汽轮机隔板汽道面积自动检测技术 的研究与应用

韩扑塄 李吉忠 靳亚峰

(东方电气集团东方汽轮机有限公司，四川618000)

隔板的汽道面积是决定汽轮机最大功率的重要参数，也是衡量隔板制造的关键指标，隔板制造质量直接影响汽轮发电机组的运行效率，随着汽轮机机组设计技术参数的提高，汽轮机隔板的出汽口面积等设计技术指标要求也不断提高。因此，深入研究汽轮机隔板汽道喉宽及汽道高度测量方法对检测技术创新和进步具有重要意义。

1 隔板汽道面积检测水平及发展趋势

根据调研结果国外著名的发电设备制造厂商三菱对汽轮机隔板汽道高度及喉宽的测量采用自行研制的数显测量设备。

对汽轮机隔板喉宽间隙及汽道高度的测量方法分别采用机械式简易锥度塞尺(也有采用链珠方法测量)和机械式简易量具(或采用自行改进百分表测量)，数显测量技术正处于研制、开发起步阶段，或处于技术引进阶段，尚无自己的一套完整可推广的测量设备以及完善的测量方法。

2 汽轮机隔板汽道面积传统测量方法

目前对隔板汽道面积的测量是通过测得隔板喉宽及汽道高度数据，计算得出汽道面积，但在测量隔板喉宽及汽道高度时，数据的准确性显得尤为重要，其中汽道喉宽的测量通过汽道喉宽专用塞尺(见图1)测量完成。

该测量方法存在较多不足，主要表现在塞尺的最小测量精度仅为0.2 mm；塞尺存在刻线误差；使用塞尺测量汽道喉宽时，需人工记录数值，再导入数据表，并进一步计算出出汽口的面积。在这个过程中，数据采集效率低，且数据记录环节多，数据出错概率大。

隔板汽道高度是保证隔板质量的另一个关键尺寸，汽道高度的传统测量方法是用一个画规加装百分表改制的简易量具测量隔板汽道高度，传统方法测量误差大于0.3 mm，测量误差较大，准确性较低，且测量效率低。

图1 隔板汽道面积专用喉宽塞尺Figure 1 Special throat opening filler gauge of diaphragm pipeline area

因此要提升隔板制造质量，隔板汽道面积测量的准确性尤为重要，对隔板喉宽及汽道高度测量方法的研究及对测量方法的优化十分必要。本文分别对隔板喉宽及汽道高度自动检测设备的优化进行研究，并对研究成果进行验证。

3 汽轮机隔板汽道面积测量

3.1 隔板喉宽测量技术难点

汽轮机隔板喉宽如图2所示，在实际测量过程中，必须测量出最小值，检测量具应该是锥度型测量面，采用线接触方式进行测量。喉宽尺寸范围为3 mm～50 mm，对于整个测量范围的覆盖，必须分别设计与之相适应的不同规格的测量组件，避免测量干涉。

图2 隔板喉宽测量示意图Figure 2 Detection of diaphragm throat opening

3.2 隔板汽道高度测量技术

由于汽轮机测量隔板汽道高度尺寸从10 mm～1000 mm不同规格，测量设备的测量范围应分别适用于不同规格的汽轮机隔板汽道高度的测量，需对测量数显量具进行标准系列化，并制定工艺标准，研制的难度较大。

4 自动检测设备的创新

4.1 隔板喉宽自动检测设备的研究

隔板喉宽自动测量设备的设计原理及基本结构基于传统隔板汽道喉宽塞尺测量设备的改进及优化，仍使用塞尺进行尺寸检查的原理，新研究设计的喉宽测量塞尺能够实现目标，能够实现汽道喉宽测量数据的自动、快速、准确采集；能够实现数显塞尺的数据后置处理；能够提高塞尺测量精度达到0.01 mm；相比传统的塞尺可以有效解决汽道塞尺测量喉宽时需人工读数、记录；数显尺的显示数值是光栅尺相对零位移动的相对距离值，经过公式转化后，才能得到最终的汽道喉宽测量值的换算误差；常规汽道塞尺的最小测量精度仅为0.1 mm，精度低。

4.1.1 “直推式”数显汽道塞尺

基于上述各项设计目标，设计出“直推式”数显汽道塞尺。该塞尺的特点是：将常规塞尺与光栅采集技术融合，完成汽道塞尺的自动采集。使用该塞尺测量汽道喉宽时，通过向前推动该塞尺的触推板即可实现喉宽尺寸的定位，并采集。

通过试验验证，该塞尺在使用过程中存在尺体较长，稳定性较差等技术缺点，因此，在其结构基础上，提出了改进优化，并研制出一种新型塞尺，即弹簧式可换头数显楔形塞尺。

1—楔形尺头 2—磁栅板 3—触推板 4—数据采集及显示器 5—弹簧 6—采集线 7—数据处理终端 8—手柄图3 弹簧式可换头数显楔形塞尺结构图Figure 3 Structure of spring type digital display wedge filler gauge with removable gauge head

4.1.2 弹簧式可换头数显楔形塞尺

4.1.2.1 原理

这种塞尺的基本设计原理是利用弹簧的反作用力实现对汽道喉宽测量的自动定位。

4.1.2.2 结构特点

弹簧式可换头数显楔形塞尺的结构图如图3所示。

弹簧式可换头数显楔形塞尺主要包括两部分：塞尺尺身和数据采集及后置处理系统。塞尺尺身由楔形尺头、光栅板、触推板、数据采集、显示器、弹簧及手柄等组成，数据采集及后置处理系统由采集线及数据处理终端等组成。

在塞尺尺身结构中，楔形尺头与磁栅板、触推板与数据采集及显示器、手柄与磁栅板分别通过螺栓联接，弹簧则通过螺栓分别与磁栅板和数据采集及显示器相联接。该塞尺“对零”后，测量汽道喉宽时，将该塞尺楔形尺头的斜棱边沿着隔板汽道节圆线滑入汽道，楔形尺头的斜楞边与导叶片背弧相切，塞尺触推板的端部与相邻导叶片的出汽边相接触。沿汽道向前滑动塞尺，由于弹簧，触推板会自动后退，直至塞尺推不动为止。测量过程中，数据采集及显示器会实时显示此时的测量数值，但该数值是磁栅板相对“零位”移动的相对距离值，并非最终的汽道喉宽测量值。在塞尺测量到位后，按下采集线上的采集按钮，此时数据采集成功，并通过后置处理，在数据处理终端显示的是经公式换算后得到的最终的汽道喉宽测量值。

4.1.3 弹簧式可换头数显楔形塞尺设计特点

(1)楔形尺头为斜面向下的楔形结构，楔形段长度为30 mm，如图4。如塞尺14～17用于测量喉宽值位于14 mm～17 mm之间的汽道喉宽，其楔形尺头上的尺寸H1为14 mm，H2为17 mm，HA和HB分别为15 mm和16 mm。为方便测量过程中自检，应将刻字和刻线均标注于尺头之上。

(2)使用新型塞尺前，须计量楔形尺头α角度值，以便后置处理时做数据补偿。

(3)楔形尺头宽为5 mm，与导叶片背弧接触的斜边棱宽为1 mm，斜边棱宽必须适当，如过大则直接导致较大的测量系统误差，如过小，则尺头在导叶片背弧上易偏摆，定位困难。1 mm的斜边棱宽为试验对比所得的合理取值。

图4 楔形尺头结构图Figure 4 Structure of wedge gauge head

(4)楔形尺头与光栅板通过螺栓联接，联接部位的下端面应与楔形尺头的斜边最低点齐平，为了方便操作人员，也可以根据汽道喉宽的不同置换不同规格的楔形尺头，通用性好。

(5)磁栅板采用前窄后宽型式，前端6 mm宽，后端15 mm宽。光栅板上覆盖光栅尺，且设有行程为35 mm的止动条。

(6)触推板与光栅板的前端形状一致，呈T型结构，前端6 mm宽，其触头宽仅为3 mm。

(7)弹簧选用总长为80 mm且初拉力较小的圆柱螺旋拉伸弹簧。

(8)数据采集、显示器与触推板通过螺栓联接。

(9)手柄采用轻质材料制作，总长为40 mm。通过螺栓与磁栅板联接，易拆卸。

4.1.4 采集及后置处理系统

弹簧式可换头数显楔形塞尺数据采集及后置处理系统设计特点：

4.1.4.1 测量数据的补偿

图5 常规塞尺测量示意图Figure 5 Detection of normal filler gauge

图6 数显塞尺测量示意图Figure 6 Detection of digital display filler gauge

该型数显塞尺测量值与常规塞尺测量值存在偏差，分析认为两种塞尺结构形式的不同造成一定的系统误差。常规塞尺采用“斜面向上”的测量方式，如图5所示，而数显塞尺采用“斜面向下”的测量方式，如图6所示。根据设计图纸上的喉宽测量图，可以推算出“斜面向下”测量方式(数显塞尺)的测量值约为“斜面向上”测量方式(常规塞尺)的1.005倍，即数显塞尺比常规塞尺的系统偏差达到喉宽理论值的千分之五。以喉宽理论值16.45 mm为例，数显塞尺比常规塞尺的测量值大0.08 mm。从设计图纸可以看出，“斜面向上”测量方式与设计意图符合，而使用数显塞尺测量的数据需要进行修正补偿。

4.1.4.2 数据后置处理

测量数据导入处理终端后，需按下面公式进行数据转化并输出：输出值=(楔形塞尺基准值(H1)+0.1×塞尺测量值)×修正系数。其中，修正系数与楔形塞尺α角度直接关联。测量数据的导入及处理表格为标准喉宽记录电子表格。

4.1.5 使用测试

弹簧式可换头数显楔形塞尺使用时，塞尺“对零”，并连接好采集线与数据处理终端后，将塞尺楔形尺头的斜棱边沿着隔板汽道节圆线滑入汽道，楔形尺头的斜楞边与导叶片背弧相切，塞尺触推板的端部与相邻导叶片的出汽边相接触。沿汽道角度向前滑动塞尺，由于弹簧，触推板会自动后退，直至塞尺推不动为止。测量过程中，操作人员可手持手柄进行测量，也可手持楔形尺头尾端进行测量，甚至可以卸去手柄，减轻尺身重量。

经过测试，使用该自动检测量具，测量手感更好，测量准，且不易疲劳，建议采用后种测量方式。数据经采集后，在终端设备上输出公司标准喉宽测量电子表格(传统喉宽测量也使用该电子表格)，其数据均是经后置处理后的最终喉宽数值，该数据均可直接使用。经过大量试用比对发现，使用该楔形塞尺时人员间的测量波动值在0.09 mm～0.15 mm之间，在合理范畴之内，该方法效率高，错误率低。

经对比测量试验和优化，最终新型弹簧式可换头数显楔形塞尺测量精度达到0.001 mm。经过对比测量，测量半幅隔板同一节圆汽道喉宽的平均时间为90 s，人员间的测量波动值在0.09 mm～0.159 mm之间，与传统汽道塞尺测量相比，无论是测量效率、测量精度及便捷度都提高了95%以上。

4.1.6 使用效果验证

通过对多副常规隔板的出口面积采用弹簧式可换头数显楔形塞尺测量喉宽，并对所测的数据进行分析。结果表明，无论测量精度还是检测效率都有很大提高，主要体现在以下几个方面：

(1)缩小了汽轮机隔板喉宽尺寸测量技术与国际一流厂商的差距。

(2)提高了测量精度，传统测量设备分辨力0.1 mm，示值精度0.2 mm；新设计弹簧式可换头数显楔形塞尺分辨力0.01 mm，示值精度0.07 mm，避免了读数误差。

(3)提高了测量效率，运用数据自动无线采集功能，避免记录错误，测量数据直接输入到计算机，大大缩短时间，降低测量成本。

(4)测量准确度大幅度提高，为降低汽轮机热耗，改进设计或工艺方案提供了强有力的技术保障。测量准确度大大提高，更准确地保证检测出口实际总面积与设计一致。

4.2 汽轮机隔板汽道高度自动检测设备

(1)汽道高度自动检测设备研制

(2)汽道高度自动检测设备优化

为了在实际运用中减少人为记录错误，在原有尺子基础上增加无线数据传输功能，在测量尺寸的同时可以将测量数据直接无线传输至电脑的EXCEL记录卡中。这样，不仅提高了工作效率，也大大减少了人为记录错误。由于要增加无线传输功能，在原有的数显模块上增加了一个无线数据传输模块，在使用汽道高度尺无线传输功能前，需要先将电脑中的专用数字传输程序打开，再用此程序打开相应记录卡，当用汽道高度尺测量尺寸后，将光标移动至需要记录空格处，按下无线数据传输模块确定按钮，数据就传输至记录卡空格中。

通过现场测量，发现测量读数准确，无线传输信号良好，但记录数据步骤繁琐，每次记录数据前需先手动移动光标，对专用数字传输程序进行升级，在数据录入前可设定好数据录入的跳转规则，采集数据时，只需按下确定键即可自行跳转录入数据，不用手动移动光标，大大提高了检测效率，并且可将设定好的跳转规则模块化保存，下次使用时直接打开模块，即可采集数据，不用重复设定相同规则。经过对新汽道高度尺的反复测量试用，测量汽道高度易操作，且测量者不易疲劳，测量波动值在0.09 mm～0.159 mm之间，与之前画规0.15 mm～0.30 mm的波动值有明显改进，并且在测量数据的同时，可将数据无线采集至电脑中，准确率和效率都有了很大的提高，真正实现了数据的自动检测和录入。

(3)汽道高度自动检测设备效果验证

通过对多副常规隔板的出口面积采用汽道高度尺测量汽道高度并进行分析，结果表明，无论测量精度还是检测效率都有很大提高。

5 结论

通过对汽轮机隔板汽道喉宽及汽道高度尺寸测量方法的研究，创新设计出弹簧式可换头数显楔形塞尺和数显汽道高度尺，实现了对汽道喉宽测量和汽道高度测量的自动定位，其数据后置处理中引入数据补偿，数据更加真实可靠，并且通过无线数据传输至隔板出口面积计算表格中，实现了自动计算和评判。通过对多付隔板的检测，验证了隔板汽道喉宽及汽道高度尺寸测量方法及其检测设备，检测效率及精度均大幅度提高，并且大大降低了劳动强度。