Preliminary design of medium pressure gas compressor

Michał Remiasz

Abstract

The goal of the master thesis is to prepare preliminary design of gas compressor. The final parameters of gas at the end of compression cycle are 12 bar and temperature at least 623 K but low as possible. The input parameters are about 623K of temperature and 0.9 bar of pressure. The compressor will provide gas to engine of power 300 kW, based on the estimated efficiency and the calorific value for methane calculated the mass flow of gas. At the beginning of work the author prepared the recognition of gas compressor market and sent about 25 requests to different companies about availability of compressors. Unfortunately, none of the companies does not have a product which could stand such a harsh conditions, most of the compressors stand only 323 – 373 K temperature. For example one of the American institution offer help because some time ago they designed similar gas compressor for NASA but cost for that device was about 300000$. The lack of available devices of this type forced to design own, author started the designing process of preparing the short review of compressor types in industry, from this analysis was chosen the type of compressor – the centrifugal compressor. The advantages of that compressor type are: continuous operating mode, lack of vibrations of system and air (if there is no separation in impeller), few movable parts (only impellers), easy to control and centrifugal compressors are very common in industry so there is a lot of tools and software’s which help in designing process. The next step is to calculate the preliminary dimensions of compressor, determine the number of stages and type of inter-cooling between stages. The calculations were made on the basis of available literature on the use of Microsoft Excel. In order to verify previous calculations performed similar calculations with V istaCCDTM from AnsysWorkbenchTM. The next step still was about 1D analysis, to optimize geometrical dimensions were used Design of Experiment (DoE) using the method MOGA (Multi –Objective Genetic Algorithm). Having all main dimensions of rotors, author began designing the shapes of blades. Were used computer fluid dynamics and has been used CFXTM software, before the computations the author has done an analysis of the methods of calculations, mathematical models of gas turbulence and the selection of the right way simulation (steady state or transient). Was created the parametrical CAD model of all 3 stages which allow the automatically changes in geometrical dimensions. Performed a lot of numerical simulations of single stages from that analysis pick the version with the highest end total pressures and isentropic efficiencies. The final step was perform the calculations of all 3 stages simultaneously and conclusions for future work
Diploma typeMaster of Science
Author Michał Remiasz ITC
Michał Remiasz,,
- The Institute of Heat Engineering
Title in PolishWstępny projekt sprężarki gazu średniego ciśnienia
Supervisor Paweł Mazuro ITC
Paweł Mazuro,,
- The Institute of Heat Engineering
Certifying unitFaculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Affiliation unitThe Institute of Heat Engineering (IHE)
Study subject / specializationLotnictwo i Kosmonautyka
Languagepl polski
StatusFinished
Defense Date28-10-2013
Issue date (year)2013
Pages85
Internal identifierMEL; PD-2401
Reviewers Paweł Mazuro ITC
Paweł Mazuro,,
- The Institute of Heat Engineering
, Andrzej Teodorczyk ITC
Andrzej Teodorczyk,,
- The Institute of Heat Engineering
Keywords in Polishsprężarka gazu, sprężarka promieniowa, CFD, CFX, CAD,
Keywords in English-
Abstract in PolishCelem pracy dyplomowej jest wykonanie wstepnego projektu dla sprezarki gazu. Zadane parametry koncowego gazu to cisnienie 12 bar i temperatura jak najnizsza ale nie nizsza niz 623 K. Gaz na dolocie ma temperature całkowita równa 623 K i cisnienie 0.9 bar. Sprezarka ma dostarczac gazu do silnika o mocy około 300 kW, na podstawie przyjetej sprawnosci i wartosci opałowej jak dla metanu oszacowano wydatek gazu. Znajac takie parametry w pierwszym etapie wykonano rozeznanie rynku, polegało ono na rozesłaniu zapytania ofertowego o sprezarke do około 25 firm z całego swiata, które produkuja lub dystrybuuja sprezarki do gazów. Niestety, zadna z firm nie posiadała w swojej ofercie sprzetu, który potrafiłby zniesc tak wysokie temperatury gazu, najwyzsze temperatury z jakimi sprezarki sobie radziły były rzedu 323-373 K. Jedna z instytucji amerykanskich zaoferowała pomoc poniewaz kiedys wykonała podobna sprezarke, która pracowała w tak wysokich temperaturach dla NASA, koszt takiego urzadzenia został oszacowany na 300000$. Zatem brak dostepnych urzadzen takiego typu zmusił do zaprojektowania własnego, autor projektowanie rozpoczał od przegladu typów sprezarek i ich zastosowan, z tej wstepnej analizy wyłoniono typ sprezarki – promieniowa. Zalety sprezarki które zadecydowały o jej wyborze to: ciagły charakter pracy, brak drgan powietrza i całego układu, niewiele ruchomych czesci, prosty sposób regulacji, sprezarki odsrodkowe sa powszechnie stosowane w przemysle – wiele dostepnych narzedzi i programów do ich projektowania. Kolejny etap to wyliczenie wstepnych gabarytowych wymiarów sprezarki, okreslenie ilosci wirników i dobór konfiguracji chłodzenia miedzy stopniowego. Obliczenia wykonano na podstawie dostepnej literatury a w celu zweryfikowania wyników wykonano podobne obliczenia w programie V istaCCDTM. Nastepny etap wciaz polegał na analizach jednowymiarowych, do zoptymalizowania wymiarów geometrycznych posłuzono sie metoda zaprojektowanego eksperymentu (Design of Experiment) wykorzystujac do tego metode MOGA’a (Multi-Objective Genetic Algorithm). Majac gabaryty wszystkich 3 wirników, autor rozpoczał projektowanie kształtów łopatek. Posłuzono sie w tym celu metodami komputerowej mechaniki płynów oraz zostało wykorzystane oprogramowanie CFXTM, przed rozpoczeciem obliczen, autor wykonał analize stosowanych metod obliczeniowych, modeli matematycznych gazu, turbulencji i doboru własciwego sposobu symulacji (ustalony czy nieustalony). Został stworzony parametryczny model CAD wszystkich 3 stopni umozliwiajacy zmiane charakterystycznych wymiarów w sposób automatyczny. Przeprowadzono wiele symulacji pojedynczych stopni z których wybrano te które odznaczały sie najwiekszymi cisnieniami koncowymi na kazdym stopniu oraz najlepszymi sprawnosciami izentropowymi. Koncowy krokiem pracy było przeprowadzenie symulacji CFD dla wszystkich 3 stopni jednoczesnie oraz wyciagniecie wniosków dla nastepnych wersji geometrii.
File
PM_Remiasz.pdf (file archived - login or check accessibility on faculty) PM_Remiasz.pdf 13.93 MB


Back