[发明专利]一种汽轮机高温转子径向热变形量的测量装置

说明书

技术领域

本发明专利涉及一种汽轮机高温转子径向热变形的测量技术，属于精密测量技术领域，可广泛应用于回转体轴类等零件热稳定性测量装置中。

技术背景

汽轮机转子是汽轮机组的核心部件，其通常工作在高温(600℃)、高压(25MPa)和高转速(3000r/min)的条件下，汽轮机转子的加工质量及热稳定性直接影响汽轮机机组的运行效率、安全状况、振动特性及使用寿命，对其安全、经济运行具有极其重要的意义。

转子径向变形量的实时监测与热变形参数的测量是汽轮机转子热稳定试验中的关键步骤和难点所在。汽轮机转子热稳定性试验时，转子及实验环境温度高达600℃，而且转子被封闭在实验炉内，给转子径向变形量的实时测量带来了极大的困难。

目前国内企业对汽轮机转子径向变形量的测量方法主要有两种：测量杆直接引导法和杠杆结构引导法。测量杆直接引导法原理如图1所示，是完全参照80年代美国西屋公司的手工测量方案，试验人员利用测量杆5将被测尺寸引到实验炉14外，再用测微表15测量，人工记录测量结果。这种方法测量误差大，结果不可靠；如果测量杆和导向机构配合间隙大，测量杆会产生偏摆，给测量带来误差，但是，如果减小间距，在测量过程中测量杆和导向机构又会由于材料升温膨胀而产生抱死现象，导致测量无法正常进行。杠杆结构引导法原理如图2所示，该方法利用杠杆机构16将被测尺寸导引到实验炉14外用测微表15测量，这种方法结构较直接用测量杆可靠，但不灵活，难以适应多种转子不同直径条件下的测量，长期使用后杠杆与工件接触部位易磨损。

由于汽轮机技术专业性强，制造成本高，国内外制造汽轮机的企业相对较少，专门研制的汽轮机转子径向变形量实时监测系统几乎没有。测量回转类工件的径向尺寸变化的装置和方案却较为普遍，有传统的轴心基准法、V形块法和三表法，也有由这些方法发展而来的可以实现自动测量的技术，例如气动非接触式大尺寸测量技术，测量大型回转体类零件形状误差的激光扫描非接触测量方法，三角法光学非接触测量技术等。

轴心基准法的原理是被测件或测微器随回转轴旋转一圈，测得工件的截面轮廓，然后以某种方法或几种方法去评定圆度误差。国内外已研制成多种轴心法圆度仪，此类仪器使用方便，测量精度高、画出的工件截面轮廓图形直观，但价格昂贵，使用时也有一定的局限性。在转子热稳定性试验这种特殊的高温封闭的实验条件之下，现有的圆度仪是无法正常工作的。

V形块法的测量原理如图3所示，将待测轴17放在V形块18上转动，用测微表15读出待测轴17的径向变化量，然后计算给出结果。这种方法简单易行，不需要基准，因而也就没有基准所带来的误差，由于待测轴与V形块之间属于滑动摩擦，长时间的转动测量会对二者均产生磨损，明显不适合大重量被测件的长时间测量。

三表法从V形块法演变而来，虽然不如轴心基准法那样应用广泛，但在国内外都已应用。其特点是不存在仪器的原理误差或基准误差，可获得较高的测量精度，但存在与V形块法相同的缺点。

合肥工业大学仪器仪表学院检测技术研究所提出了气动非接触式大尺寸测量技术，已成功应用于马鞍山钢铁股份有限公司车轮轮箍分公司研制的火车车轮成本检测线。其测量系统结构示意图如图4所示，气源1提供稳压气流，使气电传感器20与车轮轮箍19保持一定的距离，车轮轮箍19半径变化时，气电传感器20与车轮轮箍19之间的距离发生变化，计算机系统8处理气电传感器20传送的信号，计算机系统8控制电机21驱动随动执行机构22产生相应的位移以保持气电传感器20与车轮轮箍19之间的距离不变，位移传感器23测量随动执行机构22产生的位移，此位移即为车轮轮箍19的半径变形量，这种方法属于无接触测量，不会损伤车轮轮箍的表面。但是气动传感器的工作温度有一定限制，所以这种测量方法适用于对常温工件的检测，而对于高温测量环境，由于气体的物理性质会发生很大的变化，气动传感器的测量精度无法保证，而且在转子热稳定性试验过程中有两段明显升温和降温的过程，在温度变化的过程中气体性质的变化将引入很大的误差，无法满足高精度测量的要求，因而这种方法不适合应用在汽轮机转子热稳定性试验中。

测量大型回转体类零件形状误差的激光扫描非接触测量法利用狭缝对扫描光束的通过和遮断而产生的光强调制作用来实现测量的。其测量原理如图5所示，激光器25出射激光至转动的扫描转镜24，经过透镜26折射后形成扫描光束28，光学窗口27与待测轴17边缘形成狭缝，当激光对狭缝进行高速连续扫描时，就形成一个光强调制信号，该信号携带被测量的有关特征信息。