УДК 621.515
DOI: 10.18503/1995-2732-2021-19-1-83-93
Аннотация
Обеспечение высококачественного проектного расчета проточной части центробежного компрессора производится с помощью соответствующих точных математических моделей. Точность математических моделей для проектирования проточной части обеспечивается качественной идентификацией матмодели. Идентификация производится на основе базы натурных или виртуальных экспериментальных данных работы ступеней компрессора. Составление необходимой по своей полноте базы экспериментальных данных на основе натурных испытаний является очень ресурсоёмким процессом и зачастую недоступным для производителей компрессоров. Альтернативой является создание качественной базы данных по результатам виртуальных испытаний, которая обеспечивает необходимую точность математической модели. В работе рассматриваются результаты разработки базы данных геометрических и газодинамических параметров рабочих колес малорасходных ступеней центробежных компрессоров на основе виртуальных испытаний, обеспечивающей высокое качество проектирования. Входные данные, представляющие геометрические параметры рабочего колеса, варьируются, тем самым изменяется форма проточной части рабочего колеса. С помощью цифрового двойника, построенного на основе параметризированной расчетной модели, выполняется численное моделирование средствами вычислительной газодинамики – CFD (computation fluid dynamic). Выходными данными являются основные газодинамические параметры, с помощью которых оценивается качество проточной части. Всего в базе данных находится 115020 числовых значений, полученных в результате моделирования 1620-ти рабочих колес с 71-м параметром каждое. Полученные данные могут быть структурированы, проанализированы и использованы для идентификации различных математических моделей потерь малорасходных ступеней центробежных компрессоров, предиктивного анализа характеристик рабочих колес и быстрого виртуального прототипирования компрессоров. Кроме того, база данных позволяет стандартизировать типоразмерные ряды ступеней центробежных компрессоров при производстве.
Ключевые слова
Качество проектирования компрессоров, малорасходная ступень, центробежный компрессор, база данных.
Для цитирования
Иванов В.М., Кожухов Ю.В. Повышение качества проектирования малорасходных ступеней центробежных компрессоров путем создания базы данных виртуальных рабочих колес по результатам CFD-моделирования // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2021. Т.19. №1. С. 83–93. https://doi.org/10.18503/1995-2732-2021-19-1-83-93
1. Карташов С.В., Кожухов Ю.В. Обоснование выбора расчетной области в задачах моделирования вязкого потока в малорасходных ступенях центробежного компрессора // Холодильная техника. №1. 2020. С. 22–27.
2. 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. №2. 2019. С. 18–25.
3. Чеглаков И.В., Кожухов Ю.В. Результаты моделирования пространственного течения в радиальном рабочем колесе центробежного компрессора с применением программного пакета Fine/Turbo // Неделя науки СПбГПУ: материалы научно-практической конференции с международным участием. СПб.: Ин-т энергетики и транспортных систем, 2014. С. 221–223.
4. Яблоков А.М., Кожухов Ю.В., Садовский Н.И. Численное исследование влияния эквивалентной песочной шероховатости рабочего колеса на характеристики малорасходной ступени центробежного компрессора // Вестник Международной академии холода. 2020. № 4. С. 3–11. DOI: 10.17586/1606-4313-2020-19-4-3-11
5. Исследование влияния величины осевого зазора между покрывающим диском рабочего колеса и корпусом центробежного компрессора на газодинамические характеристики малорасходной модельной ступени/ Яблоков А.М., Штаничев Р.А., Садовский Н.И., Кожухов Ю.В. // Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2020. №5 (134). С. 106–120.
6. Яблоков А.М., Кожухов Ю.В., Лебедев А.А. Исследование течения в малорасходной ступени центробежного компрессора методами вычислительной газодинамики // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. № 4(231)/2015. С. 59–69.
7. Расчетная модель при численной оптимизации рабочих колес центробежных компрессоров / Неверов В.В., Кожухов Ю.В., Яблоков А.М., Лебедев А.А. // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. 2016. № 4 (254). С. 45–58.
8. Иванов В.М., Кожухов Ю.В. Результаты численного моделирования вязкого потока в малорасходных ступенях центробежных компрессоров как основа создания математической модели напора // Холодильная техника. №3. 2020. С. 24–29.
9. ISO 5389:2005. Turbocompressors – Performance test code.
10. Кубышкин Н.А., Данилишин А.М. Система управления базами данных центробежных компрессоров // Неделя науки СПбПУ: материалы научной конференции с международным участием. 2016. С. 186–188.
11. Воронов А.Г., Воронов Г.Ф. Разработка и формирование элементов электронных баз данных по результатам аэродинамических испытаний концевых ступеней центробежных компрессоров // Вестник Казанского технологического университета. 2013. №2.
12. Ваняшов А.Д., Карабанова В.В., Сорокин М.А. Технико-экономическое обоснование замены СПЧ на Сеноманских ДКС Уренгойского месторождения // Компрессорные технологии. №1. 2019. С. 30–33.
13. Lucas Radika, Jones Andy, Ford Wesley, Doyle Matt (2018). The effective use of data analytics in an advanced compressor performance and degradation monitoring system. The APPEA Journal 58, 723–727. DOI: 10.1071/AJ17086.
14. Селезнев К.П. Теория и расчет турбокомпрессоров. Л.: Машиностроение, 1986. 389 с.
15. Иванов В.М., Кожухов Ю.В. Математическая модель напора малорасходных рабочих колес дожимных центробежных компрессоров тепловых электростанций // Новое в российской электроэнергетике. 2019. №12. С. 12–20.
16. F. Chu, B. Dai, W. Dai, R. Jia, X. Ma and F. Wang, "Rapid Modeling Method for Performance Prediction of Centrifugal Compressor Based on Model Migration and SVM," in IEEE Access, vol. 5, pp. 21488-21496, 2017. DOI: 10.1109/ACCESS.2017.2753378.
17. J. Fei, N. Zhao, Y. Shi, Y. Feng, and Z. Wang, "Compressor performance prediction using a novel feed-forward neural network based on Gaussian kernel function", Adv. Mech. Eng., vol. 8, no. 1, pp. 1–14, Jan. 2016.
18. Hongsheng Jiang, Sujun Dong, Zheng Liu, Yue He, Fengming Ai, "Performance Prediction of the Centrifugal Compressor Based on a Limited Number of Sample Data", Mathematical Problems in Engineering, vol. 2019, Article ID 5954128, 13 pages, 2019. DOI: 10.1155/2019/5954128.
19. Xi G., Wang Z., Li X., & Wang S. "Aerodynamic Design and Experimental Validation of Centrifugal Compressor Impellers With Small Flow Rate."Proceedings of the ASME Turbo Expo 2009: Power for Land, Sea, and Air. Volume 7: Turbomachinery, Parts A and B. Orlando, Florida, USA. June 8–12, 2009. pp. 1331–1338. ASME. DOI: 10.1115/gt2009-59785.
20. Tamaki H., Kawakubo T., Unno M., Abe S., & Majima K. Performance Improvement of Multistage Centrifugal Compressor With Low Flow-Rate Stages Based on Factory Acceptance Test Data. Proceedings of the ASME Turbo Expo 2014: Turbine Technical Conference and Exposition. Volume 2D: Turbomachinery. Düsseldorf, Germany. June 16–20, 2014. V02DT42A006. ASME. DOI: 10.1115/GT2014-25156.
21. Xu C., & Amano R.S. Development of a Low Flow Coefficient Single Stage Centrifugal Compressor. Proceedings of the ASME Turbo Expo 2005: Power for Land, Sea, and Air. Volume 6: Turbo Expo 2005, Parts A and B. Reno, Nevada, USA. June 6–9, 2005. pp. 793–799. ASME. DOI: 10.1115/GT2005-68006.
22. Lettieri C., Baltadjiev N., Casey M., & Spakovszky Z. Low-Flow-Coefficient Centrifugal Compressor Design for Supercritical CO2. Proceedings of the ASME Turbo Expo 2013: Turbine Technical Conference and Exposition. Volume 6C: Turbomachinery. San Antonio, Texas, USA. June 3–7, 2013. V06CT40A008. ASME. DOI: 10.1115/GT2013-95012.
23. Violette M., Cyril P., and Jürg S. (October 24, 2018). "Data-Driven Predesign Tool for Small-Scale Centrifugal Compressor in Refrigeration." ASME. J. Eng. Gas Turbines Power. December 2018; 140(12): 121011. DOI: 10.1115/1.4040845.
24. Дроздов Ю.В., Лунев А.Т. Применение математической модели центробежной ступени при проектировании и обработке экспериментальных данных // Компрессорная техника и пневматика №3. 2010. С. 32–36.