CFD analysis of a double-stage regenerative compressor

The aim of the present work is to perform a CFD analysis, using the commercial code OpenFOAM, of a double-stage regenerative compressor, working with a refrigerant fluid and whose geometry and operating point are provided by a company collaborating with Politecnico di Milano. A regenerative compressor is a particular and rare type of compressors, which constitutes an alternative to axial and radial turbomachines thanks to its ability of providing high pressure ratios at low flow rates, even with just one stage, at the expense of the low efficiency. The fluid path in these machines is characterized by helical trajectory: the fluid enters the blade channel in the hub region and exits in correspondence of the tip region, entering in an open annular chamber, the side channel. In regenerative compressors, so, the fluid passes through the side channel and circulates through the impeller blades many times: this repeated action of the impeller vanes leads to several internal compression cycles, notably increasing the fluid pressure. Starting from the data provided by the company, a CFD analysis on this compressor has been performed using compressible steady-state solver and perfect gas model, in order to reduce the computational effort. The operating point simulated in the CFD analysis is characterized by a lower rotational speed of the impeller with respect to the one specified by the company, this parameter is in fact particularly detrimental for the convergence and the stability of the solution. From the results obtained with the CFD simulations, it is possible to derive the pressure ratio and efficiency curves, that are in agreement with the theory of such machines. The CFD analysis performed on this particular type of compressor lays the foundations for future developments and studies by the company.

L’obiettivo di questo lavoro è di eseguire un’analisi CFD, utilizzando il codice commerciale OpenFOAM, di un compressore rigenerativo a doppio stadio, che opera con un fluido refrigerante e la cui geometria e il cui punto di funzionamento sono stati forniti da un’azienda che collabora con il Politecnico di Milano. Il compressore rigenerativo è un particolare e poco diffuso tipo di compressore, che costituisce un’alternativa alle classiche turbomacchine assiali e radiali grazie alla sua capacità di fornire elevati rapporti di compressione a basse portate, anche con un singolo stadio, a discapito però di una bassa efficienza. Il moto del fluido all’interno di queste macchine è caratterizzato da una traiettoria elicoidale: il fluido entra nel canale palare in corrispondenza del mozzo della pala ed esce in corrispondenza dell’apice, entrando in un canale anulare aperto, chiamato canale laterale . Nei compressori rigenerativi, quindi, il fluido passa attraverso il canale laterale e circola più volte attraverso le pale della girante: questa azione ripetuta delle pale della girante porta a diversi cicli di compressione, aumentando notevolmente la pressione del fluido. Partendo dai dati forniti dall’azienda, è stata eseguita un’analisi CFD del compressore rigenerativo in esame, utilizzando un solutore stazionario per fluido comprimibile, trattato tramite il modello di gas perfetto al fine di ridurre lo sforzo computazionale. Il punto di funzionamento simulato nell’analisi CFD è caratterizzato da una velocità di rotazione della girante inferiore rispetto al punto specificato dall’azienda; questo parametro è infatti particolarmente insidioso ai fini della convergenza e della stabilità della soluzione. Dai risultati ottenuti con le simulazioni CFD, è possibile ricavare le curve di pressione e di efficienza, che risultano essere in accordo con la teoria di tali macchine. L’analisi CFD eseguita su questo particolare tipo di compressore pone le basi per futuri sviluppi e studi da parte dell’azienda.