Вихрові компресорні машини: огляд конструктивних параметрів та чинників, що визначають їх ефективність (огляд літератури)

Володимир Сітало*, Сергій Ванєєв, Станіслав Мелейчук, Олег Чех, Данило Ніколаєнко

v.sitalo@kttf.sumdu.edu.ua

Отримано 19.12.2025, Доопрацьовано 24.03.2026, Прийнято 28.04.2026, Опубліковано 29.05.2026
Анотація

Зростання вимог до енергоефективності промислового обладнання та необхідність зниження експлуатаційних витрат актуалізують дослідження вихрових компресорів – класу турбомашин, що поєднують переваги динамічних та об’ємних машин і мають значний потенціал для широкого промислового застосування. Метою роботи були систематизація та аналіз сучасних наукових досліджень у галузі вихрових компресорів і насосів з метою визначення ключових чинників, що впливають на їх ефективність. Дослідження базувалося на аналізі та порівнянні результатів експериментальних і чисельних робіт, опублікованих у реферованих наукових виданнях, а також на застосуванні методів обчислювальної гідродинаміки (CFD) як сучасного цифрового інструменту інженерного аналізу. Встановлено, що ефективність вихрових компресорів визначається комплексом геометричних та конструктивних параметрів. Тип і форма робочого колеса, кількість і профіль лопаток впливають на ступінь підвищення тиску: оптимальна кількість лопаток перебуває в діапазоні 30-50, а лопатки складної форми, попри вищу ефективність, ускладнюють виготовлення. Розміри та конфігурація робочого каналу визначають інтенсивність циркуляції та рівень газодинамічних втрат – висота каналу є більш визначальним параметром, ніж площа його поперечного перерізу. Критичними є зазори в проточній частині: збільшення торцевого та радіального зазору з 0,15 мм до 0,2 мм призводить до зниження продуктивності до 50 %, що підтверджує необхідність їх обов’язкового врахування на етапі проектування. Застосування CFD-методів дозволяє візуалізувати складну спіралеподібну структуру потоку, виявляти джерела втрат та оптимізувати конструктивні рішення, скорочуючи витрати на фізичне прототипування. Поєднання аналітичних, експериментальних і CFD-методів створює основу для формування ефективних підходів до проектування, що забезпечить підвищення енергетичної ефективності та розширення галузей застосування цих машин у промислових системах

Ключові слова:
вихровий компресор; вихровий насос; регенеративна гіпотеза; чисельне моделювання; Ansys SFX; оптимізація конструкції

Взято з Том 24, № 1, 2026

Сторінки 120–137

Використані джерела ЦИТУВАТИ
  1. Adam, J.E., Heinrich, M., & Schwarze, R. (2022). Influence of different design parameters on side channel compressor performance Engineering Research, 86, 819-827. doi: 10.1007/s10010-022-00594-y.
  2. Adam, J.E., Heinrich, M., & Schwarze, R. (2023). Design of experiment on the influence of channel design onto regenerative compressor In Proceedings of 15th European conference on turbomachinery fluid dynamics & thermodynamics. Budapest: European Turbomachinery Society. doi: 10.29008/ETC2023-139.
  3. Adu-Poku, K.A., Zhang, F., Appiah, D., Chen, K., Osman, F.K., & Acheaw, E. (2022). Study on the inner flow mechanisms and unsteady force distribution of side channel pump. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy, 236(6), 1109-1128. doi: 10.1177/09576509221081618.
  4. Badami, M., & Mura, M. (2011). Setup and validation of a regenerative compressor model applied to different devices. Energy Conversion and Management, 52(5), 2157-2164. doi: 10.1016/J.ENCONMAN.2010.10.044.
  5. Badami, M., & Mura, M. (2012). Comparison between 3D and 1D simulations of a regenerative blower for fuel cell applications. Energy Conversion and Management, 55, 93-100. doi: 10.1016/J.ENCONMAN.2011.10.003.
  6. Chen, K., Zhang, F., Appiah, D., Yuan, S., Hong, F., Zhu, L., & Song, M. (2022). Effect of blade tip cutting angle on energy conversion mechanism of side channel pumps. Physics of Fluids, 34(2), article number 025107. doi: 10.1063/5.0082671.
  7. Chen, Y., Ling, Y., Liu, A., Wang, L., Feng, J., & Peng, X. (2024). Effects of geometrical parameters on the performance of hydrogen regenerative pumps in proton exchange membrane fuel cell systems. International Journal of Hydrogen Energy, 77, 732-741. doi: 10.1016/J.IJHYDENE.2024.06.191.
  8. Chen, Y., Lv, H., Li, R., Liu, X., Wang, L., Feng, J., Peng, X., & Cao, F. (2025). Effects of operating parameters and fluids on the performance of a hydrogen regenerative flow compressor in a proton exchange membrane fuel cell system. Applied Thermal Engineering, 271, article number 126326. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2025.126326.
  9. Fleder, A., & Böhle, M. (2012). A study of the internal flow structure in a side channel pump. In Proceedings of the 14th international symposium on transport phenomena and dynamics of rotating machinery. ISROMAC: Honolulu.
  10. Grabow, G. (1975). Influence of the number of vanes and vane angle on the suction behaviour of regenerative pumps. Conference on Fluid Machinery, 1, 351-364.
  11. Griffini, D., Salvadori, S., Carnevale, M., Cappelletti, A., Ottanelli, L., & Martelli, F. (2015). On the development of an efficient regenerative compressor. Energy Procedia, 82, 252-257. doi: 10.1016/j.egypro.2015.12.030.
  12. Heo, M.-W., Seo, T.-W., Shim, H.-S., & Kim, K.-Y. (2016). Optimization of a regenerative blower to enhance aerodynamic and aeroacoustic performance. Journal of Mechanical Science and Technology, 30(3), 1197-1208. doi: 10.1007/s12206-016-0223-5.
  13. Insinna, M., Salvadori, S., Martelli, F., Peroni, G., Simon, G., Dipace, A., & Squarcini, R. (2018). One-dimensional prediction and three-dimensional CFD simulation of the fluid dynamics of regenerative pumps. In Proceedings of the ASME turbo expo 2018: Turbomachinery technical conference and exposition. Volume 2C: Turbomachinery. Oslo: ASME. doi: 10.1115/GT2018-76416.
  14. Izenson, M.G., Chen, W., Hill, R.W., Phillips, S.D., & Paul, H.L. (2011). Design and development of a regenerative blower for EVA suit ventilation. In 41st international conference on environmental systems. Portland: American Institute of Aeronautics and Astronautics.
  15. Izenson, M.G., Chen, W., McCormick, J., Paul, H.L., & Jennings, M.A. (2012). Performance and life tests of a regenerative blower for EVA suit ventilation. In 42nd international conference on environmental systems. San Diego: American Institute of Aeronautics and Astronautics. doi: 10.2514/6.2012-3460.
  16. Jang, C.-M., & Jeon, H.-J. (2014). Performance enhancement of 20kW regenerative blower using design parameters. International Journal of Fluid Machinery and Systems, 7(3), 86-93. doi: 10.5293/IJFMS.2014.7.3.086.
  17. Javadi, A., Kumar, V., & Aidun, C.K. (2026). Large eddy simulations of side channel pump in different operating conditions. Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics, 20(1), article number 2587723. doi: 10.1080/19942060.2025.2587723.
  18. Jeon, S.-Y., Yoon, J.-Y., & Jang, C.-M. (2019). Optimal design of a novel ‘S-shape’ impeller blade for a microbubble pump. Energies, 12(9), article number 1793. doi: 10.3390/en12091793.
  19. Karlsen-Davies, N.D., & Aggidis, G.A. (2016). Regenerative liquid ring pumps review and advances on design and performance. Applied Energy, 164, 815-825. doi: 10.1016/j.apenergy.2015.12.041.
  20. Kumar, M., Venkateshwaran, A., Kumar, M.S.S.P., Sreekanth, M., Jebaseelan, D., & Sivakumar, R. (2022). Strength analysis of a regenerative flow compressor and a pump based on fluid-structure coupling. Materials Today: Proceedings, 51(3), 1619-1624. doi: 10.1016/J.MATPR.2021.10.477.
  21. Lee, C., & Kil, H.G. (2014). The design, performance and CFD analyses of regenerative blower used for fuel cell system. In SIMULTECH 2014 – proceedings of the 4th international conference on simulation and modeling methodologies, technologies and applications (pp. 751-755). Setúbal: SciTePress.
  22. Li, Q., Tang, D., Lou, X., Zhao, G., Wu, P., Bie, F., & Lu, Y. (2024). Investigation of the unsteady pressure fluctuation mechanism in a regenerative flow pump based on proper orthogonal decomposition. Physics of Fluids, 36(2), article number 025111. doi: 10.1063/5.0190481.
  23. Li, Q.-Q., Zhu, D.-S., Luo, M.-H., Chang, A.-L., Wu, P., & Guo, C.-L. (2022). Investigation on the pressure fluctuation characteristics for a regenerative flow pump under different blade arrangements. Journal of Fluids Engineering, Transactions of the ASME, 144(10), article number 101208. doi: 10.1115/1.4054536.
  24. Li, W. (2025). Performance of vortex pump in CFD simulations with rough walls. International Journal of Fluid Engineering, 2, article number 013902. doi: 10.1063/5.0237732.
  25. Liang, X., Kang, H., Zeng, R., Pang, Y., Yang, Y., Qiu, Y., Tao, Y., & Shen, J. (2024). Impact of the structural parameters on the performance of a regenerative-type hydrogen recirculation blower for vehicular proton exchange membrane fuel cells. Sustainability, 16, article number 1856. doi: 10.3390/su16051856.
  26. Lim, T.-G., Lee, S.-M., Jeon, W.-H., & Jang, C.-M. (2015). Characteristics of unsteady flow field and aeroacoustic noise in a regenerative blower. Journal of Mechanical Science and Technology, 29, 2005-2012. doi: 10.1007/s12206-015-0421-6.
  27. Meakhail, T., Seung, O.P., Lee, D.A., & Mikhail, S. (2003). A study of circulating flow in regenerative pump. In Proceedings of the KSAS 1st international session (pp. 19-26). Seoul: KSAS.
  28. Münsterjohann, S., Zenger, F., & Becker, S. (2017). Efficient and noise reduced design of a side channel blower considering psychoacoustic evaluation criteria. Applied Mechanics and Materials, 856, 174-180. doi: 10.4028/www.scientific.net/AMM.856.174.
  29. Nejadali, J. (2021). Shape optimization of regenerative flow compressor with aero-foil type blades using response surface methodology coupled with CFD. Structural and Multidisciplinary Optimization, 64, 2653-2667. doi: 10.1007/s00158-021-03020-z.
  30. Nejadrajabali, J., Riasi, A., & Nourbakhsh, S.A. (2016). Flow pattern analysis and performance improvement of regenerative flow pump using blade geometry modification. International Journal of Rotating Machinery, 2016(1), article number 8628467. doi: 10.1155/2016/8628467.
  31. Pei, J., Zhang, F., Appiah, D., Hu, B., Yuan, S., Chen, K., & Asomani, S.N. (2019). Performance prediction based on effects of wrapping angle of a side channel pump. Energies, 12(1), article number 139. doi: 10.3390/en12010139.
  32. Quail, F.J., Scanlon, T., & Strickland, M. (2010). Development of a regenerative pump impeller using rapid manufacturing techniques. Rapid Prototyping Journal, 16(5), 337-344. doi: 10.1108/13552541011065731.
  33. Quail, F.J., Stickland, M., & Baumgartner, A. (2011). A one-dimensional numerical model for the momentum exchange in regenerative pumps. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 133(9), article number 093001. doi: 10.1115/1.4002890.
  34. Quan, H., Guo, Y., Li, R., Su, Q., & Chai, Y. (2020). Optimization design and experimental study of vortex pump based on orthogonal test. Science Progress, 103(1). doi: 10.1177/0036850419881883
  35. Raheel, M., Engeda, A., Hamrin, D., & Rouse, G. (2003). The performance characteristics of single-stage and multistage regenerative flow compressors for natural gas compression application. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 217(11), 1221-1239. doi: 10.1243/095440603771665250.
  36. Raheel, M.M., & Engeda, A. (2005). Systematic design approach for radial blade regenerative turbomachines. Journal of Propulsion and Power, 21(5), 884-892. doi: 10.2514/1.1426.
  37. Salimi, A., Hooshdar Rostami, H., Riasi, A., & Nejadali, J. (2023). Multi-objective optimization of a regenerative pump with S-shaped impeller using response surface methodology. International Communications in Heat and Mass Transfer, 143, article number 106734. doi: 10.1016/j.icheatmasstransfer.2023.106734.
  38. Sitalo V.S., & Vanyeyev, S.M. (2025). Investigation of the influence of flow passage clearances of a regenerative compressor on its performance using the ANSYS CFX software package. In Modern technologies in industrial production: Proceedings of the 12th all-Ukrainian scientific and technical conference (pp. 163-164). Sumy: Sumy State University.
  39. Sreekanth, M., Sivakumar, R., Sai Santosh Pavan Kumar, M., Karunamurthy, K., Shyam Kumar, M. B., & Harish, R. (2021). Regenerative flow pumps, blowers and compressors – a review. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy, 235(8), 1992-2013. doi: 10.1177/09576509211018118
  40. Vanyeyev, S.M., Meleychuk, S.S., & Olada, Y.M. (2010). Research on regenerative compressors. Sumy: Sumy State University.
  41. Wang, J., Zhang, F., Zhang, J., Chen, K., & Hong, Q. (2023). Internal flow characteristics of single-stage and multi-stage side channel pumps. Paiguan Jixie Gongcheng Xuebao/Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 41(2), 132-138. doi: 10.3969/j.issn.1674-8530.21.0190.
  42. Wilson, W.A., Santalo, M.A., & Oelrich, J.A. (1955). A theory of the fluid-dynamic mechanism of regenerative pumps. Journal of Fluids Engineering, 77(8), 1303-1311. doi: 10.1115/1.4014671.
  43. Yang, J., Li, X., Cheng, D., Ji, J., Zhao, M., Guo, W., & He, L. (2025). Numerical simulation for impeller structure optimization for vortex pump based on orthogonal design method. Applied Sciences, 15, article number 2265. doi: 10.3390/app15052265.
  44. Yu, X., Fan, J., Zhou, Y., Hao, D., Chen, J., Yu, T., & Zhang, C. (2022). Experimental investigation of the effect of hydrogen recirculation on the performance of a proton exchange membrane fuel cell. International Journal of Hydrogen Energy, 47(2), 1183-1191. doi: 10.1016/j.ijhydene.2021.10.063.
  45. Zhang, F., Appiah, D., Chen, K., Yuan, S., Adu-Poku, K.A., & Zhu, L. (2021). Investigation on the flow behavior of side channel pumps based on vortex identification. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 34(1), article number 120. doi: 10.1186/s10033-021-00649-1.
  46. Zhang, F., Appiah, D., Hong, F., Zhang, J., Yuan, S., Adu-Poku, K.A., & Wei, X. (2020). Energy loss evaluation in a side channel pump under different wrapping angles using entropy production method. International Communications in Heat and Mass Transfer, 113, article number 104526. doi: 10.1016/j.icheatmasstransfer.2020.104526.
  47. Zhang, J., Li, S., Wu, P., Ye, H., Qi, Z., & Wu, D. (2024). Quantitative analysis of energy loss and performance prediction of regenerative compressor. Applied Thermal Engineering, 246, article number 122930. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2024.122930.
  48. Zhang, W.-Y., & Li, Z.-H. (1991). The axial clearance of vortex pump. Pump Technology, 1, 15-17.
  49. Zhou, L., Zhou, C., Bai, L., & Agarwal, R. (2024). Numerical and experimental analysis of vortex pump with various axial clearances. Water, 16(11), article number 1602. doi: 10.3390/W16111602.
  50. Zhu, Z.C., Wang, L.Q., Huang, D.H., & Jin, Q.M. (2001). Theoretical design and experimental study of small-flow high-head vortex pumps. Journal of Engineering Thermophysics, 22(4), article number 450.
Sitalo, V., Vanyeyev, S., Meleychuk, S., Chekh, O., & Nikolaienko, D. (2026). Regenerative compressor machines: Overview of design parameters and factors affecting their efficiency (literature review). Journal of Kryvyi Rih National University, 24(1), 120-137. https://doi.org/10.31721/2306-5451-2026-1-24-120-137
uk