水輪發(fā)電機(jī)組軸線調(diào)整技術(shù)探討

王承 唐善安 蔡小林

摘要：為調(diào)整大中型水輪發(fā)電機(jī)組主軸分段制造軸系的組裝軸線，降低軸承運行擺度，利用兩階段軸線調(diào)整的方式，分析了軸系在靜態(tài)時軸線偏折狀態(tài)的測量及調(diào)整方式，模擬了軸系在動態(tài)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下軸承擺度的測量及軸線調(diào)整方式。結(jié)果表明：通過兩階段軸線調(diào)整技術(shù)，引進(jìn)主軸現(xiàn)場同鏜工藝，既有效解決了主軸不便在制造廠預(yù)組的難題，同時有助于現(xiàn)場提前檢查軸線制造質(zhì)量，分散質(zhì)量風(fēng)險帶來的工期壓力，更有助于提高軸線安裝質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：水輪發(fā)電機(jī)組; 軸線調(diào)整; 大軸同鏜; 盤車

中圖法分類號：TM312 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.03.016

文章編號：1006 - 0081（2022）03 - 0072 - 05

0 引 言

隨著水輪發(fā)電機(jī)組制造技術(shù)的發(fā)展，水輪發(fā)電機(jī)組單機(jī)裝機(jī)容量逐步提升，大型機(jī)組日益增多，對于大型水力發(fā)電機(jī)組，穩(wěn)定運行是實現(xiàn)工程經(jīng)濟(jì)效益的重要保障。在機(jī)組運行過程中，振動與擺度幅值的大小是衡量機(jī)組運行質(zhì)量的主要標(biāo)準(zhǔn)之一，也是反映設(shè)計、制造、安裝、檢修工藝水平的重要綜合性能指標(biāo)。產(chǎn)生機(jī)組振動的原因較多，如水力不平衡、轉(zhuǎn)輪重量不平衡、轉(zhuǎn)子重量不平衡、電磁力不均衡以及機(jī)組軸線偏差等因素，除了通過設(shè)計、制造階段控制部分因素外，安裝施工階段的工藝控制保障也尤為重要，其中通過科學(xué)的檢查方法以及調(diào)整手段，使機(jī)組軸線特性趨于優(yōu)良，進(jìn)而控制各導(dǎo)軸承擺度達(dá)到規(guī)范優(yōu)良水平，可有效降低機(jī)組軸線擺動幅度，減少機(jī)組振動[1-3]。因此，本文研究了水輪發(fā)電機(jī)組軸線的檢查方法和調(diào)整手段。

1 機(jī)組軸線特性及擺度原因分析

1.1 機(jī)組軸系構(gòu)成

大型水輪發(fā)電機(jī)組軸系一般為分段軸系，主要由5部分構(gòu)成，分為轉(zhuǎn)輪、水輪機(jī)主軸、發(fā)電機(jī)主軸、轉(zhuǎn)子及上端軸。各段軸通過法蘭連接的方式，構(gòu)成了整個機(jī)組的軸系，理論機(jī)組中心線即是機(jī)組轉(zhuǎn)動部分作旋轉(zhuǎn)運動的理論軌跡中心。由于機(jī)組類型不同，上端軸部分結(jié)構(gòu)略有差異，雙調(diào)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)槳式機(jī)組在軸系端部多設(shè)有受油器，操作油管亦作為軸系轉(zhuǎn)動部件考慮。

1.2 機(jī)組擺度產(chǎn)生原因

對于大型水輪發(fā)電機(jī)組，受加工制造及運輸條件限制，水輪機(jī)主軸、發(fā)電機(jī)主軸、上端軸一般為獨立部件供貨，需在施工現(xiàn)場通過法蘭連接的方式進(jìn)行軸系連接。理論上，當(dāng)聯(lián)軸后的實際主軸線與機(jī)組理論旋轉(zhuǎn)中心線完全重合時，機(jī)組轉(zhuǎn)動部分的運動最為穩(wěn)定，該狀態(tài)可理解為機(jī)組擺度為零的狀態(tài)。但在實際生產(chǎn)中，由于制造、安裝過程中必然存在且不可消除的誤差，導(dǎo)致聯(lián)軸后的實際軸線與理論旋轉(zhuǎn)中心線必然存在一定偏差。機(jī)組運轉(zhuǎn)過程中，上述偏差在各軸承斷面即形成了圓周擺動，擺動幅值即為各部軸承擺度。

擺度產(chǎn)生的直接原因是實際軸系與理論軸系存在偏差。偏差表現(xiàn)的具體形式多種多樣，按偏差產(chǎn)生的原因，理論上大致可以分為兩種：① 各分段軸系偏斜程度或偏斜方向不一致，主軸系本體的直線度存在偏差，機(jī)組運轉(zhuǎn)過程中，在導(dǎo)軸承斷面產(chǎn)生擺度圓（圖1）;② 主軸系整體的直線度相對較好，但整體軸系與鏡板面垂直度存在偏差，實際軸系與理論軸系存在偏斜，機(jī)組運行時，在導(dǎo)軸承斷面形成擺度圓，見圖2。

理論上兩種擺度產(chǎn)生的原因不同，軸系調(diào)整時所處理的對象也有所不同。但在實際安裝過程中，機(jī)組軸線偏斜的形式更為復(fù)雜，往往兩種原因會同時存在，而軸系表現(xiàn)出來的偏折形態(tài)也是多種多樣。在以往的安裝工藝中，大多在機(jī)組回裝階段，通過軸系盤車檢查擺度幅值并進(jìn)行軸系的調(diào)整處理。由于該階段受到操作空間、操作方法以及工期的制約，問題發(fā)現(xiàn)不及時，其處理的難度相對增大，不利于最優(yōu)方案的選擇。對此，兩階段軸系調(diào)整技術(shù)的應(yīng)用能更為有效規(guī)避單一階段盤車檢查的不足之處。

2 軸線測量分析及調(diào)整

大型水輪發(fā)電機(jī)組的水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)往往由不同廠家生產(chǎn)。受制造產(chǎn)能及經(jīng)濟(jì)效益影響，水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)主軸進(jìn)行制造廠預(yù)組的成本往往非常大，一般難以實現(xiàn)。隨著中國機(jī)械制造技術(shù)的日益發(fā)展，機(jī)械加工設(shè)備的精密程度大幅提高，提升了設(shè)備的便攜性以及操作的便利性，使得大型精密設(shè)備部件在工地現(xiàn)場進(jìn)行二次機(jī)加工成為現(xiàn)實。

以金沙水電站為例，其水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)分別由不同廠家制造，水輪發(fā)電機(jī)組軸線調(diào)整采用兩個階段調(diào)整。第一階段為主軸預(yù)組階段，通過在特定的工位將水機(jī)主軸與發(fā)機(jī)主軸進(jìn)行預(yù)組，檢查水、發(fā)機(jī)主軸靜態(tài)軸系的直線度，采用大軸法蘭現(xiàn)場同鏜技術(shù)，校正機(jī)組軸系本體直線度的偏折;第二階段處于機(jī)組整機(jī)回裝階段，通過轉(zhuǎn)動部件的盤車檢查，調(diào)整軸線擺動，最終使4臺機(jī)組擺度均達(dá)到優(yōu)良標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)軸預(yù)組及同鏜

2.1.1 合同準(zhǔn)備階段

水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)軸實施現(xiàn)場預(yù)組同鏜，其工藝的實施涉及多個合同相關(guān)方，包括工程設(shè)計方、設(shè)備制造承包方和安裝施工承包方等，在工程前期招標(biāo)階段，需要對相關(guān)方的合同責(zé)任界面進(jìn)行劃分，為安裝階段水、發(fā)軸預(yù)組同鏜創(chuàng)造良好的實施條件。

（1） 設(shè)計專用的水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)聯(lián)軸工位。金沙水電站水輪機(jī)主軸長度7 016 mm，總重約87 t，發(fā)電機(jī)主軸長度為6 910 mm，總重約73 t。聯(lián)軸預(yù)組時主軸均為直立狀態(tài)，整體垂直高度高達(dá)14 m，地基承載總重約160 t，須設(shè)置專用聯(lián)軸工位。經(jīng)設(shè)計規(guī)劃，聯(lián)軸工位設(shè)置于安裝間II段，在水輪機(jī)層（非樓板層）埋設(shè)承重基礎(chǔ)板，工位上方發(fā)電機(jī)樓板層開設(shè)吊物孔，利用層間高差解決高度過高的問題，發(fā)電機(jī)層兼作聯(lián)軸同鏜的施工平臺，完美解決了聯(lián)軸承重及高度空間的需求，也保證了作業(yè)安全。

（2） 明確合同分工界面。合同招標(biāo)階段，需明確主軸法蘭同鏜加工的實施單位。金沙水電站相關(guān)合同明確由水機(jī)廠家負(fù)責(zé)現(xiàn)場同鏜，機(jī)加工設(shè)備及人員由廠家提供，水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)主軸連接及中心找正由安裝承包人負(fù)責(zé)，廠家參與聯(lián)合驗收，合同分工界面較為合理，因為設(shè)備制造廠家機(jī)加工技術(shù)較為成熟，且有專業(yè)的加工設(shè)備及操作人員，有效規(guī)避了質(zhì)量風(fēng)險，降低了合同協(xié)調(diào)難度。

2.1.2 聯(lián)軸預(yù)組、調(diào)整

2.1.2.1 安裝程序

水輪機(jī)軸工位吊裝→水輪機(jī)軸上法蘭水平度調(diào)整→發(fā)電機(jī)主軸吊裝、聯(lián)軸→發(fā)電機(jī)主軸上法蘭水平調(diào)整→軸線檢查、測量→軸線調(diào)整、驗收→工裝螺栓緊固→連接法蘭鏜孔→永久螺栓孔驗收→聯(lián)軸、鏜孔完成。

2.1.2.2 工藝及措施

（1） 支墩安裝。金沙水電站水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)聯(lián)軸在安裝間工位進(jìn)行，聯(lián)軸、同鏜加工工期約25～30 d，基礎(chǔ)板板面與地面高差為10 mm。主軸若直接承載于基礎(chǔ)板上，水輪機(jī)軸下法蘭過于貼近地面，主軸連接法蘭面為精加工面，法蘭面長期受潮易出現(xiàn)銹蝕，不利于后期與轉(zhuǎn)輪面把合質(zhì)量;后考慮增設(shè)鋼性支墩（圖3），既可避免法蘭面銹蝕，同時能較好地調(diào)整水、發(fā)軸組合法蘭的高度，方便同鏜加工設(shè)備的布置及操作。

（2） 軸系調(diào)整。① 在水輪機(jī)軸下法蘭和支墩支撐面設(shè)置成對楔子板，利用楔子板調(diào)整主軸水平，水平調(diào)整合格后，必須注意及時將楔子板點焊鎖定，同時建議在對楔側(cè)面劃定記號線，監(jiān)測水平防止移動錯位。② 利用工裝螺栓把合水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)主軸連接法蘭，應(yīng)注意各自的方位調(diào)整;廠內(nèi)進(jìn)行鏜孔時法蘭組合面一般考慮過高、低點，并設(shè)置有明顯標(biāo)記（法蘭連接面低點一般標(biāo)記為“L”，高點標(biāo)記為“H”），在用法蘭把合面連接前，應(yīng)將發(fā)電機(jī)主軸合面的低點標(biāo)記“L”與水輪機(jī)主軸合面的高點標(biāo)記“H”處于同一位置，有利于保障軸線傾斜度一致。③ 調(diào)整好主軸法蘭面水平后，在主軸±X，±Y四個方位角分別懸掛鋼琴線，利用內(nèi)徑千分尺測量各法蘭/軸徑位置的垂直偏差，根據(jù)測量數(shù)據(jù)計算主軸軸系直線度，如果直線度偏差較大，松開把合螺栓，根據(jù)兩段軸系的偏差方向旋轉(zhuǎn)軸系相對角度，多次重復(fù)調(diào)整，直至軸系直線度滿足設(shè)計規(guī)范要求。

（3） 軸線數(shù)據(jù)分析。主軸水平度調(diào)整合格后，利用內(nèi)徑千分尺測量各法蘭面鋼琴線數(shù)據(jù)，計算靜態(tài)軸線偏折情況。以金沙水電站4號機(jī)組為例，軸線預(yù)組后各法蘭面鋼琴線測量數(shù)據(jù)見表1。

以發(fā)電機(jī)軸上法蘭作為基準(zhǔn)圓進(jìn)行數(shù)據(jù)修正，經(jīng)修正簡化計算數(shù)據(jù)見表2。

計算軸線的靜態(tài)偏斜S，參考GB/T8564-2003《水輪機(jī)安裝技術(shù)規(guī)范》機(jī)組軸線的允許擺度值，當(dāng)S在規(guī)范允許范圍，且軸線垂直偏斜方向與法蘭水平趨勢一致時，可判定靜態(tài)軸線直線度滿足設(shè)計要求，經(jīng)測量計算，金沙水電站4號機(jī)組主軸靜態(tài)軸線調(diào)整滿足設(shè)計要求，具備法蘭同鏜條件。

（4） 法蘭同鏜加工。水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)軸靜態(tài)軸線連接、調(diào)整合格后，利用工裝螺栓對稱把合聯(lián)結(jié)法蘭，采用鏜孔設(shè)備對其他螺孔進(jìn)行同鏜擴(kuò)孔加工至設(shè)計尺寸，加工完成后更換永久螺栓，拉伸緊固后復(fù)測軸線情況，拆除工裝螺栓，對剩余螺栓孔進(jìn)行同鏜加工，最終使所有螺孔加工完成并全部更換為永久螺栓，復(fù)測軸線合格后，聯(lián)軸、同鏜工序完成。

2.2 動態(tài)盤車軸線檢查

盤車主要在轉(zhuǎn)動部件裝配完成后進(jìn)行，通過人為的方法使機(jī)組轉(zhuǎn)動部分進(jìn)行連續(xù)緩慢的轉(zhuǎn)動。分別在導(dǎo)軸承、法蘭相應(yīng)部位架設(shè)百分表，將軸承面均勻劃分8個測點，通過記錄旋轉(zhuǎn)過程各測點數(shù)據(jù)，分析計算各部軸承擺度，確認(rèn)各部軸承擺度是否在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，否則應(yīng)查明原因后處理合格，盤車合格后根據(jù)擺度值合理調(diào)整各導(dǎo)軸承抱瓦間隙。

2.2.1 盤車工藝質(zhì)量控制

不同類型的機(jī)組盤車方式大同小異，以立軸混流式發(fā)電機(jī)組為例，在不同的盤車階段，應(yīng)注意不同的質(zhì)量控制要點。

2.2.1.1 盤車準(zhǔn)備階段

盤車前應(yīng)重點關(guān)注盤車準(zhǔn)備工作是否妥當(dāng)，盤車條件是否具備，若檢查不到位，盤車過程極有可能造成設(shè)備刮擦，情況嚴(yán)重的甚至導(dǎo)致設(shè)備損傷，造成難以挽回的損失，重點控制以下方面。

（1） 檢查轉(zhuǎn)動部件是否位于機(jī)組中心。

（2） 檢查各部轉(zhuǎn)動部分與固定部分之間間隙應(yīng)無雜物。重點檢查轉(zhuǎn)子與定子空氣間隙，若空氣間隙存在硬物，轉(zhuǎn)動過程極有可能造成磁極或定子沖片絕緣損傷，修復(fù)處理非常困難，后果較為嚴(yán)重，必須堅決杜絕此類現(xiàn)象發(fā)生。

（3） 測量各轉(zhuǎn)動部分與固定部分間隙，保證轉(zhuǎn)動部位處于自由狀態(tài)。主要應(yīng)測量止漏環(huán)間隙、轉(zhuǎn)輪下冠與底環(huán)間隙、空氣圍帶間隙，確保間隙均勻且滿足設(shè)計要求，盤車抱瓦的瓦面間隙一般控制在0.02 mm范圍。

（4） 檢查制動系統(tǒng)是否已退出、閘板間隙是否足夠，檢查轉(zhuǎn)動部件重量是否已受力于推力軸承、推力瓦受力是否均勻，每塊受力偏差應(yīng)控制在工藝要求范圍內(nèi)。

（5） 檢查高壓油頂起系統(tǒng)是否運行正常、調(diào)節(jié)閥是否調(diào)整到位，檢查每塊瓦面出油量是否正常，保證油膜有效形成。

2.2.1.2 盤車數(shù)據(jù)測量

為保證盤車數(shù)據(jù)測量準(zhǔn)確、有效，盤車過程中數(shù)據(jù)測量應(yīng)注意以下質(zhì)量控制要點。

（1） 各部軸承測點均分個數(shù)、起始點方位、旋轉(zhuǎn)方向必須保持一致，否則測量數(shù)據(jù)無效，旋轉(zhuǎn)方向一般與機(jī)組運行旋轉(zhuǎn)方向保持一致。

（2） 百分表必須架設(shè)在固定部件上，旋轉(zhuǎn)過程中百分表不得晃動，指針必須靈活并垂直于軸承旋轉(zhuǎn)面，百分表不得設(shè)置零位作為初始值，應(yīng)有一定的正負(fù)測量區(qū)間，否則測量數(shù)據(jù)無效。

（3） 盤車時投入高壓油減載裝置，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)45°時停一次，停止位置以鏡板分部測點為準(zhǔn)，關(guān)閉高壓油減載裝置，應(yīng)在百分表穩(wěn)定后記錄讀數(shù);為校核測量數(shù)據(jù)，每次盤車轉(zhuǎn)子需轉(zhuǎn)回零位，檢查回零誤差，若誤差較大，應(yīng)查找原因重新盤車。

首次盤車檢查完水導(dǎo)、下導(dǎo)、鏡板擺度后，還應(yīng)掃描轉(zhuǎn)子圓度與偏心。鏡板水平擺度測量應(yīng)在鏡板面設(shè)置百分表進(jìn)行監(jiān)測，指針應(yīng)垂直于鏡板水平面。轉(zhuǎn)子圓度及偏心測量以定子+Y方位為基準(zhǔn)，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子測量空氣間隙，計算轉(zhuǎn)子磁極相對下導(dǎo)偏心。

2.2.2 擺度分析及調(diào)整

根據(jù)盤車測量記錄，計算各測量部位擺度、同心度，并繪制軸線彎折曲線，若擺度超標(biāo)，應(yīng)進(jìn)行調(diào)整，一般調(diào)整方式如下。

（1） 上導(dǎo)擺度調(diào)整方式。上端軸長度較短，擺度超標(biāo)一般由于法蘭同心度調(diào)整不到位造成，可松開法蘭連接螺栓，根據(jù)擺度方向，利用千斤頂調(diào)整與轉(zhuǎn)子同心度，合格后重新連接法蘭螺栓并盤車檢查。

（2） 集電環(huán)擺度調(diào)整方式。調(diào)整方式與上導(dǎo)相同，但集電環(huán)調(diào)整需兼顧上、下環(huán)數(shù)據(jù)。

（3） 水導(dǎo)、聯(lián)軸法蘭擺度調(diào)整。水導(dǎo)擺度超標(biāo)，需結(jié)合軸線彎折情況對比分析，若擺度趨勢與軸線彎折情況吻合，一般需進(jìn)行軸線處理，應(yīng)召開專題會分析確定調(diào)整方式。

2.3 軸線調(diào)整措施

由于軸線偏折導(dǎo)致的擺度超標(biāo)，需對軸線進(jìn)行調(diào)整處理，軸線調(diào)整的方式主要包括旋轉(zhuǎn)、加墊、研刮及鏜孔等處理工藝，對應(yīng)不同的軸線偏折方式，其調(diào)整處理措施有所差異。

旋轉(zhuǎn)即根據(jù)軸線偏折的方位進(jìn)行180°反向調(diào)整聯(lián)軸的相對方位，但該方式存在較大的不確定性，如工期允許可以進(jìn)行嘗試，但一般不采用。鏜孔主要適用于法蘭聯(lián)結(jié)面不同心引起的軸線偏折，工藝與聯(lián)軸階段同鏜工藝相同。

加墊與研刮的原理基本類似，但加墊方式存在較大的局限性，加墊后法蘭或鏡板、推力頭支承接觸面積必然減小，不利于機(jī)組長期穩(wěn)定運行;同時今后電廠進(jìn)行機(jī)組大修時，很難恢復(fù)到原始狀態(tài)，電廠檢修維護(hù)極為不便，一般不建議大型水電站選擇該處理方式。

研刮主要是通過刮削組合面，對軸線相對鏡板的垂直度或軸線相對法蘭面的垂直度予以糾正，進(jìn)而減小軸承部位的凈擺度。對于不同的軸線彎折狀態(tài)，研刮部位有所不同。若因軸線與鏡板面垂直度偏差導(dǎo)致的擺度超標(biāo)，一般通過研刮推力頭與鏡板之間的絕緣墊，無絕緣墊則研刮推力頭底面。若因軸線本身存在明顯偏折導(dǎo)致的擺度超標(biāo)，即軸線與法蘭面垂直度較差，一般通過研刮法蘭接觸面調(diào)整相對垂直度。實際安裝過程中，可能兩種偏折情況同時存在，隨著加工技術(shù)的發(fā)展以及聯(lián)軸同鏜技術(shù)的應(yīng)用，軸線本身的偏折往往較小，需要處理法蘭面的情況較少，且法蘭接觸面較大，處理難度較大，這種情況下一般選擇調(diào)整軸線與鏡板面垂直度偏差，以減小軸承凈擺度。

3 結(jié) 語

兩階段軸系調(diào)整技術(shù)日益廣泛應(yīng)用于大型水輪發(fā)電機(jī)組安裝，與常規(guī)單純的盤車檢查相比，在遇到機(jī)組擺度超標(biāo)時，其軸系處理的時間成本以及質(zhì)量控制成本都更為經(jīng)濟(jì);同時聯(lián)軸同鏜工藝的應(yīng)用也降低了設(shè)備在制造階段的質(zhì)量控制成本及風(fēng)險，制造廠可以通過預(yù)留加工余量，在現(xiàn)場預(yù)裝配合格后進(jìn)行現(xiàn)場加工，制造及安裝容錯率大大提高。該技術(shù)在錦屏二級、觀音巖、金沙等大中型水電站中都取得了良好的應(yīng)用效果，可在同類水電建設(shè)工程中推廣應(yīng)用。

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（編輯：江 文）

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