汽輪機(jī)隔板的參數(shù)化自動(dòng)出圖研究

［摘 要］文章對(duì)汽輪機(jī)隔板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了分析，按照區(qū)域詳細(xì)推導(dǎo)了相關(guān)尺寸鏈，結(jié)合現(xiàn)有生產(chǎn)圖紙的表達(dá)方式，梳理了關(guān)鍵尺寸要素，確保了參數(shù)化設(shè)計(jì)隔板的可行性。然后利用web 技術(shù)搭建人機(jī)交互系統(tǒng)與前后端，利用CAD 軟件的二次開發(fā)模塊GRX，實(shí)現(xiàn)隔板參數(shù)化自動(dòng)出圖。

［關(guān)鍵詞］隔板；結(jié)構(gòu)尺寸；參數(shù)化；CAD 二次開發(fā)

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

隔板是汽輪機(jī)的重要組成部件，起到固定靜葉片，引導(dǎo)蒸汽流向，同時(shí)分隔壓力腔室的作用。1 臺(tái)典型的沖動(dòng)式汽輪機(jī)通常擁有多級(jí)隔板，有的甚至多達(dá)二三十級(jí)。每一級(jí)隔板的結(jié)構(gòu)尺寸需適應(yīng)對(duì)應(yīng)的動(dòng)葉片、靜葉片和熱力計(jì)算要求，以滿足整個(gè)通流設(shè)計(jì)需要。在生產(chǎn)制造過程中，也同樣是以級(jí)次為單位，進(jìn)行生產(chǎn)或分包。因此每一級(jí)隔板均需要單獨(dú)設(shè)計(jì)1 套完整的圖紙，隔板設(shè)計(jì)出圖因此成為了汽輪機(jī)本體設(shè)計(jì)的重要工作，占用了大量的設(shè)計(jì)工時(shí)。在當(dāng)下競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)環(huán)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(jī)本體設(shè)計(jì)周期的關(guān)鍵，文章對(duì)此展開研究。

1 隔板結(jié)構(gòu)分析

1.1 隔板圖紙構(gòu)成

根據(jù)靜葉片的不同，目前汽輪機(jī)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(shù)量最多，最為常見，結(jié)構(gòu)形式也相對(duì)固化，適合參數(shù)化分析。機(jī)械部套的生產(chǎn)圖紙一般由零件圖、裝焊圖、加工圖和總圖構(gòu)成，若同時(shí)采用PLM 系統(tǒng)管理，還需要有能反映物料數(shù)量和層級(jí)結(jié)構(gòu)的部套目錄。對(duì)應(yīng)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(huán)、隔板體、外圍帶、內(nèi)圍帶、汽封體、徑向汽封片、物料清單和結(jié)構(gòu)清單，這些也是隔板自動(dòng)出圖需要最終輸出的成果。

1.2 隔板圖紙拆解

面對(duì)隔板復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，需要化繁為簡(jiǎn)，按照結(jié)構(gòu)和功能的特點(diǎn)將隔板進(jìn)行區(qū)域劃分，再針對(duì)每一塊區(qū)域分別進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)各個(gè)擊破，最后利用尺寸鏈關(guān)系將零散區(qū)域進(jìn)行整合，拼接出完整的隔板結(jié)構(gòu)。這里將隔板劃分為葉片、隔板外環(huán)、疏水結(jié)構(gòu)、徑向汽封體、葉頂汽封齒、引流結(jié)構(gòu)、葉根汽封、隔板體、通用件等區(qū)域。

1.2.1 葉片

靜葉片和動(dòng)葉片是汽輪機(jī)通流設(shè)計(jì)中的關(guān)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(shè)計(jì)亦是重中之重。在進(jìn)行某級(jí)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前，先要通過熱力專業(yè)計(jì)算的結(jié)果得到前一級(jí)動(dòng)葉后的蒸汽壓力與溫度，以此確定本級(jí)靜葉片的材質(zhì)。然后需要準(zhǔn)備靜葉片的根徑Dj、葉高Lj、數(shù)量、旋向、安裝角、上圍帶子午角Ashroud 和下圍帶子午角Ahub，這些數(shù)據(jù)是現(xiàn)成的，可以從已定版的靜葉片圖紙中得到。

將葉片的型線數(shù)據(jù)導(dǎo)入到軟件的三維模塊中，根據(jù)上述數(shù)據(jù)，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(jí)隔板整圈的靜葉片空間分布情況，繼而可以測(cè)量得到葉片的喉寬數(shù)據(jù)。通過喉寬× 汽道數(shù)量× 葉片高度，即可得到該級(jí)隔板的汽道出口面積。同時(shí)建立加厚型線的數(shù)據(jù)庫(kù)，通過葉片的型線代號(hào)匹配到對(duì)應(yīng)的加厚型線數(shù)據(jù)，用以推導(dǎo)內(nèi)外圍帶上加厚型線的沖孔尺寸。

1.2.2 隔板外環(huán)

常見的隔板外環(huán)如圖1 所示，這里需要確定隔板外徑Dtj、隔板外環(huán)的寬度Wwh 及進(jìn)汽口處的圓角半徑Rjq。隔板肩胛是和汽缸進(jìn)行配合的地方，有幾種不同的肩胛類型，每種類型均有對(duì)應(yīng)的固定結(jié)構(gòu)尺寸要求，規(guī)定了如倒角、圓角、肩胛臺(tái)階Dzt 等肩胛的細(xì)節(jié)尺寸。設(shè)計(jì)者還需單獨(dú)給出的數(shù)據(jù)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(huán)毛坯如圖2 所示，是根據(jù)鋼板材的常見規(guī)格，在加工成品的尺寸基礎(chǔ)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(huán)的內(nèi)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(cè)距隔板體邊緣距離，Wdis 為隔板體和隔板外環(huán)出汽側(cè)距離，設(shè)計(jì)者僅需給出Wmpy 即可，Wmpz 和Dmp1 的值均可通過簡(jiǎn)單的計(jì)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(huán)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(jì)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(jì)算確定。節(jié)圓尺寸、葉片沖孔間隔尺寸、進(jìn)汽側(cè)和出汽側(cè)邊緣彎制直徑值等均可通過簡(jiǎn)單的計(jì)算獲得，此處不再贅述。

1.2.3 疏水結(jié)構(gòu)

部分隔板在低壓部分需要設(shè)置疏水結(jié)構(gòu)，以減小水蝕影響。疏水結(jié)構(gòu)一般設(shè)計(jì)在隔板外環(huán)上，分為級(jí)前疏水、級(jí)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(duì)于級(jí)前疏水，需要給出寬度定位尺寸、疏水直徑和小圓半徑；對(duì)于級(jí)后疏水，需要給出寬度、疏水直徑、圓角半徑；對(duì)于疏水孔，則需給出數(shù)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(huán)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(shí)選擇圖3 中視圖I 的形式，厚度小于30 mm時(shí)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(shè)計(jì)者需要輸入的尺寸為汽封體的外徑Dt2、汽封體的內(nèi)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(jì)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(nèi)徑Dmp1=Dt1–2× 加工余量5。

1.2.5 葉頂汽封齒

動(dòng)葉頂部的汽封齒裝配在汽封體上，為減少級(jí)間漏汽，每一級(jí)通常設(shè)置多道汽封齒，并且長(zhǎng)短齒相間，根據(jù)動(dòng)葉片圍帶形狀還可能設(shè)計(jì)為多個(gè)臺(tái)階。設(shè)計(jì)者需要給出臺(tái)階數(shù)量、汽封齒數(shù)量、每個(gè)汽封齒中心線與汽封體出汽側(cè)邊緣的定位距離Wqfc。目前工廠使用的汽封齒已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)的動(dòng)葉圍帶為間隙配合，此處需要給出每個(gè)汽封齒與動(dòng)葉圍帶的間隙范圍h_max 和h_min，以及動(dòng)葉圍帶的直徑D、上公差D_ud 和下公差D_ld，如此便能計(jì)算出汽封齒的內(nèi)徑和公差范圍。

1.2.6 引流結(jié)構(gòu)

為進(jìn)一步優(yōu)化汽道，不少隔板設(shè)置了引流結(jié)構(gòu)。引流結(jié)構(gòu)分為隔板體級(jí)前引流、隔板體級(jí)后引流、隔板外環(huán)級(jí)后引流3 種形式。隔板體級(jí)前和級(jí)后引流結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)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(huán)上的級(jí)后引流結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。

1.2.7 葉根汽封

部分隔板在隔板體設(shè)置了葉根汽封，以進(jìn)一步減少級(jí)間漏汽。該結(jié)構(gòu)在隔板體出汽側(cè)凹進(jìn)去一處地方，加工出1 個(gè)汽封齒，與轉(zhuǎn)子葉輪上的1 個(gè)三角形凸臺(tái)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(tái)的直徑Phi 及其上下公差、汽封齒與臺(tái)面的間隙范圍、汽封齒中心線相對(duì)于隔板體的定位值Wgf1。另外還需知道該處凹進(jìn)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(nèi)徑、進(jìn)汽側(cè)圓角，部分隔板體在級(jí)前或級(jí)后的底部設(shè)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(jié)構(gòu)尺寸已統(tǒng)一，僅需給出其定位尺寸。

同隔板外環(huán)一樣，在隔板體加工件尺寸基礎(chǔ)上，分別在兩側(cè)和內(nèi)部考慮一定的加工余量，根據(jù)現(xiàn)有鋼板型材的規(guī)格，確定隔板體毛坯的鋼板厚度。同時(shí)在外部加工用于焊接的坡口，僅需給出坡口高點(diǎn)與隔板體出汽側(cè)邊緣的定位距離，即可計(jì)算得出坡口高點(diǎn)直徑等尺寸。坡口的加工角度和圓角半徑同隔板外環(huán)一樣。

對(duì)于隔板體外部焊接的內(nèi)圍帶，其計(jì)算分析與外圍帶類似，需要給出內(nèi)圍帶的寬度值，其余尺寸可以通過尺寸鏈推導(dǎo)計(jì)算獲得。

2 隔板參數(shù)化分析

通過對(duì)常規(guī)圍帶式隔板各個(gè)區(qū)域的結(jié)構(gòu)進(jìn)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(shè)計(jì)者明確給出的數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理。這部分?jǐn)?shù)據(jù)無(wú)法通過其他途徑獲得，是隔板設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。只要確定了這部分?jǐn)?shù)據(jù)，便可推導(dǎo)計(jì)算出圖紙中標(biāo)注的其他數(shù)據(jù)。如此一來(lái)，便能得到整套隔板繪圖所需的完整數(shù)據(jù)。將這些數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)后，建立對(duì)應(yīng)的參數(shù)關(guān)系，便可在不同的隔板設(shè)計(jì)中通過調(diào)用、更改參數(shù)，實(shí)現(xiàn)隔板結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化驅(qū)動(dòng)。

3 參數(shù)化出圖

要先建立一個(gè)完善的人機(jī)交互界面，方便設(shè)計(jì)者輸入上文中分析梳理出的關(guān)鍵參數(shù)，再建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)過程中生成的所有參數(shù)，然后選擇合適的CAD 二次開發(fā)工具，將相關(guān)指令導(dǎo)入CAD，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)繪圖。

3.1 出圖平臺(tái)搭建

出于數(shù)據(jù)安全及使用方便角度考慮，可以采用主程序及數(shù)據(jù)庫(kù)在服務(wù)器運(yùn)行，設(shè)計(jì)者在局域網(wǎng)登錄web 網(wǎng)頁(yè)進(jìn)行設(shè)計(jì)的方式。人機(jī)交互系統(tǒng)和知識(shí)管理模塊采用B/S 架構(gòu)，后端使用ASP Web API 開發(fā)，開發(fā)語(yǔ)言采用C#，IDE 采用Visual Studio 17/19社區(qū)版；前端將使用vue 框架進(jìn)行開發(fā)，開發(fā)語(yǔ)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(shù)據(jù)庫(kù)采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)sqlite。

3.2 CAD二次開發(fā)工具

目前市場(chǎng)上有眾多的CAD 產(chǎn)品，考慮到自主可控、數(shù)據(jù)安全及國(guó)產(chǎn)替代的需求，選擇國(guó)產(chǎn)CAD 進(jìn)行隔板參數(shù)化自動(dòng)出圖二次開發(fā)。國(guó)產(chǎn)CAD 經(jīng)過多年的發(fā)展，其功能和性能均已達(dá)到第一梯隊(duì)水平，并且提供了豐富的二次開發(fā)工具。其中GRX 是某國(guó)產(chǎn)CAD 平臺(tái)推出的最新二次開發(fā)包，提供了以C++ 為基礎(chǔ)，面向?qū)ο蟮拈_發(fā)環(huán)境及應(yīng)用程序接口?？梢允褂肎RX 工具實(shí)現(xiàn)部分三維建模數(shù)據(jù)的求取和最終的圖紙出圖。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章在確認(rèn)了汽輪機(jī)圍帶式隔板的關(guān)鍵參數(shù)后，通過選擇合適的CAD 二次開發(fā)工具，搭建方便的人機(jī)交互系統(tǒng)，開發(fā)對(duì)應(yīng)的前端與后端，搭建了完整的隔板參數(shù)化自動(dòng)出圖平臺(tái)。設(shè)計(jì)者在web 端錄入隔板關(guān)鍵參數(shù)后，實(shí)現(xiàn)了服務(wù)器端自行計(jì)算，并調(diào)用CAD 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)繪圖，最終生成整套隔板圖紙，自動(dòng)下載到設(shè)計(jì)者電腦。通過程序優(yōu)化，還可實(shí)現(xiàn)多人同時(shí)在線設(shè)計(jì)，極大地提高了設(shè)計(jì)效率。

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