Numerical study of the optimal position of the leading edge of the impeller blade of the feed pump’s stage

Cover Page


Cite item

Full Text

Abstract

BACKGROUND: An impeller is the most important element of the pump unit, determining its main parameters. When designing an impeller’s blade system, one of its most critical components is the leading edge of the blade. Its geometric parameters have a significant impact on flow formation, stability of operational characteristics and cavitation qualities. One of these important parameters is the optimal position of the leading edge of the blade, which is often chosen using the existing alternatives, since the study of this issue requires a significant number of physical experiments, the implementation of which is quite expensive. Considering the trend of rapid development of digitalization processes and increasing computing power, the abovementioned difficulties can be minimized with the use of mathematical modeling methods. The objects of this study are multi-stage feed pumps used at nuclear power plants with stage delivery rates ns=70, 100 and 125.

AIM: Conducting the study of the optimal position of the leading edge of the impeller blade and determination of the influence of this parameter on the main integral parameters of the flow path using numerical methods.

METHODS: The search for the optimal position of the leading edge of the impeller blade was carried out using mathematical modeling of the three-dimensional flow of a viscous fluid in the computational domain of the studied object. The calculation models of flow parts are full-sized, consist of impellers, diffusers, inlets, outlets, and front and rear gap seals. Using the computational fluid dynamics (CFD) software package, calculations were carried out for various positions of the leading edge of the impeller blade.

RESULTS: Numerical research of the position of the leading edge showed that its optimal position for ns=70, 100 and 125 corresponds to the values Z¯ср=0.095; 0.15 and 0.17 respectively. A stable falling shape of the head-capacity curve is ensured for ns=70 and ns=100 at Z¯ср=0.08 … 0.12, and for ns=125 at Z¯ср=0.08 … 0.20. The best cavitation properties are found for the blade system with Z¯ср=0.08 at ns=70, at ns=100 with Z¯ср=0.12, and at ns=125 with Z¯ср=0.16.

CONCLUSION: Numerical research and analysis of existing designs of multistage pumps showed that for the studied stage delivery rates from the point of view of energy and cavitation parameters, the optimal relative axial position of the middle point of the leading edge, measured from the intra-channel part of the hub, is in the range of Z¯ср=0, 9 ... 0.11 for ns=70 in the range of Z¯ср=0.14 ... 0.16 for ns=100, and in the range of Z¯ср=0.16 ... 0.18 for ns=125.

About the authors

Oleg A. Ivanov

Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University

Author for correspondence.
Email: ivanov_o_a@bk.ru
ORCID iD: 0000-0001-7161-3849
SPIN-code: 2683-6257

Postgraduate of the Higher School of Power Engineering of the Institute of Energy

Russian Federation, Saint Petersburg

Alexander A. Zharkovskii

Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University

Email: azharkovsky@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-3044-8768
SPIN-code: 3637-7853

Dr. Sci. (Engineering), Professor of the Higher School of Power Engineering of the Institute of Energy

Russian Federation, Saint Petersburg

Sergey Yu. Shchutsky

Central Design Bureau of Machine Building

Email: Shutckiy@ckbm.ru
ORCID iD: 0009-0002-7951-3847

First Deputy General Director

Russian Federation, Saint Petersburg

References

  1. Pugachev PV, Svoboda DG, Zharkovskiy AA. Raschet i proektirovanie lopastnykh gid-romashin. Raschet vyazkogo techeniya v lopatnykh gidromashinakh s ispolzovaniem paketa ANSYS CFX. Sankt Petersburg: Politekhn. un-t; 2016. (In Russ).
  2. Gulich JF. Centrifugal Pumps. Berlin Heidelberg: Springer-Verlag; 2010. (In Russ). doi: 10.1007/978-3-642-12824-0
  3. Garbaruk AV, Strelets MKh, Travin AK, Shur ML. Sovremennye podkhody k modelirovaniyu turbulentnosti. Sankt Petersburg: Politekhn. un-t; 2016. (In Russ).
  4. Zharkovskiy AA, Grachev AV, Shumilin SA, Pugachev PV. Matematicheskoe modelirovanie rabochikh protsessov lopastnykh gidromashin. Proektirovanie protochnoy chasti mnogostupenchatogo tsentrobezhnogo nasosa. Sankt Petersburg: Politekhn. un-t; 2011. (In Russ).
  5. Kuznetsov AV, Panaiotti SS, Savelyev AI. Avtomatizirovannoe proektirovanie mnogostupenchatogo tsentrobezhnogo nasosa. Kaluga; 2013. (In Russ).
  6. Lomakin AA. Tsentrobezhnye i osevye nasosy. Leningrad: Mashinostroenie; 1966. (In Russ).
  7. Zimnitskiy VA, Kavplun AV, Papir AN, Umov VA. Lopastnye nasosy: Spravochnik. Leningrad: Mashinostroenie; 1986. (In Russ).
  8. Malyushenko VV, Mikhaylov AK. Energeticheskie nasosy: Spravochnoe posobie. Moscow: Energoizdat; 1981. (In Russ).
  9. Mikhaylov AK, Malyushenko VV. Lopastnye nasosy. Teoriya, raschet i konstruirovanie. Moscow: Mashinostroenie; 1977. (In Russ).
  10. Rzhebaeva NK, Rzhebaev EE. Raschet i konstruirovanie tsentrobezhnykh nasosov. Sumy: SumGU; 2009. (In Russ).
  11. Turk VI, Minaev AV, Karelin VYa. Nasosy i nasosnye stantsii. Moscow: Stroyizdat; 1976. (In Russ).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. General view of the three-dimensional simulation model: 1 — annular inlet; 2 — closed centrifugal impellers; 3 — discharge elements; 4 — annular outlet; 5 — front seal cavity; 6 — rear seal cavity.

Download (94KB)
3. Fig. 2. Comparison of the results of the numerical simulation with the results of the physical experiment in relative values: — relative pump head; — relative pump flow; η — pump efficiency.

Download (101KB)
4. Fig. 3. Sketch of the meridional cross-section.

Download (28KB)
5. Fig. 4. Hydraulic losses curves depending on the parameter for various speed coefficients ns.

Download (108KB)
6. Fig. 5. Full pressure distribution in channels at various for ns=70.

Download (152KB)
7. Fig. 6. Calculated head-capacity curves of the stage in relative values: — relative pump head; — relative pump flow; ns — stage speed coefficient.

Download (215KB)
8. Fig. 7. Local cavitation curves of the stages: — relative pump head; — cavitation reserve; ns — stage speed coefficient.

Download (202KB)
9. Fig. 8. The dependence of Zср /D2 on ns according to the existing pumps and to the results of calculations:

Download (101KB)

Copyright (c) 2024 Eco-Vector

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».