Automated design of the 3D models of the elements of the flow part of the stage of a screw-centrifugal pump

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

С развитием мощностей вычислительной техники и эволюцией программного обеспечения всё большее распространение получают системы автоматизированного проектирования [1–5], предназначенные для упрощения и ускорения процесса модернизации существующих конструкций и разработки новых конструкторских решений. Данный тренд затронул и сферу насосостроения [6]. На данный момент для процессов проектирования и расчёта элементов проточных частей шнеко-центробежных насосов используется специализированное программное обеспечение, работа в котором ведётся обособленно, что вызывает ряд проблем: передача данных из одного программного обеспечения в другое требует соответствующей подготовки исходных данных, т. е. трансфер между отдельными программами занимает время, отсутствует единый интерфейс, с помощью которого можно обращаться к разным этапам процесса проектирования в рамках одной программы, отсутствует автоматическая каталогизация полученных данных. Описанный ряд проблем ведёт к повышению трудоёмкости процесса проектирования проточной части шнеко-центробежных ступеней насосов, а также может вызывать различные ошибки, возникающие при трансфере данных из одного программного обеспечения в другое. Оптимальной формой ведения процесса проектирования, позволяющей уменьшить негативное влияние вышеописанных проблем, является разработка программного комплекса, позволяющего пользователю взаимодействовать с обособленным программным обеспечением в рамках одного интерфейса, с унифицированной базой данных. На настоящий момент существуют разработки, позволяющие автоматизировать процесс проектирования проточных частей насосов [7–9], однако в большинстве случаев программное обеспечение базируется на предварительно созданной параметрической геометрии, изменение параметров которой происходит непосредственно в CAD/CAE-системах, где была создана модель. В качестве модулей, формирующих связь между файлами, содержащими геометрические данные и CAD-системами используются макросы, запускаемые непосредственно в программах, предназначенных для создания 3D-моделей. Перечень данных фактов существенно снижает гибкость существующего программного обеспечения, затрудняя доступ к другим программам и усложняя настройку трансфера данных между ними.

Целью данной статьи является описание разработанного программного обеспечения, использующего альтернативный подход к автоматизированному проектированию 3D-моделей проточной части ступени шнеко-центробежного насоса, основой которого является создание геометрии без использования предварительно созданных параметризированных моделей. В программном обеспечении реализованы внешние вызов и управление функционалом CAD-системы «Компас 3D» с последующей интеграцией полученной геометрии в собственный продукт, что обеспечивает возможность выполнения расчёта геометрических параметров и построение 3D-модели в едином интерфейсе.

АРХИТЕКТУРА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

Для примера разбирается расчёт шнеко-центробежной ступени на заданные по ТЗ (техническому заданию) параметры (рис. 1). Расчёт элементов проточной части выполняется последовательно, начиная от шнека и заканчивая тангенциальным выходным диффузором спирального отвода.

 

Рис. 1. Ввод технического задания.

Fig. 1. The technical task input.

 

Для уменьшения количества возможных ошибок при создании программного обеспечения используется модульная архитектура. Упрощённая структура программного обеспечения представлена на рис. 2.

 

Рис. 2. Архитектура разработанного программного обеспечения.

Fig. 2. Architecture of the developed software.

 

Каждый из модулей состоит из множества подмодулей, отвечающих за каждый этап проектирования конкретного элемента проточной части. Функционирование каждого модуля представляет собой последовательное выполнение подмодулей. Обмен данными между подмодулями выполняется с использованием внешних файлов.

МОДУЛЬ «ШНЕК»

Процесс проектирования начинается с модуля «Шнек». Входные параметры для проектирования шнека задаются согласно рекомендациям работы [10]. При задании гидравлического КПД шнека использованы два подхода: по рекомендациям Руднева С.С. [10], по мнению которого КПД шнека находится в диапазоне 0,45–0,55, и по полуэмпирической формуле Боровского Б.И. [11]:

$\eta { }_{\text{г}}=\mathrm{0,9}\cdot \tanh \left({\left(\frac{110}{KDs{h}^3}\right)}^{\mathrm{0,55}}\cdot \left(\frac{2}{\sqrt{{\tau }_{\text{ср}}}}-\mathrm{0,1}\right)\right)$ .                                                                                    (1)

По умолчанию гидравлический КПД шнека полагается равным 0,5.

 

Рис. 3. Алгоритм проектирования шнека: Q — подача ступени, м³/c; H — напор ступени, м; n — частота вращения, об/мин; D0 — диаметр входа в рабочее колесо, м; Dsh — наружный диаметр шнека, м; D1ср — средний диаметр шнека, м; ηг — гидравлический КПД шнека; β_2ш — угол выхода относительного потока за шнеком на расчётном диаметре, град.

Fig. 3. The screw design algorithm: Q — stage flow rate, m³/s; H — stage head, m; n — rotational speed, rpm, D0 — diameter of entrance to the impeller, m; Dsh — outer diameter of screw, m; D1ср — average screw diameter, m; ηг — hydraulic efficiency of screw; β_2ш — angle of exit of relative flow behind the screw at the design diameter, deg.

 

Последовательность вызова подмодулей для расчёта энергетических и геометрических параметров шнека выполняется по алгоритму, представленному на рис. 3.

 

Рис. 4. Визуализация построения геометрии шнека: а — 2D-эскиз; b — 3D-модель.

Fig. 4. Visualization of the screw geometry generation: а — a 2D sketch; b — a 3D model.

 

В интерфейсе разработанного программного обеспечения есть возможность вывести геометрию шнека либо в виде 2D-эскиза (рис. 4, а), либо в 3D-модели (рис. 4, b). Автоматизация построения 3D-модели выполнена с помощью API CAD-системы КОМПАС-3D [12]. При записи макроса было выявлено, что создание массива лопастей шнека сопряжено с определёнными сложностями, поэтому процесс создания лопастей включён в цикл, ограниченный по количеству лопастей.

МОДУЛЬ «РАБОЧЕЕ КОЛЕСО»

Последовательность вызова подмодулей по проектированию рабочего колеса приведена на рис. 5. Аналогично модулю «Шнек» в начале процесса проектирования есть возможность ввести предварительные геометрические параметры, на основании которых будут выполняться расчёты энергетических и геометрических параметров. В случае, если расчёт проводится без предварительного задания геометрических параметров, программный комплекс назначит входные данные самостоятельно на основании рекомендаций, изложенных в [13–14].

 

Рис. 5. Алгоритм проектирования рабочего колеса: Q — подача ступени, м³/c; H — напор ступени, м; n — частота вращения, об/мин, Vu1 — закрутка потока на входе в рабочее колесо, м/с; D₂ — наружный диаметр рабочего колеса; η_г  — гидравлический КПД рабочего колеса; η_об  — объёмный КПД рабочего колеса; η_мех  — механический КПД рабочего колеса.

Fig. 5. The impeller design algorithm: Q — flow rate of the stage, m³/s; H — head of the stage, m; n — rotational speed, r/min, Vu1 — swirl of the flow at the inlet of the impeller, m/s; D₂ — outer diameter of the impeller; η_г — hydraulic efficiency of the impeller; η_oб — volumetric efficiency of the impeller; η_мех - mechanical efficiency of the impeller.

 

В процессе расчёта основных параметров рабочего колеса существует возможность корректировать значения следующих величин: гидравлический, объёмный и механический КПД, диаметр рабочего колеса. При необходимости можно выполнить повторный расчёт со скорректированными значениями. Проектирование меридианного сечения и расчёт равноскоростного потока выполняется полностью в автоматическом режиме и не требует действий со стороны пользователя.

Подмодуль, ответственный за проектирование лопастной системы, выполняет построение пространственной лопасти, обладающей более общей формой по сравнению с цилиндрической лопастью.

 

Рис. 6. Визуализация лопастной системы: а — 2D-эскиз; b — 3D-модель.

Fig. 6. The vane system visualization: а — a 2D sketch; b — a 3D model.

 

После завершения процесса проектирования появляется окно с визуализацией полученной лопастной системы. Существует возможность переключить отображение с 2D-эскиза (рис. 6, а) к полноценной 3D-модели (рис. 6, b), отображение которой интегрировано в интерфейс разработанного программного комплекса. Для подобной визуализации модель, построенная с помощью API «Компас-3D», конвертируется в фасетное тело. Полученный файл с фасетным телом используется совместно с библиотекой PyOpenGL [15].

Стоит отметить, что аналогично модулю, ответственному за построение 3D-модели шнека, существуют сложности с созданием круговых массивов, что обуславливает необходимость создания цикла для построения лопастной системы, что в свою очередь снижает быстродействие разработанного программного комплекса.

МОДУЛЬ «ОТВОД»

Алгоритм вызова подмодулей для проектирования отвода представлен на рис. 7.

 

Рис. 7. Алгоритм проектирования спирального отвода.

Fig. 7. The spiral outlet design algorithm.

 

В настоящее время реализован алгоритм построения 3D-моделей отводов, состоящих из следующих элементов: безлопаточный диффузор, спиральная часть и выходной тангенциальный диффузор. Спиральная часть отвода формируется с помощью цикла, в котором создаются все рассчитанные сечения в качестве эскизов. На основании полученных эскизов производится построение твёрдого тела.

По завершении проектирования ступени шнеко-центробежного насоса есть возможность просмотреть все сгенерированные 3D-модели в отдельном окне (рис. 8, а, b, c), а также выполнить объединение всех смоделированных элементов в проточной части ступени (рис. 8, d).

 

Рис. 8. 3D-модели элементов проточной части: а — 3D-модель шнека; b — 3D-модель рабочего колеса; c — 3D-модель спирального отвода; d — 3D-модель ступени.

Fig. 8. 3D models of the flow section elements: а — a 3D model of the screw; b — a 3D model of the impeller; c — a 3D model of the spiral outlet; d — a 3D model of the stage.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Создан программный комплекс для автоматизированного проектирования ступени шнеко-центробежного насоса. Разработанное программное обеспечение включает модули по проектированию элементов проточной части ступени шнеко-центробежного насоса и формированию 3D-модели элементов проточной части. Полученная 3D-геометрия проточной части была использована для выполнения гидродинамического расчёта в пакете Ansys CFX. По результатам 3D-расчётов были получены следующие интегральные параметры ступени: напор — 63,5 метра, полный КПД — 79%. Результаты 3D гидродинамического расчёта имеют малое расхождение с результатами 2D-расчётов по разработанному программному комплексу. Дальнейшим развитием функциональных возможностей программного комплекса будет расчёт ступеней центробежных насосов с лопаточными отводами.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. А.А. Стасеев — написание программного кода на языке Python, написание текста статьи, сбор и анализ литературных источников; А.А. Жарковский — написание программного кода на языке Fortran, редактирование текста статьи. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с проведённым исследованием и публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования и подготовке публикации.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors’ contribution. A.A. Staseev — writing program code in Python, writing the text of the manuscript, collecting and analyzing literary sources; A.A. Zharkovsky — writing program code in Fortran, editing the text of the manuscript. Authors confirm the compliance of their authorship with the ICMJE international criteria. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

About the authors

Aleksandr A. Staseev

Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University

Author for correspondence.
Email: greenalh@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-4851-804X
SPIN-code: 4777-3813

Postgraduate of the Higher School of Power Engineering

Russian Federation, 29 Polytekhnicheskaya street, 195251 Saint Petersburg

Alexander A. Zharkovsky

Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University

Email: azharkovsky@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-3044-8768
SPIN-code: 3637-7853
Scopus Author ID: 7004534701
ResearcherId: T-3278-2018

Dr. Sci. (Engineering), Professor, Professor of the Higher School of Power Engineering

Russian Federation, 29 Polytekhnicheskaya street, 195251 Saint Petersburg

References

Supplementary files