Master's Thesis

Design of centrifugal pump runner for exclusive turbine mode operation

Final Thesis 10 MB

Author of thesis: Bc. Beáta Szarka

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. David Štefan, Ph.D.

Reviewer: Ing. Jiří Bezdíček

Abstract:

This master’s thesis focuses on the design of a new centrifugal pump runner intended for ex-clusive turbine-mode operation (Pump as Turbine, PaT) while retaining the existing spiral casing. The design is based on the concept of a low specific-speed Francis turbine and com-bines analytical calculations with CFD support and iterative geometry refinement. Steady-state CFD simulations were carried out in three stages: meridional design validation, runner modification, and final validation of the complete assembly including the impeller side-wall gaps. The variants were compared in each stage at three operating points defined by unit speed. The evaluation criteria included hydraulic efficiency, unit discharge, generated power, and flow-field characteristics including separation regions; in the full-assembly setup, leakage flow rate, volumetric efficiency, and loss power were additionally assessed.

Keywords:

Centrifugal pump, Pump as Turbine, hydraulic design of a turbine runner, low-specific speed turbine, CFD

Date of defence

08.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

V úvodu obhajoby student v rámci vymezeného časového limitu seznámil zkušební komisi s cíli, metodikou a výsledky své diplomové práce na téma Návrh nového oběžného kola pro výhradně turbínový chod klasického odstředivého čerpadla. Následně byly komisi předneseny posudky vedoucího práce a oponenta. V rámci těchto posudků byly shrnuty hlavní body práce a oponentem byly formulovány otázky k obhajobě. Student následně reagoval na otázky uvedené v posudku oponenta. V poslední fázi obhajoby položili členové zkušební komise dotazy vztahující se k tématu diplomové práce, na které student odpověděl. Průběh obhajoby diplomové práce byl tímto ukončen a komise přistoupila k neveřejnému zasedání a hodnocení.

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Power and Thermo-fluid Engineering (N-ETI-P)

Specialization

Fluid Engineering (FLI)

Composition of Committee

prof. Ing. František Pochylý, CSc. (místopředseda)
doc. Ing. Jaroslav Štigler, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Simona Fialová, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Tomáš Profant, Ph.D. (člen)
Ing. Aleš Skoták, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Sylva Drábková, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Pavel Rudolf, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Vladimír Habán, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Petr Koňas, Ph.D. (člen)
Ing. David Štefan, Ph.D. (člen)
Ing. Radek Veselý (člen)

Supervisor’s report
Ing. David Štefan, Ph.D.

Předložená diplomová práce se zabývá problematikou provozu odstředivých čerpadel v turbínovém režimu. Cílem práce bylo prozkoumat efektivnost návrhu nové geometrie oběžného kola s limitujícími předpoklady ze strany stávajícího spirálního tělesa čerpadla. Výsledky prokázaly, že pro zvolený návrhový bod lze i bez využití pokročilých optimalizačních nástrojů navrhnout nové oběžné kolo, které bude s jistou mírou efektivnější než původní čerpadlové kolo. Studentka Beáta Szarka po celou dobu pracoval cílevědomě, pravidelně konzultovala a prokázala dostatečnou míru samostatnosti. Práce je napsaná přehledně a graficky uceleně.

S ohledem na výše uvedené doporučuji diplomovou práci k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Jiří Bezdíček

Diplomantka Bc. Beáta Szarka zpracovala závěrečnou práci na téma: Návrh nového oběžného kola pro výhradně turbínový chod klasického odstředivého čerpadla. Práce je strukturována do celkově šesti kapitol. Úvodní rešerše je stručná, ale tematicky obsahuje vše podstatné. Pozitivní je vidět např. empirický model diskových ztrát dle Gülicha, který je v práci dále využit pro porovnání s výsledky CFD výpočtů. Teoretická část tak neslouží pouze jako úvod do problematiky, ale je v práci reálně využita.

Hlavní náplní práce bylo navrhnout turbínové oběžné kolo do existující spirální skříně odstředivého čerpadla. Pro tento účel studentka navrhla jednoduchou návrhovou smyčku, na jejímž základě byl řešen celý návrh od teoretického návrhu až po CFD výpočty. I přesto, že se jedná o iterační proces zahrnující manuální modifikace, je navržená metodika pro cíle práce plně vyhovující. Vyzdvihnout by se dalo především zakomponování zjednodušených 2D simulací meridiánu a jejich další využití v návrhovém procesu před provedením komplexnějších 3D numerických simulací.

Naopak vytknout by se dala absence komplexnější kvalitativní analýzy, především z hlediska množství použitých veličin v rámci post-processingu. Zajímavý by byl také více metodologický popis jednotlivých modifikací s uvedením hodnot měněných parametrů, a to zejména ve fázi korekcí úhlů při vytváření finální varianty oběžného kola, tj. varianty VAR3. Formálním i věcným nedostatkem je potom absence tabulky Table 3.2, na kterou je v textu odkazováno, chybí tak nastavení numerického řešiče pro zjednodušené 2D výpočty meridiánu.

I přes výše uvedené mírné nedostatky je práce na velmi kvalitní úrovni. Diplomantka prokázala schopnost na základě konvenčních návrhových metod logicky a koncepčně provést návrh části hydraulického stroje s provedením iteračních úprav, tyto návrhy porovnávat a následně vyvozovat logické závěry. Výstupy jsou jednoznačně využitelné pro další návrh konkrétního zařízení, případně jako základ pro vývoj optimalizační metodiky pro tento typ strojů. Práce splňuje všechny vytyčené cíle.

Vzhledem k výše uvedenému doporučuji diplomovou práci k obhajobě s hodnocením B.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací B
Topics for thesis defence:
  1. Detailně popište nastavení okrajových podmínek jak pro zjednodušené 2D simulace meridionálního kanálu, tak i pro kompletní 3D výpočty. Jsou okrajové podmínky obou těchto případů porovnatelné? Pokud ne, vysvětlete proč. Pokud ano, vysvětlete proč.
  2. Pro variantu VAR2 ukažte proudové pole v meridionálním řezu vykreslené z výsledku kompletního 3D CFD výpočtu a porovnejte ho s výsledky zjednodušené 2D simulace. Pokud se výsledky liší, okomentujte důvody.
  3. Vyznačte např. na obr. 3.2-1 ve kterém místě přesně byl vykreslen výstupní rychlostní profil vyobrazený na obr. 3.3-1? Odpovídá toto místo výstupní hraně lopatky? Ze kterých lokací přesně byly odečteny meridionální rychlosti pro návrh? Zdůvodněte.
  4. Pro získání vstupního úhlu bylo v práci testováno odečtení výsledků z CFD simulace na osamocené doméně spirály. Jaké byly pro tento výpočet použity okrajové podmínky?

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová