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

Cover Page


Cite item

Full Text

Abstract

BACKGROUND: The paper presents the results of the development of a software package for automated design of 3D models of elements of the flowing part of a screw-centrifugal pump. The development of such software makes the design process possible within a single interface, reducing labor costs for the operation of disparate software packages. An alternative method of automating the creation of 3D models without the use of parameterized sketches is proposed.

AIM: Development of a software system that is capable of performing the end-to-end design process, starting from the input of the technical specification and ending with the export of the generated 3D geometry to computer-aided engineering (CAE) systems.

METHODS: The design of the stage of a screw-centrifugal pump is based on the methods used in pump engineering. Writing the program code is subordinated to the principles of structural programming. The software is implemented using the Python programming language with inclusion of the legacy-code written in the FORTRAN. As an example of functioning of the software package, the stage of a screw centrifugal pump at a head of 62.5 m is designed.

RESULTS: Currently, the software package includes such modules as: calculation of parameters and formation of the 2D sketch and the 3D model of the screw, calculation of basic parameters of the impeller; design of the meridian cross-section and calculation of equal velocity flow; calculation of edge parameters; design of the vane system; calculation of losses in the impeller on the basis of calculation of 2-dimensional non-viscous flow, spatial boundary layer and low-energy trace in the impeller channels; automatic creation of the 3D model of the impeller; design of the spiral outlet; calculation of the prediction characteristics; generation of the 3D model of the stage using the application programming interface (API) of the Kompas-3D computer-aided design (CAD) system. The generated 3D geometry of the flow section was used to perform the hydrodynamic calculation.

CONCLUSION: The results of the performed hydrodynamic calculation have a small discrepancy with the results of the calculations performed with the developed software. Further development of the software system is planned in terms of automated integration of the 3D geometry into modern CAE-systems, which will help to optimize the obtained stages of screw-centrifugal pumps.

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

  1. Ma HC, Wang K, Zhou XH. Software development of hydraulic design for pump suction chambers. Applied Mechanics and Materials. 2012;212:1191–1196. doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/AMM.212-213.1191' target='_blank'>www.scientific.net/AMM.212-213.1191
  2. Galdin DN, Pechkurov SV. Construction of the parametric model of the flow part of the centrifugal pump to perform the automated geometry transformation. In: Development, production and operation of turbo-, electric pump units and systems based on them. Proceedings of the X International Scientific and Technical Conference. Voronezh: Nauchnaya kniga; 2019:8–16. (In Russ.)
  3. Bubnov VP, Sultonov ShH. Application of computer-aided design systems in mechanical engineering. Intellektual`ny`e texnologii na transporte. 2017;1:48–51. (In Russ.)
  4. Chmielniak T, Stojanovic N. Design of Computer Aided Design in the Field of Mechanical Engineering. Acta Energetica. 2022;01:08–16.
  5. Brockmöller T., et al. Computer-Aided Engineering Environment for Designing Tailored Forming Components. Metals. 2020;10(12). doi: 10.3390/met10121589
  6. Golikov VA, Zharkovskiy AA, Topazh GI. Program complexes for the flow calculation and automated design of the vane hydraulic machines. Materialovedenie. E`nergetika. 2012;1(142):199–206. (In Russ.)
  7. Lomakin VO, Shcherbachev PV, Tarasov OI, et al. Creation of parameterized 3D-models of centrifugal pumps flow part. Mashinostroenie i komp’yuternye tekhnologii. 2012;04:7. (In Russ.)
  8. Kostornoy S, Chaplygin A, Kostornoy A. Automatized Design of the Centrifugal Pumps Setting on the Base of Mathematic Modeling of Fluid Flow. Procedia Engineering. 2012;39:212–222. doi: 10.1016/j.proeng.2012.07.027
  9. Pansare R, Palsodkar M. Agility through design automation: A study on centrifugal pump design. In: 2017 International Conference on Nascent Technologies in Engineering (ICNTE). IEEE. 2017:1-8. doi: 10.1109/ICNTE.2017.7947921
  10. Rudnev SS, Baibakov OV, Matveev IV, Melashchenko VI. Methodical manual for calculation of the screw-centrifugal pump stage. Moscow: M-vo vyssh. i sred. spets. obrazovaniya SSSR. Mosk. vyssh. tekhn. uchilishche im. N. E. Baumana; 1974. (In Russ.)
  11. Borovskiy BI. Energy parameters and characteristics of high-pressure vane pumps. Moscow: Mashinostroenie. 1989. (In Russ.)
  12. KOMPAS-Invisible User’s Guide (API KOMPAS-3D). Accessed: 22.05.2024. Available from: https://kompas.ru/source/documents/2021/%D0%A0%D1%83%D0%BA%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%BE%20KOMPAS-Invisible.pdf
  13. Lomakin AA. Centrifugal and axial pumps. Moscow: Mashinostroenie; 1965. (In Russ.)
  14. Pfleiderer K. Centrifugal and propeller pumps. Moscow: ONTI MKhTI SSSR, 1937. (In Russ.)
  15. PyOpenGL 3.x The Python OpenGL Binding. Accessed: 22.05.2024. Available from: https://pyopengl.sourceforge.net/

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. The technical task input.

Download (168KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Architecture of the developed software.

Download (274KB)
Indexing metadata
4. 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; β2ш — angle of exit of relative flow behind the screw at the design diameter, deg.

Download (196KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Visualization of the screw geometry generation: а — a 2D sketch; b — a 3D model.

Download (213KB)
Indexing metadata
6. 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; ηг — hydraulic efficiency of the impeller; ηoб — volumetric efficiency of the impeller; ηмех - mechanical efficiency of the impeller.

Download (255KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. The vane system visualization: а — a 2D sketch; b — a 3D model.

Download (233KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. The spiral outlet design algorithm.

Download (273KB)
Indexing metadata
9. 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.

Download (274KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Eco-Vector

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».