СИСТЕМА ДЛЯ ЦЕНТРИРОВАНИЯ ТУРБИНЫ (Автоматизированная система контроля соосности - АСКС-1) Сапотницкий А.Я., Беликов Н.В., Лукин В.А. НИИ механики и прикладной математики РГУ - ПО "Львоватомэнергоремонт" Центровка - одна из самых сложных и ответственных операций выполняемых в период ремонта турбоагрегата (ТА). Центровочные работы во многом определяют длительность и трудоемкость капитальных ремонтов. От качества выполнения этих работ в значительной степени зависит продолжительность пуско - наладки, а также надежность и экономичность отремонтированных ТА . В комплекс работ по центровке входят: центровка роторов по полумуфтам (соосная установка всех роторов валопровода ) и центровка проточной части ТА (соосная установка вращающихся и неподвижных частей ТА ) [1]. Совершенствование технологии центровочных работ ведется в двух направлениях [2]: повышение точности и снижение трудоемкости снятия информации о взаимном расположении центруемых деталей (измерительная часть) и нахождение оптимальных воздействий (перемещений, доработок и т.д.), позволяющих одновременно провести центровку валопровода и проточной части ТА с минимальными затратами времени и средств (расчетная часть). Задача нахождения оптимального варианта центровки практически решена и алгоритмизирована [3]. Созданные на базе этого алгоритма программы расчета на ЭВМ центровки ТА [4], позволяют находить оптимальный вариант центровочных работ при любых первоначальных расцентровках, с учетом конструктивных особенностей отдельных ТА и имеющейся ремонтной базы. При внедрении программного метода расчета центровки в ПРП "Ростовэнерго" и ПО "Львоватом- энергоремонт" выявилась необходимость повышения точности измерений параметров характеризующих взаимное положение стыкуемых деталей ТА, а также потребность повышения достоверности информации о реальной соосности, за счет исключения вероятности искажения информации при ее вводе в ЭВМ. В настоящее время разработаны и используются множество способов, технологических приемов, спецоснастки и аппаратуры для измерения взаимного положения стыкуемых частей ТА. К наиболее перспективным следует отнести лазерные и оптические приборы [5], индикатор нутромер разработан- ный предприятием "Ленэнергоремонт", способ и устройство для центрирования турбины [6] и другие. Однако, каждый из этих способов и устройств имеет свои недостатки. Например, оптические приборы, обладая очень высокой чувствительностью и точностью измерений, не обеспечивают требуемую достоверность определения реальной соосности из-за технологического несовершенства метода контроля взаимного положения центруемых частей. Измерения проводятся при удаленных роторах, при этом не возможно измерить или точно учесть изменения упругих деформаций корпусных деталей и опор при изменении нагрузки, измерить упругий прогиб вала ротора и т.д. Контролем правильности сборки и центровки ТА по этому способу является проверка взаимного положения осей роторов по полумуфтам [5, стр.117]. Нутромер "Ленэнергоремонта" и электронное устройство [6] не позволяют измерить взаимное положение осей роторов, а измерение по полумуфтам с помощью набора щупов [1] не обеспечивает требуемую достоверность из-за большой субъективной ошибки. В настоящее время разработан новый способ контроля соосности роторов ТА [7] и электронное устройство с датчиками зазоров, реализую- щее этот способ [8]. Попытка использовать это устройство для измерения взаимного положения осей ротора и цилиндра ( расточек ) выявила ряд технических трудностей. Требуемая точность (досто- верность) не достигалась из-за наличия дефектов геометрии стыкуемых деталей (геометрия расточек часто отличается от окружности, наблюдается дефектный прогиб вала ротора, имеются дефекты поверхности и т.д.). Для достижения требуемой достоверности определения взаимного положения осей ротора и статора (цилиндра) ТА был разработан новый способ контроля соосности ротора и расточек цилиндра турбины [9]. Этот способ позволяет в процессе измерений выявлять дефекты геометрии стыкуемых деталей и устраняет их влияние при определении реальной соосности статорных и ротор- ных деталей ТА . Проведенный анализ разработанных алгоритмов, способов и устройств выявил необходимость комплексного подхода к задаче центровки ТА . С целью систематизации и уменьшения аппаратных затрат, а также для обеспечения удобства ввода и обработки информации было принято решение о разработке прогаммно - аппаратного комплекса для измерения соосностей и расчета параметров оптимальной центровки ТА. За эту проблему взялся творческий коллектив состоящий из сотрудников межвузовского сектора по совершенствованию программных и технических средств технологии ремонта турбин НИИМ и ПМ и ПО "Львоватомэнергоремонт". Ниже описывается, разработанная этим коллективом, система для центровки турбины. Техническое решение найденное при создании этой системы признано изобретением [10]. Укрупненная структурная схема ситемы для центровки турбины приведена на рис.1. Она состоит из блока датчиков (БД) зазоров, эталонного датчика (ЭД), коммутатора датчиков (КД), блока измерений (БИ), блока преобразования информации (БПИ), блока вычислений и фиксации достоверности (БВФД), блока управления (БУ), блока индикации (БИн), блока сопряжения (БС), системной шины и персонального компьютера (ПЭВМ). Все датчики и общая шина прибора через коммутатор КД соединены со входом БИ, выход которого через БПИ подключен к БИн и БВФД, выход которого соединен с БУ и БПИ и через БС и системную шину связан с ПЭВМ. Выходы блока управления подключены к КД, БПИ и БИн . Датчики БД с помощью приспособлений устанавливаются в места измерений (на полумуфты роторов и в контрольные расточки цилиндров ) и подготавливаются к работе. В системе предусмотрены три режима работы: КАЛИБРОВКА - калибруют и проверяют работоспособность эталонного датчика путем его помещения в "образцовый" зазор и сравнения выходного сигнала с нулевой шиной прибора. Вращая микрометрическую головку калибровочной установки и сравнивая показания цифрового индикатора прибора и микрометра, можно сделать вывод о работоспособности измерительной части прибора. УСТАНОВКА - после установки датчиков БД на спецоснастке в турбину, проверяют находятся ли датчики в рабочем диапазоне. Проверку осуществляют путем сравнения сигналов от каждого датчика с сигналом от ЭД, установленного в относительную "нулевую" точку характеристики (середину диапазона). ИЗМЕРЕНИЕ - измеряется один из параметров несоосности. Режим ИЗМЕРЕНИЕ состоит из двух подрежимов. Измерение взаимного положения подвижных и неподвижных деталей ТА по контрольным расточкам, который условно назван РАСТОЧКА. При этом контролируют изменение разности сигналов (зазоров) от ЭД и одного и з измерительных датчиков, перемещаемого в зазоре между роторными и статорными деталями. Подрежим измерения взаимного расположения осей роторов, который условно назван РОТОР. При этом контролируют изменение разности зазоров от одноименных (радиальных или осевых) датчиков до и после полуоборота роторов. Перед началом измерений проводится калибровка ЭД и проверка работоспособности. Сигнал от ЭД и потенциал общей шины прибора поступают на дифференциальный вход БИ. Аналоговый сигнал, пропор- цианальный разности этих сигналов, с выхода БИ поступает на вход БПИ , где он преобразуется в цифровой код. При калибровки добиваются равенства сигнала от эталонного датчика и нулевой шины прибора, т.е. устанавливают относительную нулевую точку характеристики ЭД . Алгоритм работы системы для центровки турбины приведен на рис.2: Он основывается на: измерении разности двух сигналов (двух измерительных или измерительного и эталонного или эталонного и потенциала общей шины прибора); формировании кода разности этих сигналов; проверке достоверности и точности измеренной информации в блоке БВФД; повторении измерительных циклов до обеспечения требуемой точности и достоверности измеренной информации; передаче информации об измеренной разности зазоров в ПЭВМ (в сопровождении байта маркировки); обработке информации о разности зазоров по алгоритму проверки на наличие дефектов геометрии сты- куемых деталей, по алгоритму определения реальной соосности, с передачей необходимых управляющих сигналов в блок БВФД , для проведения необходимых повторных измерений. После того как базовая программа ПЭВМ определит, что переданная информация о разности зазоров достаточна и точна, запускается алгоритм расчета параметров оптимальной центровки турбины, представленный на рис.3 . Переключение датчиков, задание вида измеряемой несоосности, типа измеряемой разности зазоров и режима работы осуществляет блок управления БУ (вручную, путем переключения соответствующих пере- ключателей или автоматически, независимо от установленных переключателей, под управлением блока БВФД, при проверке достоверности). Алгоритм проверки достоверности измеренной информации основывается на следующем: - величина каждой измеренной разности сигналов от двух датчиков зазоров не может быть больше, чем известная наперед заданная величина равная диапазону измеряемой несоосности. Это позволяет сразу обнаружить отказ одного из датчиков, линий связи или системы коммутации сигналов датчиков; - разность двух последовательных измерений одного параметра соосности не может быть больше, чем Е - стабильность датчиков. Это позволяет выявить случайные сбои информации; - разность сигналов эталонного датчика и нулевой шиной прибора в режиме КАЛИБРОВКА или ИЗМЕРЕНИЕ не может быть больше точности прибора (0,01 мм). Это позволяет распознать отказ прибора или выявить неисправный датчик, число сбоев информации от которого превышает допустимую величину (три сбоя за время измерения одного параметра). Если фиксируется сбой информации, включается соответствующий индикатор и неверная информация игнорируется. Если зафиксировано более трех сбоев подряд, блок БВФД (через БУ и КД) подключит к блоку БИ эталонный датчик и нулевую шину прибора и сравнит получаемый результат измерения с известной величиной (0,01 мм). Если измеренная разность больше этой величины включается индикатор "ОТКАЗ ПРИБОРА" и система переходит в режим непрерывной проверки по эталону, до устранения неисправности. Если разность меньше или равна 0,01 мм , то включается индикатор "ОТКАЗ ДАТЧИКА" и снова производится попытка измерения этого параметра соосности, до тех пор пока не будет зафиксирована достоверная информация. В этом случае индикаторы отказов обнуляются и система анализирует возможность передачи информации в ПЭВМ (через БС и системную шину, стык С2). Если за время очередного цикла измерений не будет окончена передача информации в ПЭВМ или будет зафиксирована неверная информация, включается триггер "ОТКАЗ ПРИБОРА" и цикл передачи повторяется с новой измеренной информацией. Измерение и передача информации осуществляется до тех пор пока программа в ПЭВМ не примет всю информацию требуемую для расчета оптимальной центровки турбины. Каждый измеренный параметр передается в ПЭВМ в сопровождении байта маркировки, который фиксирует вид измеряемой соосности, характеристику измеряемой разности зазоров и ее знак. По этим данным в ПЭВМ проводится проверка на достоверность и достаточность информации, а также вычисляется реальная соосность и выявляется наличие дефектов геометрии стыкуемых деталей ТА . При передаче информации работает программа, выполняющая преобразование двух байт информации результата измерения разности зазоров и одного байта маркера из параллельного кода в последовате- льный. Преобразование параллельного кода в последовательный осуществляется в блоке БС, который представляет собой универсальный синхронно-асинхронный передатчик ( УСАП ) типа К580ИК51. УСАП позволяет передавать в ПЭВМ и принимать из ПЭВМ информацию в синхронном и асинхронном режимах в виде последовательного кода. Сигналы УСАП блока БС объединены в системную шину (СШ) и обеспечивают обмен информацией между системой и персональной ЭВМ типа IBM PC AT/XT. Это позволяет по результатам работы базовой программы проводить (при дефектах геометрии стыкуемых деталей) уточнение и коррекцию результатов измерений , путем проведения дополнительных измерений или вычислений. В системе возможно применение датчиков основанных на любых физических принципах преобразования изменения зазора (перемещения) в изменение параметров электрического сигнала. Основное требование- высокая долговременная стабильность. При разработке системы были опробованы "емкостные" и "магнитные" преобразователи зазоров (перемещений) в код [11, 12]), а также генераторные схемы преобразования [13]. Эти преобразователи обладают высокой чувствительностью и стабильностью, но из-за конструктивных трудностей не были доведены до промышленного использования. В настоящее время в качестве ЭД и блока БД применяется набор однотипных линейных тензо- метрических датчиков с диапазоном измеряемых зазоров равным 5 мм и диапазоном изменения выходного постоянного напряжения - 5 B. При работе с тензометрическими (резистивными) датчиками, выходными сигналами которых является постоянное напряжение, в качестве блока измерений БИ используется прецизионный дифференцальный усилитель типа К 140 УД17. В процессе реализации алгоритма "проверка достоверности измеряемой информации" оценивается работоспособность датчиков путем подсчета числа сбоев приходящей от него информации. Допустимой величиной является три сбоя за время измерения одного параметра cоосности. Если число сбоев превысило величину равную трем, то происходит автоматическое переключение системы в режим "КАЛИБРОВКА" . После окончания проверки работоспособности системы блок БВФВ автоматически возвращает систему в исходное состояние. Таким образом исключено влияние помех, краткосрочных сбоев информации, а также обеспечено ранее выявления отказов отдельных элементов системы. На рис.3 представлен алгоритм базовой программы ПЭВМ, обеспечивающей прием информации о разности зазоров и проверку на достоверность по принципам, описанным ранее. Кроме того программа проводит расчет реальной соосности роторов, определяет наличие дефектов стыкуемых деталей турбины, расчитывает реальную соосность ротора и статора с учетом дефектов и запускает программу расчета параметров оптимальной центровки ТА. Программа включает ряд подпрограмм описанных ниже. Подпрограмма расчета соосности роторов (по измеренным разностям зазоров между датчиками установ- ленными в осевом и радиальном направлениях на полумуфты роторов до и после полуоборота роторов). Эта подпрограмма определяет излом осей (А) и радиальное смещение (R) в вертикальной и горизонталь- ной плоскостях по формулам: верт низ верх низ верх А = ( А(0) - А(0) + А(180) - А(180) ) / 2; гор прав лев прав лев ( 1 ) верт низ верх низ верх R = ( R(0) - R(0) + R(180) - R(180) ) / 4; гор прав лев прав лев где: А(0), R(0) - зазоры в соответствующем направлении до полуоборота роторов; А(180), R(180) - те же зазоры после полуоборота роторов. Подпрограмма расчета соосности ротора и статора (по изменению зазора между поверхностью вала и расточкой). Подпрограмма предварительно определяет, имеются ли дефекты геометрии стыкуемых деталей ТА и в зависимости от этого дает команду на проведение дополнительных измерений или расчитывает соосность в горизонтальной - Г и вертикальной - В плоскости (по измеренным зазорам слева - Л, справа - П и снизу - Н) по основным формулам [1] : Г = ( Л - П ) / 2 ; ( 2 ) В = Н - ( П + Л ) / 2 ; Дефекты геометрии ( отличие сечений от окружности - эллипсность расточек или дефектный прогиб вала ротора - ось вращения не совпадает с геометрической осью вала ) можно определить по формуле: Д = Бл - Бп - 2 * Г * Сos а ; ( 3 ) где: Бл - измеренный зазор между ротором и расточкой в точке находящейся под углом а слевой стороны горизонтального разъема цилиндра; Бп - то же с правой стороны; Если измерения проведены под углом 45 градусов , то формула (3) преобразуется к виду: Д = Бл - Бп - 1.41 * Г ; ( 4 ) Если Д по абсолютному значению больше 0.02 мм., то стыкуемые детали имеют дефекты геометрии и следует учитывать возникающую погрешность при определении реальной соосности (0.02 мм. - требуемая точность определения соосности). Для повышения точности и выявления, какая из стыкуемых деталей имеет дефект, производится повторный цикл измерений в тех же точках после полуоборота ротора. По результатам первого и второго циклов измерений по формулам (2) вычисляют соосность в верти- кальной и горизонтальной плоскостях и сравнивают их. Если разность одноименных соосностей до и после полуоборота ротора больше 0.02 мм., следовательно вал ротора имеет дефектный прогиб. Уточненную соосность в этом случае определяют по формулам: Г = ( Г (0) + Г (180) ) / 2 ; ( 5 ) В = ( В (0) + В (180) ) / 2 ; Если дефект геометрии вала ротора не выявлен (разность соосностей меньше 0.02 мм.), а Д > 0.02 и для повторного цикла, следовательно геометрия расточки отличается от окружности. Уточненную соосность в горизонтальной плоскости определяют по формуле (5), а вертикальной: В = ( Бл + Бп - Л - П ) / 2 * Sin а ; Если измерения проведены по углом 45 градусов, то: В = 0.707 * ( Бл + Бп - Л - П ) ; ( 6 ) Вычисленная соосность анализируется на достаточность информации и, если определены параметры характеризующие взаимное положение всех частей ТА, то запускается программа расчета оптимальной центровки. Программа может функционировать самостоятельно или в составе экспертной системы ремонта ТА, функции и работа которой описаны в [14]. Система система контроля соосности (АСКС-1) реализована в виде микропроцессорного прибора ЦИЗ - 4, изготавливаемого и поставляемого в футляре типа ДИПЛОМАТ. Она состоит из спецоснастки с электровными датчиками зазоров ( перемещений ) и измерительной системы, которая связывается системной шиной с ПЭВМ. Спецоснастка разрабатывается и изготавливается под конкретный тип ТА. Прибор ЦИЗ - 4 может функционировать самостоятельно (в режиме измерения параметров соосности) и совместно с ПЭВМ (IBM PC AT/XT), решая весь комплек задач оптимальной центровки ТА. Межвузовский сектор оказывает помощь при изготовлении и внедрении системы для центровки турбины. Запросы направлять по адресу: 344104, г.Ростов-на-Дону, пр. Стачки, 200/1 , НИИМ И ПМ, межвузовский сектор, Сапотницкому А.Я., тл. 222-77-53. E-mail: sap@math.rsu.ru Выводы: 1. Разработанная система решает весь комплекс проблем связанных с центровкой ТА. 2. Программно-аппаратная реализация позволила реализовать алгоритмы устронения всех погрешностей возникающих при измерении соосности косвенными способами, причем повышение достоверности информации достигнуто практически без снижения быстродействия (циклы измерений и вычислений запараллелены). Точность определения реальной соосности 0.01 мм. Список литературы. 1. Милютин А.В. Центровка турбин и других вращающихся агрегатов тепловых электростанций. М.: Энергия, 1968. 2. Сапотницкий А.Я. Совершенствование программных и технических средств технологии ремонта турбин. - Энергетика и эликтрификация. Серия: Средства и системы управлгния в энергетике, 1988, вып.12. 3. А.с 1564434 (СССР) Способ центровки турбоагрегата / Сапотницкий А.Я., Козлов Е.Г. Опуб. в Б.И., 1990, N 18. 4. Сапотницкий А.Я., Соколова В.Ф., Шляфман Е.М., Козлов Е.Г. Расчет на ЭВМ центровки турбоагрегатов - Электрические станции, 1988, N 6. 5. Карасев В.И., Монэс Д.С. Монтаж паровых турбин с помощью оптических приборов. М.: Энергия, 1976. 6. Пат. 419061 (США) Способ и устройство для выравнивания внутренних деталей турбины. Опуб.4.3.1980. 7. А.с. 998855 (СССР) Способ измерения несоосности роторов турбоагрегата. Опуб. в Б.И. , 1983, N 7. 8. Сапотницкий А.Я., Козлов Е.Г. Новый способ измерения несоосности роторов турбоагрегата. - Электрические станции, 1988, N 10. 9. Сапотницкий А.Я., Козлов Е.Г. Способ измерения взаимного положения осей ротора и расточки цилиндра турбины. Заявка на изобретение N 4758752/25, кл. G 01 В5/28, полож. решение ВНИИГПЭ от 30.05.89. 10. Сапотницкий А.Я., Беликов Н.В., Лукин В.А. Система для центровки турбины. Заявка на изобретение N 4758752/28, кл. G 01 В7/31, полож. решение ВНИИГПЭ от 26.04.91. 11. А.с. 824080 (СССР) Преобразователь малых приращений емкости или индуктивности в код. Опуб. в Б.И. 1981, N 15. 12. А.с. 954896 (СССР) Устройство для измерения приращений емкости или индуктивности. Опуб. в Б.И. 1982, N 32. 13. Сапотницкий А.Я. Высокостабильный емкостной преобразователь перемещений. - Приборы и техника эксперимента, 1988, N 4. 14. Сапотницкий А.Я., Лукин В.А. Разработка экспертной системы ремонта турбин - Энергетика и эликтрификация. Серия: Тепловые электростанции, теплофикация и тепловые сети, 1991, вып.2. _________________________________________________________________________________________________________ Электрические станции, 1992, N 8.