汽輪機隔板的參數化自動出圖研究

［摘 要］文章對汽輪機隔板結構特點進行了分析，按照區域詳細推導了相關尺寸鏈，結合現有生產圖紙的表達方式，梳理了關鍵尺寸要素，確保了參數化設計隔板的可行性。然后利用web 技術搭建人機交互系統與前后端，利用CAD 軟件的二次開發模塊GRX，實現隔板參數化自動出圖。

［關鍵詞］隔板；結構尺寸；參數化；CAD 二次開發

［中圖分類號］U468.2 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）05–0109–03

隔板是汽輪機的重要組成部件，起到固定靜葉片，引導蒸汽流向，同時分隔壓力腔室的作用。1 臺典型的沖動式汽輪機通常擁有多級隔板，有的甚至多達二三十級。每一級隔板的結構尺寸需適應對應的動葉片、靜葉片和熱力計算要求，以滿足整個通流設計需要。在生產制造過程中，也同樣是以級次為單位，進行生產或分包。因此每一級隔板均需要單獨設計1 套完整的圖紙，隔板設計出圖因此成為了汽輪機本體設計的重要工作，占用了大量的設計工時。在當下競爭激烈的市場環境下，合同的交貨周期不斷被壓縮，使得提高隔板出圖效率，加快隔板出圖速度成為了縮短汽輪機本體設計周期的關鍵，文章對此展開研究。

1 隔板結構分析

1.1 隔板圖紙構成

根據靜葉片的不同，目前汽輪機隔板主要分為圍帶式、直焊式和帶冠式。其中圍帶式隔板使用數量最多，最為常見，結構形式也相對固化，適合參數化分析。機械部套的生產圖紙一般由零件圖、裝焊圖、加工圖和總圖構成，若同時采用PLM 系統管理，還需要有能反映物料數量和層級結構的部套目錄。對應到1 套普通的圍帶式隔板上，通常需要的圖紙包括隔板總圖、隔板加工圖、隔板裝焊圖、隔板外環、隔板體、外圍帶、內圍帶、汽封體、徑向汽封片、物料清單和結構清單，這些也是隔板自動出圖需要最終輸出的成果。

1.2 隔板圖紙拆解

面對隔板復雜的結構，需要化繁為簡，按照結構和功能的特點將隔板進行區域劃分，再針對每一塊區域分別進行分析，實現各個擊破，最后利用尺寸鏈關系將零散區域進行整合，拼接出完整的隔板結構。這里將隔板劃分為葉片、隔板外環、疏水結構、徑向汽封體、葉頂汽封齒、引流結構、葉根汽封、隔板體、通用件等區域。

1.2.1 葉片

靜葉片和動葉片是汽輪機通流設計中的關鍵，直接決定了蒸汽的流向和做功效率，因此隔板靜葉片部分的設計亦是重中之重。在進行某級葉片結構設計之前，先要通過熱力專業計算的結果得到前一級動葉后的蒸汽壓力與溫度，以此確定本級靜葉片的材質。然后需要準備靜葉片的根徑Dj、葉高Lj、數量、旋向、安裝角、上圍帶子午角Ashroud 和下圍帶子午角Ahub，這些數據是現成的，可以從已定版的靜葉片圖紙中得到。

將葉片的型線數據導入到軟件的三維模塊中，根據上述數據，可以得到完整靜葉片的空間三維模型，通過陣列后，可以得到該級隔板整圈的靜葉片空間分布情況，繼而可以測量得到葉片的喉寬數據。通過喉寬× 汽道數量× 葉片高度，即可得到該級隔板的汽道出口面積。同時建立加厚型線的數據庫，通過葉片的型線代號匹配到對應的加厚型線數據，用以推導內外圍帶上加厚型線的沖孔尺寸。

1.2.2 隔板外環

常見的隔板外環如圖1 所示，這里需要確定隔板外徑Dtj、隔板外環的寬度Wwh 及進汽口處的圓角半徑Rjq。隔板肩胛是和汽缸進行配合的地方，有幾種不同的肩胛類型，每種類型均有對應的固定結構尺寸要求，規定了如倒角、圓角、肩胛臺階Dzt 等肩胛的細節尺寸。設計者還需單獨給出的數據有肩胛寬度Wtj、左肩寬度Wzj、左肩直徑Dzj、右肩寬度Wyj、右肩直徑Dyj。

隔板外環毛坯如圖2 所示，是根據鋼板材的常見規格，在加工成品的尺寸基礎上考慮了一定的加工余量，確定了毛坯厚度Wmp 和毛坯外徑Dmp2。隔板外環的內部是焊接圍帶和靜葉片的地方，此處的坡口加工通常如圖2 所示，子午角Amp 和坡口圓角半徑Rmp 一般取定值，令Wex 為葉根出汽側距隔板體邊緣距離，Wdis 為隔板體和隔板外環出汽側距離，設計者僅需給出Wmpy 即可，Wmpz 和Dmp1 的值均可通過簡單的計算獲得：Wmpz=Wmp–Wmpy–10，Dmp1=Dj+2×Lj+2×6/cos（Ashroud）–2×（10+Wmpy–Wex–Wdis–5）×tan（Ashroud）。

外圍帶焊接于隔板外環上，唯一需要輸入的尺寸是其鋼板寬度Wwd，其余尺寸均可通過尺寸鏈計算獲得。葉片出汽邊邊緣到圍帶邊緣的定位值，可由葉片寬度值、加厚型線寬度值等計算確定。節圓尺寸、葉片沖孔間隔尺寸、進汽側和出汽側邊緣彎制直徑值等均可通過簡單的計算獲得，此處不再贅述。

1.2.3 疏水結構

部分隔板在低壓部分需要設置疏水結構，以減小水蝕影響。疏水結構一般設計在隔板外環上，分為級前疏水、級后疏水和疏水孔3 種方式，隔板可以采用其中1 種或多種方式。對于級前疏水，需要給出寬度定位尺寸、疏水直徑和小圓半徑；對于級后疏水，需要給出寬度、疏水直徑、圓角半徑；對于疏水孔，則需給出數量、孔徑、傾角、定位值，疏水孔在圓周的分布形式為整圈均勻分布。

1.2.4 徑向汽封體

隔板徑向汽封體分為直焊式和裝配式兩種。直焊式是將汽封體毛坯加工坡口后焊接在隔板外環上，坡口加工形式由汽封體厚度決定，厚度大于或等于30 mm 時選擇圖3 中視圖I 的形式，厚度小于30 mm時選擇圖3 中視圖II 的形式。坡口加工視圖中的角度、半徑、定位尺寸均為固定尺寸。設計者需要輸入的尺寸為汽封體的外徑Dt2、汽封體的內徑Dt1、汽封體底部定位值Wqfdown、上圓角Rt2、下圓角Rt1。其余尺寸則可通過尺寸鏈計算得出，如圖3 中的Wqftop=Wwh–Wtj–Wzj，汽封體厚度=（Dt2–Dt1）/2，汽封體毛坯外徑Dmp2=Dt2+2× 加工余量5，汽封體毛坯內徑Dmp1=Dt1–2× 加工余量5。

1.2.5 葉頂汽封齒

動葉頂部的汽封齒裝配在汽封體上，為減少級間漏汽，每一級通常設置多道汽封齒，并且長短齒相間，根據動葉片圍帶形狀還可能設計為多個臺階。設計者需要給出臺階數量、汽封齒數量、每個汽封齒中心線與汽封體出汽側邊緣的定位距離Wqfc。目前工廠使用的汽封齒已經標準化，汽封齒齒形部位和汽封體上汽封齒槽位的形狀尺寸均是固定不變的。汽封齒與高速旋轉的動葉圍帶為間隙配合，此處需要給出每個汽封齒與動葉圍帶的間隙范圍h_max 和h_min，以及動葉圍帶的直徑D、上公差D_ud 和下公差D_ld，如此便能計算出汽封齒的內徑和公差范圍。

1.2.6 引流結構

為進一步優化汽道，不少隔板設置了引流結構。引流結構分為隔板體級前引流、隔板體級后引流、隔板外環級后引流3 種形式。隔板體級前和級后引流結構較為簡單，分別給出定位直徑Dqgyl 和Dhgyl、寬度Wqgyl 和Whgyl、角度Aqgyl 和Ahgyl、圓角半徑Rqgyl 和Rhgyl 即可。隔板外環上的級后引流結構較麻煩，但只要給出上下定位半徑Ddyl2 和Ddyl1、角度Adyl、寬度Wdyl、圓角Rdyl，即可得到確定的引流結構。

1.2.7 葉根汽封

部分隔板在隔板體設置了葉根汽封，以進一步減少級間漏汽。該結構在隔板體出汽側凹進去一處地方，加工出1 個汽封齒，與轉子葉輪上的1 個三角形凸臺形成間隙配合。類似于葉頂汽封齒，此處也需要知道葉輪凸臺的直徑Phi 及其上下公差、汽封齒與臺面的間隙范圍、汽封齒中心線相對于隔板體的定位值Wgf1。另外還需知道該處凹進去的具體尺寸，包括寬度、高度、角度和圓角值。

1.2.8 隔板體

隔板體外形需要給定隔板體寬度、隔板體內徑、進汽側圓角，部分隔板體在級前或級后的底部設置有錐角，可通過給定位直徑或角度確定。用于安裝汽封圈的T 型槽結構尺寸已統一，僅需給出其定位尺寸。

同隔板外環一樣，在隔板體加工件尺寸基礎上，分別在兩側和內部考慮一定的加工余量，根據現有鋼板型材的規格，確定隔板體毛坯的鋼板厚度。同時在外部加工用于焊接的坡口，僅需給出坡口高點與隔板體出汽側邊緣的定位距離，即可計算得出坡口高點直徑等尺寸。坡口的加工角度和圓角半徑同隔板外環一樣。

對于隔板體外部焊接的內圍帶，其計算分析與外圍帶類似，需要給出內圍帶的寬度值，其余尺寸可以通過尺寸鏈推導計算獲得。

2 隔板參數化分析

通過對常規圍帶式隔板各個區域的結構進行拆解分析，找出工程制圖所需的全部尺寸，并將其中需要設計者明確給出的數據進行梳理。這部分數據無法通過其他途徑獲得，是隔板設計中的關鍵數據。只要確定了這部分數據，便可推導計算出圖紙中標注的其他數據。如此一來，便能得到整套隔板繪圖所需的完整數據。將這些數據存入數據庫后，建立對應的參數關系，便可在不同的隔板設計中通過調用、更改參數，實現隔板結構的對應調整，實現參數化驅動。

3 參數化出圖

要先建立一個完善的人機交互界面，方便設計者輸入上文中分析梳理出的關鍵參數，再建立一個數據庫存儲過程中生成的所有參數，然后選擇合適的CAD 二次開發工具，將相關指令導入CAD，實現自動繪圖。

3.1 出圖平臺搭建

出于數據安全及使用方便角度考慮，可以采用主程序及數據庫在服務器運行，設計者在局域網登錄web 網頁進行設計的方式。人機交互系統和知識管理模塊采用B/S 架構，后端使用ASP Web API 開發，開發語言采用C#，IDE 采用Visual Studio 17/19社區版；前端將使用vue 框架進行開發，開發語言采用js/css/html， 兼容HTML5 格式，IDE 為VisualStudio 33 Code。前端界面將兼容主流瀏覽器，包括IE、Chrome、Safari、360 等。數據庫采用關系型數據庫sqlite。

3.2 CAD二次開發工具

目前市場上有眾多的CAD 產品，考慮到自主可控、數據安全及國產替代的需求，選擇國產CAD 進行隔板參數化自動出圖二次開發。國產CAD 經過多年的發展，其功能和性能均已達到第一梯隊水平，并且提供了豐富的二次開發工具。其中GRX 是某國產CAD 平臺推出的最新二次開發包，提供了以C++ 為基礎，面向對象的開發環境及應用程序接口?？梢允褂肎RX 工具實現部分三維建模數據的求取和最終的圖紙出圖。

4 結束語

文章在確認了汽輪機圍帶式隔板的關鍵參數后，通過選擇合適的CAD 二次開發工具，搭建方便的人機交互系統，開發對應的前端與后端，搭建了完整的隔板參數化自動出圖平臺。設計者在web 端錄入隔板關鍵參數后，實現了服務器端自行計算，并調用CAD 實現自動繪圖，最終生成整套隔板圖紙，自動下載到設計者電腦。通過程序優化，還可實現多人同時在線設計，極大地提高了設計效率。

參考文獻

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