摘要：汽轮机动静部件之间的通流间隙调整是汽轮机总装过程中最为重要的环节，如何进行动静间隙值的精准测量和调整尤为关键，因为调整后的最终间隙值将直接影响到汽轮机的工作效率。文章结合AP1000汽轮机低压缸总装过程中TCCS测量技术在国内的首次应用，介绍了TCCS测量技术的基本原理、配套工器具及测量实践应用，对同类型汽轮机总装的通流间隙测量及调整具有一定的借鉴和参考意义。
关键词：AP1000、汽轮机、低压缸总装、TCCS
Abstract: The adjustment of clearance between Rotating and Stationary parts of Turbine is the most important section during the process of final assembly, it is crucial to precisely measure clearance and adjusts it to the best status, for the adjusted final clearance will influence the work efficiency of Turbine directly. In this article, we introduce the new-type TCCS technology, which is used for the first time during the process of final assembly of AP1000 Turbine LP Casing. The article also introduces the principle, tools and measurement applications of TCCS and it offer reference for the measurement and adjustment the clearance of similar Turbine.
Key words: AP1000、Main Turbine、LP Casing Assembly、TCCS
1、引言
AP1000汽轮机为半速汽轮机，采用1个高压缸、3个低压缸的串联布置，具有高可靠性、高出力、高效率和高使用寿命（60年）的优点。AP1000汽轮机总装的主要流程包括低压缸下半落入总装台位、各级隔板装入缸内找中、动静部件间的通流间隙测量、加工调整件及复测通流间隙、落转子压铅丝、解体清理防锈等。
整个总装过程中最为重要的环节为动静部件间的通流间隙测量及调整。因为通流间隙的存在，汽轮机运转过程中会有小部分蒸汽从间隙中流过而不做功，从理论上来讲通流间隙越小越好；但如果间隙过小，汽轮机运转过程中的振动有可能导致动静部件之间发生相碰并摩擦，轻则造成静止部件上的汽封齿磨损，重则导致汽轮机停机等严重事故。因此汽轮机总装过程必须将通流间隙调整到最佳的设计值范围内，这对汽轮机的工作效率及安全性都有很大的影响。
AP1000汽轮机低压缸总装通流间隙的测量引入了目前世界上较为先进的TCCS测量技术，即Turbine Clearance Control System，汽轮机间隙测量系统,在国内汽轮机行业总装过程还是首次应用。TCCS测量通流间隙相比较传统的落转子压铅丝工艺，具有安全性高、精确度高、稳定性好、测量过程更加灵活便捷等优点，值得推荐更加广泛地应用于核电汽轮机组总装通流间隙的调整控制。
2、TCCS测量技术简介
TCCS测量实际上是一种比较宽泛的称呼，在AP1000汽轮机制造过程中也进行了多次实践应用。在汽轮机低压缸总装过程中，TCCS对动静部件间通流间隙的测量包括轴向和径向两部分。本文TCCS描述主要针对径向通流间隙的测量及调整，实际总装过程中也需反复进行测量调整，对于TCCS的实际应用研究更具有代表意义。
2.1 测量原理
TCCS测量系统是利用带高精度摄像头的激光跟踪仪可以自动捕捉测量靶球的技术，配合可以令激光跟踪仪沿低压缸轴线方向移动的导轨系统，以及可以将测量靶球固定于隔板汽封上的靶球固定工装，来实现汽轮机径向通流间隙的测量，其测量精度理论上可以达到0.002mm。
以低压缸的某一级隔板为例，测量过程分别在隔板汽封齿和围带汽封齿上通过靶球固定工装安装靶球，上、下、左、右共8个测点，然后激光跟踪仪通过导轨架在轴线相对中心位置对这8个测点分别进行激光精确定位测量，所得数据通过坐标转换计算出各测点距离低压缸理论轴线中心的距离，通过比较该处转子轮盘及叶片的外径尺寸，最终得出该级隔板8个测点动静部件间的径向通流间隙。
2.2 测量主要工具
TCCS测量系统由激光跟踪仪、导轨、小车、传动装置、靶球固定工装及配套的测量靶球、控制台等构成。激光跟踪仪固定在小车上，小车可以沿着导轨滑动，传动装置提供动力，靶球固定工装将测量靶球固定在对应测点的汽封齿上，靶球提供数据的输出，数据可直接输入控制台电脑进行统计和分析；同时控制台可以控制小车的匀速、暂停和复位等运行状态。
2.3测量先决条件
TCCS测量过程属于高精度作业，因此每次测量前要充分做好各方面的准备工作，包括内部套及汽封齿等物项状态要具备测量条件，测量工具的安装调整要到位，还有外围因素也要满足开展测量的要求。梳理了低压缸径向通流间隙TCCS测量前的先决条件，主要有以下几方面：
1.低压缸及内部套在总装台位安装就位，完成调平找正，螺栓把紧后中分面间隙值满足设计要求。
2.导轨支撑于低压缸轴线位置，调整到合适的高度并找正；靶球固定工装安装于各级隔板套汽封齿的测量位置，确保工装加紧卡板与汽封齿端锁紧贴死。
3.低压缸端面、各级隔板表面、测点汽封弧段均已清理干净，确保无油污、铁屑等异物。
4.为保障TCCS测量精度，测量过程中应避免周围有振动，特别是吊装的起重作业，包括吊车从测量上空经过等。
5.外围因素中的现场温度要相对稳定，整个测量过程环境温度变换不大于5℃，被测点处不允许被阳光、点焊弧光等强光照射，避免对激光反射产生干扰。
2.4测量过程主要步骤
结合TCCS测量的主要原理和流程，低压缸动静部件间的径向通流间隙测量过程主要步骤概述如下：
2.4.1仪器的预热和校准
根据低压缸现场测量环境，布置和安装TCCS测量仪器，检查线路无误后，开机启动仪器并进行预热准备。预热完毕后用校准软件对激光跟踪仪进行校准，校准项目包括“前视后视”、“ADM精度”。
2.4.2设置转站点
在低压缸电端和调端的末级隔板面上，各安装两个转站用的靶球，用于坐标系转换，安装靶球时检查位置的稳定性，不允许有任何晃动。
2.4.3建立测量坐标系
运行导轨上的小车将激光跟踪仪的位置调整至低压缸调端端面外，对调端端面及调端找正圆行采点，在找正圆的左侧中分面处采1点对其命名为Y点。然后测量转站点，将激光跟踪仪移动至低压缸电端端面外，测量转站点并转站，对电端端面及电端找正圆行采点，将电调端端面的测量点分别拟合为平面，作为电、调端的端面。
2.4.4各靶球处径向尺寸测量
运行导轨上的小车调整激光跟踪仪摄像头的位置，对准隔板及围带汽封齿上各靶球点进行测量，测量顺序建议各级保持一致，如都采用上、左、下、右的测量顺序。每级完成测量后利用点到直线距离命令查询各测量点到转子理论轴线的距离，分别进行记录。
2.4.5测量后相关工作
低压缸各级隔板及围带径向尺寸测量完成后，将测量数据结合对应的转子外径尺寸计算径向通流间隙值，然后根据间隙值出具调整方案，在调整后再次进行TCCS复测，直至最终间隙值全部满足设计要求。
3、低压缸径向通流间隙调整分析
低压缸在完成各级隔板及围带TCCS径向尺寸测量后，对比转子外径计算出实际的间隙值，然后通过与设计间隙值的对比来评估调整件的加工量，完成调整件的加工后回装再次进行TCCS的复测，如再不合格则继续加工调整件，反复直至最终测量合格。下面就以AP1000首套进行总装的2#低压缸TCCS径向通流间隙实际调整过程为例，分析每次TCCS测量后的径向间隙值以及调整件的加工评估，以便对于测量后如何调整间隙有更加直观的认识。
3.1径向通流间隙测点分布及设计值
单台低压缸TCCS径向通流间隙测量点共计144个，其中调端和电端相同各计72个。以调端为例共10级内部套，每级内部套的隔板汽封齿处和围带汽封齿处各4个测点，分别处于上、下、左、右四个方位。
由于低压缸调端和电端测点布置对称，并且径向通流间隙设计公差也一致，因此下表仅以低压缸调端末三级为例，列出各测点的间隙设计值及公差。
表1： 低压缸调端各级隔板径向通流间隙设计值及公差
注：“R”表示围带处汽封 “C”表示隔板处汽封
3.2调整件与径向通流间隙的匹配关系
低压缸用于径向通流间隙调整的配套件包括：①偏心销：用于调整左右通流间隙，结构为扇形圆柱体，扇形部分偏心加工与隔板定位孔配合，圆柱部分与内缸定位孔配合；②支撑垫块：用于调整上下通流间隙，为带装配孔定位块，安装于隔板和内缸支撑面之间；③汽封齿：安装于汽封弧段上，辅助偏心销和支撑垫块对通流间隙进行微调。
3.3径向通流间隙实测值及调整过程分析
仍以2#低压缸总装阶段的TCCS径向通流间隙测量及调整为例，对相关的数据进行列表对比和分析；另使描述更有针对性，仍仅列举2#低压缸调端的测量调整数据。
过程概述：2#低压缸总装阶段总共进行了3次TCCS测量及调整，第1次为常规的TCCS初测，得出了径向通流间隙实测值与设计值的偏差，然后根据偏差值完成调整件的加工并回装，再进行了第2次TCCS测量，实测结果值仍有部分与设计值存在偏差；同样再按偏差值进行调整件的加工，然后进行了第3次TCCS测量，最后仅有5个测点存在微小超差，当场修磨超差点的汽封齿后复测合格。
表3：2#低压缸第一次TCCS测量径向通流间隙值及调整量
注：各符号代表的含义参见“表1”和“表2”的注解部分，其中标黄测点为实测间隙超差。
TCCS初测后数据分析：
标黄测点为实测间隙超差的数据，在TCCS初测准确的前提下，说明总装调整动静间隙还是非常有必要的，因为调端总共72个测点，其中就有53个测点存在间隙超差需要调整。
将超差的数据进行归类分析，以及比较所需调整量的值，整体来看汽轮机各部套的加工精度确实很高，其中最大的一个超差点也只需要修磨0.46mm就能进公差，特别是汽轮机静止部件和转子部件分别由两家工厂进行制造，最终能达到这样的匹配精度确实不容易。
调整件加工的原则，一般为优先加工偏心销和支撑垫块，尽量减少汽封齿的修磨。
表4：2#低压缸第二次TCCS测量径向通流间隙值及调整量
TCCS第二次测量后数据分析：
TCCS第二次测量结果对比初测的数据，间隙超差的测点从53个降到了15个，说明初测的结果是相对准确的，而且调整量的评估也是基本到位的，整体间隙经过调整后是往合格的趋势在发展。
分析调整量的数据，说明偏心销加工还是到位的，复测后无需进行任何调整，但是后5级的支撑垫块都要重新加工增厚，如果两次测量都准确的话，可能是支撑垫块的测量加工不够到位。
蒸汽室各级间隙的调整，还是由于结构上相互关联的原因，确实很难一次性调整到位，所以还是确保偏心销和支撑垫块调整到位的基础上，进一步修磨偏差的汽封齿或背弧。
表5：2#低压缸第三次TCCS测量径向通流间隙值及调整量
TCCS第三次测量后数据分析：
第三次TCCS测量所得出的数据还是非常理想的，只有5个测点间隙存在微小超差，而且这5个测点都只需要修磨汽封齿，这样就可以在不拆缸的情况下直接采用刮刀当场完成修磨，然后直接对偏差点进行复测，直至最终间隙全部满足要求。
针对这5个间隙超差的测点，除其中的蒸汽室5R下部测点偏差较大外，其余4个测点分析原因，可能在第二次调整后这几个点刚好踩在公差的限值上。
这5个超差测点都属于通流间隙偏小的情况，不拆缸当场采用刮刀对超差点的汽封齿进行了修磨，然后复测直至满足间隙要求，至此通流间隙调整完毕，最终将合格的间隙值记录到完工文件中。
4、低压缸TCCS测量及调整优化建议
回首AP1000首台汽轮机三套低压缸TCCS径向通流间隙测量及调整的实践经验，旨在最短总装周期内高质量完成通流间隙的调整，对于后续TCCS测量及调整工作开展有以下几方面建议，希望能够提供参考和借鉴。
1）团队协作很重要：即同一台机组同一套缸，从测量工装的安装、TCCS初测、数据转化和计算、间隙调整量评估、复测TCCS直至合格，尽量保持同一个团队，包括从质检人员、装配工、测量人员到工艺人员等。
2）监造人员要充分参与TCCS测量后调整数据的复核，确保理论加工值计算评估到位。另外对于按调整量加工后的偏心销和支撑垫块，一定要对尺寸进行逐一细致的测量复查，确保加工满足设定的调整量。
3）对于本文提到的TCCS测量前先决条件一定要逐条贯彻，特别是复查靶球固定工装是否安装到位，以及汽封弧段是否顶起到位。
4）对于各测量点的汽封弧段要做好划线标记，便于精确安装靶球工装，保证前后TCCS测量是在同一个测点进行的，确保间隙按值准确调整。
5）与偏心销和支撑垫块的复查类似，修磨过的汽封弧段同样要做好加工前后尺寸的复查核对。并且从整缸运行稳定的角度，测点两边的汽封弧段也要按标准规范做好修磨，对于此类非测点汽封弧段，虽然无法当场通过TCCS测量直接验证间隙尺寸是否到位，但是出厂前一点要做好尺寸复检和记录审查，确保和测点汽封弧段一致修磨到位。
6）从减少通流间隙反复调整的角度出发，在偏心销和支撑垫块调整到位的基础上，如果要通过修磨汽封弧段来达到进入间隙公差范围的要求，建议按公差的中差值进行处理，这样对于复测间隙的冗余浮动范围比较合适，不容易超差出间隙的上下限值。
5、结论
结合本人参与的AP1000汽轮机低压缸总装过程实践，TCCS测量技术应用于汽轮机通流间隙调整，不失为一种高效、精准及稳定的测量手段，按此技术测量并调整后的间隙值，在后续车间及现场复测中均得到了有效验证，与传统的转子压铅丝工艺测量的间隙值基本一致。同时TCCS测量技术应用于汽轮机总装调整尚处于起步阶段，后续还需要更多地付诸实践，不断地摸索积累，总结经验并优化测量过程，以期更高效、更准确、更全面地应用到同类型汽轮机的总装中。相信TCCS测量技术运用将会是今后汽轮机总装间隙测量的必然趋势。
参考文献：
(1)AP1000汽轮机低压缸总装完工记录，哈尔滨汽轮机厂有责任限公司
(2)百万核电机组HTCCS测量系统测量作业指导书，哈尔滨汽轮机厂有限责任公司
(3)《汽轮机分册》，郭廷秋，中国电力出版社
(4)Inspection/Test Procedure for HP&LP Turbine Measurement of Turbine Clearance(T.C.C.S)，三菱重工
论文作者:李杰
论文发表刊物:《电力设备》2018年第4期
论文发表时间:2018/6/19
标签：测量论文; 间隙论文; 通流论文; 汽轮机论文; 低压论文; 总装论文; 隔板论文; 《电力设备》2018年第4期论文;