Multiobjective optimization of efficiency, head, free passage and vibrations of two blade impeller for sewage pump with stationary front shroud

• Autorzy: Sitniewski Mikołaj , Skrzypacz Janusz , Szulc Przemysław , Janczak Marcin , Lorenz Witold

Identyfikatory

DOI

10.36119/15.2025.3.7

Warianty tytułu

PL

Wielokryterialna optymalizacja sprawności, wysokości podnoszenia, swobodnego przelotu i poziomu wibracji pompy ściekowej z wirnikiem dwułopatowym współpracującym z nieruchomą tarczą przednią

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper presents a multiobjective optimization procedure for a two-blade impeller in a sewage pump with a stationary front shroud. The optimization variables were the wrap angles on the front and back shroud, while the meridional cross-section and volute remained constant. The objective was to maximize efficiency, head, and free passage (e.g., minimizing blockage) while minimizing vibrations by reducing radial forces. A full factorial design with five levels was used for CFD (computational fluid dynamics) calculations. After selecting the optimal design, the results of initial and optimized impeller were validated experimentally. Numerical and experimental results demonstrated good agreement. The optimized impeller showed improvements: head increased by 38,4%, efficiency by 9,5%, and free passage by 8,3%. While CFD calculations predicted a reduction in averaged radial forces, vibration measurements on volute indicated an increase for the optimized impeller by 46,1%. This discrepancy suggests that radial forces may not be the primary factor influencing vibrations in this specific pump configuration. The findings of this study contribute to the development of more efficient and reliable sewage pumps.

PL

Artykuł przedstawia procedurę optymalizacji wielokryterialnej dwułopatkowego wirnika w pompie ściekowej z nieruchomą tarczą przednią. Zmiennymi optymalizacyjnymi były kąty opasania na tarczy przedniej i tarczy tylnej, podczas gdy przekrój meridionalny i spiralny korpus zbiorczy pozostały stałe. Celem było zmaksymalizowanie sprawności, wysokości podnoszenia i swobodnego przelotu przy jednoczesnej minimalizacji poziomu wibracji poprzez redukcję sił promieniowych. Do obliczeń CFD (computational fluid dynamics) zastosowano pełny plan czynnikowy z pięcioma poziomami. Po wybraniu optymalnego projektu, parametry pompy z wirnikiem początkowym i zoptymalizowanym zostały zweryfikowane eksperymentalnie. Wyniki numeryczne i eksperymentalne wykazały dobrą zgodność. Zoptymalizowany wirnik wykazał poprawę: wysokość podnoszenia wzrosła o 38,4%, sprawność o 9,5% i swobodny przelot o 8,3%. Podczas gdy obliczenia CFD przewidywały redukcję uśrednionych sił promieniowych, pomiary poziomu wibracji na spirali wskazały na wzrost dla zoptymalizowanego wirnika o 46,1%. Ta rozbieżność sugeruje, że siły promieniowe mogą nie być głównym czynnikiem wpływającym na poziom wibracji w tej konfiguracji pompy. Wyniki przedstawionych badań przyczyniają się do rozwoju pomp ściekowych o lepszych parametrach energetycznych i użytkowych.

Słowa kluczowe

EN

sewage pump; optimization; two blade impeller; radial forces; vibrations

PL

pompa ściekowa; optymalizacja; wirnik dwułopatowy; siły promieniowe; drgania

• Wydawca: Ośrodek Informacji "Technika instalacyjna w budownictwie''
• Czasopismo: Instal
• Rocznik: 2025
• Tom: nr 3
• Strony: 54--60
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., fot., rys., tab., wzory

Twórcy

autor

Sitniewski Mikołaj

• Politechnika Wrocławska

• https://orcid.org/0009-0001-3081-8802

autor

Skrzypacz Janusz

• Politechnika Wrocławska

• https://orcid.org/0000-0003-2021-3487

autor

Szulc Przemysław

• Politechnika Wrocławska

• https://orcid.org/0000-0003-1753-9611

autor

Janczak Marcin

• Hydro Vacuum S.A.

autor

Lorenz Witold

• Hydro Vacuum S.A.

• https://orcid.org/0009-0005-5274-7127

Bibliografia

• [1] Isono M, Nohmi M, Uchida H, Kawai M, Kudo H, Kawahara T, Miyagawa K, Saito S. An experimental study on pump clogging. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2014;22. doi:10.1088/1755-1315/22/1/012009.
• [2] Souza B, Daly J, Niven A, Frawley P. Numerical Simulation of Transient flow through Single Blade Centrifugal Pump Impellers with Tipgap Leakage. Proceedings of the 4th WSEAS International Conference on Fluid Mechanics and Aerodynamics. August 21-23, 2006. Elounda, Greece.
• [3] Caruso F, Meskell C. Effect of the axial gap on the energy consumption of a single-blade wastewater pump. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy. 2020;235(3):432-439. doi:10.1177/0957650920927366.
• [4] Yang Y, Zhou L, Bai L, Xu H, Lv W, Shi W, Wang H. Numerical Investigation of Tip Clearance Effects On the Performance and Flow Pattern within a Sewage Pump. Journal of Fluids Engineering. 2022;144(8):081202. doi:10.1115/1.4053649.
• [5] Tan L, Yang Y, Shi W, Chen C, Xie Z.S. Influence of Blade Wrap Angle on the Hydrodynamic Radial Force of Single Blade Centrifugal Pump. Applied Sciences. 2021;11(19):9052. doi:10.3390/app11199052.
• [6] Wang C, Tan L, Shi W, Chenm C, Francis E. Research on Influence of Rotation Center Eccentricity on Radial Force of Single-Blade Centrifugal Pump. Water. 2022;14:2252. doi:10.3390/w14142252
• [7] Kim J-H, Cho B-M, Kim Y-S, Choi Y-S, Kim K-Y, Kim J-H, Cho Y. Optimization of a Single-Channel Pump Impeller for Wastewater Treatment. International Journal of Fluid Machinery and Systems. 2016;9:370-381. doi:10.5293/IJFMS.2016.9.4.370.
• [8] Kim J-H, Ma S-B, Kim S, Choi Y-S, Kim K-Y. Design and Verification of a Single-Channel Pump Model based on a Hybrid Optimization Technique. Processes. 2019;7(10):747. doi:10.3390/pr7100747
• [9] Kim J-H, Choi Y-S. State-of-the-Art Design Technique of a Single-Channel Pump for Wastewater Treatment. Wastewater and Water Quality. 2017. doi:10.5772/intechopen.75171.
• [10] Kim J-H, Ma S-B, Choi Y-S, Kim K-Y. Simultaneous Optimization of Impeller and Volute of a Single-channel Pump for Wastewater Treatment. International Journal of Fluid Machinery and Systems. 2019;12:99-108. doi:10.5293/IJFMS.2019.12.2.099.
• [11] Kim J-H, Song W-G, Choi Y-S, Lee K-Y, Ma S-B, Kim K-Y. Three-objective optimization of a single-channel pump for wastewater treatment. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2019;240:032010 doi:10.1088/1755-1315/240/3/032010.
• [12] Nguyen D-A, Roh M-S, Kim S, Kim J-H. Hydrodynamic and radial force characteristics with design of a single-channel pump for wastewater treatment based on the similarity law. Process Safety and Environmental Protection. 2023;170:1137-1150. doi:10.1016/j.psep.2022.12.090.
• [13] Tan L, Wang W, Shi W, Yang Y, Bao L, Wang C, Wang T, Li H. A study on the internal vortex structure within a single-blade pump via numerical methods and particle image velocimetry experiments. Physics of Fluids. 2024;36:115130 doi:10.1063/5.0231983.
• [14] Cui B, Li J, Zhang C, Zhang Y. Analysis of Radial Force and Vibration Energy in a Centrifugal Pump. Mathematical Problems in Engineering. 2020;1:6080942. doi:10.1155/2020/6080942
• [15] Pei J, Dohmen HJ, Yuan SQ, Benra F-K. Investigation of unsteady flow-induced impeller oscillations of a single-blade pump under off-design conditions. Journal of Fluids and Structures. 2012;35:89-104. doi:10.1016/j.jfluidstructs.2012.08.005.
• [16] Song X, Shi Y, Zheng K, Luo X. Pressure oscillations and radial forces for centrifugal pumps with single - or double-suction impellers. Journal of Mechanical Science and Technology. 2024;38(4):3009-3025. doi:10.1007/s12206-024-0521-2
• [17] Ma S-B, Kim S, Kim J-H. Optimization Design of a Two-Vane Pump for Wastewater Treatment Using Machine-Learning-Based Surrogate Modeling. Processes. 2020;8:1170. doi:10.3390/pr8091170.
• [18] Ren Y, Mo X, Yang B, Zheng S, Yang Y. Multi-objective optimization design of a sewage pump based on non-dominated sorting genetic algorithm III. Physics of Fluids. 2024;36:093342. doi:10.1063/5.0229088.
• [19] Zhang H, Tang L, Zhao Y. Influence of Blade Profiles on Plastic Centrifugal Pump Performance. Advances in Materials Science and Engineering. 2020;2020:1-17. doi:10.1155/2020/6665520.
• [20] ANSYS Fluent User’s Guide, 2024R1