改善曝氣壓縮機(jī)的效率可有效節(jié)省成本和能耗。

    多數(shù)污水處理廠都會(huì)利用廢水中自然產(chǎn)生的微生物快速降解可形成二氧化碳和水的有機(jī)物質(zhì)。曝氣是污水處理廠的重要工作，通過向污水中注入空氣來加速有機(jī)污染物中的好氧生物降解。注入空氣的壓縮機(jī)需要消耗大量的電力，才能克服水位高度的反壓力以及空氣噴射系統(tǒng)的損耗，這種情況的耗電量實(shí)在非常巨大。例如，在美國約有20000家市政污水處理廠，其耗電量約占美國發(fā)電總量的4%，而曝氣過程中的空氣壓縮操作估計(jì)占到該用電量的大約60%。

    曝氣過程是市政污水處理廠的一筆巨大開支，改善曝氣壓縮機(jī)的效率有望大幅減少成本與能耗。Continental Industrie公司在離心式鼓風(fēng)機(jī)和排氣產(chǎn)品的研發(fā)、制造領(lǐng)域擁有40年的豐富經(jīng)驗(yàn)。公司的工程師利用ANSYS集成型渦輪機(jī)械設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了用于廢水曝氣的新一代離心式壓縮機(jī)，與上一代壓縮機(jī)相比可將效率提高2%至5%。對于一家普通的污水處理廠而言，這種效率提升能節(jié)省15kW至50kW的電能。按每年運(yùn)行時(shí)間2000小時(shí)、電價(jià)為0.20美元/kWh計(jì)算，每臺(tái)壓縮機(jī)每年可節(jié)省6，000至20，000美元。工程師利用優(yōu)化算法探索1-D、2-D和3-D設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)一次性成功，同時(shí)還能最大限度減少建模和計(jì)算工作量。

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

    離心式壓縮機(jī)涉及眾多設(shè)計(jì)變量，每一種變量以及變量之間的相互作用都對最終產(chǎn)品的性能具有相當(dāng)復(fù)雜的影響。在設(shè)計(jì)上一代壓縮機(jī)產(chǎn)品時(shí)，經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)人員使用的是經(jīng)驗(yàn)法則。首先使用一維分析和工程直覺獲得具備合理效率等級(jí)的初始設(shè)計(jì)。然后再構(gòu)建一個(gè)試驗(yàn)臺(tái)模型，用于進(jìn)行粗略的性能測量。經(jīng)驗(yàn)豐富的渦輪機(jī)械設(shè)計(jì)人員檢查測試結(jié)果，并有根據(jù)地推測哪種設(shè)計(jì)變更有可能顯著提高性能。這些設(shè)計(jì)人員確實(shí)能實(shí)現(xiàn)明顯的改善，但他們無法完全優(yōu)化設(shè)計(jì)。全尺寸原型不能始終滿足設(shè)計(jì)規(guī)范．這需要額外講行更多次成本高昂的原型構(gòu)建和物理測試。

圖1 新壓縮機(jī)設(shè)計(jì)中使用的ANSYS Workbench幾何結(jié)構(gòu)和CFD仿真工作流程原理圖

圖2 新型離心式壓縮機(jī)

Continental Industrie在設(shè)計(jì)流程之初即使用仿真來優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

    為了設(shè)計(jì)用于污水處理行業(yè)的最新單級(jí)離心式壓縮機(jī)，Continental Industrie在構(gòu)建物理原型之前，從設(shè)計(jì)流程之初就使用仿真來優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。ContinentalIndustrie之所以選擇ANSYS集成型渦輪機(jī)械設(shè)計(jì)方案，原因如下：ANSYS解決方案的易用性使其可以在短時(shí)間內(nèi)定義完整的工作流程和方法；ANSYS參數(shù)化平臺(tái)允許團(tuán)隊(duì)探索完整設(shè)計(jì)空間，以高準(zhǔn)確度確定最佳解決方案，而無需再做猜測；流體和結(jié)構(gòu)工程團(tuán)隊(duì)都使用相同的設(shè)計(jì)幾何結(jié)構(gòu)，因此可方便地在優(yōu)化方案中包含兩種仿真類型。

圖3 ANSYS Workbench使工程師能方便地設(shè)計(jì)和優(yōu)化壓縮機(jī)。

初步設(shè)計(jì)

    Continental Industrie的工程師使用ANSYS Vista CCD工具（集成在ANSYS BladeModeler軟件中）進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，或者根據(jù)輸入?yún)��?shù)（例如壓力比、質(zhì)量流率、旋轉(zhuǎn)速度和其他幾何約束）設(shè)置壓縮機(jī)的尺寸。為了充分了解不同參數(shù)的影響，他們手動(dòng)評估了大約50種葉輪片，然后使用ANSYS DesignXplorer進(jìn)行設(shè)計(jì)試驗(yàn)，對大約200多種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評估，以便從1D角度充分優(yōu)化設(shè)計(jì)。Vista CCD運(yùn)行時(shí)間非常短，因此評估每種設(shè)計(jì)只需花費(fèi)不到一分鐘。

圖4 工程師使用仿真滿足新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

    接下來，工程師使用ANSYS Vista TF評估2D葉柵設(shè)計(jì)。

    通流解決方案以更少的計(jì)算工作量捕獲到了完整3D流體仿真的眾多特性。另外，此階段還執(zhí)行了一個(gè)額外步驟，即在葉輪環(huán)境下優(yōu)化葉片。在這個(gè)階段，Continental Industrie的工程師檢查了20種不同設(shè)計(jì)，對參數(shù)只做了很小的修改，但卻獲得了顯著的效率提升。

完整的3D壓縮機(jī)設(shè)計(jì)

    下一步是將葉輪集成到完整的3D壓縮機(jī)中。Continental Industrie的工程師在SolidWorks計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件中制作出完整流動(dòng)路徑的幾何結(jié)構(gòu)，包括入口導(dǎo)流葉片、葉輪、擴(kuò)散器和蝸形外殼等。工程師將幾何結(jié)構(gòu)導(dǎo)入ANSYS DesignModeler后，ANSYS Meshing平臺(tái)生成蝸形外殼流體通過壓縮機(jī)的總壓力變化。

圖5 由ANSYS CFX計(jì)算的中跨壓力場。

    體積中的網(wǎng)格，而ANSYS TurboGrid自動(dòng)生成所有葉片組件（包括入口導(dǎo)流葉片、葉輪和擴(kuò)散器）的六面體網(wǎng)格。工程師利用ANSYS CFX計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)軟件將擴(kuò)散器和蝸殼中的流量損失降到最低，然后又使用ANSYS DesignXplorer執(zhí)行另一項(xiàng)包含約250種設(shè)計(jì)方案的試驗(yàn)，從而對系統(tǒng)進(jìn)行重新優(yōu)化。

圖6 使用ANSYS CFD進(jìn)行3D流體仿真使Continental Industrie能顯著提升離心式壓縮機(jī)的性能。

圖7 執(zhí)行葉輪的模態(tài)分析

圖8 對壓縮機(jī)葉片上的應(yīng)力場進(jìn)行仿真，以確�？煽啃�。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    此外，工程師還使用ANSYS Workbench；將來自ANSYS CFD的壓力和溫度預(yù)測數(shù)據(jù)鏈接到ANSYS Mechanical以評估葉輪和其他機(jī)械組件的應(yīng)力等級(jí)和變形。結(jié)構(gòu)仿真表明，葉輪初始設(shè)計(jì)所經(jīng)受的應(yīng)力值超出了葉輪材料的屈服強(qiáng)度，因此工程師為了確保可靠性增加了葉片厚度。另外，為了能在三個(gè)質(zhì)量流率下檢查新設(shè)計(jì)，工程師還執(zhí)行了額外的CFD計(jì)算。利用ANSYS Mechanical提供的葉輪變形結(jié)果可避免葉輪片葉尖與護(hù)罩接觸。另外，還需執(zhí)行模態(tài)分析，以研究旋轉(zhuǎn)葉輪的振動(dòng)行為，并確保正常工作條件下不會(huì)激起任何諧振頻率。

    通過采用集成型設(shè)計(jì)流程在三個(gè)獨(dú)立階段對壓縮機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，Continental Industrie的工程師得以讓新產(chǎn)品的效率比公司上代污水曝氣離心式壓縮機(jī)提升2%至5%。新型壓縮機(jī)不僅能改變流量，同時(shí)還能保持恒定壓力，因此可將流速降低至流程所需的最小值，從而節(jié)省更多能源。在此過程中，整個(gè)設(shè)計(jì)僅由三人的團(tuán)隊(duì)完成，而且第一臺(tái)原型設(shè)計(jì)就能滿足公司的性能要求，Continental Industrie因而實(shí)現(xiàn)了顯著的成本節(jié)省。

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