Введение к работе
Актуальность работы
Качество сборки турбоагрегатов АЭС и ТЭЦ определяет их производительность и эффективность эксплуатации - характеристики, формирующие экономическую эффективность производства электроэнергии. Следовательно, высокоточный контроль взаимного пространственного положения элементов турбоагрегатов, особенно большой единичной мощности (500 МВт и более), при монтаже и ремонте является необходимой и актуальной задачей. При этом основной проблемой является уменьшение несоосности элементов турбоагрегатов (диафрагм и расточек) относительно линии вала ротора.
По сравнению с задачей контроля соосности элементов турбоагрегатов малой и средней единичной мощности (до 500 МВт), контроль турбоагрегатов большой мощности обладает рядом существенных отличительных особенностей: увеличение дистанции до 10 м с одновременным уменьшением допуска на несоосность до 0,15 мм в диапазоне ±5 мм и сокращением сроков проведения контроля в связи с широким фронтом и повышенной сложностью выполняемых работ.
Задача контроля соосности актуальна и в других областях народного хозяйства и промышленности, например, при сопряжении и взаимном позиционировании частей крупногабаритных технологических агрегатов, в том числе судов и самолетов.
Существующие оптические и оптико-электронные средства контроля соосности обладают рядом недостатков: малый диапазон измерений при невысоких точностных характеристиках, низкая степень автоматизации, существенное влияние человеческого фактора. Как результат, они не способны обеспечить эффективное решение поставленной задачи.
В данной работе предложено не только эффективное, но и комплексное решение задачи контроля соосности турбоагрегатов, заключающееся в объединении известных преимуществ оптико-электронных систем (ОЭС), основанных на элементах современной электронной и оптической базы (матричных фотоприемниках оптического излучения, полупроводниковых излучающих диодах (ПИД), микроконтроллерах и др.), с алгоритмами обработки изображений в цифровом виде и методиками проведения контроля. Технологические особенности задачи обуславливают необходимость разработки ОЭС, контролирующей положение пассивного контрольного элемента (КЭ) (например, ретрорефлек- тора), совмещаемого с геометрическими центрами расточек турбоагрегата.
Стоит отметить, что ОЭС с пассивными КЭ являются практически единственным инструментом, обеспечивающим контроль соосности цилиндров, собранных из нескольких частей, с установленной верхней половиной цилиндра. Это тем более актуально в связи с увеличенными габаритами турбоагрегатов большой единичной мощности, их повышенным износом и уменьшением жесткости вследствие естественного старения эксплуатирующихся АЭС.
Подтверждением актуальности работы является согласованность тематики с интересами «Энергетической стратегии России на период до 2030 года» в аспекте продления срока эксплуатации действующих энергоблоков путем повышения эффективности их функционирования, сокращения ремонтных сроков и увеличения межремонтных интервалов.
Указанные обстоятельства определяют актуальность выбора в качестве объекта исследования ОЭС контроля соосности, а в качестве предмета исследования - особенностей построения систем контроля соосности, в том числе авторефлексионного типа, соотношений между характеристиками системы и параметрами ее элементов, а также основных составляющих погрешности контроля, путей их уменьшения и технологии использования подобных систем.
Цель работы
Целью работы является исследование и разработка авторефлексионных оптико-электронных систем контроля соосности (АСКС) и прямолинейности элементов турбоагрегатов большой единичной мощности на базе ретрорефлек- торов, а также разработка опытного образца системы, стенда и методик настройки АСКС с проведением экспериментальных исследований в цеховых условиях.
Задачи исследования
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Анализ и классификация современных оптических и оптико-электронных систем контроля соосности и прямолинейности.
-
Теоретические исследования принципов и особенностей построения авторефлексионных оптико-электронных систем контроля соосности и прямолинейности на базе оптических ретрорефлекторов.
-
Разработка имитационных моделей ретрорефлекторов (тетраэдриче- ского и зеркально-линзового) и исследование влияния погрешностей их изготовления и юстировки на суммарную погрешность АСКС.
-
Анализ и оценка влияния основных источников погрешности АСКС с разработкой методов их уменьшения.
-
Разработка методик и стенда для настройки и испытания АСКС.
-
Проектирование и реализация опытного образца АСКС с дополнительной системой контроля положения ротора в базовой расточке (БР) и проведение их экспериментальных исследований.
Методы исследования
В теоретической части применяются аналитические и численные методы геометрической оптики, в том числе матричный метод расчета хода лучей, и разработанные на их основе методики исследования соотношений между параметрами АСКС. В экспериментальной части при исследовании параметров системы и анализе методов обработки измерительной информации используются детерминированные имитационные модели функциональных элементов, реализованные на основе пакетов прикладного программного обеспечения MATLAB и MathCAD, а также комплексная модель АСКС в среде Zemax. Практическая проверка выбранных параметров АСКС осуществлена посредством экспериментальных исследований опытного образца АСКС в лабораторных, стендовых и цеховых условиях.
Научная новизна работы
Разработан способ контроля соосности элементов турбоагрегатов, основанный на использовании авторефлексионной оптико-электронной схемы с управляемым базовым структурированным тест-объектом и ретрорефлектором с цифровым анализом поля изображения, обеспечивающий заданную величину погрешности и диапазон измерения трех линейных координат ретрорефлектора.
Основные результаты, выносимые на защиту
-
-
Способ контроля трех линейных координат ретрорефлектора, основанный на цифровом анализе поля изображения базового тест-объекта как авторефлексионной марки с управляемыми параметрами и структурой.
-
Алгоритм управления параметрами активного базового структурированного тест-объекта, обеспечивающий согласование уровня сигнала изображения тест-объекта на матричном поле анализа при изменении дистанции контроля.
-
Подходы к построению имитационных компьютерных моделей рет- рорефлекторов и сами модели, позволяющие оценить влияние параметров ретрорефлекторов на суммарную погрешность АСКС и, как следствие, сформировать требования к их изготовлению и юстировке.
-
Методики определения кривой точек визирования (КТВ) оптической системы (ОС) и оценки параметров управляемых базовых структурированных тест-объектов АСКС, позволяющие на этапе настройки систем выявлять и учитывать систематические составляющие основной погрешности системы.
-
Метод проведения контроля положения элементов турбоагрегатов по отношению к базовым расточкам в реальном масштабе времени, основанный на использовании набора активных оптически прозрачных тест-объектов, расположенных в поле зрения системы, связанных с геометрическими центрами контролируемых объектов.
Практические результаты работы
-
-
-
Способ компенсации влияния температурного градиента воздушного тракта при определении координат КЭ в АСКС, основанный на дисперсионном методе измерений с сопоставлением изображений тест-объекта в двух и более узких спектральных интервалах в реальном масштабе времени на едином поле изображений.
-
Спроектирован и реализован опытный образец АСКС, прошедший эксплуатационные испытания при ремонте турбоагрегата III-го энергоблока
Калининской АЭС, совместно с опытным образцом системы контроля положения ротора в базовых расточках (шифр «Ось»), прошедшим эксплуатационные испытания при ремонте турбоагрегата I-го энергоблока Ростовской АЭС.
-
-
-
Универсальный стенд для настройки и испытания систем контроля соосности и прямолинейности, основанный на сравнении результатов измерений АСКС с рабочим эталоном на дистанциях от 1 до 6 м, позволяющий в том числе выявлять систематическую составляющую КТВ с последующей ее компенсацией.
-
Результаты анализа основных источников погрешности в АСКС, стендовых и эксплуатационных испытаний опытного образца АСКС, выявившие наибольшее влияние систематической составляющей КТВ на суммарную погрешность контроля.
-
Методика автоматического преобразования приборной системы координат АСКС к линии ротора, исключающая предварительное трудоемкое «провешивание» визирной линии системы через координаты ротора в БР, тем самым значительно упрощающая процесс контроля с уменьшением результирующей погрешности.
-
Рекомендации к технологическому процессу контроля соосности элементов турбоагрегатов большой единичной мощности по применению комплекса систем «Ось» и АСКС.
Реализация результатов работы подтверждена шестью актами использования методик испытания ОЭС и опытного образца системы «Ось» в работе ОАО «Атомэнергоремонт» и ОАО «НПО «Карат», в учебном процессе кафедры оптико-электронных приборов и систем НИУ ИТМО, а также решением о выдаче патента на изобретение (заявка RU 2010119119 от 15.12.2011 г.), отражена в 7 контрактах на выполнение НИР, проводимых коллективом Научно-образовательного центра оптико-электронного приборостроения НИУ ИТМО.
Развитие исследований в рамках диссертационной работы поддержано двумя премиями SPIE Scholarship 2010 и 2011, пятью грантами правительства г. Санкт-Петербурга. Представление результатов исследования на международных конференциях поддержано двумя грантами РФФИ «моб_з».
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 23 конференциях, 15 из которых международные: XXXIV, ..., XLI научные конференции НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, Россия, 2005, ..., 2012 г.); IV и V Международные конференции молодых ученых и специалистов «Оптика» (Санкт-Петербург, Россия, 2005, 2007 г.); VII, VIII, IX Международные конференции «Прикладная оптика» (Санкт-Петербург, Россия, 2006, 2008, 2010 г.); IV, V, VIII Всероссийские межвузовские конференции молодых учёных (Санкт-Петербург, Россия, 2007, 2008, 2011 г.); 5th International Symposium on Instrumentation Science and Technology (Shenyang, China, 2008 г.); SPIE Optics+Photonics (San Diego, USA, 2010, 2011 г.); 7th International Conference on Optics-photonics Design & Fabrication (Yokohama, Japan, 2010 г.); SPIE Optical Metrology (Munich, Germany, 2011 г.); OSA Frontiers in Optics (San Jose, USA, 2011 г.); IONS NA-3 (Stanford University, USA, 2011 г.).
Опытный образец АСКС представлялся на международной выставке «Фотоника» (Москва, Россия, 2011 г.) и международном промышленном форуме «Российский промышленник» (Санкт-Петербург, Россия, 2011 г.).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 29 печатных работ, из них 1 патент на изобретение, 7 статей в изданиях из перечня ВАК (из них 4 статьи в изданиях, включенных в систему цитирования Scopus).
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 99 наименований, содержит 172 страницы основного текста, 72 рисунка, 26 таблиц и 4 приложения.
Похожие диссертации на Исследование и разработка оптико-электронной системы контроля соосности элементов турбоагрегатов большой единичной мощности
-
-
-
-
-
