Обоснование выбора расчетной области в задачах моделирования вязкого потока в малорасходных ступенях центробежного компрессора

С.В. КАРТАШОВ, sergey.v.kartashov@gmail.com;
канд. техн. наук Ю.В. КОЖУХОВ, kozhukhov_yv@mail.ru
ФГАОУ ВО СПбПУ Петра Великого
В работе рассматривается вопрос определения расчетной области проточной части (ПЧ) при численном моделировании (RANS­подход) вязкого потока газа в малорасходной ступени центробежного компрессора с условным коэффициентом расхода Ф = 0,008. Рассматривается несколько вариаций замены конструкционной сборки проточной части модельной ступени газодинамической моделью: основной рабочий тракт ступени; основной рабочий тракт ступени с учетом входного участка (патрубка и обтекателя); основной рабочий тракт ступени с учетом притрактовых областей с полным и частичным присоединением к проточной части; основной рабочий тракт ступени с учетом поверхностей трения ступицы рабочего колеса. Показано, что в случае осевого всасывания в ступень входной патрубок и обтекатель не оказывают существенного влияния на профиль параметров перед рабочим колесом и на газодинамические характеристики ступени. Моделирование без притрактовых областей показывает неудовлетворительный качественный и количественный результаты. Наиболее актуальный вариант учета потерь дискового трения и протечек – полное двустороннее соединение притрактовых областей по дискам рабочего колеса с проточной частью, так как при соединении только на выходе из рабочего колеса моделируются потери трения и протечек, но не учитывается влияние на поток в рабочем колесе. В некоторых случаях важен учет дополнительных областей, участвующих в потерях трения.
Ключевые слова: центробежный компрессор, малорасходная ступень, вычислительная газодинамика, расчетная область, лабиринтные уплотнения, Numeca Fine/Turbo
Cписок литературы
1. Бурдюгов С.И., Ерышкин Ю.П., Касьянов С.В., Макаров А.А. Опыт пусконаладочных работ многоступенчатых ЦБК с магнитным подвесом// Компрессорные технологии. 2019. № 1. С. 12–17.
2. Данилишин А.М., Кожухов Ю.В., Гилева Л.В., Лебедев А.А. Верификация CFD­расчета на суперкомпьютере среднерасходных модельных ступеней// Суперкомпьютерные дни в России: Труды международной конференции, 2016. С. 816–828.
3. Иванов В.М., Кожухов Ю.В., Данилишин А.М., Садовский Н.И. Моделирование и валидация рабочего процесса в модельной малорасходной ступени центробежного компрессора// Новое в российской электроэнергетике. 2019. № 6. С. 12–19.
4. Кожухов Ю.В., Чеглаков И.В. Исследование рабочего процесса в малорасходной центробежной компрессорной ступени СВД­22 в программном комплексе Fine/Turbo с верификацией данных расчета// Международный технологический форум «Инновации. Технологии. Производство»: сб. мат. науч.­техн. конф., посвященной 100­летию со дня рождения главного конструктора П. А. Колесова, 2015 г. – Рыбинск: РГАТУ им. П. А. Соловьева, 2015. Т. 1. С. 135–139.
5. Кожухов Ю.В., Никитин Е.Г. Применение суперкомпьютерных технологий при исследовании методами вычислительной газодинамики пространственного течения малорасходной ступени СВД­22 центробежного компрессора// Труды Международной суперкомпьютерной конференции «Научный сервис в сети Интернет: все грани параллелизма». – Пос. Абрау­Дюрсо, 2013. С. 312–320.
6. Неверов В.В., Чеглаков И.В, Любимов А.Н. Проектирование центробежных компрессорных машин с использованием методов вычислительной газодинамики// Компрессорная техника и пневматика. 2018. № 4. С. 24–28.
7. Рахманина Л.А., Аксенов А.А. Исследование влияния неравномерного распределения абсолютной скорости потока на входе в осерадиальное рабочее колесо центробежного компрессора с применением методов численного моделирования в Ansys CFX// Компрессорные технологии. 2019. № 2. С. 18–25.
8. Рис В.Ф. Центробежные компрессорные машины. – Л. : Машиностроение, 1981. – 351 с.
9. Свобода Д.Г. Исследование влияния параметров расчетного трехмерного вязкого течения на прогнозные характеристики осевого насоса / Д.Г. Свобода, А.А. Жарковский, П.В. Пугачев, А.С. Донской // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2012. Т. 14. № 1(2). С. 685–688.
10. Чеглаков И.В., Кожухов Ю.В. Результаты моделирования пространственного течения в радиальном рабочем колесе центробежного компрессора с применением программного пакета Fine/Turbo// Неделя Науки. Материалы научно­практической конференции с международным участием. – СПб.: Институт энергетики и транспортных систем, 2014. С. 221–223.
11. Эккерт Б. Осевые и центробежные компрессоры. Применение, теория, расчет; пер.с нем. Е.С. Фролов, Б.Д. Захаров – М.: Гос.науч.­техн.изд­во машиностроит. лит., 1959. – 678 с.
12. Яблоков А.М., Кожухов Ю.В., Лебедев А.А. Исследование течения в малорасходной ступени центробежного компрессора методами вычислительной газодинамики// Научно­технические ведомости СПбГПУ. 2015. Вып. 4(231). С. 59–69.
13. Aksenov A.A., Danilishin A.M., Kozhukhov Y.V., Simonov A.M. Numerical simulation of gas­dynamic characteristics of the semi­open 3d impellers of the two­element centrifugal compressors stages// AIP Conference Proceedings Сер. «Oil and Gas Engineering, OGE 2018», 2018. 030025.
14. Ayhan Nazmi Ilikan, Erkan Ayder. Effect of the Computational Domain Selection on the Calculation of Axial Fan Performance// 16th International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery, Honolulu, United States, Apr. 2016.
15. Danilishin A.M., Kozhukhov Y.V., Neverov V.V., Malev K.G., Mironov Y.R. The task of validation of gas­dynamic characteristics of a multistage centrifugal compressor for a natural gas booster compressor station// AIP Conference Proceedings Сер. «Oil and Gas Engineering, OGE 2017», 2017. 020046.
16. Denton J.D. Some Limitations of Turbomachinery CFD// ASME. Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air, Volume 7: Turbomachinery, Parts A, B, and C. 735–745. doi:10.1115/GT2010­22540.
17. Lettieri C.C., Baltadjiev N.N., Casey M.M., Spakovszky Z.Z. Low­Flow­Coefficient Centrifugal Compressor Design for Supercritical CO2// ASME. J. Turbomach. 2014. № 136 (8).
18. Neverov V.V., Kozhukhov Y.V., Yablokov A.M., Lebedev A.A. Optimization of a centrifugal compressor impeller using CFD: The choice of simulation model parameters// IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2017. № 232(1),012037.
19. Pinto R. N., Afzal A., D’Souza L. V., Ansari Z., Mohammed Samee A. D. Computational Fluid Dynamics in Turbomachinery: A Review of State of the Art// Archives of Computational Methods in Engineering. 2016. № 24(3). P. 467–479.

Basis of the computational domain selection in the problems of modeling a viscous flow in low­flow stages of a centrifugal compressor
S.V. Kartashov, sergey.v.kartashov@gmail.com; Yu. V. Kozhukhov, kozhukhov_yv@mail.ru
FGAOU VO SPbPU n.a. Peter the Great
The paper examines the problem of definition of the computational domain of the gas­flow part at numerical simulation (RANS-approach) of gas flow in the low-flow stage of a centrifugal compressor at conditional flow rate Ф = 0.008. Several variations of replacing the design assembly of the flow part of the simulation stage with a gas­dynamic model are considered: main working path of the stage; main working path of the stage taking into account the inlet area (inlet pipe and cowling); main working path of the stage taking into account the adjacent areas with full and partial connection with the gas­flow part; main working path of the stage taking into account the friction surfaces of the stage rotor hub. It is shown that in case of axial suction into the stage the inlet pipe and cowling don’t significantly affect the parameter profile in front of the stage rotor and the gas­dynamic characteristics of the stage. Modeling without areas adjacent to the path gives unsatisfactory quantitative and qualitative results. The most relevant option to take into account the losses of disk friction and leaks is a full two­way connection of adjacent areas with the flow part along the stage rotor disks, because when connecting only at the outlet of the stage rotor, the friction and leak losses are simulated, but the effect on the flow in the stage rotor is not taken into account. In some cases, it is important to consider the additional areas involved in friction losses.
Keywords: centrifugal compressor, low-flow stage, computational gas-dynamics, computational domain, labyrinth packing, Numeca Fine/Turbo
References
1. Burdugov S.I., Eryshkin Yu.P., Kasyanov S.V., Makarov A.A. Commissioning works of multi­stage centrifugal compressors with magnetic suspension// Compressor technologies. 2019. № 1.P. 12–17.
2. Danilishin A.M., Kozhukhov Yu.V., Gileva L.V., Lebedev A.A. Verification of CFD­calculation in supercomputer of average speed model stages//Supercomputer days in Russia:Proceedings of Inter. Conf., 2016. P. 816–828.
3. Ivanov V.M., Kozhukhov Yu.V., Danilishin A.M., Sadovsky N.I. Simulation and validation of a stage rotor in the model low­flow stage of a centrifugal compressor//The new in Russian electroenergetics. 2019. № 6. P. 12–19.
4. Kozhukhov Yu.V., Cheglakov I.V. Study of a stage rotor in a low­flow centrifugal compressor stage SVD­22 in the Fine/Turbo program complex with verification of calculation data//International technological forum “Innovations. Technologies. Production”: Collection of Proceedings of Scient. Techn. Conf. dedicated to 100th anniversary of P.A. Kolesov, chief designer, 2015 – Rybinsk: RGATU n.a. P.A. Solovyev, 2015. V.1, P. 135­139.
5. Kozhukhov Yu.V., Nikitin E.G. The use of supercomputer technologies at studying a space flow of the low­flow SVD­22 stage of a centrifugal compressor using methods of computational gas­dynamics//Proceedings of Inter. Supercomputer Conf. “Scientific Service in Internet Network: All Facets of Parallelism”. – Abrau­Durso, 2013. P. 312–320.
6. Neverov V.V., Cheglakov I.V., Lyubimov A.N. Design of centrifugal compressor machines using methods of computational gas­dynamics//Compressor engineering and pneumatics. 2018. № 4. P. 24–28.
7. Rakhmanina L. A., Aksenov A. A. Study of the effect of the irregular distribution of the absolute flow rate velocity at the inlet of the axial­radial impeller of a centrifugal compressor using numerical simulation methods in Ansys CFX // Compressor technologies. 2019. № 2. P. 18–25.
8. Ris V.F. Centrifugal compressor machines. – L.: Mashinostroenie, 1981. – 351 p.
9. Svoboda D.G. Investigation of the influence of the parameters of the calculated three­dimensional viscous flow on prognostic characteristics of an axial pump/D.G. Svoboda, A.A. Zharkovsky, P.V. Pugachev, A.S. Donskoy//Izvestia Samarskogo nauchnogo tsentra Rossiyskoy academii nauk. 2012. V. 14. № 1(2). P. 685–688.
10. Cheglakov I.V., Kozhukhov Yu.V. The results of modeling the space flow in a radial impeller of a centrifugal compressor using the Fine/Turbo software package//A Weak of Science. Materials of theoretical and practical conference with international participation. – SPb.: Institute of energetics and transport systems, 2014. P. 221–223.
11. Eckert B. Axial and centrifugal compressors. Application, theory, calculation; Transl. from German by Frolov E.S., Zakharov B.D. – M.: Gos. nauch.­tekhn. Izd­vo mashinostroit. lit., 1959. – 678 p.
12. Yablokov A.M., Kozhukhov Yu.V., Lebedev A.A. Study of the flow in a low­flow stage of a centrifugal compressor using computational gas­dynamics methods//Scientific and Technical Bulletin of St. Petersburg State Polytechnic University. 2015. Issue. 4 (231). P. 59–69.
13. Aksenov A.A., Danilishin A.M., Kozhukhov Y.V., Simonov A.M. Numerical simulation of gas­dynamic characteristics of the semi­open 3d impellers of the two­element centrifugal compressors stages// AIP Conference Proceedings Сер. “Oil and Gas Engineering, OGE 2018”, 2018. 030025.
14. Ayhan Nazmi Ilikan, Erkan Ayder. Effect of the Computational Domain Selection on the Calculation of Axial Fan Performance// 16th International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery, Honolulu, United States, Apr. 2016.
15. Danilishin A.M., Kozhukhov Y.V., Neverov V.V., Malev K.G., Mironov Y.R. The task of validation of gas­dynamic characteristics of a multistage centrifugal compressor for a natural gas booster compressor station// AIP Conference Proceedings Сер. “Oil and Gas Engineering, OGE 2017”, 2017. 020046.
16. Denton J.D. Some Limitations of Turbomachinery CFD// ASME. Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air, Volume 7: Turbomachinery, Parts A, B, and C. 735–745. doi:10.1115/GT2010­22540.
17. Lettieri C.C., Baltadjiev N.N., Casey M.M., Spakovszky Z.Z. Low­Flow­Coefficient Centrifugal Compressor Design for Supercritical CO2// ASME. J. Turbomach. 2014. № 136 (8).
18. Neverov V.V., Kozhukhov Y.V., Yablokov A.M., Lebedev A.A. Optimization of a centrifugal compressor impeller using CFD: The choice of simulation model parameters// IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2017. № 232(1),012037.
19. Pinto R. N., Afzal A., D’Souza L. V., Ansari Z., Mohammed Samee A. D. Computational Fluid Dynamics in Turbomachinery: A Review of State of the Art// Archives of Computational Methods in Engineering. 2016. № 24(3). P. 467–479.