韓撲塄 李吉忠 靳亞峰

(東方電氣集團東方汽輪機有限公司，四川618000)

隔板的汽道面積是決定汽輪機最大功率的重要參數(shù)，也是衡量隔板制造的關(guān)鍵指標，隔板制造質(zhì)量直接影響汽輪發(fā)電機組的運行效率，隨著汽輪機機組設(shè)計技術(shù)參數(shù)的提高，汽輪機隔板的出汽口面積等設(shè)計技術(shù)指標要求也不斷提高。因此，深入研究汽輪機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。

對汽輪機隔板喉寬間隙及汽道高度的測量方法分別采用機械式簡易錐度塞尺(也有采用鏈珠方法測量)和機械式簡易量具(或采用自行改進百分表測量)，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)，計算得出汽道面積，但在測量隔板喉寬及汽道高度時，數(shù)據(jù)的準確性顯得尤為重要，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，需人工記錄數(shù)值，再導(dǎo)入數(shù)據(jù)表，并進一步計算出出汽口的面積。在這個過程中，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)出錯概率大。

隔板汽道高度是保證隔板質(zhì)量的另一個關(guān)鍵尺寸，汽道高度的傳統(tǒng)測量方法是用一個畫規(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)化進行研究，并對研究成果進行驗證。

3 汽輪機隔板汽道面積測量

3.1 隔板喉寬測量技術(shù)難點

汽輪機隔板喉寬如圖2所示，在實際測量過程中，必須測量出最小值，檢測量具應(yīng)該是錐度型測量面，采用線接觸方式進行測量。喉寬尺寸范圍為3 mm～50 mm，對于整個測量范圍的覆蓋，必須分別設(shè)計與之相適應(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)格的汽輪機隔板汽道高度的測量，需對測量數(shù)顯量具進行標準系列化，并制定工藝標準，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)備的改進及優(yōu)化，仍使用塞尺進行尺寸檢查的原理，新研究設(shè)計的喉寬測量塞尺能夠?qū)崿F(xiàn)目標，能夠?qū)崿F(xiàn)汽道喉寬測量數(shù)據(jù)的自動、快速、準確采集；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

基于上述各項設(shè)計目標，設(shè)計出“直推式”數(shù)顯汽道塞尺。該塞尺的特點是：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，通過向前推動該塞尺的觸推板即可實現(xiàn)喉寬尺寸的定位，并采集。

通過試驗驗證，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，因此，在其結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，提出了改進優(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)計原理是利用彈簧的反作用力實現(xiàn)對汽道喉寬測量的自動定位。

4.1.2.2 結(jié)構(gòu)特點

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，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)采集及顯示器會實時顯示此時的測量數(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)計特點

(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)將刻字和刻線均標注于尺頭之上。

(2)使用新型塞尺前，須計量楔形尺頭α角度值，以便后置處理時做數(shù)據(jù)補償。

(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，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)計特點：

4.1.4.1 測量數(shù)據(jù)的補償

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)計圖紙可以看出，“斜面向上”測量方式與設(shè)計意圖符合，而使用數(shù)顯塞尺測量的數(shù)據(jù)需要進行修正補償。

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，需按下面公式進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化并輸出：輸出值=(楔形塞尺基準值(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)入及處理表格為標準喉寬記錄電子表格。

4.1.5 使用測試

彈簧式可換頭數(shù)顯楔形塞尺使用時，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行測量，也可手持楔形尺頭尾端進行測量，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，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)備上輸出公司標準喉寬測量電子表格(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，錯誤率低。

經(jīng)對比測量試驗和優(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)在以下幾個方面：

(1)縮小了汽輪機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，運用數(shù)據(jù)自動無線采集功能，避免記錄錯誤，測量數(shù)據(jù)直接輸入到計算機，大大縮短時間，降低測量成本。

(4)測量準確度大幅度提高，為降低汽輪機熱耗，改進設(shè)計或工藝方案提供了強有力的技術(shù)保障。測量準確度大大提高，更準確地保證檢測出口實際總面積與設(shè)計一致。

4.2 汽輪機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

為了在實際運用中減少人為記錄錯誤，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，當用汽道高度尺測量尺寸后，將光標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，對專用數(shù)字傳輸程序進行升級，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，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，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，并且在測量數(shù)據(jù)的同時，可將數(shù)據(jù)無線采集至電腦中，準確率和效率都有了很大的提高，真正實現(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)計出彈簧式可換頭數(shù)顯楔形塞尺和數(shù)顯汽道高度尺，實現(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)補償，數(shù)據(jù)更加真實可靠，并且通過無線數(shù)據(jù)傳輸至隔板出口面積計算表格中，實現(xiàn)了自動計算和評判。通過對多付隔板的檢測，驗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度。