ОПТИМІЗАЦІЯ СПІРАЛЬНОГО ВІДВОДУ ВІДЦЕНТРОВОГО НАСОСА ЗАСОБАМИ ЧИСЕЛЬНОГО МОДЕЛЮВАННЯ
Основний зміст сторінки статті
Анотація
Розглянуто питання проєктування та оптимізації спірального відводу відцентрового насоса із застосуванням інтегрованого підходу на основі програмного комплексу ANSYS Vista CPD та тривимірного CFD-моделювання. Показано, що геометрія спірального відводу істотно впливає на гідравлічні втрати, розподіл тиску та загальний коефіцієнт корисної дії гідромашини. Традиційні методи проєктування спіральних відводів ґрунтуються на спрощених припущеннях і не враховують складної тривимірної структури течії, що зумовлює необхідність
використання чисельних методів. У роботі реалізовано методику, яка передбачає первинне формування базової геометрії у Vista CPD, генерацію сітки в ANSYS TurboGrid та Mesh, а також розрахунок течії у ANSYS C FX із застосуванням моделей турбулентності SST. Для аналізу взаємодії між робочим колесом і спіральним відводом використано підходи Frozen Rotor та Stage. Показано, що метод Stage забезпечує згладжену картину течії і дозволяє визначити інтегральні характеристики (напір, ККД), тоді як Frozen Rotor є ефективним для виявлення локальних відривів і асиметрії потоку. На основі результатів чисельних досліджень виконано дві модифікації геометрії
спірального відводу шляхом варіювання радіусів поперечних перерізів. Це дало змогу зменшити зони відриву біля язика та вирівняти поле швидкостей. Порівняння отриманих результатів показало, що запропоновані модифікації дозволяють підвищити напір із 549 до 592,5 м та збільшити К КД з 0,865 до 0 ,893. Т аким чином, поєднання п араметричного проєктування у Vista C PD із CFD-оптимізацією у CFX є ефективним підходом для вдосконалення конструкції спіральних відводів відцентрових насосів і забезпечує підвищення їхньої енергоефективності.
Блок інформації про статтю
Посилання
Kondus V., Pavlenko I., Piteľ J., Kulikov O., Rybalchenko V., Ivanov V., Ciszak O. Improvement of the Sewage System for the Nuclear Power Plant WWER-1000 Reactor. Proc. of the Int. Sci.-Techn. Conf. MANUFACTURING. Vol. 1: Mechanical Engineering: Digitalization, Sustainability and Industry Applications. Cham, Springer Nature Switzerland Publ., 2024, pp. 279–296.
Kondus V., Andrusiak V., Sotnyk M., Polkovnychenko V., Mushtai M. The Influence of the Impeller Inter-blade Channels Roughness on the Energy Parameters of the Submersible Pump. Advances in Design, Simulation and Manufacturing VII: Proc. of the 7th Int. Conf. on Design, Simulation, Manufacturing: The Innovation Exchange, DSMIE-2024. Vol. 2: Mechanical and Materials Engineering (4–7 June 2024, Pilsen, Czech Republic). Cham, Springer Publ., 2024, pp. 253–270. doi: 10.1007/978-3-031-63720-9_22
Bantelay D. T., Gebresenbet G., Admasu B. T., Gebeyehu S. G. One-dimensional pump geometry prediction modeling for energy loss analysis of pumps working as turbines. International Journal of Thermofluids. 2024, vol. 21, p. 100562. doi:10.1016/j.ijft.2024.100562
Yang S., Kong F., Chen B. Research on pump volute design method using CFD. International Journal of Rotating Machinery. 2011, vol. 2011 (1), issue 1, p. 137860. doi: 10.1155/2011/137860
Ryezva K. S., Drankovs'kyy V. E., Shevtsov V. M., Ospishcheva L. O. Zastosuvannya metodiv matematychnoho modelyuvannya pry chysel'nomu doslidzhenni hidrodynamichnykh kharakterystyk vysokonapirnoyi oborotnoyi hydromashyny [The Bulletin of the National Technical University "KhPI". 14 Series: Hydraulic machines and hydraulic units, no. 2'2025 ISSN 2411-3441 (print), ISSN 2523-4471 (online) application of methods of mathematical modeling for the numerical research of hydrodynamic characteristics of a high-head reversible hydraulic machine]. Bulletin of the National Technical University "KhPI". Series: Hydraulic machines and hydraulic units. Kharkiv, NTU "KhPI" Publ., 2020, no. 1, pp. 46–52.
Alawadhi K., Alzuwayer B., Mohammad T. A., Buhemdi M. H. Design and optimization of a centrifugal pump for slurry transport using the response surface method. Machines. 2021, vol. 9, issue 3, p. 60. doi: 10.3390/machines9030060
Nigussie T., Dribssa E. Design and CFD analysis of centrifugal pump. International Journal of Engineering Research and General Science. 2015, vol. 3, issue 3, pp. 668–677.
Rogovyi A., Azarov A., Kukhtenkov Y., Avershyn A., Khovanskyi S. Improving the Performance of a Centrifugal
Compressor Through Computer-Aided Design and Optimization of Blade Thickness. Advances in Design, Simulation and
Manufacturing VII: Proc. of the 7th Int. Conf. on Design, Simulation, Manufacturing: The Innovation Exchange, DSMIE-
Vol. 2: Mechanical and Materials Engineering (4–7 June 2024, Pilsen, Czech Republic). Cham, Springer Publ., 2024,
pp. 324–333. doi: 10.1007/978-3-031-63720-9_28
Rogovyi A. S., Drankovskyi V. E., Tynianov O. D., Azarov A. S. Proyektuvannya oborotnoyi hidromashyny zasobamy Ansys ta doslidzhennya techiyi u nasosnomu rezhymi [Designing a reversible hydraulic machine with Ansys and studying the flow in the pumping mode]. Bulletin of the National Technical University "KhPI". Series: Hydraulic machines and hydraulic units. Kharkiv, NTU "KhPI" Publ., 2024, no. 2, pp. 73–81. doi: 10.20998/2411-3441.2024.2.11
Bisht Y. S., Pandey S. D., Shah S. K., Nautiyal A. P., Rawat P., Ghalwan M. ANSYS-CFX are used to design and analyze the
internal flow of centrifugal pump impellers. AIP Conference Proceedings. 2023, vol. 2771, issue 1, id. 020036.
doi: 10.1063/5.0152285
Rogovyi A. S., Azarov A. S., Demchuk R. M. Udosoknalennya kharakterystyk robochoho kolesa vysokonapirnoho vidtsentrovoho kompresora proektuvannyam za dopomohoyu SAPR [Improving characteristics of the impeller of a high-pressure centrifugal compressor by designing with the help of CAD]. Bulletin of the National Technical University "KhPI". Series: Hydraulic machines and hydraulic units. Kharkiv, NTU "KhPI" Publ., 2023, no. 1, pp. 25–30. doi: 10.20998/2411-3441.2023.1.04
Ellorde K. J. A. T., Ignacio K. J. I. E., Sanchez E. V. A., Sesima A. A. A., Umali R. D., Manuel M. C. E., Tud R. C.
Numerical Investigation on the Effects of Varying Centrifugal Impeller Blade Number on Pump Head and Efficiency Using
ANSYS 2020 R2. Proc. of the 2021 IEEE Int. Conf. on Automatic Control & Intelligent Systems (I2CACIS) (26–26 June 2021, Shah Alam, Malaysia). IEEE Publ., 2021, pp. 219–224. doi: 10.1109/I2CACIS52118.2021.9495917
Wang C. N., Yang F. C., Nguyen V. T. T., Vo N. T. CFD analysis and optimum design for a centrifugal pump using an effectively artificial intelligent algorithm. Micromachines. 2022, vol. 13, issue 8, p. 1208. doi: 10.3390/mi13081208
Zhang J. Mechanical Mode Analysis of Centrifugal Pump Impellers Based on Numerical Simulations. Advances in Civil Engineering. 2025, vol. 2025, a. id 9517169, 12 p. doi: 10.1155/adce/9517169
Abuan J., Honra J. Numerical Investigation and Design Optimization of Centrifugal Water Pump with Splitter Blades Using Response Surface Method. Designs. 2025, vol. 9, issue 2, p. 40. doi: 10.3390/designs9020040
Bhukya N. K., Sharma G. K., Rai A. K. Blade parameter optimization in Pump As Turbine (PAT). Proc. of the Int. Conf. on
Renewable and Clean Energy. Singapore, Springer Nature Singapore Publ., 2024, pp. 3–12.
Moutsios V., Margaris D., Gongolidis M. Investigation of Similarity of Performance of the Equations of State Available in CFTurbo For H2, N2, Ο2, CH4, CO2, and Air. International Journal of Chemical Engineering and Materials. 2024, vol. 3, pp. 132–144. doi:10.37394/232031.2024.3.11
Rusanov A., Khorev O., Agibalov Y., Bykov Y., Korotaiev P. Numerical and experimental research of radial-axial pump-turbine models with spliters in turbine mode. Integrated Computer Technologies in Mechanical Engineering – 2020. ICTM 2020. Lecture Notes in Networks and Systems. Vol. 188. Cham, Springer Publ., 2020, pp. 427–439. doi: 10.1007/978-3-030-66717-7_36
Rezvaya K., Cherkashenko M., Drankovskiy V., Tynyanova I., Makarov V. Using mathematical modeling for determination the optimal geometric parameters of a pump-turbine water passage. 2020 IEEE 4th International Conference on Intelligent Energy and Power Systems (IEPS) (2020, Istanbul). Istanbul, 2020, pp. 212–216. doi: 10.1109/IEPS51250.2020.9263139
Rogovyi A., Azarov A., Diordiev V., Rohach Y., Avershyn A., Khovanskyi S. High-pressure centrifugal compressor performance enhancement by improving the radial diffuser. AIP Conference Proceedings. 2025, vol. 3238, issue 1, p. 020005. doi: 10.1063/5.0249175
ANSYS, C. R24.1 Help manual. ANSYS Inc. 2024.
Krupa E., Rezvaya K., Makarov V. Parameter Estimation of Hydraulic Equipment of Hydro-Electric Power Station Based on Numerical Simulation of the Spatial Flow. Conf. Proc. 2021 IEEE 2nd KhPI Week on Advanced Technology (KhPIWeek) (13–17 September 2021, Kharkiv, Ukraine). Kharkiv, 2021, pp. 681–685.
Jin Z., Mao K., Li Z., Li J. A comparison of static and rotordynamic characteristics for three types of impeller front seals in a liquid oxygen turbopump. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2023, vol. 145, issue 3, p. 031025. doi: 10.1115/1.4055351
Dickenson J., Buick J. M., Radulovic J., Bull J. Challenges in CFD Model Validation: A Case Study Approach Using ANSYS CFX and TurboGrid. Machines. 2025, vol. 13, issue 7, p. 593. doi:10.3390/machines13070593
Yan C., Wang B., He X., Zhao F., Zheng X., Vahdati M., Zheng X. Extension and Validation of the Turbomachinery Capabilities of SU2 Open Source Computational Fluid Dynamic Code. Journal of Turbomachinery. 2024, vol. 146, issue 6, p. 061003. doi:10.1115/1.4064341