基于激光干涉原理的AP1000汽轮机通流间隙控制研究

第57卷第6期2015年12月汽轮机技术TURBINETECHNOLOGYV0157NO6DEC2015基于激光干涉原理的AP1000汽轮机通流间隙控制研究高志清，杨宇，屠攀。，刘国柱1国核工程有限公司，上海200233；2上海发电设备成套设计研究院，上海200240；3三门核电有限公司，三门317109摘要提出一种基于激光干涉原理，在转子和汽缸分离情况下，测量汽轮机通流间隙的新方法，通过搭建其中的测长、测角、移站测量模型并结合实际测量系统进行简化，导出了使用此方法所涉及的基本算法。AP1000依托项目汽轮机总装、安装阶段通流间隙测量与控制的实践表明，与传统工艺相比，该方法准确度高，省时省力，具有相当大的推广价值。关键词汽轮机；间隙测量；激光干涉原理分类号TL266文献标识码A文章编号10015884201506043703STUDYONTHECONTROLOFAP1000STEAMTURBINEFLOWPATHCLEARANCEBASEDONTHEPRINCIPLEOFLASERINTERFERENCEGAOZHIQING，YANGYU，TUPAN，LIUGUOZHU1STATENUCLEARPOWERENGINEERINGCOMPANYLIMITED，SHANGHAI200233，CHINA；2SHANGHAIPOWEREQUIPMENTRESEARCHINSTITUTE，SHANGHAI200240，CHINA；3SANMENNUCLEARPOWERCOMPANYLIMITED，ZHIANG317109，CHINAABSTRACTPROPOSEDANEWMETHODOFMEASURINGSTEAMTURBINESFLOWPATHCLEARANCEWHILETHEROTORANDITSCASINGAREINTHESEPARATEDCONDITIONSTHROUGHBUILDINGTHEKINEMATICSMODELSOFSPACEMEASURING，ANGELMEASURING，TRANSFERSTATIONMEASURINGFIRST，ANDTHENSIMPLIFIEDINCOMBINATIONWITHTHEACTUALMEASURINGSYSTEMASTHERESULTS，OBTAINEDTHEBASICALGORITHMOFUSING,THISMETHODTHEMEASURINGPRACTICEOFSTEAMTURBINESFLOWPATHCLEARANCEINTHEAPL000SELFRELIANCESUPPOPROJECTASSEMBLYANDINSTALLATIONPHASESHOWS，THATTHENEWMETHODISMOREACCURATE，MOREEFFICIENTANDHASCERTAINPROMOTIONVALUEKEYWORDSTURBINE；MEASURINGCLEARANCE；PRINCIPLEOFLASERINTERFERENCE0前言为AP1000核电技术两个依托项目配套生产的4台汽轮机，在制造厂总装时，采用了一种基于激光干涉原理，以汽轮机间隙控制系统TCCS，TURBINECLEARANCECONTROLSYSTEM命名的新方法。相对于传统通流测量来说，是一种全新的免装配、非接触式测量方法J。借助该方法，在制造厂总装时可保持转子和汽缸分离，仅对汽缸及缸内部件进行合实缸装配，即可实现通流间隙的精准测量与调整。现场安装时仅需完成汽缸找正，结合结构特点设定一个与未来大修时可比照的半实缸状态，且在此状态下做好通流间隙安装阶段的记录，为以后的大修提供历史参考数据即可，无需对通流间隙做进一步调整，从而大幅度缩减安装工期。1激光跟踪仪原理、模型及算法11测量头几何结构及工作原理靶球和固定在测量部位的反射靶球等组成。图1为测量头结构示意图。以测取径向通流间隙为例，将测量头固定在汽缸内近似处于原转子位置的双列导轨上的可滑动小车，系统将自动捕捉事先固定在汽封齿上反射靶球的位置并采点测量。根据激光入射和反射所需时间，获得汽封齿与跟踪仪定位中心之间的测长数据；根据光学码盘传感器获得靶球所在测点位置的水平方位角和俯仰角两个测角数据。以上数据里由载查激光测量头的可移动小车及其导轨、发射图1测量头几何结构收稿日期20150923作者简介高志清1966，男，甘肃兰州人，高级工程师，从事汽轮机安装和调试技术研究。438汽轮机技术第57卷通过转换计算减去已知转子各对应部位加工尺寸，便可得到通流间隙值。这里的测长和测角值，实际是反射靶球中心点的球坐标数据PZ，JB，如图2所示，转换到笛卡尔坐标系下为PX，Y，ZTOSINASINY式4即为激光干涉仪测长公式。13激光干涉测角模型及算法图4为常用的光学码盘传感器测角模型。光源1经过大孔径非球面聚光镜2形成均匀狭长的光束照射到码盘3上，根据码盘所处的转角位置，位于狭缝4后面的一排光电原件5输出相应的电信号，经放大、鉴幅、整形后，通过当量1变换以译码显示。图2坐标系测量模型12激光干涉测长模型及算法激光跟踪仪光学模型如图3所示J。单色、单频氦氖激光器置于一个约003特斯拉的轴向直流磁场中，在外加磁场带来的附加能量下，输出激光分裂频率分别为和，频差处在1MHZ一2MHZ可拍频差之内的左、右旋圆偏振光，通过、波片后成为互相垂直的线偏振光垂直于纸面平行于纸面，它们经准直系统扩束后，在分光镜上被分为两部分一小部分作为参考光束被反射，经45。放置的检偏器产生拍频为，2一的“拍”信号。另一大部分光透过分光镜、测量反射镜再折射返回，在多普勒效应下，频率变为AF，其中4厂表征多普勒频移量。以上两路输出信号一，一AF在经过检波器处理后，变为两路连续脉冲信号相减，即AF一AF3一一2镜图3激光跟踪仪光学模型鉴于测量光束的光程变化为测量反射镜位移的两倍，因此4厂，式中，C为光速，为测量反射镜移动速度为光频。设测量长度为，则有2F2AJAFD3式中，A为激光波长值。频率的时间积分为周期，所以上式可简化为LNI4函图4码盘测量模型设最外圈角节距为2，从最内圈到最外圈二进制编码分别为CC，对应于从零位算起的转角按照二进制转换十进制公式，可得到度、分、秒形式表现的被测角度C211514移站测量过程中的坐标转换模型及算法141测量准备开始TCCS测量前，先将激光跟踪仪面向调端固定在双列窄式组合导轨的可滑动小车上。具有一定强度的导轨两端则被紧固在远离末级的汽缸电端和调端并跨越原转子位置悬空布置，如图5所示。合缸前先将各目标靶球利用工装固定在汽封弧段上，每圈按天、地、左、右4个点图5右设置。1短汽封齿；2长汽封齿3靶球；4上缸5小车及测量头6导轨；7导轨支架；8下缸图5汽封间隙测量简图142建立基准坐标系合缸紧固后，利用滑动小车将测量头移动到缸内靠近电端的适当位置然后固定，此时激光头定位中心点所在位置即为坐标系原点所在位置。移动小车，对内缸电、调端端面上通过找正圆事先确定的4个基准点进行采点，分别拟合出电端圆和调端圆，将两圆圆心相连得到X轴，也就是假想转子轴线；对内缸水平中分面上在电、调端的基准点进行采点，拟合出内缸水平中分面平面，并以其法线为Y轴，以位于内缸水平面上与X、Y轴垂直的直线为Z轴，以上述坐标系原点为中心，建立起与三维坐标体系相比照的坐标系。上述测点即为坐标系原点，也就是第一站点。电、调端两端面上由找正圆确定的公共点必须保证仪器在沿导轨前进移站时其它地方也能测到。143完成第一站点测量在第一站点完成电端末级隔板汽封、围带汽封圈天、地、第6期高志清等基于激光干涉原理的AP1000汽轮机通流间隙控制研究439左、右4点的测量，分别拟合为隔板、围带汽封圆；查询每个汽封圆上各点到其圆心的距离，分别记录为RT天、RB地、RL左、RR右；根据转子加工尺寸，考虑转子偏心及挠度值，计算出相应的汽封间隙并据此进行调整。144完成移站及其它站点测量由于汽轮机内部结构的复杂性，一次设站不能完成缸内各工作级测量，需要靠小车移动仪器做移站测量。测量仪器在不同站位对公共点的共同观察，测量数据可转换到同一坐标系下。移站过程即坐标系变换过程。145移站测量数学模型及简化算法设第一站点和移站后的其它站点分别为两个三维空间坐标系0一XYZ和0一XY，Z如图6所示，其坐标系原点不一致，存在3个平移参数AX、AY、AZ；两个坐标系之间的坐标轴也不平行，存在3个旋转参数欧拉转角N8，同一公共测点A在两个坐标系中的坐标分别为，Y，Z和X，Y，Z。Y图6两个不同三维坐标系转换模型RR8R8R8ZIC088YC088ZSIN6XSINEYSIN6ZII。COSSX。S。IN8ZI。I坐标系转换公示式7也可表示为】竺AXJC，M，CSZRCRCX【X】AXJCMCS，【X】C6R100RX10C。SXSIN占XIL0_SINEXC0鲫XJ怔I_CRCOSCZSIN8Z01RZISINEZCOSZ0IL00LJ式中，X，Y，Z为某公共点在第一站点坐标系0一XYZ中的三维坐标；X，Y，Z为某公共点在移站后坐标系0一XY，Z中的三维坐标；M为尺度比例因子；，AY，Z为平移量；8X、8为欧拉转角；为三维坐标转换旋转矩考虑到TCCS实际测量过程中，位于导轨上的激光测量头移站前、后的欧拉转角、8Z很小，SIN8一S，COSS1，毫兰81NOXZ1IL8YCOSXC08占ZLI一占ZSLN占YSLNZC0S8XSLN8XCOS占ZCO8YCOSX一X2AP1000汽轮机TCCS实践821轴向通流尺寸测量轴向通流间隙的测量与径向相比略有不同，以低压缸为例，先对调端各级隔板的内环出汽侧端面进行采点，再对电端各级隔板的内环进汽侧端面进行采点，分别拟合出各级隔板内环端面，平面中心的X轴坐标值为各级隔板内环坐标。结合转子加工尺寸，计算出第一级叶片进出汽端面到高压调端第1级围带进汽侧端面距离相当于轴向控制值K，将初始坐标系沿X轴恰当平移，即可得到各级轴向通流间隙数据。对某AP1000汽轮机1号低压缸正、反向共6级汽封齿间隙进行测量及调整，最终得到径向间隙值如表1所示。表1某AP1000汽轮机1号低压缸汽封间隙部分实测数据其中，第1级只有L类，其它级数则分别有L、S两类分别代表长汽封齿与短汽封齿。、如、分别为0。、90。、180。、270。处所对应间隙，实际测量调整过程中，若此4处间下转第443页71JXYZXYZM第6期陈东超等基于广义回归神经网络的转子系统质量不平衡辨识443表2不同偏心量和相角下的不平衡参数辨识结果表3不平衡参数辨识结果含噪声的噪声，分别进行振动信号不滤波和滤波时的不平衡参数的定量辨识。质量不平衡参数的辨识结果见表3。由表3可3见，随着噪声的增加，不平衡辨识结果的误差也会增加，但经过滤波处理后，可较为明显地降低噪声对辨识精度的影响。4结论提出了一套基于GRNN模型的不平衡参数定量识别策略，给出了方法的具体实现流程，讨论了实测振动信号含有噪声时对辨识结果的影响，提出采用零相位带通滤波进行振动信号去噪，以提高不平衡辨识精度，仿真算例验证了该方法的准确性，为转子系统不平衡识别问题提供了一种新思路；本文基于较为简化的转子系统对所提出的质量不平衡辨识方法进行了验证，如何将本文方法应用于电厂风机、泵、汽轮发电机组等复杂旋转机械实际运行中的转子系统质量不平衡的定量辨识，是需要继续开展的工作。参考文献456789张学延汽轮发电机组振动诊断M北京中国电力出版L1OL社。20082王建星，付忠广，靳涛，等基于广义回归神经网络的机组主蒸汽流量测定J动力工程学报，2012，322130134YANWZTOWARDAUTOMATICTIMESERIESFORECASTINGUSINGNEURALNETWORKSJIEEETRANSNEURALNETW，2012，23710281039MCKAYMD，BECKMANRJ，CONOVERWJACOMPARISONOFTHREEMETHODSFORSELECTINGVALUESOFINPUTVARIABLESINTHEANALYSISOFOUTPUTFROMACOMPUTERCODEJTECHNOMETRICS，1979，212239245王勖成有限单元法M北京清华大学出版社，2OI3张洪涛，胡红丽，徐欣航，等基于粒子群算法的火电厂热工过程模型辨识J热力发电，2010，3955961，81SPECHTDFAGENERALRREGRESSIONNEURALNETWORKJIEEETRANSNEURALNETW，1991，26568576ELATTAREEPREDICTIONOFWINDPOWERBASEDONEVOLUTIONARYOPTIMIZEDLOCALGENERALREGRESSIONNEURALNETWORKJIETGENERTRANSMDISTRIB，2014，85916923徐国宾，韩文文，王海军基于SSPSO优化GRNN的水电站厂房结构振动响应预测J振动与冲击，2015，344104一LO9常广，王毅，王玮采用振动信号零相位滤波时频熵的高压断路器机械故障诊断J中国电机工程学报，2013，333155162上接第439页隙满足设计要求，则可判定全部汽封齿合格，通流间隙测试通流间隙测量的应用实例，借以支持和促进该新方法在汽轮及调整工作随即结束。机总装、安装、技改、大修等各个