汽轮机隔板的参数化自动出图研究

［摘 要］文章对汽轮机隔板结构特点进行了分析，按照区域详细推导了相关尺寸链，结合现有生产图纸的表达方式，梳理了关键尺寸要素，确保了参数化设计隔板的可行性。然后利用web 技术搭建人机交互系统与前后端，利用CAD 软件的二次开发模块GRX，实现隔板参数化自动出图。

［关键词］隔板；结构尺寸；参数化；CAD 二次开发

［中图分类号］U468.2 ［文献标志码］A ［文章编号］2095–6487（2024）05–0109–03

隔板是汽轮机的重要组成部件，起到固定静叶片，引导蒸汽流向，同时分隔压力腔室的作用。1 台典型的冲动式汽轮机通常拥有多级隔板，有的甚至多达二三十级。每一级隔板的结构尺寸需适应对应的动叶片、静叶片和热力计算要求，以满足整个通流设计需要。在生产制造过程中，也同样是以级次为单位，进行生产或分包。因此每一级隔板均需要单独设计1 套完整的图纸，隔板设计出图因此成为了汽轮机本体设计的重要工作，占用了大量的设计工时。在当下竞争激烈的市场环境下，合同的交货周期不断被压缩，使得提高隔板出图效率，加快隔板出图速度成为了缩短汽轮机本体设计周期的关键，文章对此展开研究。

1 隔板结构分析

1.1 隔板图纸构成

根据静叶片的不同，目前汽轮机隔板主要分为围带式、直焊式和带冠式。其中围带式隔板使用数量最多，最为常见，结构形式也相对固化，适合参数化分析。机械部套的生产图纸一般由零件图、装焊图、加工图和总图构成，若同时采用PLM 系统管理，还需要有能反映物料数量和层级结构的部套目录。对应到1 套普通的围带式隔板上，通常需要的图纸包括隔板总图、隔板加工图、隔板装焊图、隔板外环、隔板体、外围带、内围带、汽封体、径向汽封片、物料清单和结构清单，这些也是隔板自动出图需要最终输出的成果。

1.2 隔板图纸拆解

面对隔板复杂的结构，需要化繁为简，按照结构和功能的特点将隔板进行区域划分，再针对每一块区域分别进行分析，实现各个击破，最后利用尺寸链关系将零散区域进行整合，拼接出完整的隔板结构。这里将隔板划分为叶片、隔板外环、疏水结构、径向汽封体、叶顶汽封齿、引流结构、叶根汽封、隔板体、通用件等区域。

1.2.1 叶片

静叶片和动叶片是汽轮机通流设计中的关键，直接决定了蒸汽的流向和做功效率，因此隔板静叶片部分的设计亦是重中之重。在进行某级叶片结构设计之前，先要通过热力专业计算的结果得到前一级动叶后的蒸汽压力与温度，以此确定本级静叶片的材质。然后需要准备静叶片的根径Dj、叶高Lj、数量、旋向、安装角、上围带子午角Ashroud 和下围带子午角Ahub，这些数据是现成的，可以从已定版的静叶片图纸中得到。

将叶片的型线数据导入到软件的三维模块中，根据上述数据，可以得到完整静叶片的空间三维模型，通过阵列后，可以得到该级隔板整圈的静叶片空间分布情况，继而可以测量得到叶片的喉宽数据。通过喉宽× 汽道数量× 叶片高度，即可得到该级隔板的汽道出口面积。同时建立加厚型线的数据库，通过叶片的型线代号匹配到对应的加厚型线数据，用以推导内外围带上加厚型线的冲孔尺寸。

1.2.2 隔板外环

常见的隔板外环如图1 所示，这里需要确定隔板外径Dtj、隔板外环的宽度Wwh 及进汽口处的圆角半径Rjq。隔板肩胛是和汽缸进行配合的地方，有几种不同的肩胛类型，每种类型均有对应的固定结构尺寸要求，规定了如倒角、圆角、肩胛台阶Dzt 等肩胛的细节尺寸。设计者还需单独给出的数据有肩胛宽度Wtj、左肩宽度Wzj、左肩直径Dzj、右肩宽度Wyj、右肩直径Dyj。

隔板外环毛坯如图2 所示，是根据钢板材的常见规格，在加工成品的尺寸基础上考虑了一定的加工余量，确定了毛坯厚度Wmp 和毛坯外径Dmp2。隔板外环的内部是焊接围带和静叶片的地方，此处的坡口加工通常如图2 所示，子午角Amp 和坡口圆角半径Rmp 一般取定值，令Wex 为叶根出汽侧距隔板体边缘距离，Wdis 为隔板体和隔板外环出汽侧距离，设计者仅需给出Wmpy 即可，Wmpz 和Dmp1 的值均可通过简单的计算获得：Wmpz=Wmp–Wmpy–10，Dmp1=Dj+2×Lj+2×6/cos（Ashroud）–2×（10+Wmpy–Wex–Wdis–5）×tan（Ashroud）。

外围带焊接于隔板外环上，唯一需要输入的尺寸是其钢板宽度Wwd，其余尺寸均可通过尺寸链计算获得。叶片出汽边边缘到围带边缘的定位值，可由叶片宽度值、加厚型线宽度值等计算确定。节圆尺寸、叶片冲孔间隔尺寸、进汽侧和出汽侧边缘弯制直径值等均可通过简单的计算获得，此处不再赘述。

1.2.3 疏水结构

部分隔板在低压部分需要设置疏水结构，以减小水蚀影响。疏水结构一般设计在隔板外环上，分为级前疏水、级后疏水和疏水孔3 种方式，隔板可以采用其中1 种或多种方式。对于级前疏水，需要给出宽度定位尺寸、疏水直径和小圆半径；对于级后疏水，需要给出宽度、疏水直径、圆角半径；对于疏水孔，则需给出数量、孔径、倾角、定位值，疏水孔在圆周的分布形式为整圈均匀分布。

1.2.4 径向汽封体

隔板径向汽封体分为直焊式和装配式两种。直焊式是将汽封体毛坯加工坡口后焊接在隔板外环上，坡口加工形式由汽封体厚度决定，厚度大于或等于30 mm 时选择图3 中视图I 的形式，厚度小于30 mm时选择图3 中视图II 的形式。坡口加工视图中的角度、半径、定位尺寸均为固定尺寸。设计者需要输入的尺寸为汽封体的外径Dt2、汽封体的内径Dt1、汽封体底部定位值Wqfdown、上圆角Rt2、下圆角Rt1。其余尺寸则可通过尺寸链计算得出，如图3 中的Wqftop=Wwh–Wtj–Wzj，汽封体厚度=（Dt2–Dt1）/2，汽封体毛坯外径Dmp2=Dt2+2× 加工余量5，汽封体毛坯内径Dmp1=Dt1–2× 加工余量5。

1.2.5 叶顶汽封齿

动叶顶部的汽封齿装配在汽封体上，为减少级间漏汽，每一级通常设置多道汽封齿，并且长短齿相间，根据动叶片围带形状还可能设计为多个台阶。设计者需要给出台阶数量、汽封齿数量、每个汽封齿中心线与汽封体出汽侧边缘的定位距离Wqfc。目前工厂使用的汽封齿已经标准化，汽封齿齿形部位和汽封体上汽封齿槽位的形状尺寸均是固定不变的。汽封齿与高速旋转的动叶围带为间隙配合，此处需要给出每个汽封齿与动叶围带的间隙范围h_max 和h_min，以及动叶围带的直径D、上公差D_ud 和下公差D_ld，如此便能计算出汽封齿的内径和公差范围。

1.2.6 引流结构

为进一步优化汽道，不少隔板设置了引流结构。引流结构分为隔板体级前引流、隔板体级后引流、隔板外环级后引流3 种形式。隔板体级前和级后引流结构较为简单，分别给出定位直径Dqgyl 和Dhgyl、宽度Wqgyl 和Whgyl、角度Aqgyl 和Ahgyl、圆角半径Rqgyl 和Rhgyl 即可。隔板外环上的级后引流结构较麻烦，但只要给出上下定位半径Ddyl2 和Ddyl1、角度Adyl、宽度Wdyl、圆角Rdyl，即可得到确定的引流结构。

1.2.7 叶根汽封

部分隔板在隔板体设置了叶根汽封，以进一步减少级间漏汽。该结构在隔板体出汽侧凹进去一处地方，加工出1 个汽封齿，与转子叶轮上的1 个三角形凸台形成间隙配合。类似于叶顶汽封齿，此处也需要知道叶轮凸台的直径Phi 及其上下公差、汽封齿与台面的间隙范围、汽封齿中心线相对于隔板体的定位值Wgf1。另外还需知道该处凹进去的具体尺寸，包括宽度、高度、角度和圆角值。

1.2.8 隔板体

隔板体外形需要给定隔板体宽度、隔板体内径、进汽侧圆角，部分隔板体在级前或级后的底部设置有锥角，可通过给定位直径或角度确定。用于安装汽封圈的T 型槽结构尺寸已统一，仅需给出其定位尺寸。

同隔板外环一样，在隔板体加工件尺寸基础上，分别在两侧和内部考虑一定的加工余量，根据现有钢板型材的规格，确定隔板体毛坯的钢板厚度。同时在外部加工用于焊接的坡口，仅需给出坡口高点与隔板体出汽侧边缘的定位距离，即可计算得出坡口高点直径等尺寸。坡口的加工角度和圆角半径同隔板外环一样。

对于隔板体外部焊接的内围带，其计算分析与外围带类似，需要给出内围带的宽度值，其余尺寸可以通过尺寸链推导计算获得。

2 隔板参数化分析

通过对常规围带式隔板各个区域的结构进行拆解分析，找出工程制图所需的全部尺寸，并将其中需要设计者明确给出的数据进行梳理。这部分数据无法通过其他途径获得，是隔板设计中的关键数据。只要确定了这部分数据，便可推导计算出图纸中标注的其他数据。如此一来，便能得到整套隔板绘图所需的完整数据。将这些数据存入数据库后，建立对应的参数关系，便可在不同的隔板设计中通过调用、更改参数，实现隔板结构的对应调整，实现参数化驱动。

3 参数化出图

要先建立一个完善的人机交互界面，方便设计者输入上文中分析梳理出的关键参数，再建立一个数据库存储过程中生成的所有参数，然后选择合适的CAD 二次开发工具，将相关指令导入CAD，实现自动绘图。

3.1 出图平台搭建

出于数据安全及使用方便角度考虑，可以采用主程序及数据库在服务器运行，设计者在局域网登录web 网页进行设计的方式。人机交互系统和知识管理模块采用B/S 架构，后端使用ASP Web API 开发，开发语言采用C#，IDE 采用Visual Studio 17/19社区版；前端将使用vue 框架进行开发，开发语言采用js/css/html， 兼容HTML5 格式，IDE 为VisualStudio 33 Code。前端界面将兼容主流浏览器，包括IE、Chrome、Safari、360 等。数据库采用关系型数据库sqlite。

3.2 CAD二次开发工具

目前市场上有众多的CAD 产品，考虑到自主可控、数据安全及国产替代的需求，选择国产CAD 进行隔板参数化自动出图二次开发。国产CAD 经过多年的发展，其功能和性能均已达到第一梯队水平，并且提供了丰富的二次开发工具。其中GRX 是某国产CAD 平台推出的最新二次开发包，提供了以C++ 为基础，面向对象的开发环境及应用程序接口。可以使用GRX 工具实现部分三维建模数据的求取和最终的图纸出图。

4 结束语

文章在确认了汽轮机围带式隔板的关键参数后，通过选择合适的CAD 二次开发工具，搭建方便的人机交互系统，开发对应的前端与后端，搭建了完整的隔板参数化自动出图平台。设计者在web 端录入隔板关键参数后，实现了服务器端自行计算，并调用CAD 实现自动绘图，最终生成整套隔板图纸，自动下载到设计者电脑。通过程序优化，还可实现多人同时在线设计，极大地提高了设计效率。

参考文献

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