重型燃机水平对开机匣结构同轴度及转静子间隙测量方案研究

摘 要：本文介绍了在R0110重型燃机气缸改为水平对开结构后的预装配以及采用激光跟踪仪进行气缸同轴度及转、静子间隙测量方案。方案重点介绍了重型燃机水平对开气缸结构预装配方法及圆锥表面同轴度测量方法。通过制定重型燃机水平对开气缸结构圆锥表面同轴度测量方案，能够在工程实施中解决圆锥表面同轴度测量不准确，无法判定外部气缸是否需要补加工的问题。另外，通过利用激光跟踪仪对转、静子间隙间接测量方案加以介绍，能够为最终代替最终装配径向间隙实测工序打下坚实基础，进一步缩短气缸返修周期。由于在首台R0110重型燃机气缸原结构中计算间隙与实测间隙存在较大偏差，因此，需要在正式装配时实测转、静子间的径向间隙与计算间隙加以对比验证，进而能确定最优转、静子径向间隙测量方法。

关键词：激光跟踪仪 同轴度 轴向坐标 径向间隙

中图分类号：TB92 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）04（c）-0079-02

由于首台R0110重型燃机在气缸同轴度测量及转、静子间隙计算、测量方法上处于不断摸索过程中，测量及计算的结果未能达到预期效果，预装后的间隙计算结果与转、静子装配结果相差较大，未能达到大大缩短研制周期的目的。另外，限于结构空间位置，气缸局部表面未能测量。

首台R0110重型燃机在气缸结构上较将有较大改变，气缸结构由水平、垂直和整环交错锻件连接方式变为整体铸造水平对开结构。结构连接方式及材料的变化必然会引起同轴度测量方式的变化，另外，原测量方法上经过实际测量验证，存在许多不合理的地方。因此需要对重型燃机水平对开机匣结构同轴度测量方案进行研究，确定出较合理的测量方案，尽可能避免在装配过程中出现测量反复及二次补加工。

通过制定重型燃机新结构的同轴度测量方案，可充分发挥原测量设备的测量精度高的优势，使得测量同轴度的准确性得以提高，为正式装配赢得时间。同时，通过测量并计算转、静子径向间隙能够保证其值在合理范围内偏小，既保证间隙符合要求，又能达到燃机最佳性能状态。

1 重型燃机水平对开机匣结构简介

与原结构相比主要是将焊接结构的气缸全部改为水平中分结构的铸造气缸。改进后，进气气缸、1～5级压气机气缸、6～15级压气机气缸（含承力锥）、扩压器、燃烧室外套、透平Ⅰ～Ⅳ级气缸、后支撑气缸以及后气缸均改为水平中分铸造结构，而后支点径向滑动轴承的气缸、承力环以及前支点的轴承气缸、内支撑壳体没有改成水平中分结构。除燃烧室外套和承力锥、燃烧室外套和透平Ⅰ级气缸的连接配合仍采用止口型式之外，其余各气缸安装边之间均采用端平面对接、精密螺栓定位和螺栓固紧的配合连接形式。

2 燃机气缸预装配方案说明

燃机外气缸改为水平对开铸造结构，重量增加，考虑到燃机气缸分段水平装配需要增加较多工装，工艺难度较大，因此预装配方式

仍采用垂直装配方式，待装配完毕后，将燃机外气缸吊起，水平放置于燃机专用支承底座上。

与原结构预装配方案相比，主要差异体现在改后透平Ⅰ～Ⅳ级气缸变为整体铸造上、下半缸结构，在气缸预装配时必须将内部各级隔板组件先装于气缸内，用专用吊具将其固定吊起；压气机6-15级气缸与承力锥铸为一体，若装与燃烧室半缸上，必须用刚性较好的工艺件支撑；整体气缸前支点安装方式及位置与原结构不同。

3 燃机气缸同轴度测量

3.1 测量设备

美国API 3D激光跟踪仪，SmartTRAK 传感器。

3.2 测量的前期准备工作

在燃机气缸水平装于燃机前后支承上后就可以进行气缸同轴度测量。

采用激光跟踪仪测量同轴度度需要首先确定各级蜂窝与动叶相对表面的测量点回转中心以及理论参考模型。因此在测量前期采用了UG三维造型软件生成*.igs参数化模型文件，按设计要求名义尺寸建立起理论参考模型。将模型导入到Spatial Analyzer SA软件中。

测量离散点回转中心通过采用激光跟踪仪定位测量传感器的方法，将测量传感器通过人工控制的方法沿着前、后支承气缸内精密配合面逐点进行点测量。通过Spatial Analyzer SA软件将会显示出所测得的前后支点圆周的离散点坐采标，经过去除个别测量失真点后拟合得到测量用的回转中心线。以后所有的各测量表面的偏心量都是以该测量中心线为基准。

3.3 测量及换算方法

测量同轴度的方法与前面提到的测量回转中心线相同，均用激光跟踪仪，手工控制测量传感器，激光定位的方法来实现。每级测量表面均通过20～30个不等的离散测量点来拟合完整测量表面的坐标位置。在计算机中通过Spatial Analyzer SA软件中能够显示出测量点距理论模型中心的坐标点X，Y，Z。同时，由于前期已导入的理论参考模型，也可以显示出所对应的点坐标及两者之间的差值，并且换算出距理论模型的带有方向性的差值。

同时由于各级测量表面坐标点是沿圆周方向分布的，能够通过计算确定出相应测量表面圆心坐标，与通过前、后支点内表面确定的测量回转中心基准相比就能确定该测量表面的偏心量也就是同轴度的方向及大小。

3.4 具体测量方案

由于外气缸结构变为整体铸造水平对开形式，部件刚性较好，测量表面随时间变形微小，因此考虑尝试拆除全部上半缸，只保留下半缸的状态下进行同轴度测量，用下半缸测量结果代表整个气缸。

3.4.1 测量同轴度的理论中心线

测量同轴度的理论中心线时可以先不拆下上半缸，在测量过程中，传感器可以沿测量面圆周均匀取20～30点。前支承气缸测量点在轴向上可以取接触面中点位置。测量完毕后可换算得到同轴度测量理论中心。该位置可作为测量各级内表面的轴向坐标原点。

3.4.2 气缸内壁及蜂窝表面同轴度测量方案

确定测量理论中心后，考虑测量的合理程度，测量气缸同轴度时采取取消与增加上半缸分别测量，通过某一级气缸内圆柱表面的结果加以对比验证。如果两种测量结果同轴度大小相同，方向一致，则可以采用下半缸代替整体测量。如果结果大小和方向均出现偏差，则仍采用整体气缸测量。因此根据测量结果可以有两种测量方案。

由于确定测量理论中心的同时，测量基准也随之确定，通过尺寸计算确定各级气缸内表面传感器测量轴向坐标（见表1）。

在原结构同轴度测量程序中，压气机第1、2级气缸内表面由于结构的限制，无法测量同轴度。新结构若采用下半缸代替整体同轴度测量方案，则将前支承气缸拆下后，压气机第1、2级气缸内表面可以测量。

由于压气机第1级、8-15级气缸内表面、透平第2级气缸内表面为圆锥表面，因此必须手动控制传感器，使其轴向位置符合表1中的规定值，沿下半缸内表面周向均匀测量10～15点，确定各级气缸内表面同轴度。

气缸其余内表面及各级隔板蜂窝表面为圆柱面，测量点轴向位置可以不同。（如表1）

4 转、静子间隙测量方案

4.1 激光跟踪仪测量换算方案

在进行转、静子间隙测量换算时，可以分别通过激光跟踪仪的传感器测量气缸及蜂窝内表面和转子及篦齿外表面，得到测量坐标点以及相对理论表面偏差。通过计算转、静子距理论表面的平均偏差以及理论间隙值得到计算间隙值。

转、静子间隙测量过程可在进行气缸同轴度测量的同时进行，激光跟踪仪在测量气缸内表面同轴度的同时，也会得出气缸内表面实际与理论的偏差。在测量压气机第1、8～15级、透平第2级气缸内表面实际与理论的偏差时，需要在测完同轴度之后，再次手动控制传感器轴向位置不固定，沿周向尽量多地采集数据点，确保坐标点距平面的偏差平均值准确。

转子测量实际叶片和篦齿表面距理论表面偏差原理上与气缸内表面测量相同。先确定测量的理论中心，然后通过激光跟踪仪确定传感器坐标点距理论表面的偏差。

通过得到转、静子实测点距理论值的偏差以及理论间隙可以得到计算间隙。

4.2 正式装配时的转、静子间隙测量方案

为了进一步验证激光跟踪仪测量换算方案得出结果的准确性，可以在装配过程中采取燃机两半缸内的转静子相对应的表面压蜡，两端使用塞尺的方式，进行转、静子径向间隙的测量。

测量的结果与激光跟踪仪计算的结果相比较，结合气缸的同轴度测量结果确定转、静子是否需要进行补加工。

5 结论

本文对重型燃机水平对开结构与原结构的差异、预装配方案及气缸同轴度及转、静子测量方案进行了介绍。从中可以看出：

水平对开结构气缸预装配仍以竖直装配为主，水平状态测量气缸同轴度。

同轴度测量方案按是否需要拆下上半缸分两种，根据测量结果选取一种。内表面为圆锥面的同轴度测量需要固定轴向位置，确保测量结果准确。

转、静子间隙可以在预装配后通过激光跟踪仪间接测量。分别测量转、静子相对应表面的实际位置与理论表面的偏差，进而通过理论间隙计算得到转、静子间的计算间隙。

由于在原结构中计算间隙与实测间隙存在较大偏差，因此，有必要在正式装配时实测转、静子间的径向间隙与计算间隙加以对比验证，便于进一步提升计算间隙的准确程度，为今后能够节省装配周期，降低装配难度打下基础。

参考文献

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[2] 《透平机械现代制造技术丛书》编委会.装配试车技术[M].北京：科学出版社.

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[4] 赵士杭.燃气轮机原理结构与应用上册[M].北京：科学出版社.