Sustaining the self-cleaning effect of a torque-flow pump in off-optimal modes

Abstract

This paper presents the results of a study of a torque-flow pump with a non-uniform blade system, whose design feature is the presence of expanded inter-blade channels that provide conditions for a self-cleaning effect. Unlike previous works, which confirmed the efficiency of this effect only at the optimal flow rate, this research analyzes the pump performance at off-optimal modes within the operating range – 0.8Qbep (100 m³/h) and 1.2Qbep (150 m³/h). Numerical simulations were carried out in ANSYS CFX using three-dimensional geometric models and unstructured computational grids. For each operating point, the complete hydraulic characteristics (head and efficiency) were determined, and the distributions of pressure and velocity in the inter-blade channels were analyzed. It was shown that, even under deviations from the optimal flow rate, the energy performance of the pump with a non-uniform blade system differs from the standard design by no more than 2.5 m in head and 1 % in efficiency. The most important result is the confirmation of the stability of the self-cleaning effect within the operating zone. An asymmetry of pressure distribution and local pulsations were detected in the inter-blade channels, which contribute to the removal of fibrous inclusions from the blade surfaces. It was found that at increased flow rates the intensity of pulsations grows, while at reduced flow rates they remain regular and ensure stable cleaning. Thus, the pump with a non-uniform blade system demonstrates a combination of acceptable energy performance and stable self-cleaning capability throughout the operating zone, which makes it promising for application in wastewater systems and industrial processes where reliability and durability are of critical importance.Представлено результати дослідження вільновихрового насоса з нерівномірною лопатевою системою, конструктивною особливістю якого є наявність розширених міжлопатевих каналів, що створюють умови для прояву самоочищуючого ефекту. На відміну від попередніх робіт, де було підтверджено дієвість цього ефекту у точці оптимальної подачі, у даному дослідженні проаналізовано поведінку насоса на позаоптимальних режимах робочої зони – 0,8Qопт (100 м³/год) та 1,2Qопт (150 м³/год). Чисельне моделювання виконано у середовищі ANSYS CFX із використанням тривимірних геометричних моделей та неструктурованих розрахункових сіток. Для кожного режиму визначено повні гідравлічні характеристики (напір та коефіцієнт корисної дії), а також проаналізовано розподіли тиску й швидкості у міжлопатевих каналах. Показано, що навіть за відхилення від оптимальної подачі енергетичні показники насоса з нерівномірною лопатевою системою відрізняються від стандартної конструкції не більше ніж на 2,5 м за напором і 1 % за ККД. Найважливішим результатом є підтвердження стійкості самоочищуючого ефекту в робочій зоні. У міжлопатевих каналах фіксується асиметрія розподілу тиску та локальні пульсації, які сприяють зсуву волокнистих включень із поверхні лопатей. Виявлено, що при підвищеній подачі інтенсивність пульсацій зростає, тоді як при зниженій подачі вони зберігають регулярність і забезпечують стабільне очищення. Таким чином, насос із нерівномірною лопатевою системою демонструє поєднання прийнятних енергетичних показників та здатності до самоочищення у всій робочій зоні, що робить його перспективним для застосування у системах водовідведення та промислових процесах, де надійність і довговічність обладнання мають вирішальне значення.