激光法測量汽輪機通流間隙的研發(fā)與應用

國核示范電站有限責任公司 李永康 沈郁昕 連永亮

在核電廠汽輪機檢修工作中，通流間隙測量調(diào)整其精確程度對機組運行安全性和經(jīng)濟性有著重要影響，若間隙偏小則容易發(fā)生動靜碰磨，機組振動增大，若間隙偏大，則會增加級間泄漏量，影響機組效率。根據(jù)對某300MW 汽輪機高壓進行計算，徑向通流間隙每增大0.1mm，對級效率對影響在0.1%～0.2%[1]。

1 激光法通流間隙測量原理介紹

激光法測量通流間隙是一種以激光跟蹤儀為基礎(chǔ)，開發(fā)相應測量工具并分別測量轉(zhuǎn)動部件及靜止部件的軸向、徑向等相關(guān)數(shù)據(jù)，通過SA 軟件將靜轉(zhuǎn)部件數(shù)據(jù)進行擬合，最終計算得到汽輪機通流間隙數(shù)據(jù)[2]。

激光測量汽輪機通流間隙專用設(shè)施主要由激光跟蹤儀（API）、測量靶球、萬向轉(zhuǎn)子測量延長桿、磁吸式十字矢量桿、十字矢量桿與汽封齒固定工裝以及計算機組成。測量時，使用相應的工裝將靶球與被測量部件表面貼合，由激光跟蹤儀射出激光并鎖定至測量靶球中心處，確定測點在激光跟蹤儀自帶的球坐標中的位置，經(jīng)過靶球平行反射回激光跟蹤儀后計算激光發(fā)射、反射時間，計算出該點位相對于激光跟蹤儀的空間坐標位置，使用計算機通過SA 軟件計算并收集數(shù)據(jù)進行分析，最終通過坐標點形式顯示出來。激光跟蹤儀單一測量點誤差可＜0.0005mm/m，連續(xù)轉(zhuǎn)站后測量誤差累計＜0.005mm。

2 激光法測量通流間隙優(yōu)缺點

2.1 激光法測量通流間隙的優(yōu)點

一是可對汽輪機動、靜相關(guān)部件尺寸進行直接測量，能夠在徑向通流間隙上相對真實的反映全實缸狀態(tài)。傳統(tǒng)方法對左、右兩側(cè)間隙使用楔形塞尺在半缸下落轉(zhuǎn)子測量，底部間隙在半缸下落轉(zhuǎn)子壓鉛絲測量，頂部間隙落轉(zhuǎn)子后扣上缸測量，以上測量狀態(tài)都距離全實缸狀態(tài)差異較大，對于大型百萬千瓦核電機組，這種差異更大，也很難準確模擬。半缸到全缸狀態(tài)下，缸體的變化趨勢為兩端向外有一定張口，同類項目通過架設(shè)百分表測得變化量可達6mm，中分面螺栓把緊后，張口和垂弧會一定程度上減少。

二是測量精度高。現(xiàn)場通過使用激光跟蹤儀測量標準件驗證其精度，激光跟蹤儀測量精度可達10μm+5μm/m。在進行多次轉(zhuǎn)站測量后，其測量精度仍可保證不低于0.005mm/m。

2.2 激光法測量通流間隙局限性

一是對測量環(huán)境要求較高。由于激光跟蹤儀屬于高精度測量設(shè)備，測量過程中若出現(xiàn)較大振動源，如行車運行、重型汽車經(jīng)過、機床加工等，地面可能會產(chǎn)生較大波動，此時會直接影響測量結(jié)果，且此類影響會根據(jù)測量距離增加而放大。

二是測量過程對溫度變化率要求較高，過高的溫度變化率體現(xiàn)在大型汽輪機上可直接導致轉(zhuǎn)子、靜子出現(xiàn)熱脹冷縮現(xiàn)象，直接影響測量結(jié)果，因此測量過程中，現(xiàn)場溫度變化不應超過5℃。

三是對于剛性支撐軸承的汽輪機適用程度較高，根據(jù)使用百分表實際測量，百萬千瓦核電汽輪機轉(zhuǎn)子在落入軸承箱后，軸承箱下沉量為0.05～0.07mm。對于使用坐缸式軸承的汽輪機，則需要考慮轉(zhuǎn)子落入軸承箱后帶來的較大的缸體變形量，并在進行通流間隙數(shù)據(jù)擬合時進行修正。

3 激光法測量通流間隙方案介紹

3.1 轉(zhuǎn)子測量方案

在轉(zhuǎn)子周圍布置轉(zhuǎn)站點，使用激光跟蹤儀測量轉(zhuǎn)站點坐標建立空間坐標系。轉(zhuǎn)站點的布置要保證在任意1個站位至少可以看到4個轉(zhuǎn)站點。為避免多次轉(zhuǎn)站的累計誤差，在汽輪機周邊布置多個轉(zhuǎn)站點，保證激光跟蹤儀在任何位置都可以看到至少其中的6個點，跟蹤儀一次測量所有的轉(zhuǎn)站點，作為站位1的基準，以后每次移動跟蹤儀時，測量任意6個以上轉(zhuǎn)站點，使其和站位1的坐標系統(tǒng)一。這樣每次移動跟蹤儀都是和站位1的坐標系統(tǒng)一，即便多次轉(zhuǎn)站，誤差也不累積。布置轉(zhuǎn)站點過程中應盡可能將轉(zhuǎn)站點布置的在空間上高低錯落分布，避免出現(xiàn)過于規(guī)則的轉(zhuǎn)站圖形。具體的布置情況需要根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境來定，總體原則只要保證任意站位能看到其中6個以上轉(zhuǎn)站點即可。

測量過程中通過移動激光跟蹤儀，測量相應轉(zhuǎn)站點確定激光跟蹤儀空間坐標系位置后，逐步測量轉(zhuǎn)子軸頸、圍帶等位置，最終形成轉(zhuǎn)子空間坐標系。通過擬合轉(zhuǎn)子兩端軸頸數(shù)據(jù)引申出轉(zhuǎn)子中心線，確定每一級圍帶中心位置，得出圍帶直徑、轉(zhuǎn)子撓度、轉(zhuǎn)子軸頸等數(shù)據(jù)。

3.2 靜止部件測量方案

靜子部分的測量主要集中在軸承箱油擋、高中壓缸缸體端部汽封、隔板汽封、葉頂汽封洼窩的測量，其中葉頂汽封齒的測量是技術(shù)難點，由于葉頂汽封齒距離中徑較遠，處在深槽中，空間狹小，需采用十字矢量桿工裝將測量延伸出來進行測量。完成數(shù)據(jù)采集后使用高中壓缸軸封內(nèi)徑中心作為缸體中心線，確定每一級隔板、葉頂汽封相應直徑坐標系。

4 測量注意要點

一是激光跟蹤儀支撐的有效性。激光跟蹤儀的穩(wěn)定性對測量結(jié)果至關(guān)重要，因此激光跟蹤儀應盡量架設(shè)在缸體兩端軸承箱內(nèi)，并且應避免人員走動、觸碰。激光跟蹤儀支架建議采用吸盤式支架固定，避免破壞軸承箱內(nèi)壁涂有的耐油油漆。

二是消除汽輪機端汽封錯口導致的測量誤差。高中壓缸上下半分缸加工過程中，不可避免的會在汽封中分面存在錯口現(xiàn)象。如果出現(xiàn)錯口情況，在使用激光跟蹤儀測量、擬合汽封圓弧時，會導致最終擬合出的圓弧存在一定傾角，造成圓弧垂面與中心線不垂直，影響測量結(jié)果。因此，在進行測量取點前應首先檢查汽輪機端汽封的汽封齒是否存在錯口情況。

三是控制誤差。每個缸測量前，應至少進行兩次基準坐標取點，并對比兩次測量結(jié)果，確保基準誤差控制在0.03mm 內(nèi)，測量中斷1h 后，重新測量前應對轉(zhuǎn)站點進行復測，轉(zhuǎn)站點坐標誤差應控制在0.03mm內(nèi)。每次移動激光跟蹤儀后，應依次測量轉(zhuǎn)站點，測量轉(zhuǎn)站誤差，轉(zhuǎn)站誤差應在0.05mm 內(nèi)。

5 激光通流技術(shù)在百萬千瓦核電機組測量應用

某新建核電廠使用東汽HD1520A 型核電汽輪發(fā)電機組，是一臺單軸4缸6排汽沖動冷凝式汽輪機，功率為1534MW，汽輪機組涵蓋靜子部件與轉(zhuǎn)子部件兩部分內(nèi)容。靜子部分涵蓋軸承座、軸承、端部汽封、中間汽封體、隔板、汽缸等；轉(zhuǎn)子部分涵蓋主軸、葉輪、動葉片及連接件、聯(lián)軸器等部件。

按上述測量方案對HD1520A 型汽輪機分別進行激光法通流間隙測量和傳統(tǒng)壓鉛絲法通流間隙測量方式，兩種測量方式得到的數(shù)據(jù)在趨勢上體現(xiàn)了半缸到全實缸狀態(tài)下變化，即兩側(cè)均有較小程度的變大，底部間隙在未進行軸承箱下沉量修正之前較大。現(xiàn)場通過對激光法通流間隙測量過程的跟蹤和結(jié)果分析，可以確定激光法測量通流間隙的數(shù)據(jù)是可靠的。

5.1 高中壓缸測量數(shù)據(jù)

圖1 汽輪機高中壓轉(zhuǎn)子測量數(shù)據(jù)

5.2 低壓缸測量數(shù)據(jù)

5.2.1 測量結(jié)果

一是高中壓轉(zhuǎn)子實測值與理論值吻合；二是低壓轉(zhuǎn)子直徑與理論直徑相符，低壓轉(zhuǎn)子圍帶直徑越大出現(xiàn)的偏差越大；三是激光法測量通流間隙結(jié)果與總裝測量數(shù)據(jù)偏差較小，基本處于0.01～0.25mm，測量結(jié)果滿足測量需求。

圖2 汽輪機高中壓缸左右間隙圖

5.2.2 結(jié)果分析

一是低壓轉(zhuǎn)子圍帶處直徑激光測量結(jié)果超出理論值情況有以下兩種可能：圍帶安裝工藝導致最終直徑出現(xiàn)偏差；動平衡試驗導致最終直徑出現(xiàn)偏差。低壓轉(zhuǎn)子在安裝完成后會進行動平衡試驗，調(diào)整轉(zhuǎn)子動平衡，圍帶安裝后葉根之間存在一定量的間隙，動平衡試驗過程中產(chǎn)生較大的離心力導致葉片向外，消除葉片之間的間隙，最終導致低壓轉(zhuǎn)子圍帶處直徑高于理論值較多。

二是激光法測量通流間隙與壓鉛絲法測量出現(xiàn)數(shù)據(jù)偏差主要有以下幾種可能：第一，使用壓鉛絲法測量時汽輪機缸體會出現(xiàn)兩種形變，一種為軸向形變，一種為徑向形變；軸向形變原因為落入轉(zhuǎn)子后由于轉(zhuǎn)子重量導致軸承箱出現(xiàn)下沉，高中壓缸通過貓爪由軸承箱承重，最終出現(xiàn)汽輪機缸體軸向下沉，此部分下沉量已通過現(xiàn)場測量后進行數(shù)據(jù)修正；徑向形變的原因為汽輪機上半缸落下時在中分面與下半缸接觸，由于缸體重量較大，汽輪機缸體會出現(xiàn)徑向的沿中分面左右向外的變形和徑向垂直于中分面上下方向向內(nèi)的變形，缸體變形量約在0.3～0.4mm 范圍內(nèi)，此變形量會在緊固中分面螺栓后消失，但由于上下間隙會出現(xiàn)偏小問題，鉛絲已經(jīng)出現(xiàn)受壓痕跡，因此壓鉛絲法無法完全測量出真實的通流間隙，激光法測量通流間隙和壓鉛絲法測量通流間隙存在0.1～0.2mm 以內(nèi)偏差屬于正常現(xiàn)象。

第二，由于激光跟蹤儀屬于高精度測量儀器，測量精度可達0.005mm，對振動極其敏感，因此影響測量的振動源種類更多，車輛經(jīng)過、現(xiàn)場工作產(chǎn)生的噪聲、行車運行、大件設(shè)備吊裝等都會造成測量偏差，根據(jù)現(xiàn)場試驗在10m 左右距離測量受上述因素影響測量誤差約在0.05mm 左右。

第三，激光法通流間隙測量與壓鉛絲法通流間隙測量主要區(qū)別在于是否存在轉(zhuǎn)子，由于汽輪機轉(zhuǎn)子較重，在汽輪機轉(zhuǎn)子落入軸承箱后由于重力原因會造成軸承箱下沉，導致最終激光法通流間隙測量結(jié)果與實際情況出現(xiàn)偏差，根據(jù)測量得出轉(zhuǎn)子落入軸承箱后軸承箱會出現(xiàn)0.05～0.07mm 的下沉量，因此激光法通流間隙測量完成后需要對軸承箱下沉量進行修正。

6 效果對比

通過同行電廠汽輪機使用壓鉛絲法進行通流間隙測量調(diào)整與總裝廠內(nèi)汽輪機使用激光法測量調(diào)整通流間隙進行對比。高中壓缸測量時間：同行電廠使用傳統(tǒng)方法測量調(diào)整汽輪機高中壓通流間隙時間約為262h，汽輪機總裝廠內(nèi)使用激光法測量調(diào)整通流間隙時間為62h。低壓缸測量時間：同行電廠使用傳統(tǒng)方法測量調(diào)整汽輪機低壓通流間隙時間約為193.6h，汽輪機總裝廠內(nèi)激光法通流間隙測量調(diào)整時間為54h。

綜上所述，激光法測量通流間隙屬于一種可行、科學的檢測手段，相比于傳統(tǒng)壓鉛絲、塞尺測量、貼膠布等方案具有工期短、工序簡單、風險小以及進度高等特點，可以充分減少維修成本以及作業(yè)風險，利用激光法開展通流間隙測量工作，推廣應用價值較為突出。