使用Ansys集成的涡轮机设计平台，来设计离心式压缩机，在废水处理操作过程中可节省2%至5%的能源。此外，还能够减少下一代产品的开发成本和设计时间。

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。某公司使用Ansys涡轮机综合设计系统设计了一种用于废水曝气应用的离心式压缩机，与前代压缩机相比，效率提高了2%至5%。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。

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

在设计用于废水处理行业的单级离心式压缩机时，使用Ansys集成方法进行涡轮机设计，有以下几点优势：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。

运用Ansys Workbench轻松设计和优化压缩机

使用仿真模拟来实现新产品的设计目标

|  初步设计

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。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，使用Ansys Vista TF对二维叶片排设计进行评估。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，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。工程师在CAD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CFX计算得到展向的压力场

 

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，还使用lAnsys 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，新型压缩机比上一代提升了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。

利用Ansys CFD进行的三维流动模拟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

文章来源：上海安世亚太