Петербургские политехники сконструировали свободновихревой насос с повышенным КПД

Инженеры Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого провели комплексные натурные испытания опытного образца свободновихревого водоотливного насоса СВН 160/20 собственной разработки, изготовленного с применением аддитивных технологий. Результаты испытаний подтвердили, что коэффициент полезного действия агрегата составляет 62%, что выше, чем у российских и иностранных аналогов.

При разработке линейки свободновихревых насосов инженеры СПбПУ применили технологии цифрового проектирования и моделирования, а при изготовлении опытного образца СВН 160/20 использовали сочетание традиционных и аддитивных технологий. Возможности исследовательского экспериментально-расчетного комплекса Лаборатории гидромашиностроения СПбПУ позволили сократить срок разработки новых насосов до стадии экспериментальных исследований опытного образца с 1-1,5 лет до 3-4 месяцев, сообщает пресс-служба вуза.

Традиционные центробежные насосы в системах водоотведения часто выходят из строя из-за засоров. Альтернативой выступают свободновихревые насосы (СВН), которые устойчивее работают при перекачивании вязких и абразивосодержащих сред, сточных вод, канализационного ила и других загрязненных жидкостей. Сдерживающим фактором до недавнего времени оставалась более низкая по сравнению с центробежными насосами эффективность, а также отсутствие методик проектирования высокоэффективных проточных частей ввиду сложности математического моделирования течений. Несмотря на то, что в абсолютных значениях КПД центробежных насосов выше, экономика жизненного цикла меняет итоговое соотношение преимуществ. Поскольку центробежные насосы на станциях часто подобраны с избыточным запасом мощности, замена их проточных частей с центробежных на свободновихревые не потребует замены электродвигателей на более мощные. При этом система избавляется от аварийных простоев и ремонтов, что делает канализационные станции гораздо надежнее и экономичнее в долгосрочной перспективе.

На текущем этапе специалисты провели комплексные испытания опытного образца СВН 160/20 на стенде Лаборатории гидромашиностроения. Получены и проанализированы энергетические характеристики насоса (зависимости напора, мощности и коэффициента полезного действия от подачи), а также кавитационные (характеризующие устойчивость к локальному «вскипанию» жидкости и вызываемой им эрозии). Кроме того, выполнена валидация математических моделей, разработанных и используемых при проектировании.

Исследование показало, что расхождение результатов расчетов с данными эксперимента находится в допустимых пределах — менее двух процентов по всем измеряемым параметрам, что говорит о высокой адекватности разработанной математической модели. Подтвержденное значение КПД агрегата на номинальном режиме составило 62%. Это выше, чем у других отечественных, включая советские, аналогов, у которых средние показатели КПД составляют 54-57 %, а также превосходит показатели зарубежных насосов — 59-60 %.

«Когда мы впервые сопоставили результаты численного моделирования с данными натурных испытаний, нас впечатлило, насколько хорошо расчетные характеристики согласуются с экспериментальными, что неудивительно, так как за этим стояли месяцы кропотливой работы. Мы изучили огромный массив информации, провели множество предварительных расчетов, итеративно уточняя модель, поэтому можно сказать, что достоверность математической модели — это закономерный итог системного научного подхода», — прокомментировал руководитель проекта, научный сотрудник Лаборатории гидромашиностроения Высшей школы энергетического машиностроения Института энергетики Арсентий Клюев.

По итогам испытаний насоса СВН 160/20 инженеры приняли решение скорректировать геометрию остальных насосов линейки.

«Конструкторы традиционно закладывают «страховой запас» по напору — на случай, если напор реального насоса окажется ниже расчетного. Обычно это является частью методики проектирования. Мы изначально поступили так же, но математическая модель оказалась настолько достоверной, что страховка не понадобилась. Это значимый результат, так как позволяет пересмотреть сам подход к проектированию. Отказ от избыточного запаса по напору позволяет уменьшить диаметр рабочего колеса и габариты корпуса: обновленные насосы будут легче и компактнее, но при этом они также будут отвечать требованиям технического задания и сохранят высокую энергоэффективность. Помимо этого, в ходе испытаний были опробованы различные варианты конструкций уплотнительных узлов. Результаты этих исследований также будут использованы в следующих моделях», — объяснил Арсентий Клюев.

В планах специалистов СПбПУ — испытания насоса в условиях, максимально приближенных к реальным, при перекачивании вязких сред с абразивными включениями. Политехники сделают корпус одного из спроектированных насосов прозрачным, чтобы не только количественно, но и визуально оценить течение жидкости внутри устройства. Результаты испытаний позволят масштабировать линейку насосов на другие параметры с учетом взаимозаменяемых элементов проточных частей.

Работы ведутся при поддержке федеральной программы «Приоритет-2030».

Источник: Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого