СИСТЕМА ДЛЯ ЦЕНТРОВКИ 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 опреде- ляют длительность и трудоемкость капитальных ремонтов. От качества выпол- нения 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 направ- лениях [2]: повышение точности и снижение трудоемкости снятия информации о взаимном расположении центруемых деталей ( измерительная часть ) и нахожде- ние оптимальных воздействий ( перемещений, доработок и т.д. ) позволяющих одновременно провести центровку валопровода и проточной части ТА с мини- мальными затратами времени и средств ( расчетная часть ). Задача нахождения оптимального варианта центровки практически решена и алгоритмизирована [3]. Созданные на базе этого алгоритма программы рас- чета на ЭВМ центровки ТА [4], позволяют находить оптимальный вариант цент- ровочных работ при любых первоначальных расцентровках, с учетом конструкти- вных особенностей отдельных ТА и имеющейся ремонтной базы. При внедрении программного метода расчета центровки в ПРП "Ростов- энерго" и ПО "Львоватомэнергоремонт" выявилась необходимость повышения точности измерений параметров характеризующих взаимное положение стыкуемых деталей ТА, а также потребность повышения достоверности информации о ре- альной соосности, за счет исключения вероятности искажения информации при ее вводе в ЭВМ . В настоящее время разработаны и используются множество способов, тех- нологических приемов, спецоснастки и аппаратуры для измерения взаимного по- ложения стыкуемых частей ТА. К наиболее перспективным следует отнести ла- зерные и оптические приборы [5] , индикатор нутромер разработанный предпри- ятием "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 упру- гий 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 помо- щью 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, реализующее этот способ [8]. Попытка использовать это устройство для изме- рения взаимного положения осей ротора и цилиндра ( расточек ) выявила ряд технических трудностей. Требуемая точность (достоверность) 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 достовернос- ти 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 реаль- ной соосности статорных и роторных деталей ТА . Проведенный анализ разработанных алгоритмов, способов и устройств вы- явил 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 пара- метров 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 центров- ки турбины. Техническое решение найденное при создании этой системы призна- но 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 вхо- дом БИ, выход которого через БПИ подключен к БИн и БВФД, выход которого со- единен 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 подготавлива- ются к работе. В системе предусмотрены три режима работы: КАЛИБРОВКА - калибруют и проверяют работоспособность эталонного дат- чика 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 , установлен- ного в относительную "нулевую" точку характеристики ( середину диапазона ). ИЗМЕРЕНИЕ - измеряется один из параметров несоосности. Режим ИЗМЕ- РЕНИЕ 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 из измерительных датчиков, перемещаемого в зазоре между ротор- ными 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 по- сле полуоборота роторов. Перед началом измерений проводится калибровка ЭД и проверка работо- способности. Сигнал от ЭД и потенциал общей шины прибора поступают на диф- ференциальный вход БИ. Аналоговый сигнал, пропорцианальный разности этих сигналов, с выхода БИ поступает на вход БПИ , где он преобразуется в цифро- вой код. При калибровки добиваются равенства сигнала от эталонного датчи- ка 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 при- бора ); формировании кода разности этих сигналов; проверке достоверности и точности измеренной информации в блоке БВФД ; повторении измерительных циклов до обеспечения требуемой точности и достоверности измеренной инфор- мации; передаче информации об измеренной разности зазоров в ПЭВМ ( в соп- ровождении байта маркировки ); обработке информации о разности зазоров по алгоритму проверки на наличие дефектов геометрии стыкуемых деталей, по ал- горитму 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 информа- ция 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 переключателей или автоматически, неза- висимо 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 рав- ная 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 мо- жет 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 ( 3 сбоя за время измерения одного параметра ). Если фиксируется сбой информации, включается соответствующий индикатор и невер- ная информация игнорируется. Если зафиксировано более трех сбоев подряд, блок БВФД ( через БУ и КД ) подключит к блоку БИ эталонный датчик и ну- левую шину прибора и сравнит получаемый результат измерения с известной ве- личиной ( 0,01 мм ). Если измеренная разность больше этой величины включа- ется индикатор ОТКАЗ ПРИБОРА и система переходит в режим непрерывной про- верки по эталону, до устранения неисправности. Если разность меньше или равна 0,01 мм , то включается индикатор ОТКАЗ ДАТЧИКА и снова производи- тся 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 зафик- сирована 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 из- меренный параметр передается в ПЭВМ в сопровождении байта маркировки, ко- торый фиксирует вид измеряемой соосности, характеристику измеряемой разнос- ти зазоров и ее знак. По этим данным в ПЭВМ проводится проверка на дос- товерность и достаточность информации , а также вычисляется реальная соос- ность 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 марке- ра из параллельного кода в последовательный. Преобразование параллельного кода в последовательный осуществляется в блоке БС, который представляет со- бой универсальный синхронно-асинхронный передатчик ( УСАП ) типа К580ИК51. УСАП позволяет передавать в ПЭВМ и принимать из ПЭВМ информацию в син- хронном 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 ре- зультатам работы базовой программы проводить ( при дефектах геометрии сты- куемых 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 пара- метров 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 обла- дают 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 одно- типных линейных тензометрических датчиков с диапазоном измеряемых зазоров равным 5 мм и диапазоном изменения выходного постоянного напряжения - 5 B. При работе с тензометрическими ( резистивными ) датчиками, выходными сигна- лами 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 принци- пам, описанным ранее. Кроме того программа проводит расчет реальной соос- ности роторов, определяет наличие дефектов стыкуемых деталей турбины, рас- читывает 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 установленными в осевом и радиальном направлениях на полу- муфты роторов до и после полуоборота роторов ). Эта подпрограмма опреде- ляет излом осей ( А ) и радиальное смещение ( R ) в вертикальной и горизонтальной 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 опреде- ляет, имеются ли дефекты геометрии стыкуемых деталей ТА и в зависимости от этого дает команду на проведение дополнительных измерений или расчи- тывает соосность в горизонтальной - Г и вертикальной - В плоскости ( по измеренным зазорам слева - Л , справа - П и снизу - Н ) по основным фор- мулам [1] : Г = ( Л - П ) / 2 ; ( 2 ) В = Н - ( П + Л ) / 2 ; Дефекты геометрии ( отличие сечений от окружности - эллипсность рас- точек или дефектный прогиб вала ротора - ось вращения не совпадает с гео- метрической 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 де- тали имеют дефекты геометрии и следует учитывать возникающую погрешность при определении реальной соосности ( 0.02 мм. - требуемая точность опреде- ления соосности ). Для повышения точности и выявления, какая из стыкуемых деталей имеет дефект, производится повторный цикл измерений в тех же точках после полуо- борота ротора. По результатам первого и второго циклов измерений по формулам ( 2 ) вычисляют соосность в вертикальной 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. Уточнен- ную 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 реализована в виде микропроцессорного прибора ЦИЗ - 4 , изготавливаемого и поставляемого в футляре типа ДИПЛОМАТ. Она состоит из спецоснастки с электровными датчиками зазоров ( перемещений ) и измеритель- ной системы, которая связывается системной шиной с ПЭВМ. Спецоснастка разрабатывается и изготавливается под конкретный тип ТА. Прибор ЦИЗ - 4 может функционировать самостоятельно ( в режиме из- мерения 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 сек- тор, Сапотницкому А.Я., тл. 28-57-33. Выводы: 1. Разработанная система решает весь комплекс проблем связанных с центровкой ТА. 2. Программно - аппаратная реализация позволила реализовать алгорит- мы устронения всех погрешностей возникающих при измерении соосности косвен- ными способами, причем повышение достоверности информации достигнуто практи- чески без снижения быстродействия ( циклы измерений и вычислений запаралле- лены ). 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 турбоагре- гата. / Козлов Е.Г., Сапотницкий А.Я., Семененко Н.П., Шляфман Е.М. 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 / Сапотницкий А.Я., Комаров Г.Н., Беликов Н.В. Опуб. в Б.И. 1981, N 15. 12. А.с. 954896 (СССР) Устройство для измерения приращений емкости или индуктивности / Сапотницкий А.Я. Опуб. в Б.И. 1982, N 32. 13. Сапотницкий А.Я. Высокостабильный емкостной преобразователь переме- щений. - 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. Авторы: А.Я.Сапотницкий Н.В.Беликов В.А.Лукин