CFD analysis of the first stage of a centrifugal compressor: identification of critical features and design optimization

Centrifugal compressors are widely used in many fields, such as aerospace, automotive industry, power generation, oil and gas industry. This is due to their high efficiency, wide flow range and possibility of compact design. The performance of a centrifugal compressor can be severely affected by the components design and their interaction. Today’s industry heavily relies on CFD simulations to design and optimize compressors, as its use guarantees an accurate prediction of fluid behaviour without investing in expensive physical prototypes and tests. This thesis presents the application of the CFD software Ansys2022 for the study of the first stage of a compact centrifugal compressor. First, a mesh independence study is performed on the system and a final mesh is selected. The stage is then simulated at design point in order to identify the performance and critical features of the system, which are individuated as the high Mach number at the tip of the impeller blade and as a sub-optimal flow in the diffuser. The flow at the diffuser is in fact subject to separation towards the end of the diffuser profile blade, causing a loss in performance of the stage. Different operating points are then simulated in order to represent the characteristic curves of the centrifugal compressor with several angles of IGVs. Two different cases are observed for the characteristic curves at fully opened IGVs: the first case simulates the system charts without the presence of the volute, while the second one includes the volute in the simulated system. This is done so that the presence of the volute and its effect on the whole stage can be observed and evaluated. The last part of this thesis is dedicated to the optimization of the components design: different inlet geometries are simulated in order to obtain a better Mach number distribution along the impeller, while for the diffuser different strategies are implemented to produce an improved flow path. The first and second approaches are respectively to design the diffuser with different numbers and different angles of orientation of the profile blades. A third approach used is the modification of the radial gap between the impeller blade and the diffuser profile blade. Finally, the last approach used is to modify the profile design, changing the profile tail orientation. Lastly, the relative position between diffuser and volute tongue is analysed and described.

I compressori centrifughi sono ampiamente utilizzati in molti campi, tra cui l'aerospaziale, l'industria automobilistica, la produzione di energia, l'industria petrolifera e del gas. Ciò è dovuto alla loro elevata efficienza, all'ampio range di portata e alla possibilità di un design compatto. Le prestazioni di un compressore centrifugo possono essere fortemente influenzate del design dei componenti e dalla loro interazione. L’industria odierna fa molto affidamento sulle simulazioni CFD per progettare e ottimizzare i compressori, poiché il loro utilizzo garantisce una previsione accurata del comportamento dei fluidi senza investire in costosi prototipi fisici e test. Questa tesi presenta l'applicazione del software CFD Ansys2022 per lo studio del primo stadio di un compressore centrifugo compatto. In primis, viene eseguito uno studio sull'indipendenza della mesh del sistema e selezionata la mesh finale. Lo stadio viene quindi simulato a design point per identificare le prestazioni e le caratteristiche critiche del sistema, che sono individuate nell'elevato numero di Mach sulla punta della pala della girante e nel flusso sub-ottimale nel diffusore. Il flusso al diffusore è infatti soggetto a separazione verso la coda del profilo di pale del diffusore, provocando una perdita di rendimento dello stadio. Vengono quindi simulati diversi punti operativi per rappresentare le curve caratteristiche del compressore centrifugo con IGV a diversi angoli di apertura. Per le curve caratteristiche nel caso con valvola aperta si osservano due casi: il primo caso simula il sistema senza la presenza della voluta, mentre il secondo include la voluta nello studio. Questo per osservare e valutare l’effetto della voluta sull'intero stadio. L'ultima parte di questa tesi è dedicata all'ottimizzazione del design dei componenti: vengono simulate diverse geometrie di inlet per ottenere una migliore distribuzione del numero di Mach lungo la girante, mentre per il diffusore vengono implementate diverse strategie per produrre un percorso del flusso migliorato. Il primo e il secondo approccio consistono rispettivamente nel progettare il diffusore con diversi numeri e angoli di orientamento dei profili. Un terzo approccio utilizzato è la modifica dello spazio radiale tra la pala della girante e la pala del diffusore. Infine, l'ultimo approccio utilizzato consiste nel modificare il design del profilo, cambiando l'orientamento della coda. Viene infine analizzata e descritta l’effetto della posizione relativa tra diffusore e lingua della voluta.