核电机组研制
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摘要从理论上对百万千瓦级核电外机座测试系统的研制、测试方法的选择、测量原理、精度分析等进行全面的论述，并对该测试系统的应用效果进行客观的总结。
关键词汽轮发电机；核电机组；外机座；测试系统；准直望远镜；同轴度
1引言
百万千瓦级核电机组是东方电机股份有限公司(以下简称东电公司)与法国阿尔斯通公司合作生产的，机组将安装在广东岭澳核电站。东电公司承担了部分大型零部件的装焊与加工任务，“外机座”就是其中难度最大的任务之一。
百万千瓦级核电外机座是核电机组的关键部件，体积庞大，吨位重，在装焊和加工过程中对机械加工设备及检测方法都有较为特殊的要求。东电公司为了确保核电机组外机座的加工质量，花巨资对W250HC镗床进行了数控改造。改造后的加工设备虽然基本满足了外机座加工的需要，但仍然缺乏重型回转工作台，客观上造成了外机座无法调头加工。因此，一系列急待解决的问题就这样提出来了。如外机座装焊加工时，如何确定工件的轴线；多环装焊、多段组焊时，如何保证各环的同轴度；调头分段加工时需2次装卡、翻身，怎样确定工件的轴线并保证其同轴度符合要求；弹簧板座装配、基板装配时，怎样确保6块板同轴；总装时怎样找出机组的中心线等等。这些都是困扰核电外机座生产的最关键的问题，也是本课题所要解决的问题。
由东电公司计测处、工艺处和重金工分厂等单位工程技术人员共同努力，研制成功了百万千瓦级核电机组外机座中心测试系统，用于核电外机座的装焊加工等生产实际之中，取得了显著的效果。
2核电外机座基本结构及测试要求
核电外机座总长11020mm，最大宽度6300mm，最大高度5390mm，外径5120mm，内径4000mm，重约160t，由15道环板分4段精心装焊而成，结构复杂，制造过程中需要一些特殊的测量，以确保其加工质量。
(1)外机座分4段装焊而成，各段分别装焊时，各环板的同轴度可以通过中心柱准确测量。但段与段之间组合时，则需要用特殊的方法找同心，因为4段安装时总高度达12000mm左右。
(2)外机座装焊后，在W250HC镗床上加工两端面和端板内圆等部位。由于该镗床无回转工作台(阿尔斯通公司使用回转工作台)，外机座只能分步调头加工，即一端加工完后，将外机座吊转180°再加工另一端。这对11000mm长的工件来说，只有采用特殊的测量方法找正，才能确保两端的同轴度。
(3)外机座端面加工直径4400mm，内孔3960mm，4块弹簧板与2块基板切向不均匀分布在外机座的内表面。加工时要确保这6块长约7000mm的板与端面内圆同心(这是核电外机座关键尺寸之一)，就必须使用专门的测量方法找正。
(4)机组总装时，原有的找中心方法已无法满足外机座、内定子、端盖、轴承和转子等大型部件找同心的需要，必须研究新的找中心测量方法。
3测试方案的选择
据有关资料显示，确保核电机组外机座这么大部件的位置测量精度，国内尚无较成熟的测量方法。若与科研院所合作开发研制，费用高(报价22万元)，研制周期长，满足不了东电公司核电外机座生产进度要求；若购置国外的激光准直仪，基本技术参数满足不了核电外机座测量要求，而且费用更高(约15万美元)。因此必须进行认真研究和可行性分析，寻求最佳的测试方案。
对于2(1)项装焊时找同心问题，运用准确度较高的美制数显卷尺等分圆周与拉钢丝挂重锤相结合的测试方法，确定各环板装焊时的位置精度，然后分段组合相互间定位，确保整体装焊同轴符合图纸要求。
对于2(2)、2(3)、2(4)项的问题，着眼于现有测量设备的功能，将测量微准直望远镜自准直系统与望远系统有机结合起来，并对其配套设施进行更新改造，使小功能灵巧地转换成大功能，增强了刚性，扩大了量程。与此同时，还将反射目标靶心精确定位在镗床镗杆轴线上，与测微准直望远镜自准直光轴合理匹配，组成一套具有东电公司特色的测试系统(如图1所示)，比较准确地建立起与镗床镗杆轴线延长线相重合的基准线，满足了加工工艺要求。
核电外机座测试系统主要由下列几部分组成：
(1)测微准直望远镜；
(2)大目标(含反射大目标、可调反射大目标和透射大目标等)；
(3)安装望远镜附件(含可调架、水平座、球体、球座、球夹等)；
(4)自准直光源(含法兰盘、自准直光源及目标照明器等)；
(5)仪器支架(6个自由度可微调)；
(6)W250HC镗床专用插头式反射目标靶；
(7)分中找水平测量装置；
(8)弹簧板找正测量装置。
测试系统主要技术指标如下(单位：mm)：
读数格值0.02
水平和垂直方向测
微器微调量±1.2
靶标适应范围ø500～4000
测量距离18000
调焦不直线度
(在0～18000范围内)0.05
整套装置的测量不确定度＜0.5
在W250HC镗床工作台上，对外机座核心部分的基准轴线定位问题，则依据图纸起始尺寸要求，专门设计了2套长3000mm，分度值为0.02mm，带有分中找水平的投射目标瞄准装置，直接安装在外机座核心部分两端的专用基板上，2个目标靶中心连线与基准轴线平行，可视为辅助基准线。应用这套测量装置的另一个目的，是用于确定镗头中心空间点的位置。
用7∶24锥度专用插头式反射目标靶与W250HC镗床镗头自动定心，定中心反射面与镗头轴线不垂直度控制在20〃以内，其目的是用光学方法把镗床轴线延伸出去，作为调整上述分中测量装置两目标靶中心连线的定位基准。
4测量原理与步骤
41测量原理
将测微准直望远镜自准直原理与望远系统光学原理有机地结合起来，可对不同距离聚焦。这些聚焦点的连线可视为1条理想的基准直线，利用3点固定1条直线自由度的原理，分段接长，巧妙地将小功能转换成大功能，实现镗床镗头轴线与核电外机座两端面孔中心连线相重合。
但由于受光能量损耗随距离增长而增大的影响，透射目标靶最大可见距离为18000mm，而自准直反射目标靶最大可见距离小于6000mm，所以在实际使用过程中，先要利用自准直原理建立起垂直于镗床镗头竖直平面基准线，然后再用透射目标靶接长，以满足生产的需要。
4.2测量步骤
(1)将镗床专用插头式反射目标靶安装在W250HC镗床镗杆上，开机转动，观察反射目标靶心在转动中是1个固定点，还是形成1个小圆圈。若是小圆圈，则需要精心调整专用插冰式反射目标靶，直至转动中靶心为1个固定点为止，然后调整镗头高度，使其与安装在镗床工作台上的外机座中的两透射目标靶的高度一致。
(2)在距离镗头约5000mm处，将测微准直望远镜对准反射目标靶心，利用测微准直望远镜自准直原理，建立与镗杆轴线的延长线相复合的基准线。
(3)离反射目标靶心3000～4000mm处，在已建立的基准线上安装2个透射目标靶，靶心都必须在已建立的基准线上。
(4)将测微准直望远镜移至离镗杆反射目标靶16000mm处后，瞄准2个透射目标靶心和反射目标靶心。望远镜观察到3个目标靶心在1条直线上，则表明测微准直望远镜光轴与已建立的基准线重合。
(5)将2个透射目标靶移至离镗床13000～14000mm处，同样用上述方法调整两透射目标靶心在已建立的基准线上。其目的是检查加工过程中外机座基准轴线是否发生了变化。
(6)调整安装在镗床工作台上的外机座，使外机座内两透射目标靶心连线与已建立的基准线重合。从望远镜中观察5个目标靶心在1条直线上即为合格。
(7)用安装在外机座两侧的2台水准仪瞄准外机座上的水平定位目标刻线，此有助于外机座调头后找水平和起到保持定位基准不变动的作用。
(8)取下反射目标靶，装好镗刀，升至图纸标准的空间定位尺寸，进入加工状态。
5精度分析
(1)由仪器说明书可查出，在18000mm范围内，测微准直望远镜调焦误差为0.05mm，即：
△1=0.05mm
(2)每个目标靶由多个同心圆组成，按制造厂标准规定，同心圆定中心的允许误差为0.01mm。在建立基准线时，目标靶出现5次，所以目标靶定中心误差为：
△2=5×0.01mm
＝0.05mm
(3)测试中须按不同的距离调整目标靶聚焦，每个目标靶都要调整到测微准直望远镜光靶视场内。因最小微调格值为0.02mm，所以测微准直望远镜光靶视场调整误差为：
△3=5×0.02mm
＝0.10mm
(4)不同距离瞄准估读一般不超过一个格值(0.02mm)，5个目标靶要瞄准5次，所以测微准直望远镜瞄准估读误差为：
△4=5×0.02mm
＝0.10mm
(5)由调焦不直线度可知，调整分中找水平2透射目标靶连线与建立的基准线不重合度必须小于0.05mm，即：
△5＝0.05mm
(6)分中找水平测量装置本身重量和移动到中间点的测量装置的重量引起的挠度，在实际操作过程中通过实测加以修正而消除，即：
△6＝0
(7)镗床镗头通过带有7∶24锥度的专用插头式反射目标靶把镗头轴线延伸出去，目标靶定中心反射面的不垂直度(小于20〃)直接影响外机座两端面加工垂直度，即产生误差△7。如图2所示，外机座两端面加工孔径为4000mm，延伸出去光轴距离镗头反射目标靶约16000mm，则由平面几何关系得：
△7＝4000mm×tg20〃
＝0.39mm
(8)实际操作是在车间现场进行的，测量装置与镗床和工作至少等温24h以上，所以温度是一致的，温度误差的影响为零。即：
△8＝0
综上所述，考虑到诸影响因素的随机性，属正态分布，用白塞尔公式计算整个测试系统的总误差为：
即测试系统装置的总误差±0.424mm，小于被测工件误差±1.5mm的1/3，满足生产要求。
6结论
东电公司克服重重困难，攻下一道又一道难关，终于研制成功百万千瓦级核电机组外机座测试系统，用于岭燠核电外机座金加工中确定空间基本轴线及划线位置和复核弹簧板座及内机座支承梁的装焊尺寸、形位公差，使外机座加工质量达到了国内外同类产品的最好水平，为公司用光学测准直望远镜及其测量系统对超长件精确测量开创先例，在国内也属首创。实践证明这套测试系统装置原理正确，测试方法合理，经济、实用。该课题创新部分有如下几项：
(1)将普通的测微自准直望远镜自准直原理巧妙地与望远镜系统光学原理结合起来，取得了将小功能转换成大功能的预期效果。
(2)利用平面几何2点连1条直线和3点固定1条直线的原理，实现了超长件多圆内孔中心同轴。
(3)利用锥度反射目标靶与镗床镗头合理匹配自动定中心的方法，实现了镗头轴线与超长件两端面孔中心连线重合。
(4)设计出专用分中测量装置，建立与超长件两端面孔中心连线平行的辅助基准线，较准。
