（机械设计及理论专业论文）基于proe的汽轮机转子变型设计研究.pdf

荩丁p r o e 的汽轮机转f 变刊设计研究 摘要 汽轮机是一种以水蒸气为工质，将热能转变为机械能的高速回转式原动机。汽轮机 转子是汽轮机的重要部件，它担负着工质能量转换和传递扭矩的任务。传统的汽轮机转 子设计方法经常需要重复计算建模，效率很低。事实上，各类转子的结构之间具有很多 相似之处，如果将变型设计方法应用于转子的设计中，必将大大减少重复劳动，提高设 计效率。 针对这一情况，本文利用p r o e 二次开发工具p 椰o l k i t 在v c + + n e t 2 0 0 3 开发 环境下建立了一个汽轮机转子变型设计系统，从而实现了汽轮机转子的快速设计。基于 这一系统的建立，本文主要开展了以下几个方面的工作： 首先对汽轮机转子的结构特点进行了分析，并对其各个零部件做了进一步分析。根 据汽轮机转子的结构特点，确定了变型设计方案。之后基于变型设计技术对约束联动和 尺寸驱动方法进行了研究，通过特征优化组合和参数关系式约束建立了p r o e 样板模型， 并提取了主约束。接着对p r o t o o l k i t 控制技术进行了研究，实现了对样板模型特征 和参数的控制。 然后根据成组技术和分类编码系统的基本原理，建立了汽轮机转子分类编码系统。 基于该分类编码系统，用特征位码域法建立了汽轮机转子的相似性标准。这样就可以对 转子模型进行编码并分类成组，方便了以后的管理和调用，起到了对汽轮机转子变型设 计系统优化的作用。 最后基于这些分析和理论，建立了汽轮机转子变型设计系统。并对该系统的总体结 构及各个模块的功能特点和使用方法进行了详细说明。 关键词：汽轮机转子；变型设计；p r o e ：p r o 厂r o o l t ；成组技术 哈尔滨- r - 1 ：i i 人学硕十学何论文 a b s t r a c t t u r b i n ei sak i n do fh i g h s p e e dr o t a r yp r i m em o v e rw h i c hu s e ss t r e a ma sw o r k i n gf l u i d i tc o n v e r t sh e a te n e r g yi n t om e c h a n i c a le n e r g y r o t o ri sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to ft u r b i n e w h i c ht a k e sc h a r g eo fe n e r g yc o n v e r s i o na n dt o r q u et r a n s m i s s i o n t h et r a d i t i o n a ld e s i g n m e t h o d so f t e nn e e dr e p e a t e dc a l c u l a t i o nt oe s t a b l i s ht h em o d e l s ，w h i c hr e s u l t si nt h el o w e f f i c i e n c y i nf a c t ，v a r i o u st y p e so fr o t o r sa r es i m i l a ri ns t r u c t u r e i fv a r i a n td e s i g nm e t h o d w a sa p p l i e dt ot h er o t o rd e s i g n i n g ，i tw o u l dg r e a t l yr e d u c ed u p l i c a t ew o r ka n di m p r o v ed e s i g n e f f i c i e n c y a i m i n ga tt h i sf a c t ，p r o t o o l k i t , w h i c hi st h es e c o n dd e v e l o p i n gt o o lo fp r o e ，i su s e d t 0s e tu pav a r i a n td e s i g ns y s t e mo ft u r b i n er o t o ri nv c + + n e t 2 0 0 3d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t t h u st h er a p i dd e s i g no ft u r b i n er o t o ri sa c h i e v e d b a s e do nt h ee s t a b l i s h m e n to ft h i ss y s t e m ， t h ef o l l o w i n ga s p e c t sa r ec a r r i e do u ti nt h i sp a p e r ： f i r s t ，t h es t r u c t u r eo ft u r b i n er o t o r sa n de v e r yp a r to ft h e ma r ea n a l y z e d a c c o r d i n gt o t h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so ft u r b i n er o t o r ，v a r i a n td e s i g np r o g r a m sa r ei d e n t i f i e d a f t e rt h a t ， o nt h eb a s i so fv a r i a n td e s i g nt e c h n o l o g y ，t h ec o n s t r a i n tu n i t e dd r i v e na n dd i m e n s i o nd r i v e n m e t h o d sa r er e s e a r c h e d t h ep r o et e m p l a t em o d e l sa r ee s t a b l i s h e dt h r o u g ht h eo p t i m i z a t i o n c o m b i n a t i o no ft h e i rc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ec o n s t r a i n t so fp a r a m e t e rr e l a t i o n s h i pf o r m u l a e a n dt h em a i nc o n s t r a i n ti se x t r a c t e d t h e nt h ec o n t r o lt e c h n o l o g yo fp r o t o o l k i ti ss t u d i e d ， a n dt h ec o n t r o lo ft e m p l a t em o d e l s c h a r a c t e r i s t i c sa n dp a r a m e t e r sa r er e a l i z e d n e x t ，a c c o r d i n gt ot h eb a s i cp r i n c i p l e so fg r o u pt e c h n o l o g ya n dc l a s s i f i c a t i o nc o d i n g s y s t e m ，t h ec l a s s i f i c a t i o na n dc o d i n gs y s t e mo ft u r b i n er o t o ri se s t a b l i s h e d o nt h eb a s i so f t h i ss y s t e m ，t h es i m i l a rs t a n d a r d so ft u r b i n er o t o r sa r eb u i l tb ya d o p t i n gc h a r a c t e r i s t i cb i tc o d e f i e l dm e t h o d t h u st h er o t o rm o d e l sc a nb ee n c o d e da n dc l a s s i f i e di n t o g r o u p s t h i sm a k e s t h ef u t u r em a n a g e m e n ta n dc a l lm o r ec o n v e n i e n t a n di t p l a y sar o l ei nt h eo p t i m i z a t i o no f t u r b i n er o t o r sv a r i a n td e s i g ns y s t e m f i n a l l y ，b a s e do nt h ea n a l y s i sa n dt h e o r i e s ，at u r b i n er o t o r sv a r i a n td e s i g ns y s t e mi s e s t a b l i s h e d t h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h i ss y s t e m ，t h ef e a t u r e so fe a c hm o d u l ea n dt h eu s i n g m e t h o d sa r ee x p l a i n e di nd e t a i l k e y w o r d s ：t u r b i n er o t o r ；v a r i a n td e s i g n ；p r o e ；p r o t o o l k i t ；g r o u pt e c h n o l o g y 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1课题研究的背景及意义 自1 8 8 3 年瑞典工程师拉伐尔设计制造出世界上第一台汽轮机以来，汽轮机得到了 快速发展。1 8 8 4 年英国工程师柏生斯创造出了反动式汽轮机，1 8 9 6 年美国工程师寇蒂 斯创造出了复速级单级汽轮机，1 9 2 0 年出现了给水回热式汽轮机，1 9 2 1 年出现了辐流 式汽轮机，1 9 2 5 年出现了中间再热式汽轮机1 。至此，汽轮机的设计和制造水平都得到 了很大提高。近几十年随着科学技术的不断进步，汽轮机在舰船和动力工业上得到了广 泛应用，汽轮机正向着大功率、高参数、高效率和高度自动化方向发展。 2 0 世纪5 0 年代，随着新中国的成立，工农业得到了快速发展，我国也相继建立了 一批汽轮机制造厂，主要有上海汽轮机厂、哈尔滨汽轮机厂、东方汽轮机厂等。从1 9 5 6 年我国制造出第一台6 0 0 0 k w 汽轮发电机组，到6 0 年代已经能够制造出2 0 0 m w 、3 0 0 m w 汽轮发电机组，目前己成功生产出6 0 0 m w 汽轮发电机组，使我国汽轮机制造工业接近 了世界先进水平吲。 汽轮机是一种以水蒸气为工质，将热能转变为机械能的回转式原动机嘲。相比其他 形式的原动机，汽轮机具有单机功率大、效率高、运行稳、成本低、寿命长等优点，主 要应用于核电站和常规火力发电站中拖动发电机来产生电能，还可用来驱动风机、给水 泵和船舶的螺旋桨等。所以，汽轮机是现代化建设中常用的动力机械装备，在国家经济 发展中起着非常重要的作用h 。 汽轮机的转动部分总称为转子，是汽轮机最重要的部件之一，其作用是汇集所有动 叶栅所得到的机械能，并将它传递给其他机械1 。担负着工质能量转换和扭矩传递重任 的汽轮机转子主要由主轴、叶轮、叶片、汽封套筒、联轴器等组成。转子在汽轮机中的 特定职能使得这类零件具有种类繁多并且极为复杂的结构形状和不同的轴向尺寸。传统 的转子设计方法比较依赖设计者的经验，需要重复计算建模、工作量大、效率低，已面 临严峻挑战。而转子结构的相似性与设计过程的重复性比较适合于进行变型设计，如果 把变型设计方法应用到转子的设计中，就能将以往的设计经验和知识继承下来，只需要 提供基本的设计参数就可以完全实现转子的自动化建模。设计者可以把主要精力集中在 创造性的概念和整体设计中，这样就可以大大减少设计过程中的重复劳动、提高设计效 率、降低设计成本。目前在汽轮机转子变型设计方面，国内所做的研究还不够。因此， 哈尔滨l ：科人学硕十学侮论文 对汽轮机转子进行变型设计研究非常有必要，并且有着重要的理论价值和广阔的市场发 展前景。 1 2 国内外相关研究现状 1 2 1 c a d 技术的研究动态 c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，计算机辅助设计) 是指工程技术人员利用计算机进 行设计的全过程，包括资料检索、方案构思、工程分析、工程制图、零件造型、编制技 术文件等佟q 。作为一门新兴的学科，c a d 概念一产生，计算机在工程设计中的特殊作 用就得到了工程界的关注和认可，c a d 技术从此便迅速的发展并完善起来。 c a d 技术起步于2 0 世纪5 0 年代后期，在短短5 0 多年的发展历史中，经历了四次 重大的技术革命m 。 第一次技术革命曲面造型技术 。6 0 年代，c a d 的的主要技术特点是交互式二维绘图和简单三维线框模型。 7 0 年代，随着汽车和飞机工业的蓬勃发展，汽车和飞机制造时遇到的自由曲面问题 便凸显出来。此时法国达索飞机制造公司的研发人员，在二维c 删c a m 的基础上，开 发出全新的三维曲面造型系统c a t i a ，使用了一种以表面模型为特点的自由曲面建模 方法。它的出现，第一次让计算机能够完整地描述产品零件的主要信息，标志着第一次 c a d 技术革命的到来。 第二次技术革命实体造型技术 7 0 年代末期，零件的某些特性如重心、质量、惯性矩等难以用表面模型准确表达， 对c a e 的发展非常不利。基于洲c a e 一体化技术发展的探索，在1 9 7 9 年s d r c 公 司发布了世界上首个完全基于实体造型技术的大型c a d c a e 软件i d e a s 。实体造 型技术准确的表达了零件的全部属性，理论上有助于c a d 、c a e 、c a m 模型表达的统 一。实体造型技术的应用和普及标志着c a d 发展历史中的第二次技术革命。 第三次技术革命参数化技术 8 0 年代中期，参数化实体造型方法的提出使c a d 技术的研究又取得了重大进展。 该方法主要具有以下几个特点：基于特征、全数据相关、全尺寸约束、尺寸驱动设计修 改。随后，p t c 公司推出了第一个参数化软件p r o e n g i n e e r 。到9 0 年代，参数化技术已 经比较成熟，其在许多零部件、通用件设计上存在的简单易行的优势随之充分体现出来。 因此，参数化技术的应用主导了c a d 发展历史中的第三次技术革命。 2 第1 章绪论 第四次技术革命变量化技术 9 0 年代初期，随着参数化技术的普遍应用，人们发现该技术尚有一些不足之处。于 是一种把参数化技术作为蓝本，比参数化技术更成熟的实体造型技术变量化技术应 运而生。变量化技术保留了参数化技术的很多原有优点，主要在约束定义方面做了根本 性改变。它允许设计者采用不完全尺寸约束和先形状后尺寸的设计方式，只需要提供必 要的设计条件，仍可以保证设计的正确性和效率性。s d r c 公司率先推出了第一个变量 化技术的软件i - d e a sm a s t e rs e r i e s 。可以说，变量化技术的成功应用驱动了c a d 发展 历史中的第四次技术革命。 我国对c a d 技术的研究起步于上世纪6 0 年代末。自8 0 年代开始，部分研究所和 大中型企业开始采用c a d 技术。目前，国内c a d 技术的应用已经十分广泛，在机械、 航空航天、电子、建筑、化工、交通、教育等领域都取得了显著的经济效益和社会效益。 近几年，我国在c a d 技术的开发方面也取得了长足发展，不仅对国外的许多c a d 软件 进行了汉化和二次开发，还推出了一些具有自主版权的c a d 系统，如开目c a d 、电子 图板c a x a 、高华c a d 等。由于这些软件价格便宜，了解本国市场，提供技术支持方 便，因此受到了广泛欢迎，占领了越来越多的市场份额川。 但是，国内c a d 软件从开发水平到市场应用程度都与发达国家有很大差距。首先 是国外c a d 软件出现较早并且比较成熟，基本上已经占领了国际市场，正大力向我国 市场进军：其次是国内c a d 软件主要进军的是二维绘图市场，自主开发的三维c a d 系 统还不成熟；再次是国内c a d 软件开发者对模型建立的理论和算法方面的研究比较少 i n l 因此，我们应该认清自己的优势与不足，扬长避短，紧跟国际最新动态，立足国内， 开发出拥有自己特色，符合本国国情的c a d 软件。 随着网络技术和计算机的高速发展，对c a d 技术也提出了越来越高的要求。在新 的发展形势下，c a d 技术正向着参数化、智能化、网络化、集成化、标准化、并行设 计和虚拟设计的方向发展。c a d 技术的应用与发展水平已成为衡量一个国家现代化水 平的重要标志。 1 2 2 参数化技术的发展现状 所谓参数化( p a r a m e t r i c ) 就是用参数来表示设计要求、设计方法、设计原则和设 计结果，以便在人机交互过程中能够根据实际情况随时更改。参数化设计技术的核心内 容是约束造型，基本特征是尺寸驱动，根本原理是参数驱动模板文件完成零件设计2 ”1 。 参数化技术是c a d 中最重要的应用技术之一。它使c a d 系统不仅具有交互式绘图 3 哈尔滨t 稃人学硕十学能论文 功能，还具有了自动绘图功能。作为一种基于约束的设计技术，它可使用户在原有设计 的基础上通过给某些尺寸参数赋值来完成新的设计，大大提高了设计的效率和速度6 1 。 因此，参数化技术比较符合现代c a d 中的并行设计和概念设计思想，国内外也对它做 了大量的相关研究。 参数化技术的相关研究工作最早可追溯到上世纪6 0 年代早期，s u t h e r l a n d 在自己开 发的s k e t c h e p a d 系统中，首次通过把几何约束表示为非线性方程来确定二维几何形体的 位置。后来，h i l l y a r d 、g o s s a r d 发展完善了这种思想，并使之进一步实用化。自从p t c 公司在1 9 8 8 年推出首个参数化c a d 系统p r o e n g i n e e r 以来，参数化技术才真正受到学 术界和工程技术界的重视，各大计算机软件公司相继开发了自己的参数化c a d 系统或 者在原有系统中添加参数化功能，展开激烈竞争”8 1 。 目前，国外开发的具有参数化功能的c a d 系统主要有p t c 公司开发的机械设计自 动化软件产品- p r o e n 百n e e r ，u n i g r a p h i c ss o l u t i o n s 公司的拳头产品u g ，a u t o d e s k 公司开发于p c 平台上的三维机械c a d 系统m d t ，生信国际有限公司开发的基于 w i n d o w s 的机械设计软件一o l i d w o r k s ，s d r c 公司新近推出的一种叫做变量几何技 术的新型核心技术- v g x 技术，v c 公司采用p e l o u r s 平台技术开发出的最新产品 p d p 等n 嘲。近年来，国内对参数化技术的研究也显现出较高的热情，并开发了一 些的具有参数化功能的c a d 系统，但这些系统与国外的相比，还不够成熟，需要进一 步完善。 目前，这些c a d 系统参数化设计的主要特点是：基于特征、全尺寸约束、全数据 相关、尺寸驱动m 1 。 ( 1 ) 基于特征：把一些具有代表性的几何形体定义为特征，以此为基础来构造更 为复杂的几何形体。 ( 2 ) 全尺寸约束：模型必须将全约束( 完整的尺寸参数约束) 作为出发点，不能 过约束( 多注尺寸) ，也不能欠约束( 漏注尺寸) 。 ( 3 ) 全数据相关：某个尺寸数值的修改将导致其他相关模块中的相关尺寸全盘更 新。 ( 4 ) 尺寸驱动：通过修改尺寸数值来驱动模型几何形状的变化。 参数化技术在实际应用中有很多优点叭2 5 1 。首先，对模型初始设计的要求比较低， 只需勾绘草图，无需精确制图。其次，便于系列化设计，参数化设计完成后，通过编辑 参数能得到不同尺寸系列的同种规格产品。再次，因修改、编辑方便，能满足反复设计 需要。因此参数化技术大大优化了模型的设计手段，能极大地提高设计速度并减少设计 4 第l 苹绪论 成本，并在实体造型、优化设计、概念设计、机构仿真等领域发挥着越来越大的作用。 1 2 3 变型设计技术的发展现状 变型设计是一种关于设计方法和设计过程的分类定义，是指在原有的设计或设计计 划上，做特定的修改以得到一个和原设计相似的新产品。这种修改并没有破坏原有设 计的基本结构特征和基本原理，只是一种结构的局部调整和尺寸参数的修改，以便能够 快速、低成本、高质量地设计出满足不断变化的市场需求的新产品。变型设计起初主要 应用在集成电路设计和印刷电路设计中，后来机械设计人员也认识到了变型设计的优 点，并将变型设计方法应用到某些机械产品设计过程中删。， 在零件设计方面，变型设计主要包括两个方面例： ( 1 ) 尺寸参数变型设计：这类零件的结构形状完全一样，主要是某些尺寸参数不 同。因此，只需对零件模板的一些尺寸参数重新赋值即可完成变型。 ( 2 ) 结构形状变型设计：这类零件的几何形状比较相似，主要是某些局部结构和 尺寸参数不同。因此，不仅需要改变零件模板的些尺寸参数，还需要改变一些局部结 构才能完成变型。 随着经济的发展，客户需求逐渐呈现出个性化及多样化，产品变型设计优点将越来 越明显。研究表明，现在大约7 0 的产品都是在原有产品的基础上，根据客户需求进行 修改设计来完成的。由此可见，大部分的产品都可以由变型设计来完成。如果使用了变 型设计方法，设计人员在新产品的设计和绘图上只需花费2 5 3 0 的时间，其他时间则 花费在信息采集、资料整理或其他事情上，大大提高了产品设计的质量和速度即。因 此，对产品进行变型设计能使企业及时满足客户的需求，并对市场的变化做出快速响应， 让企业在日益激烈的市场竞争中不断发展。 由于目前的c a d 系统对变型设计的支持程度比较有限，关于变型设计方法的研究 就成为c a d 研究的一个主要方向。目前国内外提出的理论和方法主要有p 2 ”： ( 1 ) 基于装配模型的变型设计理论 该理论研究的重点是产品装配模型的建立过程。装配模型的设计思路主要有两种： 自底向上( d o w n t o p ) 方法和自顶而下( t o p d 0 w n ) 方法。使用自底向上的建模 方法，零件是独立建模，然后通过拼装形成整个产品几何设计，零部件的重用性比较好， 但这种方法难以表达产品的装配信息、功能信息等设计者的设计意图。使用自顶而下的 建模方法，从理论上克服了白底向上建模方法的缺点，能够建立比较完整的描述产品装 配信息的装配模型，并反映出整个产品的设计意图，但是这种方法在c a d 技术上还不 5 哈尔滨l ：稃人学硕十学位论文 是很成熟，其零部件的重用性也比较差。近年来，国内外对装配模型的建立过程进行了 深入研究，但至今还没有形成一套完整的理论体系和实用的建模方法。 ( 2 ) 基于特征的变型设计理论 特征技术是为了弥补传统c a d 系统的缺陷，完成c a m 的集成而被提出来的。 传统c a d 系统使用的是一种基于零件几何尺寸的几何建模方法，这些几何模型没有公 差、加工装配精度、表面粗糙度及材料等工程信息，因此并不能满足制造及力n - r _ 的要求。 而特征设计面向设计和制造的全过程，它把零件的几何模型作为基础并包括了设计及加 工过程所需要的各种信息。特征技术的出现给产品变型设计提供了一种新的方法，可以 通过特征的自动维护和特征的实例化来完成产品的变型设计。但是特征技术也存在许多 缺陷，它是一种零件级的设计，还无法支持概念设计和自顶而下的设计方法，在应用上 受到许多方面的限制。所以特征技术还需在产品变型设计方面做进一步的研究。 ( 3 ) 模块化变型设计理论 模块化设计是以功能分析为基础，通过互联组合一些功能相同而性能用途各不相同 的模块来实现产品的变型设计。它一般包括两个过程：模块的创建和模块的综合。模块 的创建主要是指功能模块的划分及其结构设计；模块的综合主要是指根据设计要求将合 适的功能模块组合成产品。模块化设计能大大缩短产品的设计制造周期、提高产品质量 且降低生产成本，并可快速响应客户小批量、多品种的需求。但是对功能模块的划分不 是随意的，而且各模块之间的装配关系是预先确定且不能随意更改的，这些都限制了模 块化设计的使用范围。 ( 4 ) 基于参数设计和变量设计方法的变型设计理论 参数设计就是用一组参数来表示零部件的尺寸及尺寸之间的关系，一般用来设计结 构比较定型的产品。一些常用的标准化、系列化的零部件比较适合进行参数设计。变量 设计作为参数化设计的延续，要求零部件的修改需要更大的自由度，必须求解一组约束 方程组才能确定零部件的尺寸和形状。变量设计中的约束不仅包括几何尺寸约束还包括 工程约束。目前，约束的多样性和处理约束的复杂性是变量设计方法应用在变型设计系 统中的最大障碍，正成为c a d 系统研究的一个热点。 ( 5 ) 基于关系型产品模型的变型设计理论 关系型产品模型( r p m ) 是指在计算机和先进信息理论的支持下，表达和定义重用 产品资源时所必需的产品数据和数据关系的数字化信息模型。关系型产品模型逻辑上是 由工艺模型、设计模型、制造模型和成本模型组成。 ( 6 ) 基于实例推理技术的变型设计理论 第1 章绪论 目f i ，实例推理技术( c b r ) 主要应用在建筑设计领域，也有一部分应用在机械设 计领域。国外只是推出了一些商用系统，还没有成熟的软件出现。国内在这方面的研究 应用才刚刚起步，还处于引进学习阶段。但是将实例推理技术应用在变型设计中，具有 广阔的发展前景，是势在必行的。 总的来说，上述六种变型设计理论从不同角度解决了变型设计的一些问题，均能完 成一定的变型设计要求，具有很好的理论和实际意义。但各自都还存在一些缺陷，有待 做进一步的研究。 1 3p r o e 二次开发现状 p r o e n g i n e e r ( p r o e ) 软件是美国参数技术公司( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g y c o r p o r a t i o n ) 于1 9 8 8 年开发的以三维造型为设计模式、以参数化为基础的c a d c a m 软件，广泛应用于机械、汽车、通信、电子、模具、航空航天、家电、工业设计等各行 各业。目前p r o e 已具有众多的设计模块，如零件设计、钣金件设计、模具开发、产品 装配、动态仿真、n c 加工等辂蚓。 随着c a d 软件在各个行业的推广普及，其用户越来越多。为了满足各个行业的需 求，包括p r 0 e 在内的多数c a d 软件都向着通用性的方面发展，同时带来的是专业针 对性的降低。当然，p r o e 的三维几何造型功能让我们创建出了很多复杂的几何模型， 但有些时候这些并不能满足我们所有的要求。因此，p r o e 向用户提供了一些二次开发 工具。二次开发不仅提高了p r o e 软件的专业性，还充分发挥了p m e 的使用效率。下 面对p r o e 中常用的二次开发工具做简要介绍m 删。 ( 1 ) 族表( f a m i l y t a b l e ) 族表工具首先建立一个通用零件作为父零件，然后通过控制某些参数的改变来派生 出一系列结构相同或相近的零件。整个族表是一个电子表格的形式，因此又被称为表格 驱动。 。 、 ” ( 2 ) 用户自定义特征( u d f ) 用户自定义特征是将几个系统特征融合成一个整体的自定义特征。一般适用于特定 产品中的特定结构。 ( 3 ) p r o p r o g r a m p r o e 软件会给每个模型生成一个主要设计步骤和参数列表p r o p r o g r a m ，用户可以 根据自己的设计意图束编辑该模型的p r o g r a m ，最终实现通过人机交互的方法来控制特 7 哈尔滨i j 稃人学硕十学f 7 ：论文 征的尺寸以及特征是否隐藏等。 ( 4 ) j - l i n k j - l i n k 是p r o f e 自带的一种基于j a v a 语言的二次开发工具。用户可以通过j a v a 语言编程给p r o e 添加一些自定义的功能。 。( 5 ) p 胛o o l k i t p r 叮o o l k i t 也是p r o e 自带的一种二次开发工具，它采用的是一种面向对象风格 的c 编程，并且提供了一个庞大的c 语言头文件和库文件，可以让用户方便的访问p r o e 的内部应用程序及数据库。 随着p r 0 e 软件的应用越来越广泛，其专业针对性不足的问题逐渐暴露出来。为了 使p r o e 更加本地化，各个领域对p r o e 二次开发方面的研究越来越多。当然，以p r o e 为平台进行变型设计方面的探索研究也越来越多。目前国内外许多研究院所及企业都已 经在这一领域取得了相应的研究成果。例如，天津大学开发了基于p m e 的自行车变型 设计系统，重汽公司开发了基于p r o e 的冲压标准件变型设计系统，同济大学开发了基 于p r o e 的圆柱齿轮减速器变型设计系统，北京交通大学也开发了基于p r 0 e 的内燃机 标准零件库系统等等。 1 4 课题研究的主要内容 由于国内还没有一套完整的汽轮机转子变型设计系统，本文针对这一现状，对汽轮 机转子的特征结构进行分析，研究其三维模型变型设计技术，并在v c + + n e t 2 0 0 3 开发 环境下，利用p r o e 的二次开发工具开发了一个汽轮机转子变型设计系统。具体来说， 本文主要做了如下几个方面的研究： ( 1 ) 对汽轮机转子结构进行了分析，由于转子的每个部件都具有多种结构类型， 因此对每种结构类型的特征、特点及应用也进行了统计和比较，并归纳总结。 ( 2 ) 对变型设计技术进行了研究，在汽轮机转子结构分析的基础上，建立了一些 样板模型，并详细阐述了建模过程。这些样板模型是通过多种汽轮机转子进行特征优化 组合和复杂的尺寸参数关系式约束建立起来的，特征之间通过合理的拓扑关系组合在一 起，根据需要对特征的状态及尺寸参数值进行调整，达到变型的目的。 ( 3 ) 分析并确定了系统的开发方案，利用p r o e 菜单技术和m f c 对话框技术建立 了一个友好的人机交互界面，利用p r o t o o l k i t 应用程序，实现了对样板模型特征及 尺寸的控制。 8 第1 章绪论 ( 4 ) 阐述了成组技术和分类编码系统的基本原理，介绍了编码分类方法。并根据 分类编码系统和汽轮机转子的特点，建立了一个汽轮机转子分类编码系统。 ( 5 ) 根据汽轮机转子分类编码系统，建立了转子的相似性标准，能够对转子进行 编码并分类成组，实现了成组技术对汽轮机转子变型设计系统的优化。 ( 6 ) 利用p r o e 的二次开发工具p r o 们o l k i t 在v c + + n e t 2 0 0 3 开发环境下建立了 一个汽轮机转子变型设计系统。包括转子整体变型设计和转子装配变型设计，从而实现 了汽轮机转子三维模型的智能化变型，达到了快速设计的目的。 9 哈尔滨r 稗人学硕十学何论文 第2 章汽轮机转子的结构分析 汽轮机转子是汽轮机的一个重要部件，它主要担负着工质能量转换和传递扭矩的重 任。这种特殊的职能让汽轮机转子具有种类繁多并且比较复杂的结构形状，但不同种类 的结构之间有很多相似之处。传统的转子设计方法经常需要重复建模，效率很低。如果 能将变型设计方法应用到转子的设计中，可以大大减少重复劳动，提高设计效率。但是 变型设计需要有充足的结构分析为基础，本章将对汽轮机转子的结构做大量的分析，为 转子变型设计奠定基础。 2 1 汽轮机转子的结构与分类 汽轮机的转动部分总称为转子。作为汽轮机的重要部件，转子的作用是汇集动叶栅 所得到的机械能并传递给其他机械。汽轮机转子的组成、分类及应用如图2 1 所示，可 以看出转子主要由主轴、叶轮、叶片、汽封套筒、联轴器等组成。 幽2 1 汽轮机转子的组成、分类及应用 1 0 第2 章汽轮机转子的结构分析 汽轮机转子按外形可分为转轮型转子和转鼓型转子。转轮型转子的动叶片安装在叶 轮上，适用于冲动式汽轮机：转鼓型转子的动叶片安装在转鼓上，适用于反动式汽轮机。 转轮型转子按结构可分为整锻转子、套装转子、组合转子和焊接转子；转鼓型转子按结 构可分为整锻转子和焊接转子一1 。 下面详细地介绍转轮型转子中的整锻转子、套装转子、组合转子和焊接转子1 1 - 4 1 ： ( 1 ) 整锻转子 整锻转子的结构如图2 2 所示。它是由一个整体锻件毛坯加工而成的，其叶轮、联 轴器和汽封套筒等部件与主轴为一个整体，这就解决了径向温差较大时叶轮与主轴连接 可能松动的问题。通常情况下，整锻转子的中心会打一个直径为i o o m m 的孔，以便能 够检查锻件的质量，同时将锻件中间材质差的部分去掉，进一步提高了转子的强度。整 锻转子具有很多优点，如结构紧凑，缩短了汽轮机的轴向尺寸；能在高温条件下运行； 转子的刚性好；启动适应性好等。它的缺点是制造成本较大。目前整锻转子主要用于高 压汽轮机的转子和大型汽轮机的高中压转子。 图2 2 整锻转予结构示意图 ( 2 ) 套装转子 套装转子的结构如图2 3 所示。它是将叶轮、联轴器和汽封套筒等部件分别加工后， 通过热胀的方式套装在主轴上。各部件和主轴之间的配合为过盈配合，以防止因离心力 和温差的作用发生松动。主轴和叶轮、联轴器之间靠平键传递力矩。套装转子节省材料、 加工方便，但在高温条件下，叶轮与主轴之间容易松弛。所以套装转子一般用于中、低 压汽轮机的转子和大型汽轮机的低压转子。 图2 3 套装转子结构示意图 1 1 哈尔滨l ：稃人学硕十学位论文 ( 3 ) 组合转子 组合转子的结构如图2 4 所示。它的高压部分采用整锻结构，中、低压部分采用套 装结构。组合转子具备了整锻转子和套装转子的双重优点，目前已广泛应用于高参数、 中等容量的汽轮机上。 。 、 图2 4 组合转子结构示意图 ( 4 ) 焊接转子 焊接转子的结构如图2 5 所示。它是由两个端轴和若干个实心轮盘焊接而成的。焊 接转子要求材料有很好的焊接性能，但由于它强度高、结构紧凑、质量轻、刚度大，并 且能够满足低压部分大直径的要求，常用于大型汽轮机的低压转子。 图2 5 焊接转子结构示意图 2 2 汽轮机转子零部件的结构分析 2 2 1 叶轮的结构分析 叶轮是用来装置叶片并传递叶栅上的扭矩，由轮缘、轮面和轮毂三个部分组成。叶 轮的外缘用来安装叶片，称为轮缘。轮毂是靠近轮孔的加厚部分，将轮毂与轮缘连接在 一起的部分就是轮面。在轮缘的上面开有叶根槽，其形状与叶片的叶根形状相同。轮毂 内表面通常开有键槽，为了提高轮毂的强度，轮毂处都比较厚。轮面上通常开有5 7 个 平衡孔，用来平衡叶轮前后压差并减小轴向推力p 1 。 根据轮面的断面形状不同，可将叶轮分为：等厚度叶轮、锥形叶轮、双曲线叶轮和 等强度叶轮。如图2 6 所示( a ) 、( b ) 为等厚度叶轮，( c ) 、( d ) 为锥形叶轮，( e ) 为双曲线 叶轮，( f ) 为等强度叶轮。各种叶轮的特点及应用如表2 1 所列。 1 2 第2 章汽轮机转子的结构分析 ( c ) ( d )( e ) 图2 6 叶轮的结构形式 表2 1 叶轮的特点及席用 叶轮类型特点应用 等厚度叶轮加工最方便，强度低经常用于圆周速度不大的情况 锥形叶轮加工方便，强度高，重量轻，圆周速度可达3 0 0 m s应用比较广泛 、1 双曲线叶轮加工比较复杂，强度较低只用于双列速度级上 等强度叶轮加工最复杂，强度最高，圆周速度可达4 0 0 m s用r 圆周速度较大的情况 2 2 2 叶片的结构分析 叶片是将蒸汽进行能量转换的部件，可分为静叶片和动叶片。静叶片习惯上被称为 喷嘴，动叶片习惯上被称为叶片。叶片由叶根、叶型、叶顶三部分组成。 叶根是叶片与叶轮或转鼓的连接部分，用来固定叶片并传递扭矩。叶根在保证强度 的前提下应尽量做到结构简单、方便制造，并尽可能减小叶轮轮缘的轴向尺寸，以能够 缩短通流部分的长度。叶根结构设计的不合理或者与叶根槽的装配不合适，都可能导致 叶片的损坏。叶根的结构形式取决于叶片的强度、转子的结构形式以及制造工艺条件等。 常用的叶根结构形式有以下几种枷。 ( 1 ) t 形叶根 。 t 形叶根结构如图2 7 ( a ) 所示。这种叶根的结构比较简单，加工装配方便，广泛应 用在短叶片上。但是工作时，由叶片旋转产生的离心力会对叶轮轮缘产生弯曲变形。因 此有的人将t 形叶根加工成带有外包凸肩的形式，如图2 7 ( b ) 所示，这种叶根被称为外 包t 形叶根，它很好的解决了这一问题。当叶片较长时，为了尽可能不增加叶轮轮缘的 尺寸，通常采用外包双t 形叶根，其结构如图2 7 ( c ) 所示。 1 3 哈尔滨i ：科人学硕十学何论文 ( a ) t 形叶根 攮铨 ( b ) 外包t 形叶根 ( c ) 外包双t 形叶根 图2 7 t 形叶根结构 ( 2 ) 菌形叶根 菌形叶根结构如图2 8 ( a ) 所示。这种叶根与外包t 形叶根相比，结构很相似。但外 包t 形叶根是叶根包着叶轮轮缘，而菌形叶根是叶轮轮缘包着叶根。菌形叶根从强度上 来讲比外包t 形叶根高，但其加工比较复杂，因此应用不如外包t 形叶根广泛。 ( 3 ) 叉形叶根 叉形叶根结构如图2 8 ( b ) 所示。因其结构形状很像一把叉子，所以被称为叉形叶根。 叉形叶根的叉尾从径向直接插入轮缘中，然后用两排铆钉固定。其叉尾数可以根据叶片 离心力的大小来调整，因而适应性比较好，强度高。叉形叶根加工拆换方便，但装配比 较复杂，主要用在大功率汽轮机的末几级。由于整锻转子和焊接转子不方便铆接，不易 采用这种叶根。 ( 4 ) 纵树形叶根 纵树形叶根结构如图2 8 ( c ) 所示。这种叶根是从侧面装入叶根槽内的，拆换方便。 纵树形叶根被设计成尖劈状，能很好的适应叶根的载荷分布，使叶根和对应的叶轮断面 都接近等强度。它的承载能力大，但外形复杂，加工不方便并且要求加工精度较高，通 常用于大功率汽轮机的末几级。 簖罚i 殄桫鍪 藿 杉 ( a ) 菌形叶根 ( b ) 叉形叶根 ( c ) 纵树形叶根 图2 8 菌形、义形、纵树形叶根结构 综合起来，各种结构形式叶根的特点及应用如表2 2 所列。在保证强度的条件下， 根据实际情况，应尽量选择加工装配方便的叶根结构。 1 4 第2 幸汽轮机转f 的结构分析 表2 2 叶根的特点及应用 叶根类型特点应用 t 形叶根加i ：最方便，强度低，拆换复杂用丁短叶片上，如调：1 了级、高压级 外包t 形叶根加。r ：方便，强度稍高，拆换复杂用于短叶片上，如整锻转子叶片 外包双t 形叶根加i ：稍方便，强度较高，拆换复杂广泛用于较长叶片上 菌形叶根加j i ：复杂，强度高，拆换复杂有时用丁较长叶片上 叉形叶根适应性好，强度高，拆换方便，装配复杂用于大功率汽轮机末几级叶片上 纵树形叶根加工复杂，强度高，拆换方便用丁大功率汽轮机末几级叶片上 叶型是叶片的工作部分，由它构成汽流通道，并在这里实现蒸汽的动能转化为机械 能。根据叶型的截面变化情况，可将叶片分为等截面叶片和变截面叶片。等截面叶片的 截面积从叶顶到叶根始终保持不变，并且叶片的型线也保持不变。变截面叶片的截面积 从叶顶到叶根逐渐变大。汽轮机的末几级叶片一般比较长，从叶顶到叶根的圆周速度变 化很大。在相同进排汽的情况下，不同的圆周速度如果有不同的进汽角和排汽角，能使 蒸汽在叶片中做功更充分。所以长叶片一般做成扭转的变截面叶片。 叶顶是叶片的最顶端部分，它的主要作用是提高叶片的刚性，改善叶片的振动特性。 短叶片通常在叶顶用围带连接，长叶片通常用拉筋连接。围带有多种结构和连接方式， 有的围带与叶片在一起加工，安装好后焊接在一起；有的围带与叶片通过叶顶处的铆钉 头铆接在一起。拉筋也有多种连接方式，如成组连接、整圈连接、z 形连接和网状连接 在占 守。 2 2 3 汽封套筒的结构分析 由于汽封套筒的结构主要取决于汽封的结构，我们先来了解下汽封的结构。汽封是 用来减少蒸汽泄露和减少能量损失的密封装置。在汽轮机转子穿过隔板中心孔处和两端 伸出汽缸处，由于存在动静间隙和压力差，必然产生蒸汽泄露，因而这些地方必须设置 汽封装置。前轴封( 高压轴封) 可防止高压缸向外漏汽，后轴封( 低压轴封) 可防止空 气漏入低压缸，隔板汽封可防止级间漏汽。 汽封的结构形式多种多样，这里主要介绍几种常用的汽封形式【1 钔。 ( 1 ) 梳齿形汽封 如图2 9 所示为高低齿梳齿形汽封的结构。它的汽封环内侧有许多高低不同的齿， 而主轴或者汽封套筒上需要车出许多凸肩，这样汽封齿与凸肩及凸肩槽之间通过预留的 间隙就构成了曲折的汽流通道，能很好地起到减少漏汽的效果。高低齿梳齿形汽封常用 1 5 哈尔滨珲人学硕十学何论文 于高压轴封和高压隔板汽封。 如图2 1 0 所示为平齿梳齿形汽封的结构。它的汽封环内侧有许多高低一样的齿，而 主轴和汽封套筒上也不需要车出凸肩，所以结构比较简单，但阻汽效果比较差。平齿梳 齿形汽封常用于低压轴封和低压隔板汽封。 图2 9 高低齿梳齿形汽封结构 ( 2 ) 纵树形汽封 如图2 1 1 所示为高压纵树形汽封结构， 图2