CN108709511A - 一种汽轮机全实缸状态下通流间隙检测方法 - Google Patents
一种汽轮机全实缸状态下通流间隙检测方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种汽轮机全实缸状态下通流间隙检测方法，本发明涉及通流间隙检测方法。本发明为了解决现有小型汽轮机测量通流间隙精度低，测量时需要进行多次装配、拆卸、检测等重复性的工作的问题。本发明包括：一、分别在各级隔板拆分和合并状态下，测量各级轴段隔板内圆和各级转子叶片处隔板内圆；二、在拆缸状态下，利用靶球测量上下汽缸有通流间隙要求的各级圆弧；三、利用SpatialAnalyzer软件对测量的数据进行处理，提取圆心和直径；四、建立汽轮机三维设计模型，在全缸与半缸状态下分别进行有限元分析，并计算补偿值；五、建立汽轮机通流间隙计算模型，计算全实缸状态下通流间隙。本发明用于汽轮机数字化检测领域。
Description
技术领域
本发明涉及汽轮机数字化检测领域，具体涉及汽轮机全实缸状态下通流间隙检测方法。
背景技术
2015年5月，我国发布的《中国制造2025》中，船用汽轮机作为船舶的核心动力装备是高技术船舶的重要组件，是国家发展智能制造十大领域之一。船用汽轮机是利用蒸汽推动转子做功，带动螺旋桨，改变船舶航速和航向。船用汽轮机的特殊用途决定了船用汽轮机的结构和运行特点上和普通的汽轮机有着较大的差别，用于船舶核心动力装置的船用汽轮机尺寸较小，组成复杂，但对工作时的平稳性要求高。目前船用汽轮机的装配过程较为粗犷，特别是汽轮机装配过程中的通流间隙检测，需要进行多次装配、拆卸、检测等重复性的工作，使得汽轮机的装配周期过长，无法满足市场的竞争需求。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有小型汽轮机测量通流间隙精度低，测量时需要进行多次装配、拆卸、检测等重复性的工作的缺点，而提出一种汽轮机全实缸状态下通流间隙检测方法。
一种汽轮机全实缸状态下通流间隙检测方法包括以下步骤：
步骤一、分别在各级隔板拆分和合并状态下，使用激光跟踪仪API-T3，测量各级轴段隔板内圆和各级转子叶片处隔板内圆；
步骤二、在拆缸状态下，使用激光跟踪仪API-T3，利用靶球测量上下汽缸有通流间隙要求的各级圆弧；
步骤三、利用SpatialAnalyzer软件对步骤一和步骤二中测量的数据进行处理，提取圆心和直径；
步骤四、建立汽轮机三维设计模型，在全缸与半缸状态下分别进行有限元分析，并计算补偿值；
步骤五、根据步骤三提取的圆心和直径以及步骤四计算的补偿值，建立汽轮机通流间隙计算模型，计算全实缸状态下通流间隙。
本发明的有益效果为：
通过这样一套测量通流间隙的工艺，解决了小型汽轮机在全缸状态下数字化测量通流间隙的问题。通过在半缸状态下，使用高精度激光跟踪仪API-T3对隔板以及上下汽缸进行测量；在SA软件中，通过步骤一和步骤二中获得的测量数据拟合圆、圆心及平面等几何特征，然后提取涉及装配形成通流间隙的关键尺寸；在达索3D Experience平台上建立三维设计模型，在SIMULIA模块中分别对半缸状态和全缸状态进行模拟重力的有限元分析，通过二次开发的程序提取相应位置的形变量，并计算补偿值；建立全缸状态下通流间隙计算模型，然后计算全缸状态下的通流间隙，并在3D Experience中生成通流间隙报告。采用这样一套测量通流间隙的工艺，解决了原有工艺多次吊装，采用压铅丝等手工方法测量通流间隙的问题，提高了通流间隙的测量精度，精度可达到0.01mm，可以节省大量的人力物力，缩短了整个检测通流间隙的时间，进一步的缩短了小型汽轮机的交货时间，提高小型汽轮机的数字化装配检测的水平。
本发明改变了传统企业使用压胶带与压铅丝(精度0.1mm)的方法测量通流间隙，提供一种数字化检测手段使得小型汽轮机通流间隙的检测方法的精度达到0.01mm。
附图说明
图1为隔板内圆测量数据；
图2为隔板内圆拟合圆示意图；
图3为网格绘制及属性添加示意图；
图4为有限元模型创建示意图；
图5为工程连接设置示意图；
图6为通流部分尺寸链关系图；图中1为轴段处隔板内圆边线，2为轴段处汽封齿边线，3为转子轴段边线，4为叶片处隔板内圆边线，5为叶片处汽封齿边线，6为转子叶片边线，7为汽轮机水平中心线，8为隔板水平中心线，9为转子中心线；
图7为隔板与叶片底部通流间隙尺寸链图；
图8为隔板与叶片顶部通流间隙尺寸链图；
图9为隔板与轴端处底部通流间隙尺寸链图；
图10为隔板与轴端处顶部通流间隙尺寸链图；
具体实施方式
具体实施方式一：一种汽轮机全实缸状态下通流间隙检测方法包括以下步骤：
步骤一、分别在各级隔板拆分和合并状态下，使用激光跟踪仪API-T3，测量各级轴段隔板内圆和各级转子叶片处隔板内圆；
步骤二、在拆缸状态下，使用激光跟踪仪API-T3，利用靶球测量上下汽缸有通流间隙要求的各级圆弧；
步骤三、利用SpatialAnalyzer软件对步骤一和步骤二中测量的数据进行处理，提取圆心和直径；
将测量的数据在SA中打开，如进行圆或者平面的拟合，选择拟合几何图形(圆或者平面)，并选取需要拟合的测量点，拟合完，查看拟合误差，如果拟合误差大于0.05mm，则删除对拟合误差影响最大的一个点，重新进行拟合，直至拟合误差小于0.05mm；
步骤四、建立汽轮机三维设计模型，在全缸与半缸状态下分别进行有限元分析，并计算补偿值；
步骤五、根据步骤三提取的圆心和直径以及步骤四计算的补偿值，建立汽轮机通流间隙计算模型，计算全实缸状态下通流间隙。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤一中分别在各级隔板拆分和合并状态下，使用激光跟踪仪API-T3，测量各级轴段隔板内圆和各级转子叶片处隔板内圆的具体过程为：
步骤一一：为了使用激光跟踪仪采集隔板的数据，需要将隔板在检测平台上调整为水平状态，水平度误差小于0.05mm；API-T3激光跟踪仪预热20～40分钟，并进行校准；在测量半个隔板时候，在半个隔板上大致均等的采集圆弧上的6～10个位置，每个位置采集20～100个点；
步骤一二：在测量拼接在一起的隔板时候，需要将隔板放在检测平台上，并调整上下隔板使隔板中心线水平，利用API激光跟踪仪在隔板端面上外围依次均匀采集12～24个位置，每个位置采集20～100个点，在SpatialAnalyzer软件中拟合平面度，若平面度小于0.05mm，则在合并的隔板上大致均等的采集圆弧上的12～24个位置，每个位置采集20～100个点；否则重新调整上下半隔板，使隔板中分面水平；
步骤一三：重复执行步骤一一和步骤一二，直至完成8级隔板的测量。
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤二中在拆缸状态下，使用激光跟踪仪API-T3，利用靶球测量上下汽缸有通流间隙要求的各级圆弧的具体为：
在测量汽缸上有通流间隙要求的各级圆弧时候，汽缸上的位置有一些汽封齿，汽封齿处为尖薄的圆弧。小型汽轮机的采用汽封齿汽封的方式对汽缸内部各级空间进行密封的，使从汽轮机进气端产生的蒸汽尽量从隔板和转子的叶片处流动，汽封齿的数量和种类较多，而且汽封齿与隔板之间处于弹簧连接状态，用靶球测量过程中，将靶球直接放在汽封齿上，会使汽封齿与隔板链接的弹簧向下压缩，从而影响测量的精确度，为了提高测量精度，将汽封齿拆卸进行测量，汽封齿的尺寸数据则根据汽封齿的设计数据。
在测量每级圆弧的时候，在圆弧上大致均等的6～10个位置，每个位置采集20～100 个点，依次测量8级圆弧。
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述步骤四中建立汽轮机三维设计模型，在全缸与半缸状态下分别进行有限元分析，并计算补偿值的具体过程为：
步骤四一：在3D体验平台中的CATIA模块绘制汽轮机组的三维模型，并进行简化；将转子采用等密度方法简化，将汽缸中螺栓孔去除，将隔板中凹槽与凸台去除，将轴承座中螺栓孔去除。在SIMULIA模块中对汽轮机组的三维模型中的每个零件分别绘制网格，检查网格质量并添加网格材料属性；
步骤四二：转至Structural Scenario模块，在设置模块添加创建有限元模型，选择初始化无；
步骤四三：双击有限元模型，设置汽缸、转子、隔板、隔板套和轴承座参与有限元分析(其他零部件如螺栓等忽略)，再连接模块进行接触点检测，设置工程连接；
步骤四四：双击方案，在设置中选择步骤四三中设置的参与有限元分析的部件；在程序中设置静态步长；在限制中设置紧固处；在负载中加载重力加速度(模拟每个部件的重力)；在模拟中依次进行模型和场景检查、模拟检查、模拟，完成汽轮机组三维模型的有限元分析；
步骤四五：进行形变数据的提取；
步骤1)打开汽轮机组有限元分析后的三维模型，并转到Structural Scenario的APP下；
步骤2)点击仿真分析的结果Result Of静应力模拟，得到结果模型，选中结果模型中的任一一点，点击导出命令，导出数据结果；
步骤3)选择结果模型的隔板搭子与汽缸支撑位置，选取步骤2)中导出的数据结果，点击确定，导出隔板搭子与汽缸支撑位置的形变量；
步骤四六：分别在半缸与全缸状态下进行有限元分析，分别提取隔板搭子与汽缸支撑位置的形变量，对比半缸与全缸数据，计算补偿值Δh，即半缸数据与全缸数据的差值。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述步骤五中根据步骤三提取的圆心和直径以及步骤四计算的补偿值，建立汽轮机通流间隙计算模型，计算全实缸状态下通流间隙的具体过程为：
隔板与叶片的通流间隙的底部间隙为f1，则f1由公式(1)计算：
f1＝A1+Δh-B1-e-R1 (1)
其中A1为转子叶片处隔板内圆的半径，Δh为补偿值，B1为转子叶片处的汽封齿的尺寸，e为转子挠度，R1为转子叶片外圆的半径；
隔板与叶片的通流间隙的顶部间隙为f2，则f2由公式(2)计算：
f2＝A2-R1-R1-f1-2B1＝A2-2R1-2B1-f1 (2)
其中A2为转子叶片处隔板内圆的直径；
隔板与转子轴段处的通流间隙的底部间隙为f3，则f3由公式(3)计算：
f3＝A3+Δh-B2-e-r1 (3)
其中A3为转子轴段处隔板内圆的半径，B2为转子轴段处的汽封齿的尺寸，r1为转子轴段处外圆的半径；
隔板与转子轴段处的通流间隙的底部间隙为f4，则f4由公式(4)计算：
f4＝A4-r1-r1-f3-2B2＝A4-2r1-2B2-f3 (4)
其中A4为转子轴段处隔板内圆的直径。
其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
实施例一：
步骤一、分别在各级隔板拆分和合并状态下，使用激光跟踪仪API-T3，测量各级轴段隔板内圆和各级转子叶片处隔板内圆；
为了使用激光跟踪仪采集隔板的数据，需要将隔板在检测平台上调整水平，水平度为 0.05mm；API-T3激光跟踪仪预热30分钟,并进行校准。在测量半个隔板时候，在半个隔板上大致均等的采集圆弧上的六个位置，每个位置采集50个点；在测量拼接在一起的隔板时候，需要讲隔板放在检测平台上，并调整隔板上下垂直，利用API激光跟踪仪在隔板侧面上外围依次采集12个位置，每个位置采集50个点，然后在SA软件中拟合平面度，如果平面度小于0.05mm,则进行下面的测量，否则重新调整上下半隔板，使之上下垂直；在合并的隔板上大致均等的采集圆弧上的12个位置，每个位置采集50个点；依次测量8 级隔板。
步骤二、在拆缸状态下，使用激光跟踪仪API-T3，利用靶球测量上下汽缸有通流间隙要求的各级圆弧；
在测量每级圆弧的时候，在圆弧上大致均等的6个位置，每个位置采集50个点，依次测量8级圆弧。
步骤三、利用SpatialAnalyzer软件(简称SA)对步骤一和步骤二中测量的数据进行处理，提取圆心和直径；
将测量的数据在SA中打开，如某级隔板测量数据如图1所示，对测量隔板内圆上的点进行拟合圆，拟合的结果如图2所示，查询圆弧的圆心、半径、直径等信息。
步骤四、建立汽轮机三维设计模型，在全缸与半缸状态下分别进行有限元分析，并计算补偿值；
在3D体验平台中的CATIA模块绘制汽轮机组的三维模型，并进行简化。然后在SIMULIA模块中进行有限元分析，最后通过二次开发的程序，输出制定位置的位移量。在SIMULIA模块中进行有限元分析并提取指定点位移量的步骤如下：
步骤四一：在3D体验平台中的CATIA模块绘制汽轮机组的三维模型，并进行简化；在SIMULIA模块中对汽轮机组的三维模型中的每个零件分别绘制网格，并添加网格材料属性，如图3所示；
步骤四二：转至Structural Scenario模块，在设置模块添加“创建有限元模型”，选择初始化“无”，如图4所示。
步骤四三：双击有限元模型，设置汽缸、转子、隔板、隔板套和轴承座参与有限元分析(设置起作用的3D形状和起作用有限元模型)，再连接模块进行接触点检测，设置工程连接，如图5所示；
步骤四四：双击方案，在设置中选择步骤四三中设置的参与有限元分析的部件；在程序中设置静态步长；在限制中设置紧固处；在负载中加载重力加速度；在模拟中依次进行模型和场景检查、模拟检查、模拟，完成汽轮机组三维模型的有限元分析；
步骤四五：进行形变数据的提取；
步骤1)打开汽轮机组有限元分析后的三维模型，并转到Structural Scenario的APP下；
步骤2)点击仿真分析的结果Result Of静应力模拟，得到结果模型，选中结果模型中的任一一点，点击导出命令，导出数据结果；
步骤3)选择结果模型的隔板搭子与汽缸支撑位置，选取步骤2)中导出的数据结果，点击确定，导出隔板搭子与汽缸支撑位置的形变量；
步骤四六：分别在半缸与全缸状态下进行有限元分析，分别提取隔板搭子与汽缸支撑位置的形变量，对比半缸与全缸数据，计算补偿值Δh，即半缸数据与全缸数据的差值。
步骤五、根据步骤三提取的圆心和直径以及步骤四计算的补偿值，建立汽轮机通流间隙计算模型，计算全实缸状态下通流间隙。
通过测量每级隔板内圆弧半径，与隔板上下拼接测量的直径，以及转子的加工数据、汽封齿的设计数据、步骤四中补偿数据作为输入数据，计算对应位置的通流间隙其装配尺寸链具体如图6所示。
在半缸状态下，即只装配下汽缸、下隔板套和下部隔板，此时拿掉汽封齿，通过激光跟踪仪测量隔板内、外圆相关数据，通过数据提取可以得到各级隔板处内径A1和外径A3两尺寸。然后将上、下隔板拼接后进行测量，可以测量得到各级隔板处内径A2和外径A4两尺寸。转子相关数据r1、r2、R1、R2、e中，由于数控机床精度较高，转子加工完成之后，数控机床会对转子进行测量，可以得到上述数据。汽封齿的尺寸B1和B2由汽封齿的设计数据确定。在以上数据基础上，便可以得到相应的通流间隙值。各通流间隙计算尺寸链如图7—图10所示。
隔板与叶片的通流间隙的底部间隙为f1，f1所在的尺寸链图如图7所示，则f1由公式(1)计算：
f1＝A1+Δh-B1-e-R1 (1)
其中A1为转子叶片处隔板内圆的半径，Δh为补偿值，B1为转子叶片处的汽封齿的尺寸，e为转子挠度，R1为转子叶片外圆的半径；
隔板与叶片的通流间隙的顶部间隙为f2，f2所在的尺寸链图如图8所示，则f2由公式(2)计算：
f2＝A2-R1-R1-f1-2B1＝A2-2R1-2B1-f1 (2)
其中A2为转子叶片处隔板内圆的直径；
隔板与转子轴段处的通流间隙的底部间隙为f3，f3所在的尺寸链图如图9所示，则f3由公式(3)计算：
f3＝A3+Δh-B2-e-r1 (3)
其中A3为转子轴段处隔板内圆的半径，B2为转子轴段处的汽封齿的尺寸，r1为转子轴段处外圆的半径；
隔板与转子轴段处的通流间隙的底部间隙为f4，f4所在的尺寸链图如图10所示，则f4由公式(4)计算：
f4＝A4-r1-r1-f3-2B2＝A4-2r1-2B2-f3 (4)
其中A4为转子轴段处隔板内圆的直径。
在CATIA中对某小型汽轮机进行建模，通过全缸和半缸状态下的有限元分析提取半缸位移量和全缸位移量，最后确定补偿值补偿值如表1所示：
表1补偿值计算
| 级数 | 半缸位移量 | 全缸位移量 | 补偿值 |
| 1 | 0.0067 | 0.0011 | 0.0056 |
| 2 | 0.0056 | 0.0012 | 0.0044 |
| 3 | 0.0060 | 0.0013 | 0.0047 |
| 4 | 0.0068 | 0.0014 | 0.0054 |
| 5 | 0.0070 | 0.0013 | 0.0057 |
| 6 | 0.0063 | 0.0012 | 0.0051 |
| 7 | 0.0059 | 0.0011 | 0.0048 |
| 8 | 0.0070 | 0.0010 | 0.0060 |
根据激光跟踪仪测量数据，并对数据进行提取，计算通流间隙如表2所示：
表2通流间隙计算
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (5)
1.一种汽轮机全实缸状态下通流间隙检测方法，其特征在于：所述汽轮机全实缸状态下通流间隙检测方法包括以下步骤：
步骤一、分别在各级隔板拆分和合并状态下，使用激光跟踪仪API-T3，测量各级轴段隔板内圆和各级转子叶片处隔板内圆；
步骤二、在拆缸状态下，使用激光跟踪仪API-T3，利用靶球测量上下汽缸有通流间隙要求的各级圆弧；
步骤三、利用SpatialAnalyzer软件对步骤一和步骤二中测量的数据进行处理，提取圆心和直径；
步骤四、建立汽轮机三维设计模型，在全缸与半缸状态下分别进行有限元分析，并计算补偿值；
步骤五、根据步骤三提取的圆心和直径以及步骤四计算的补偿值，建立汽轮机通流间隙计算模型，计算全实缸状态下通流间隙。
2.根据权利要求1所述的一种汽轮机全实缸状态下通流间隙检测方法，其特征在于：所述步骤一中分别在各级隔板拆分和合并状态下，使用激光跟踪仪API-T3，测量各级轴段隔板内圆和各级转子叶片处隔板内圆的具体过程为：
步骤一一：将隔板在检测平台上调整为水平状态，水平度误差小于0.05mm；API-T3激光跟踪仪预热20～40分钟，并进行校准；在测量半个隔板时候，在半个隔板上均等的采集圆弧上的6～10个位置，每个位置采集20～100个点；
步骤一二：在测量拼接在一起的隔板时候，将隔板放在检测平台上，并调整上下隔板使隔板中心线水平，利用API激光跟踪仪在隔板端面上依次均匀采集12～24个位置，每个位置采集20～100个点，在SpatialAnalyzer软件中拟合平面度，若平面度小于0.05mm，则在合并的隔板上均等的采集圆弧上的12～24个位置，每个位置采集20～100个点；否则重新调整上下半隔板，使隔板中分面水平；
步骤一三：重复执行步骤一一和步骤一二，直至完成8级隔板的测量。
3.根据权利要求2所述一种汽轮机全实缸状态下通流间隙检测方法，其特征在于：所述步骤二中在拆缸状态下，使用激光跟踪仪API-T3，利用靶球测量上下汽缸有通流间隙要求的各级圆弧的具体为：
在测量每级圆弧的时候，在圆弧上均等的6～10个位置，每个位置采集20～100个点，依次测量8级圆弧。
4.根据权利要求3所述一种汽轮机全实缸状态下通流间隙检测方法，其特征在于：所述步骤四中建立汽轮机三维设计模型，在全缸与半缸状态下分别进行有限元分析，并计算补偿值的具体过程为：
步骤四一：在3D体验平台中的CATIA模块绘制汽轮机组的三维模型，并进行简化；在SIMULIA模块中对汽轮机组的三维模型中的每个零件分别绘制网格，并添加网格材料属性；
步骤四二：转至Structural Scenario模块，在设置模块添加创建有限元模型，选择初始化无；
步骤四三：双击有限元模型，设置汽缸、转子、隔板、隔板套和轴承座参与有限元分析，再连接模块进行接触点检测，设置工程连接；
步骤四四：双击方案，在设置中选择步骤四三中设置的参与有限元分析的部件；在程序中设置静态步长；在限制中设置紧固处；在负载中加载重力加速度；在模拟中依次进行模型和场景检查、模拟检查、模拟，完成汽轮机组三维模型的有限元分析；
步骤四五：进行形变数据的提取；
步骤1)打开汽轮机组有限元分析后的三维模型，并转到Structural Scenario的APP下；
步骤2)点击仿真分析的结果Result Of静应力模拟，得到结果模型，选中结果模型中的任一一点，点击导出命令，导出数据结果；
步骤3)选择结果模型的隔板搭子与汽缸支撑位置，选取步骤2)中导出的数据结果，点击确定，导出隔板搭子与汽缸支撑位置的形变量；
步骤四六：分别在半缸与全缸状态下进行有限元分析，分别提取隔板搭子与汽缸支撑位置的形变量，对比半缸与全缸数据，计算补偿值Δh，即半缸数据与全缸数据的差值。
5.根据权利要求4所述一种汽轮机全实缸状态下通流间隙检测方法，其特征在于：所述步骤五中根据步骤三提取的圆心和直径以及步骤四计算的补偿值，建立汽轮机通流间隙计算模型，计算全实缸状态下通流间隙的具体过程为：
隔板与叶片的通流间隙的底部间隙为f1，则f1由公式(1)计算：
f1＝A1+Δh-B1-e-R1 (1)
其中A1为转子叶片处隔板内圆的半径，Δh为补偿值，B1为转子叶片处的汽封齿的尺寸，e为转子挠度，R1为转子叶片外圆的半径；
隔板与叶片的通流间隙的顶部间隙为f2，则f2由公式(2)计算：
f2＝A2-R1-R1-f1-2B1＝A2-2R1-2B1-f1 (2)
其中A2为转子叶片处隔板内圆的直径；
隔板与转子轴段处的通流间隙的底部间隙为f3，则f3由公式(3)计算：
f3＝A3+Δh-B2-e-r1 (3)
其中A3为转子轴段处隔板内圆的半径，B2为转子轴段处的汽封齿的尺寸，r1为转子轴段处外圆的半径；
隔板与转子轴段处的通流间隙的底部间隙为f4，则f4由公式(4)计算：
f4＝A4-r1-r1-f3-2B2＝A4-2r1-2B2-f3 (4)
其中A4为转子轴段处隔板内圆的直径。
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