CFturbo-PumpLinx压缩机设计及仿真一体化解决方案

北京海基嘉盛科技有限公司CFturbo-PumpLinx压缩机“设计仿真”一体化解决方案北京海基嘉盛科技有限公司2014年6月北京海基嘉盛科技有限公司目录1.引入专业压缩机设计及仿真软件的必要性.......................................................12.CFturbo-PumpLinx设计仿真一体化方案概述....................................................12.1CFturbo专业压缩机设计工具......................................................................................12.1.1公司介绍..........................................................................................................................12.1.2CFturbo软件介绍............................................................................................................12.2.PumpLinx压缩机CFD仿真专家介绍...........................................................................82.2.1公司介绍.........................................................................................................................82.2.2PumpLinx软件介绍.........................................................................................................93.离心压缩机设计-仿真一体化实例介绍..........................................................133.1CFturbo离心压缩机设计............................................................................................133.1.1压缩机叶轮设计...........................................................................................................133.1.2压缩机蜗壳设计...........................................................................................................203.1.3定子设计（导叶、扩压器等）...................................................................................243.1.4性能预估.......................................................................................................................253.1.5CFturbo与PumpLinx的联合仿真................................................................................263.2PumpLinx离心压缩机CFD仿真及结果分析...............................................................274.结论................................................................................................................28北京海基嘉盛科技有限公司1.引入专业压缩机设计及仿真软件的必要性CAE技术在压缩机、泵、风机等旋转机械领域的仿真分析中应用广泛。然而，如何根据旋转机械的性能需求，快速高效地设计CAD造型，是深入应用CAE技术的一大瓶颈。压缩机元件的设计是一个不断改进、优化的过程。在以往的设计中，设计人员往往根据经验去更改设计，然后再将其反应到三维模型中，而这样的设计大多是没有方向性的，而且常用的三维建模工具并不具备压缩机的专用设计函数，因此模型的修改会牵涉到大量的工作，这样的设计流程通常跟不上型号的进度。由此可知，压缩机的设计是一个不断改进、优化的过程。这就意味着从设计到试验，再到产品满足要求，中间会出现多次反复。而试验环节不仅成本高，周期长，且由于试验手段的限制，对设计缺陷的诊断也很困难，对于如何改进往往无从下手。这样的设计流程通常跟不上型号的进度。问题的关键在于：在设计和试验中间，缺少一个过渡环节：数值仿真环节。该环节能较快的将设计方案进行数值模拟，确定压缩机内部流动状况、压力波动、温度分布、间隙和泄露影响及容积效率等，为工程师提供更直观、具体的信息，使方案的改进有据可依。因此，只有通过专业的压缩机、泵等叶片式旋转机械设计工具进行设计工作，并结合专业的CFD分析工具进行验证，才能又快又好地实现压缩机等旋转机械的设计研发工作，帮助工程师在短期内实现“设计-仿真-优化”的多次循环，缩短设计周期，提高设计效率，降低研发成本，快速完成新产品的研发。北京海基嘉盛科技有限公司2.CFturbo-PumpLinx设计仿真一体化方案概述CFturbo为专业的压缩机及旋转机械设计软件，PumpLinx为专业的运动机械仿真软件。结合CFturbo的设计与Pumplinx的仿真功能，采用“设计-仿真”一体化方案可快速实现压缩机的模型设计。首先利用CFturbo的设计功能，输入压缩机的流量、扬程等基本性能参数，CFturbo即可根据其内置的经验函数自动计算出压缩机叶轮和蜗壳的几何参数并生成相应的实体模型；由于CFturbo具有直接的CAE接口，可与专业的泵、阀仿真软件Pumplinx实现无缝集成，因此将CFturbo设计的叶轮和蜗壳的流体域模型直接导入Pumolinx启动联合计算；用户可在Pumplinx的单一界面下完成模型的网格划分、模型设置、解算和后处理等操作，同时根据的得到的仿真结果可指导压缩机的改型设计，结合CFturbo软件的修改设计功能，快速完成压缩机“设计-仿真”一体化的模型设计、优化和验证。2.1CFturbo专业压缩机设计工具2.1.1公司介绍CFturbo是CFturbosoftware&EngnieeringGMBH公司的产品。该公司是一家德国专业的旋转机械设计软件/咨询公司，总部位于德国的德累斯顿市，公司在旋转机械设计领域已有超过15年的历史，通过大量的工程实践积累了非常丰富的设计和仿真经验。涉及领域包括泵在内的旋转机械的CFD仿真，FEM仿真，模型设计及优化，并且在叶轮机械设计领域积累大量的经验函数。CFturbo即为集成了大量的叶轮机械设计经验函数的专业叶轮机械设计软件，基于软件的专业性，在推向市场之后，很快就被相关行业的设计人员接受和认可。在国外，Grundfos，AbelPump，Hoover等行业领先用户都是CFturbo的正式客户。在国内，东方电机、北京长空机械、西安航空动力控制公司、北京昌宁集团、山东双轮集团、江苏大学、西华大学、上海理工大学、北京石油化工学等单位均是CFturbo的正式用户。2.1.2CFturbo软件介绍CFturbo是专业的压缩机叶轮及蜗壳设计软件，该软件结合了成熟的旋转机械理论与丰富的实践经验，基于设计方程与经验函数开展设计，并且能够根据用北京海基嘉盛科技有限公司户积累的专业技术和设计准则来定制特征函数。作为一个便捷高效的工程设计软件，CFturbo广泛应用于离心及混流式压缩机、泵、风机、涡轮等旋转机械的设计。图2.1CFturbo设计模型示例2.1.2.1CFturbo完备的设计功能作为功能强大、使用便捷的交互式压缩机及叶轮机械设计软件，CFturbo具备叶轮机械的整机设计能力，包括叶轮机械的叶轮、蜗壳、扩压器（叶片式/流道式）的设计能力，以及针对某些特殊要求的设计能力，例如双蜗壳设计功能、复合叶片设计等，每个功能模块均有内置的经验函数指导设计。其比转速设计范围Nq=10~120。其主要设计功能体现如下：►全参数化智能设计，设计快速，重复性好：用户只需提供压缩机设计点的流量、压比、转速和流体介质属性等基本条件，CFturbo即可根据内置的经验函数自动设计叶轮机械的二维和三维水力模型。CFturbo智能化设计功能可引导设计人员进行叶轮机械的流程化的设计，同时有经验的设计人员可以根据自己的经验和特定的设计要求在不同的设计阶段对自动设计进行干预，快速实现模型的改型设计。►主要几何尺寸计算：通过CFturbo内置的或自定义的经验函数，可以确定压缩机的主要几何参数，如叶轮进口直径、叶轮进口宽度、叶轮出口直径、叶轮出口宽度、轮毂直径、叶片入口直径、叶片数、叶片进出口角、叶片包角、叶片厚度、蜗壳基圆直径、蜗壳入口宽度、螺旋线尺寸、蜗壳出口直径等。北京海基嘉盛科技有限公司►叶轮子午面设计：通过贝塞尔曲线、直线、直线+圆弧及样条曲线等线型设计叶轮子午面流道。子午面设计特点有：1.流出延伸段的设计；2.流线型曲线的方法设计子午流道；3.流道内轴面速度云图、等势线分布显示；4.过水断面、静矩、曲率等的校核。通过以上信息可指导用户有效地设计性能优良的叶轮子午面。►叶片进出口安放角计算：叶片设计是基于多个子午流线的设计产生，叶片进出口安放角设计可考虑入口冲角和出口偏移角的影响，可以显示任意处的速度三角形数据。►2D或3D叶片的设计：通过贝塞尔曲线设计叶片不同流线位置的中心弧线长度和曲率变化等设计叶片的三维模型，也可自定义叶片不同流线位置包角。►叶片厚度设计：可设计叶片厚度线性或非线性变化，不同流线截面位置厚度可不同，叶片厚度也可不对称，同时也可导入外部曲线控制叶片的厚度。►蜗壳断面形状设计：蜗壳断面形式多样，可以是矩形、圆形、梯形及非对称形状，CFturbo提供了8种断面形状可供用户选择。►蜗壳螺旋线设计：CFturbo提供了三种不同的设计方法用来设计蜗壳螺旋线，分别是Pfleiderer法、Stepanoff法和自定义设计，对于一些特殊的蜗壳螺旋线设计如定截面面积或阶梯式均可满足。►蜗壳扩散段及隔舌设计：蜗壳扩散段可以是直出式或是弯出式，出口截面可以是圆弧状、矩形或是梯形截面等。蜗壳扩散段及隔舌均支持x、y、z方向的全三维设计。2.1.2.2CFturbo内置多种真实气体模型在进行压缩机/涡轮等叶轮机械设计时，内部流体介质有时不能按照理想气体介质进行处理，此时需要应用真实气体状态方程来进行叶轮机械的设计。CFturbo内置多种非理想气体状态方程，如雷德利希-邝氏方程及其修正方程、彭-罗宾逊状态方程等，用户可根据介质的不同特性选择合适的状态方程进行设计。CFturbo还内置了多种理想气体和非理想气体介质模型，同时也支持用户自定义气体介质模型，以实现CFturbo模型数据库的积累和传承。北京海基嘉盛科技有限公司图2.2CFturbo非理想气体状态方程图2.3CFturbo内置流体介质库北京海基嘉盛科技有限公司图2.4