Cod Proiect:
PN-IV-PCB-RO-MD-2024-0188
Număr contract:
57PCBROMD/2025
Titlu proiect:
„Cercetare și dezvoltare a unui design inovator de pompă centrifugală pentru aplicații spațiale”
Acronim:
REEDITED
Domeniu de specializare:
Digitalizare, industrie și spațiu
Autoritatea Contractantă:
Unitatea Executivă pentru Finanțarea Învățământului Superior, a Cercetării, Dezvoltării și Inovării
Durata proiect:
24 luni (01/09/2025 – 31/08/2027)
Consorțiu:
CO: Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare Turbomotoare – COMOTI
P1: Universitatea Tehnică a Moldovei
Buget Proiect:
Buget total: 599.543,00 lei
Director Proiect (CO):
Dr. Ing. Ion Mălăel
Responsabil proiect (P1):
Dr. Ing. Andrei Petco
Domeniul de aplicare al propunerii se bazează pe cercetarea și dezvoltarea unei soluții promițătoare pentru aplicații aerospațiale. Obiectivul general al acestui proiect este de a atinge nivelul de validare în laborator al unui concept inovator de pompă centrifugă, care poate înlocui soluția tradițională. Rezultatele proiectului vor fi utilizate într-o viitoare propunere de cercetare care vizează utilizarea acestor cunoștințe pentru a dezvolta un produs competitiv. Tehnologia propusă este relevantă în contextul călătoriilor în spațiu și chiar al cursei de aselenizare pe Marte.
Acest scop este corelat cu obiectivele actuale ale ESA pentru următorii 15 ani, iar ambiția propunerii este de a oferi o nouă soluție pentru propulsia spațială.
Obiectivele specifice care trebuie îndeplinite în cadrul proiectului REEDITED sunt:
• OS 1 - definirea noii configurații a conceptului de pompă centrifugă;
• OS 2 - definirea/selecția soluției tehnice optime pentru pompa centrifugă;
• OS 3 - fabricarea unui model experimental la scară redusă utilizând infrastructura de cercetare aparținând partenerilor consorțiului;
• OS 4 - dezvoltarea unei proceduri de testare a întregului sistem pentru campania experimentală;
• OS 5 - creșterea vizibilității internaționale prin publicarea de lucrări științifice de înaltă calitate în reviste de prestigiu și participarea la programe de cercetare competitive.
Fiecare obiectiv tehnic specific menționat mai sus este relevant pentru rezultatul proiectului, deoarece reflectă o fază importantă necesară pentru validarea demonstratorului propus. Toate obiectivele definite sunt realizabile în mod realist, iar proiectul este fezabil, având în vedere experiența consorțiului în domeniul optimizării numerice, pompelor centrifuge și infrastructura ambelor entități implicate, precum și nevoia de noi soluții în industrie.
Rezultate preliminare:
Folosind solverul de simulare numerică, modelul de turbulență SST cu două ecuații a fost utilizat pentru investigarea fluxului într-un nou design de pompă centrifugă. O comparație între acest nou design de pompă și o pompă centrifugă clasică cu două trepte a fost efectuată în cercetări anterioare.
Pentru a pregăti geometriile pentru simulările numerice, pentru ambele cazuri domeniul de calcul a fost realizat utilizând un sistem automat de discretizare structurată în blocuri dedicat configurațiilor mașinilor rotative. În procesul de generare a grilei, s-a luat în considerare calitatea ei, în termeni de ortogonalitat și raport de aspect al celulei. Grilele generate pentru rotorul 1, rotorul 2 și stator sunt ilustrate în figura 1.
a) Rotor 1
b) Rotor 2
c) Stator
Figura 1. Grile pentru componentele pompei centrifuge
Ținta pentru dimensiunea finală a grilei a fost de aproximativ 1,5 milioane de celule pentru toate domeniile, cu un număr normal de palete de aproximativ 30. Prima dimensiune a celulei a fost definită pentru a atinge valoarea unitară pentru y+ în primul punct departe de pereții solizi.
În ceea ce privește configurația celor două cazuri investigate, utilizând ambele geometrii discutate, la intrare, presiunea totală p_in=20 bar a fost setată pentru a evita problemele legate de fenomenul de cavitație. De obicei, pentru a atinge această presiune se poate utiliza un inductor, dar, în această cercetare, a fost investigată doar partea rotorului și a statorului și presupunem că, în fiecare caz, presiunea de ieșire din inductor este de 20 bar. La ieșirea pompei, debitul masic pentru toate sectoarele a fost impus Q̇=40,4 kg/s și a fost setat un punct de monitorizare la intrare cu această variabilă pentru a verifica convergența soluției numerice. Pereții (paletele, butucul și carcasa) sunt cu alunecare, iar modelului cadrului de referință mobil i se atribuie o viteză de rotație de 36.000 RPM în jurul axei Z. Condițiile limită, pentru fiecare caz, sunt ilustrate în figura 2.
a) Configurație clasică
b) Noul design
Figura 2. Condiții la limită
Un studiu comparativ între o configurație clasică de pompă și un nou design propus în proiect, a fost efectuat pentru a evalua performanțele acestora. Figura 3 prezintă liniile de curent pentru ambele cazuri la o înălțime de 50% a paletei. Nu sunt dezvoltate zone de recirculare care pot influența performanțele pompei, așa cum se observă.
a) Configurație clasică
b) Noul design
Figura 3. Linii de curent
Pentru a evalua evoluția presiunii în cadrul STN, a fost utilizată o vedere meridională pentru a observa graficul pe un plan axial-radial. În figura 4 sunt prezentate graficele meridionale pentru pompele studiate utilizând opțiunea de mediere circumferențială prin debit masic, unde valoarea presiunii totale în cadrul STN la fiecare punct de prelevare este calculată ca o medie a debitului masic pe banda circulară corespunzătoare.
a) Configurație clasică
b) Noul design
Figura 4. Presiunea totală
Pentru ambele geometrii investigate, valorile presiunii de ieșire sunt ușor similare, așa cum se poate observa în cele două imagini anterioare. În plus, eficiența generală a configurațiilor analizate a fost de aproximativ 97% atât pentru pompa centrifugă clasică cu două etape, cât și pentru noul design propus. Avantajul geometriei propuse este că reduce cu 60% lungimea axială totală a pompei în comparație cu configurația clasică cu două etape, fără a-i reduce performanțele.
ETAPA I:
ETAPA II:
ETAPA III: