Rediseño fluido-dinámico del álabe de un compresor cerntrífugo a través de algoritmos genéticos

Abstract

Centrifugal compressors are widely used in industrial applications where different working fluid pressure ratios are required. In many cases, the industrial plants where these equipments are installed demand an increase in the production, therefore, this change in the operating conditions could be considerably high and it would cause that the compressor operate in unstable zone. One way to solve this problem, is to obtain new compressors with greater capacity in order to satisfy the new operating conditions. The second way, is to modify the original compressors by the impellers redesign, either, increasing the compression stages or modifying the impeller blade geometry. In this investigation we will try to modify the curvature of the original impeller blade and propose a new profile, that through of optimization shape of the blade, based on Computational Fluid Dynamics (CFD), it is sought to increase the compression ratio that the impeller can deliver. Wiht the pressure and velocity fields generated by the CFD, the objective function could be evaluated. In order to perform the optimization process, a software tool was created and with this, a Genetic Algorithm synchronizes software from different disciplines and send each CFD calculation to a each cluster node, with this the total time of the optimization process is reduced dramatically. This methodology has achieved an increase of approximately 2% in the compression ratio in a single stage of the compressor being able to be extended for the different stages and in the same devices of the compressor.

Los compresores centrífugos son ampliamente utilizados en aplicaciones industriales en dónde se requieren diferentes relaciones de presión del fluido de trabajo. En muchas de ocasiones, las plantas industriales donde están instalados estos equipos demandan un incremento en la producción, por lo tanto, el cambio en las condiciones de operación de los equipos puede ser considerable, lo que provocaría la salida de su zona de operación estable. Una forma de solucionar este problema, es obtener nuevos compresores de mayor capacidad para satisfacer las nuevas condiciones de operación. Otra solución es modificar los compresores a través de un rediseño orientado a los impulsores, ya sea, incrementado las etapas de compresión o modificando la geometría de los álabes de los impulsores. En la presente investigación se pretende modificar la curvatura del álabe del impulsor original del equipo y, proponer un nuevo perfil que a través de una optimización de la forma del álabe, basado en la Dinámica de Fluidos Computacional, se busca incrementar la relación de compresión que el impulsor pueda entregar. Con los campos de presión y de velocidad generados por la DFC se podrá evaluar la función objetivo, es decir, la relación de compresión generada por el re-diseño los álabes del impulsor. Para realizar el proceso de optimización, fue construido un programa con el cuál un Algoritmo Genético sincroniza softwares de diferentes disciplinas, mandando cada evaluación de DFC a un nodo de cálculo, reduciendo dramáticamente el tiempo total del proceso de optimización. Con esta metodología se ha logrado una incremento de aproximadamente 2% en la relación de compresión en una sola etapa del compresor pudiéndose ampliar para las diferentes etapas y en los dispositivos mismos del compresor.