie还在这一过程中产生了实质的成本节约，因为整个设计是由一个三人团队完成的，而且第一台样机符合公司的性能要求。

利用Ansys CFD进行的三维流动模拟使大陆工业公司得以改善离心压缩机的性能

通过压缩机的总压力变化对叶轮进行了模态分析

对压气机叶片的应力场进行了模拟，以保证其可靠性