汽輪機(jī)隔板汽道面積自動檢測技術(shù) 的研究與應(yīng)用

韓撲塄 李吉忠 靳亞峰

(東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司，四川618000)

隔板的汽道面積是決定汽輪機(jī)最大功率的重要參數(shù)，也是衡量隔板制造的關(guān)鍵指標(biāo)，隔板制造質(zhì)量直接影響汽輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行效率，隨著汽輪機(jī)機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)的提高，汽輪機(jī)隔板的出汽口面積等設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)要求也不斷提高。因此，深入研究汽輪機(jī)隔板汽道喉寬及汽道高度測量方法對檢測技術(shù)創(chuàng)新和進(jìn)步具有重要意義。

1 隔板汽道面積檢測水平及發(fā)展趨勢

根據(jù)調(diào)研結(jié)果國外著名的發(fā)電設(shè)備制造廠商三菱對汽輪機(jī)隔板汽道高度及喉寬的測量采用自行研制的數(shù)顯測量設(shè)備。

對汽輪機(jī)隔板喉寬間隙及汽道高度的測量方法分別采用機(jī)械式簡易錐度塞尺(也有采用鏈珠方法測量)和機(jī)械式簡易量具(或采用自行改進(jìn)百分表測量)，數(shù)顯測量技術(shù)正處于研制、開發(fā)起步階段，或處于技術(shù)引進(jìn)階段，尚無自己的一套完整可推廣的測量設(shè)備以及完善的測量方法。

2 汽輪機(jī)隔板汽道面積傳統(tǒng)測量方法

目前對隔板汽道面積的測量是通過測得隔板喉寬及汽道高度數(shù)據(jù)，計(jì)算得出汽道面積，但在測量隔板喉寬及汽道高度時(shí)，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性顯得尤為重要，其中汽道喉寬的測量通過汽道喉寬專用塞尺(見圖1)測量完成。

該測量方法存在較多不足，主要表現(xiàn)在塞尺的最小測量精度僅為0.2 mm；塞尺存在刻線誤差；使用塞尺測量汽道喉寬時(shí)，需人工記錄數(shù)值，再導(dǎo)入數(shù)據(jù)表，并進(jìn)一步計(jì)算出出汽口的面積。在這個(gè)過程中，數(shù)據(jù)采集效率低，且數(shù)據(jù)記錄環(huán)節(jié)多，數(shù)據(jù)出錯(cuò)概率大。

隔板汽道高度是保證隔板質(zhì)量的另一個(gè)關(guān)鍵尺寸，汽道高度的傳統(tǒng)測量方法是用一個(gè)畫規(guī)加裝百分表改制的簡易量具測量隔板汽道高度，傳統(tǒng)方法測量誤差大于0.3 mm，測量誤差較大，準(zhǔn)確性較低，且測量效率低。

圖1 隔板汽道面積專用喉寬塞尺Figure 1 Special throat opening filler gauge of diaphragm pipeline area

因此要提升隔板制造質(zhì)量，隔板汽道面積測量的準(zhǔn)確性尤為重要，對隔板喉寬及汽道高度測量方法的研究及對測量方法的優(yōu)化十分必要。本文分別對隔板喉寬及汽道高度自動檢測設(shè)備的優(yōu)化進(jìn)行研究，并對研究成果進(jìn)行驗(yàn)證。

3 汽輪機(jī)隔板汽道面積測量

3.1 隔板喉寬測量技術(shù)難點(diǎn)

汽輪機(jī)隔板喉寬如圖2所示，在實(shí)際測量過程中，必須測量出最小值，檢測量具應(yīng)該是錐度型測量面，采用線接觸方式進(jìn)行測量。喉寬尺寸范圍為3 mm～50 mm，對于整個(gè)測量范圍的覆蓋，必須分別設(shè)計(jì)與之相適應(yīng)的不同規(guī)格的測量組件，避免測量干涉。

圖2 隔板喉寬測量示意圖Figure 2 Detection of diaphragm throat opening

3.2 隔板汽道高度測量技術(shù)

由于汽輪機(jī)測量隔板汽道高度尺寸從10 mm～1000 mm不同規(guī)格，測量設(shè)備的測量范圍應(yīng)分別適用于不同規(guī)格的汽輪機(jī)隔板汽道高度的測量，需對測量數(shù)顯量具進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)系列化，并制定工藝標(biāo)準(zhǔn)，研制的難度較大。

4 自動檢測設(shè)備的創(chuàng)新

4.1 隔板喉寬自動檢測設(shè)備的研究

隔板喉寬自動測量設(shè)備的設(shè)計(jì)原理及基本結(jié)構(gòu)基于傳統(tǒng)隔板汽道喉寬塞尺測量設(shè)備的改進(jìn)及優(yōu)化，仍使用塞尺進(jìn)行尺寸檢查的原理，新研究設(shè)計(jì)的喉寬測量塞尺能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)汽道喉寬測量數(shù)據(jù)的自動、快速、準(zhǔn)確采集；能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)顯塞尺的數(shù)據(jù)后置處理；能夠提高塞尺測量精度達(dá)到0.01 mm；相比傳統(tǒng)的塞尺可以有效解決汽道塞尺測量喉寬時(shí)需人工讀數(shù)、記錄；數(shù)顯尺的顯示數(shù)值是光柵尺相對零位移動的相對距離值，經(jīng)過公式轉(zhuǎn)化后，才能得到最終的汽道喉寬測量值的換算誤差；常規(guī)汽道塞尺的最小測量精度僅為0.1 mm，精度低。

4.1.1 “直推式”數(shù)顯汽道塞尺

基于上述各項(xiàng)設(shè)計(jì)目標(biāo)，設(shè)計(jì)出“直推式”數(shù)顯汽道塞尺。該塞尺的特點(diǎn)是：將常規(guī)塞尺與光柵采集技術(shù)融合，完成汽道塞尺的自動采集。使用該塞尺測量汽道喉寬時(shí)，通過向前推動該塞尺的觸推板即可實(shí)現(xiàn)喉寬尺寸的定位，并采集。

通過試驗(yàn)驗(yàn)證，該塞尺在使用過程中存在尺體較長，穩(wěn)定性較差等技術(shù)缺點(diǎn)，因此，在其結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，提出了改進(jìn)優(yōu)化，并研制出一種新型塞尺，即彈簧式可換頭數(shù)顯楔形塞尺。

1—楔形尺頭 2—磁柵板 3—觸推板 4—數(shù)據(jù)采集及顯示器 5—彈簧 6—采集線 7—數(shù)據(jù)處理終端 8—手柄圖3 彈簧式可換頭數(shù)顯楔形塞尺結(jié)構(gòu)圖Figure 3 Structure of spring type digital display wedge filler gauge with removable gauge head

4.1.2 彈簧式可換頭數(shù)顯楔形塞尺

4.1.2.1 原理

這種塞尺的基本設(shè)計(jì)原理是利用彈簧的反作用力實(shí)現(xiàn)對汽道喉寬測量的自動定位。

4.1.2.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

彈簧式可換頭數(shù)顯楔形塞尺的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

彈簧式可換頭數(shù)顯楔形塞尺主要包括兩部分：塞尺尺身和數(shù)據(jù)采集及后置處理系統(tǒng)。塞尺尺身由楔形尺頭、光柵板、觸推板、數(shù)據(jù)采集、顯示器、彈簧及手柄等組成，數(shù)據(jù)采集及后置處理系統(tǒng)由采集線及數(shù)據(jù)處理終端等組成。

在塞尺尺身結(jié)構(gòu)中，楔形尺頭與磁柵板、觸推板與數(shù)據(jù)采集及顯示器、手柄與磁柵板分別通過螺栓聯(lián)接，彈簧則通過螺栓分別與磁柵板和數(shù)據(jù)采集及顯示器相聯(lián)接。該塞尺“對零”后，測量汽道喉寬時(shí)，將該塞尺楔形尺頭的斜棱邊沿著隔板汽道節(jié)圓線滑入汽道，楔形尺頭的斜楞邊與導(dǎo)葉片背弧相切，塞尺觸推板的端部與相鄰導(dǎo)葉片的出汽邊相接觸。沿汽道向前滑動塞尺，由于彈簧，觸推板會自動后退，直至塞尺推不動為止。測量過程中，數(shù)據(jù)采集及顯示器會實(shí)時(shí)顯示此時(shí)的測量數(shù)值，但該數(shù)值是磁柵板相對“零位”移動的相對距離值，并非最終的汽道喉寬測量值。在塞尺測量到位后，按下采集線上的采集按鈕，此時(shí)數(shù)據(jù)采集成功，并通過后置處理，在數(shù)據(jù)處理終端顯示的是經(jīng)公式換算后得到的最終的汽道喉寬測量值。

4.1.3 彈簧式可換頭數(shù)顯楔形塞尺設(shè)計(jì)特點(diǎn)

(1)楔形尺頭為斜面向下的楔形結(jié)構(gòu)，楔形段長度為30 mm，如圖4。如塞尺14～17用于測量喉寬值位于14 mm～17 mm之間的汽道喉寬，其楔形尺頭上的尺寸H1為14 mm，H2為17 mm，HA和HB分別為15 mm和16 mm。為方便測量過程中自檢，應(yīng)將刻字和刻線均標(biāo)注于尺頭之上。

(2)使用新型塞尺前，須計(jì)量楔形尺頭α角度值，以便后置處理時(shí)做數(shù)據(jù)補(bǔ)償。

(3)楔形尺頭寬為5 mm，與導(dǎo)葉片背弧接觸的斜邊棱寬為1 mm，斜邊棱寬必須適當(dāng)，如過大則直接導(dǎo)致較大的測量系統(tǒng)誤差，如過小，則尺頭在導(dǎo)葉片背弧上易偏擺，定位困難。1 mm的斜邊棱寬為試驗(yàn)對比所得的合理取值。

圖4 楔形尺頭結(jié)構(gòu)圖Figure 4 Structure of wedge gauge head

(4)楔形尺頭與光柵板通過螺栓聯(lián)接，聯(lián)接部位的下端面應(yīng)與楔形尺頭的斜邊最低點(diǎn)齊平，為了方便操作人員，也可以根據(jù)汽道喉寬的不同置換不同規(guī)格的楔形尺頭，通用性好。

(5)磁柵板采用前窄后寬型式，前端6 mm寬，后端15 mm寬。光柵板上覆蓋光柵尺，且設(shè)有行程為35 mm的止動條。

(6)觸推板與光柵板的前端形狀一致，呈T型結(jié)構(gòu)，前端6 mm寬，其觸頭寬僅為3 mm。

(7)彈簧選用總長為80 mm且初拉力較小的圓柱螺旋拉伸彈簧。

(8)數(shù)據(jù)采集、顯示器與觸推板通過螺栓聯(lián)接。

(9)手柄采用輕質(zhì)材料制作，總長為40 mm。通過螺栓與磁柵板聯(lián)接，易拆卸。

4.1.4 采集及后置處理系統(tǒng)

彈簧式可換頭數(shù)顯楔形塞尺數(shù)據(jù)采集及后置處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)：

4.1.4.1 測量數(shù)據(jù)的補(bǔ)償

圖5 常規(guī)塞尺測量示意圖Figure 5 Detection of normal filler gauge

圖6 數(shù)顯塞尺測量示意圖Figure 6 Detection of digital display filler gauge

該型數(shù)顯塞尺測量值與常規(guī)塞尺測量值存在偏差，分析認(rèn)為兩種塞尺結(jié)構(gòu)形式的不同造成一定的系統(tǒng)誤差。常規(guī)塞尺采用“斜面向上”的測量方式，如圖5所示，而數(shù)顯塞尺采用“斜面向下”的測量方式，如圖6所示。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙上的喉寬測量圖，可以推算出“斜面向下”測量方式(數(shù)顯塞尺)的測量值約為“斜面向上”測量方式(常規(guī)塞尺)的1.005倍，即數(shù)顯塞尺比常規(guī)塞尺的系統(tǒng)偏差達(dá)到喉寬理論值的千分之五。以喉寬理論值16.45 mm為例，數(shù)顯塞尺比常規(guī)塞尺的測量值大0.08 mm。從設(shè)計(jì)圖紙可以看出，“斜面向上”測量方式與設(shè)計(jì)意圖符合，而使用數(shù)顯塞尺測量的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行修正補(bǔ)償。

4.1.4.2 數(shù)據(jù)后置處理

測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入處理終端后，需按下面公式進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化并輸出：輸出值=(楔形塞尺基準(zhǔn)值(H1)+0.1×塞尺測量值)×修正系數(shù)。其中，修正系數(shù)與楔形塞尺α角度直接關(guān)聯(lián)。測量數(shù)據(jù)的導(dǎo)入及處理表格為標(biāo)準(zhǔn)喉寬記錄電子表格。

4.1.5 使用測試

彈簧式可換頭數(shù)顯楔形塞尺使用時(shí)，塞尺“對零”，并連接好采集線與數(shù)據(jù)處理終端后，將塞尺楔形尺頭的斜棱邊沿著隔板汽道節(jié)圓線滑入汽道，楔形尺頭的斜楞邊與導(dǎo)葉片背弧相切，塞尺觸推板的端部與相鄰導(dǎo)葉片的出汽邊相接觸。沿汽道角度向前滑動塞尺，由于彈簧，觸推板會自動后退，直至塞尺推不動為止。測量過程中，操作人員可手持手柄進(jìn)行測量，也可手持楔形尺頭尾端進(jìn)行測量，甚至可以卸去手柄，減輕尺身重量。

經(jīng)過測試，使用該自動檢測量具，測量手感更好，測量準(zhǔn)，且不易疲勞，建議采用后種測量方式。數(shù)據(jù)經(jīng)采集后，在終端設(shè)備上輸出公司標(biāo)準(zhǔn)喉寬測量電子表格(傳統(tǒng)喉寬測量也使用該電子表格)，其數(shù)據(jù)均是經(jīng)后置處理后的最終喉寬數(shù)值，該數(shù)據(jù)均可直接使用。經(jīng)過大量試用比對發(fā)現(xiàn)，使用該楔形塞尺時(shí)人員間的測量波動值在0.09 mm～0.15 mm之間，在合理范疇之內(nèi)，該方法效率高，錯(cuò)誤率低。

經(jīng)對比測量試驗(yàn)和優(yōu)化，最終新型彈簧式可換頭數(shù)顯楔形塞尺測量精度達(dá)到0.001 mm。經(jīng)過對比測量，測量半幅隔板同一節(jié)圓汽道喉寬的平均時(shí)間為90 s，人員間的測量波動值在0.09 mm～0.159 mm之間，與傳統(tǒng)汽道塞尺測量相比，無論是測量效率、測量精度及便捷度都提高了95%以上。

4.1.6 使用效果驗(yàn)證

通過對多副常規(guī)隔板的出口面積采用彈簧式可換頭數(shù)顯楔形塞尺測量喉寬，并對所測的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。結(jié)果表明，無論測量精度還是檢測效率都有很大提高，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)縮小了汽輪機(jī)隔板喉寬尺寸測量技術(shù)與國際一流廠商的差距。

(2)提高了測量精度，傳統(tǒng)測量設(shè)備分辨力0.1 mm，示值精度0.2 mm；新設(shè)計(jì)彈簧式可換頭數(shù)顯楔形塞尺分辨力0.01 mm，示值精度0.07 mm，避免了讀數(shù)誤差。

(3)提高了測量效率，運(yùn)用數(shù)據(jù)自動無線采集功能，避免記錄錯(cuò)誤，測量數(shù)據(jù)直接輸入到計(jì)算機(jī)，大大縮短時(shí)間，降低測量成本。

(4)測量準(zhǔn)確度大幅度提高，為降低汽輪機(jī)熱耗，改進(jìn)設(shè)計(jì)或工藝方案提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保障。測量準(zhǔn)確度大大提高，更準(zhǔn)確地保證檢測出口實(shí)際總面積與設(shè)計(jì)一致。

4.2 汽輪機(jī)隔板汽道高度自動檢測設(shè)備

(1)汽道高度自動檢測設(shè)備研制

(2)汽道高度自動檢測設(shè)備優(yōu)化

為了在實(shí)際運(yùn)用中減少人為記錄錯(cuò)誤，在原有尺子基礎(chǔ)上增加無線數(shù)據(jù)傳輸功能，在測量尺寸的同時(shí)可以將測量數(shù)據(jù)直接無線傳輸至電腦的EXCEL記錄卡中。這樣，不僅提高了工作效率，也大大減少了人為記錄錯(cuò)誤。由于要增加無線傳輸功能，在原有的數(shù)顯模塊上增加了一個(gè)無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，在使用汽道高度尺無線傳輸功能前，需要先將電腦中的專用數(shù)字傳輸程序打開，再用此程序打開相應(yīng)記錄卡，當(dāng)用汽道高度尺測量尺寸后，將光標(biāo)移動至需要記錄空格處，按下無線數(shù)據(jù)傳輸模塊確定按鈕，數(shù)據(jù)就傳輸至記錄卡空格中。

通過現(xiàn)場測量，發(fā)現(xiàn)測量讀數(shù)準(zhǔn)確，無線傳輸信號良好，但記錄數(shù)據(jù)步驟繁瑣，每次記錄數(shù)據(jù)前需先手動移動光標(biāo)，對專用數(shù)字傳輸程序進(jìn)行升級，在數(shù)據(jù)錄入前可設(shè)定好數(shù)據(jù)錄入的跳轉(zhuǎn)規(guī)則，采集數(shù)據(jù)時(shí)，只需按下確定鍵即可自行跳轉(zhuǎn)錄入數(shù)據(jù)，不用手動移動光標(biāo)，大大提高了檢測效率，并且可將設(shè)定好的跳轉(zhuǎn)規(guī)則模塊化保存，下次使用時(shí)直接打開模塊，即可采集數(shù)據(jù)，不用重復(fù)設(shè)定相同規(guī)則。經(jīng)過對新汽道高度尺的反復(fù)測量試用，測量汽道高度易操作，且測量者不易疲勞，測量波動值在0.09 mm～0.159 mm之間，與之前畫規(guī)0.15 mm～0.30 mm的波動值有明顯改進(jìn)，并且在測量數(shù)據(jù)的同時(shí)，可將數(shù)據(jù)無線采集至電腦中，準(zhǔn)確率和效率都有了很大的提高，真正實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動檢測和錄入。

(3)汽道高度自動檢測設(shè)備效果驗(yàn)證

通過對多副常規(guī)隔板的出口面積采用汽道高度尺測量汽道高度并進(jìn)行分析，結(jié)果表明，無論測量精度還是檢測效率都有很大提高。

5 結(jié)論

通過對汽輪機(jī)隔板汽道喉寬及汽道高度尺寸測量方法的研究，創(chuàng)新設(shè)計(jì)出彈簧式可換頭數(shù)顯楔形塞尺和數(shù)顯汽道高度尺，實(shí)現(xiàn)了對汽道喉寬測量和汽道高度測量的自動定位，其數(shù)據(jù)后置處理中引入數(shù)據(jù)補(bǔ)償，數(shù)據(jù)更加真實(shí)可靠，并且通過無線數(shù)據(jù)傳輸至隔板出口面積計(jì)算表格中，實(shí)現(xiàn)了自動計(jì)算和評判。通過對多付隔板的檢測，驗(yàn)證了隔板汽道喉寬及汽道高度尺寸測量方法及其檢測設(shè)備，檢測效率及精度均大幅度提高，并且大大降低了勞動強(qiáng)度。