Design methodologies for centrifugal compressor wedge diffusers

The choices and methodologies used to design wedge diffusers for centrifugal compressor are presented in this thesis work. The principal scope is a design solution of centrifugal compressor diffuser of the industrial plant at Lab. of Fluid Machines (LFM) of the Energy Department of Politecnico di Milano, Milano Bovisa headquarters. The first phase is to analyze the problems of the current diffuser, observing that diffuser strongly limits nominal operating range of machine, influencing the whole plant. This phase is conducted by using zero dimensional analysis starting from Verderio and Vinetti results and then by means a computational fluid dynamics (CFD) analysis, focusing on nominal operating range. Numerical calculations are performed using commercial CFD software ANSYS. The second phase is to design the new diffuser by establishing new vaneless and vaned diffuser geometries. In this phase the methodologies and the approaches used for centrifugal compressor design are proposed. Numerical calculations are performed using commercial CFD software ANSYS. The new diffuser shows a better behavior in the central region of machine operating range and at lower flow rate, whereas at high flow rates, it is very sensitive to flow field variation. The operating range has surely been expanded with the new diffuser. Before manufacturing the new diffuser and performing experimental tests, it would be helpful to define a characteristic curve of the machine by means numerical calculations to understand the new surge and choking limit.

In questa tesi vengono presentate le scelte e le metodologie utilizzate per progettare un diffusore wedge per compressori centrifughi per impiego industriale. In particolare viene proposta una soluzione progettuale per il diffusore del compressore centrifugo facente parte dell’impianto presente nel laboratorio di macchine a fluido del dipartimento di energia del Politecnico di Milano nella sede di Milano Bovisa. In una prima fase è stato analizzato il diffusore in uso per capire quali fossero realmente le problematiche. Si è osservato che il diffusore vincolava fortemente l’intero campo operativo nominale della macchina, andando quindi a influire anche sulle prestazioni dell’impianto. Questa prima fase è stata condotta inizialmente attraverso un’analisi zero dimensionale e successivamente con una più approfondita analisi al CFD. Il software commerciale CFD utilizzato è stato ANSYS. In una seconda fase invece si è proceduto alla progettazione del nuovo diffusore. Andando a definire prima il tratto non palettato e successivamente il diffusore palettato. In questa fase nuove metodologie e approcci riguardo alla progettazione dei diffusori wedge per compressori centrifughi vengono proposte. Le analisi in questa seconda fase sono state realizzate con il software commerciale CFD ANSYS. Il nuovo diffusore ottenuto dimostra un comportamento migliore nella zona centrale del campo operativo nominale della macchina e vicino al limite di pompaggio, mentre ad alte portate il comportamento peggiora perchè si dimostra molto sensibile alla variazione del campo di moto del flusso. Il campo operativo è stato sicuramente ampliato con l'introduzione del nuovo diffusore. Prima di realizzare il pezzo ed eseguire delle prove sperimentali, sarebbe utile definire una curva caratteristica della macchina attraverso le simulazioni numeriche per capire il nuovo limite di pompaggio e choking.