Методика расчета механизма подвижной лопастной системы центробежных насосов низкой быстроходности

В статье представлены основные этапы методики расчета механизма поворота лопаток рабочего колеса тихоходного центробежного насоса. Основная задача представленного подхода — улучшение энергоэффективности насосного агрегата. В качестве объекта исследования выбрано рабочее колесо насоса марки ЦМГ М 12,5/80 (напор H = 80 м, подача Q_опт = 12,5 м^³/ч).
На первом этапе были выполнены расчеты оптимизированной геометрии проточной части рабочего колеса при номинальной, повышенной и пониженной подачах. Анализ результатов CFD-расчетов пока­ зал, что при увеличении расхода угол охвата лопасти должен уменьшаться, а угол на выходе — расти при неизменной входной кромке. На основе этого было принято решение для регулирования поворота каждой лопатки на угол, обеспечивающий максимальный гидравлический КПД при той или иной подаче. Таким образом, был проведен численный эксперимент по подбору диапазона угла поворота лопасти при подачах 0,7 Q_опт и 1,3 Q_опт, что позволило получить зависимость положения лопасти от подачи.

На втором этапе на основе геометрии кинематики выведены аналитические формулы, связываю­щие угол поворота лопасти с внешним диаметром рабочего колеса и выходным углом лопасти, что способствовало построению теоретических характеристик напора рабочего колеса с неподвижной и адаптивной лопастными решётками. Проведённые теоретические исследования подтверждают ре­зультаты, полученные в ходе численного эксперимента. Была разработана методика расчета меха­низма поворота лопастей, который основан на пружинном элементе и усилие которого определяется в результате расчетов суммарной гидравлической силы, воздействующей на лопасть со стороны ра­бочей среды.

1. Денисов К. Е., Лямасов А. К. Подвижные лопастные системы центробежных насосов низкой быстроходности // Омский научный вестник. Сер. Авиационно-ракетное и энер­гетическое машиностроение. 2025. Т. 9, № 1. С. 37–45. DOI: 10.25206/2588-0373-2025-9-1-37-45. EDN: KXKMXO.

2. Клюев А. С., Федоров С. П., Иванов Е. А. [и др.]. Выбор типа отводящего устройства и оптимизация проточной части многоступенчатого центробежного насоса низкой быстроход­ности // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. Машиностро­ение. 2023. № 2. С. 98–113. DOI: 10.18698/0236-3941-2023-2-98-113. EDN: TMONKW.

3. Шишкина А. С., Шишкин Г. Д., Ломакин В. О. Опти­мизация проточной части центробежного насоса с лопаточ­ным направляющим аппаратом из условия минимизации гидродинамических источников шума // Гидравлика. 2020. № 9. С. 57–68. EDN: LIHMOG.

4. Михеев К. Г., Веселов А. А. Исследование возможности улучшения виброаккустических характеристик насоса путём оптимизации проточной части рабочего колеса // Инновации и инвестиции. 2021. № 6. С. 125–129. EDN: ZZVDMM.

5. Wei Y., Zhu H., Fan Q. [et al.]. Numerical study of low-specific-speed centrifugal pump based on principal component analysis. Water. 2024. Vol. 16. P. 1785. DOI: 10.3390/w16131785.

6. Тошмаматов Н. Т. Двухэтапная оптимизация проточ­ной части рабочего колеса тихоходного центробежного насо­са // Экономика и социум. 2021. № 12-2 (91). С. 615–619. EDN: FJJMNI.

7. Данилов Д. А., Зайцева А. А., Ломакин В. О. Использо­вание методов оптимизации для получения требуемой формы характеристики центробежного насоса // Гидравлика. 2021. № 12. С. 55–63. EDN: STJVTM.

8. Valyukhov S., Galdin D., Korotov V., Rusin V., Shablovskiy A. Profile optimization of the impeller blade of a low-speed centrifugal pump using surrogate modeling. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 779. P. 012023. DOI: 10.1088/1757-899X/779/1/012023.

9. Li H., Chen Y., Yang Y. [et al.]. CFD Simulation of centrifugal pump with different impeller blade trailing edges. Journal of Marine Science and Engineering. 2023. Vol. 11. P. 402. DOI: 10.3390/jmse11020402.

10. Yu J., Akoto E., Degbedzui D. K., Hu L. Predicting centrifugal pumps’ complete characteristics using machine learning. Processes. 2023. Vol. 11, no. 2. P. 524. DOI: 10.3390/pr11020524.

11. Пат. 235479 Российская Федерация, МПК F 04 D 29/22. Рабочее колесо центробежного насоса с пружинным механиз­мом / Денисов К. Е., Лямасов А. К. № 2003108554/09; заявл. 15.03.2025; опубл. 10.07.2025, Бюл. № 19.