李崇威

（中國南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司檢修試驗(yàn)中心，廣東 廣州 511400）

抽水蓄能機(jī)組軸線結(jié)構(gòu)對(duì)軸線調(diào)整的影響

李崇威

（中國南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司檢修試驗(yàn)中心，廣東 廣州 511400）

通過對(duì)比分析兩個(gè)抽水蓄能電廠的軸線結(jié)構(gòu)，說明結(jié)構(gòu)差異對(duì)軸線調(diào)整的影響。結(jié)合安裝檢修過程中遇到的實(shí)際問題，介紹了不同軸線結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)相似結(jié)構(gòu)機(jī)組主軸和軸承的選型、安裝、檢修等工作有一定的參考價(jià)值。

軸線調(diào)整；彈性推力軸承；同軸加工

0 概述

在立式水力發(fā)電機(jī)組安裝及檢修過程中，機(jī)組主軸軸線的安裝調(diào)整質(zhì)量直接影響著機(jī)組的擺度、振動(dòng)性能，主軸軸線、旋轉(zhuǎn)中心線、機(jī)組固定部件中心線的相對(duì)位置不佳將引起機(jī)組外部不平衡力的增大、機(jī)組振動(dòng)加劇、導(dǎo)軸承運(yùn)行情況惡化等問題，甚至威脅著機(jī)組的安全運(yùn)行。主軸軸線、旋轉(zhuǎn)中心線、機(jī)組固定部件中心線的一致重合，即“三線合一”是機(jī)組軸線的理想狀態(tài)，是機(jī)組軸線調(diào)整的最終目標(biāo)。

機(jī)組軸線調(diào)整通常包括機(jī)組軸線測(cè)量、數(shù)據(jù)分析與處理、軸線調(diào)整、軸線中心調(diào)整等主要內(nèi)容。本文通過幾個(gè)抽水蓄能電廠的軸承結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)機(jī)組軸線調(diào)整過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行總結(jié)分析，以期對(duì)后續(xù)的機(jī)組安裝、檢修過程中的同類工作有所參考，對(duì)機(jī)組軸線及軸承設(shè)計(jì)與選型有所幫助。

1 主軸及軸承結(jié)構(gòu)對(duì)比

電廠A為單級(jí)可逆混流式水輪發(fā)電機(jī)組，普通傘式結(jié)構(gòu)。主軸由發(fā)電機(jī)上端軸、轉(zhuǎn)子支架、下端軸、水輪機(jī)軸組成。機(jī)組設(shè)置有上導(dǎo)、下導(dǎo)、水導(dǎo)、推力軸承，其中推力軸承為獨(dú)立油盆，推力瓦支撐為彈性油箱結(jié)構(gòu)，上導(dǎo)、下導(dǎo)為巴氏合金分塊瓦結(jié)構(gòu)。推力頭與下端軸分別加工，通過螺栓把合傳遞扭矩，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 A電廠推力瓦彈性支撐結(jié)構(gòu)與推力頭把合方式示意圖

A電廠的水導(dǎo)為4分瓣筒式瓦，通過螺栓把合成整體，再懸掛固定于水導(dǎo)油盆蓋上。水導(dǎo)瓦與機(jī)組的安裝固定部件把合在一起，無法通過調(diào)整水導(dǎo)瓦來調(diào)整軸瓦間隙，只能在機(jī)組軸線定中心時(shí)調(diào)整大軸的位置，來保證水導(dǎo)軸瓦間隙。水導(dǎo)軸瓦單邊間隙設(shè)計(jì)值為0.225mm，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

電廠B為單級(jí)可逆混流式水輪發(fā)電機(jī)組，普通傘式結(jié)構(gòu)。主軸由滑環(huán)軸、滑轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子支架、下端軸、水輪機(jī)軸組成，發(fā)電機(jī)下端軸與水輪機(jī)軸同軸加工。機(jī)組設(shè)置有上導(dǎo)、下導(dǎo)、水導(dǎo)、推力軸承，其中推力軸承與下導(dǎo)共用一個(gè)油盆，推力瓦支撐為彈簧簇結(jié)構(gòu)，如圖3所示。推力頭與下端軸整體加工，鏡板通過螺栓把合于推力頭上。

圖2 A電廠水導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)

圖3 B電廠推力瓦支撐結(jié)構(gòu)

B電廠的下導(dǎo)為18塊分塊瓦結(jié)構(gòu)，軸瓦單邊間隙設(shè)計(jì)值0.36mm，油箱蓋板也是制動(dòng)器的安裝基礎(chǔ)板。盤車時(shí)不能將蓋板打開，而是在蓋板上開有2個(gè)檢修孔，通過一套蓋板的旋轉(zhuǎn)工裝，將檢修孔旋轉(zhuǎn)至對(duì)應(yīng)的下導(dǎo)瓦位置，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 B電廠下導(dǎo)軸承油盆結(jié)構(gòu)與油盆蓋旋轉(zhuǎn)工裝

A、B電廠的軸線結(jié)構(gòu)與參數(shù)對(duì)比如表1所示。

根據(jù)GB/T 8564-2003，A、B電廠各導(dǎo)軸承處的絕對(duì)擺度要求如表2所示。

國標(biāo)對(duì)不同導(dǎo)軸承處的相對(duì)擺度要求標(biāo)準(zhǔn)不一樣，國外的設(shè)備生產(chǎn)廠家則通常對(duì)擺度要求不區(qū)別導(dǎo)軸承的位置。A、B電廠的設(shè)備廠家給出的要求值均為鏡板處的傾斜率≤0.05mm/m，即各導(dǎo)軸承處絕對(duì)擺度值≤2×0.05×L/D。計(jì)算后，設(shè)備廠家的擺度要求值如表3所示。

表1 軸系結(jié)構(gòu)對(duì)比

表2 機(jī)組軸線擺度允許值（雙振幅、國標(biāo)換算）

表3 廠家規(guī)定的機(jī)組軸線擺度允許值

2 軸線測(cè)量

軸線測(cè)量方法一般有兩種，第一種為機(jī)組盤車，分為人工盤車、機(jī)械盤車與電動(dòng)盤車。第二種方法為掛鋼琴線，直接測(cè)量軸線的傾斜率k與軸彎曲δ。盤車是傳統(tǒng)而經(jīng)典的軸線測(cè)量方法，為國內(nèi)各電廠所普遍采用。掛鋼琴線直接測(cè)量的方法常見于國外GE、TOSHIBA等廠家供貨的機(jī)組，在實(shí)際操作中通常作為輔助測(cè)量手段，以檢驗(yàn)盤車數(shù)據(jù)[1]。

2.1 直接測(cè)量機(jī)組軸線

B電廠的設(shè)備廠家給出了機(jī)組掛鋼琴線直接測(cè)量軸線的方法。以水輪機(jī)軸為例，如圖5所示，圖中軸線彎曲要求δ≤0.08mm，傾斜率k≤0.02mm/m。

水輪機(jī)軸上法蘭距鏡板3150mm，按照廠家給出的擺度≤2×0.05×L/D的要求，此處軸線彎曲δ≤0.08mm，則傾斜率應(yīng)該為k≤0.012mm/m。按照傾斜率k≤0.02mm/m、δ≤0.08mm的要求進(jìn)行計(jì)算，擺度應(yīng)≤0.045L/D?？梢姀S家沒有將擺度與軸線傾斜、彎折關(guān)聯(lián)起來，只是簡單地給出軸線直接測(cè)量的要求，致使給出的軸線調(diào)整要求相互矛盾。

因上述原因且廠家未給出軸線彎折的法蘭面處理方法，故在B電廠機(jī)組安裝時(shí)只采用了盤車的方法進(jìn)行軸線測(cè)量與調(diào)整。

圖5 B電廠掛鋼琴線直接測(cè)量軸線示意圖

2.2 盤車測(cè)量機(jī)組軸線

1）剛性盤車

根據(jù)GB/T 8564-2003，對(duì)彈性推力軸承結(jié)構(gòu)的機(jī)組，有條件的應(yīng)按照剛性盤車方式進(jìn)行軸線擺度測(cè)量，擺度數(shù)據(jù)應(yīng)滿足表2的要求。同時(shí)須進(jìn)行彈性盤車，以檢查鏡板外緣軸向擺度。

表4 A電廠盤車數(shù)據(jù)及擺度計(jì)算值

A電廠某臺(tái)機(jī)組的某次盤車數(shù)據(jù)及擺度情況如表4所示。上導(dǎo)最大擺度為0.24mm，高點(diǎn)為2點(diǎn)。水導(dǎo)最大擺度為0.19mm，高點(diǎn)為6點(diǎn)。上導(dǎo)、水導(dǎo)高點(diǎn)對(duì)稱，與傘式結(jié)構(gòu)機(jī)組相符，但各處擺度均超出表3國標(biāo)的要求，經(jīng)檢查為下端軸下法蘭與推力頭配合面不水平，導(dǎo)致把合后水輪機(jī)軸與鏡板面不垂直，對(duì)配合面進(jìn)行打磨處理后，擺度滿足要求。

對(duì)推力頭與下端軸非整體加工的機(jī)組，推力頭與主軸軸向配合間隙過大導(dǎo)致軸線傾斜或者端面配合不水平是導(dǎo)致擺度超標(biāo)的常見問題，如圖6所示。

圖6 推力頭與主軸配合問題示意圖

B電廠某臺(tái)機(jī)組的某次盤車數(shù)據(jù)及擺度情況如表5所示。

表5 B電廠盤車數(shù)據(jù)及擺度計(jì)算值

從表5中可以看出，B電廠擺度值較小，遠(yuǎn)小于表3中的國標(biāo)要求值，軸線情況良好。

2）彈性盤車

A電廠水導(dǎo)瓦為筒式結(jié)構(gòu)，無法進(jìn)行抱軸，因此不能通過機(jī)組彈性盤車來檢驗(yàn)鏡板軸向擺度（端面跳動(dòng)量）。

B電廠將上導(dǎo)、水導(dǎo)瓦抱軸后，彈性盤車數(shù)據(jù)如表6所示。從結(jié)果看，鏡板的端面跳動(dòng)數(shù)據(jù)良好，遠(yuǎn)小于國標(biāo)0.15mm的要求值。

表6 B電廠彈性盤車數(shù)據(jù)

從A、B電廠的軸線測(cè)量過程及數(shù)據(jù)比較來看：

在機(jī)組安裝過程中，可以通過軸線直接測(cè)量的方法對(duì)機(jī)組盤車的數(shù)據(jù)進(jìn)行校核，但是應(yīng)保證軸線直接測(cè)量方法的有效性和測(cè)量精度。

推力頭與主軸法蘭整體鍛造加工的結(jié)構(gòu)，能減少因推力頭與主軸組裝后軸線間隙或端面不水平引起的擺度超標(biāo)問題的發(fā)生。

水輪機(jī)軸與發(fā)電機(jī)軸同軸加工的方法，能一定程度上保證軸線的直線度，提高軸線的擺度性能。

機(jī)組的彈性軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)盡可能滿足機(jī)組彈性盤車的條件，避免因類似筒式水導(dǎo)瓦不能抱軸及調(diào)整軸瓦間隙等結(jié)構(gòu)問題，使運(yùn)行檢修中無法測(cè)量與掌握鏡板端面跳動(dòng)量的情況。

3 數(shù)據(jù)分析與軸線調(diào)整

3.1 數(shù)據(jù)分析與處理

在數(shù)據(jù)測(cè)量中，工器具故障、測(cè)量方法錯(cuò)誤等原因常導(dǎo)致數(shù)據(jù)產(chǎn)生偏差甚至失效。對(duì)軸線測(cè)量數(shù)據(jù)的處理可以簡單的歸結(jié)為二步：一是數(shù)據(jù)的有效性判別；二是數(shù)據(jù)優(yōu)化處理。

盤車數(shù)據(jù)有效性判別的基本依據(jù)有：1）擺度曲線的正弦特性。如果擺度數(shù)據(jù)繪成曲線后沒有正弦規(guī)律，表明軸線可能處于非自由狀態(tài)。將表5中的凈擺度繪成曲線如圖7所示，圖中軸線各處的凈擺度曲線均呈現(xiàn)正弦規(guī)律；2）大軸旋轉(zhuǎn)一周后回到起始位置，擺度數(shù)據(jù)是否回零；3）抱瓦處的主軸擺度應(yīng)在0.02mm以內(nèi)；4）最大擺度值與方位特征符合機(jī)組結(jié)構(gòu)及一定的幾何關(guān)系；5）在非精加工面測(cè)得的數(shù)據(jù)僅作參考。

圖7 凈擺度曲線的正弦特性

軸線中心調(diào)整時(shí)的迷宮環(huán)間隙、軸承油盆鏜口距離、發(fā)電機(jī)空氣間隙等機(jī)組中心測(cè)量數(shù)據(jù)的有效性判別：1）雙邊間隙或距離總和偏差一般在0.10mm以內(nèi)，即呈現(xiàn)圓的特性；2）同一處數(shù)據(jù)多次測(cè)量或多人測(cè)量誤差在0.03mm以內(nèi)；3）本次與歷史數(shù)據(jù)相差在合理范圍以內(nèi)；4）空氣間隙值呈現(xiàn)兩個(gè)偏心圓特性；5）軸線中心偏離固定部件中心的方位符合機(jī)組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

通過作圖求取高點(diǎn)和方位的傳統(tǒng)方法不在此贅述，其存在一定誤差。為獲得更為準(zhǔn)確的擺度數(shù)據(jù)和高點(diǎn)方位，可采用曲線擬合方法進(jìn)行曲線修正，即尋找一條正弦曲線，使已有的離散點(diǎn)與該曲線的偏差最小。如采用最小二乘法使偏差的平方和最小[2]。最小二乘法進(jìn)行曲線擬合方法如圖8示意。

圖8 最小二乘法擬合擺度曲線示意圖

采用曲線擬合尋找最優(yōu)正弦曲線時(shí)，進(jìn)行曲線的左右平移相當(dāng)于消除大軸等分編號(hào)不均勻、盤車停止讀數(shù)時(shí)位置偏差等角度誤差，進(jìn)行上下平移相當(dāng)于消除讀數(shù)不準(zhǔn)、讀數(shù)不回零等擺度幅值的誤差。

3.2 軸線調(diào)整

軸線擺度超標(biāo)處理，一是調(diào)整鏡板水平，使鏡板面與主軸軸線垂直；二是調(diào)整分段軸的連接法蘭，消除軸線的彎折。

對(duì)通過卡環(huán)傳遞機(jī)組重量至推力頭或者設(shè)置有絕緣墊的機(jī)組，可以通過刮卡環(huán)或絕緣墊的方法進(jìn)行鏡板水平的調(diào)整。A、B電廠機(jī)組為彈性推力軸承結(jié)構(gòu)，在一定范圍內(nèi)具有自動(dòng)調(diào)整和適應(yīng)鏡板不水平情況的能力，而沒有設(shè)置直接調(diào)整推力頭鏡板水平的結(jié)構(gòu)部件。在安裝時(shí)通過在下機(jī)架或推力支架下加減墊片的方式來調(diào)整推力瓦安裝基礎(chǔ)的水平，以及通過高精度的加工工藝，使每塊推力瓦及彈性附件之間的偏差盡量小，來保證機(jī)組鏡板面的水平。

對(duì)軸線彎折的處理，是通過在聯(lián)接法蘭面加減墊片或者打磨法蘭面的方法進(jìn)行調(diào)整的。

4 軸線中心調(diào)整

在機(jī)組軸線擺度滿足要求后，軸線中心進(jìn)行最終的調(diào)整，使機(jī)組軸線中心與固定部件中心盡量重合，保證轉(zhuǎn)動(dòng)部件與固定部件的間隙均勻，轉(zhuǎn)動(dòng)部分所受的不平衡電磁力和水力作用最小。

軸線定中心的原則是以優(yōu)先保證固定部件與轉(zhuǎn)動(dòng)部件配合間隙最小處的間隙均勻來確定的，即優(yōu)先保證發(fā)電機(jī)空氣間隙、導(dǎo)軸承鏜口與主軸距離、迷宮環(huán)等間隙中設(shè)計(jì)值最小的一個(gè)，對(duì)A電廠是水導(dǎo)軸瓦間隙，B電廠是迷宮環(huán)間隙。

以A電廠的軸線中心調(diào)整為例，首先測(cè)量上述固定部件和轉(zhuǎn)動(dòng)部件的間隙初始值，根據(jù)水導(dǎo)與大軸間隙值計(jì)算大軸中心需要調(diào)整的方向和位移量。如圖9所示，水導(dǎo)定中心前+X/Y方位的軸瓦間隙偏大，需要將大軸中心O2向水導(dǎo)瓦中心O1方向移動(dòng)0.14mm。

圖9 軸線定中心示意圖

在離推力頭最近的下導(dǎo)軸承處±X/Y方向進(jìn)行抱軸，啟動(dòng)推力軸承高壓注油泵后，用百分表監(jiān)視頂推過程中大軸的位移值，大軸頂推到位后重新抱緊軸瓦并停止注油泵。重新測(cè)量上述各處間隙值，確認(rèn)軸線中心是否調(diào)整到位。

A電廠水導(dǎo)瓦與大軸間隙較小，單邊為0.225mm。在下導(dǎo)處頂推大軸時(shí)，大軸傾斜后與水導(dǎo)容易抵死，使定中心工作需要多次反復(fù)。

B電廠的下導(dǎo)油盆蓋與制動(dòng)器基礎(chǔ)板為一體結(jié)構(gòu)，在定中心時(shí)油盆蓋無法打開，僅靠2個(gè)狹小的檢修孔不能同時(shí)監(jiān)視大軸4個(gè)方位的位移。在上導(dǎo)處進(jìn)行頂推大軸時(shí)，因推力頭離上導(dǎo)較遠(yuǎn)，上推力頭的位移與上導(dǎo)不同步，使定中心工作也需要多次反復(fù)。

5 結(jié)語

機(jī)組軸線調(diào)整是影響機(jī)組整體性能的一項(xiàng)關(guān)鍵工作，前文對(duì)比分析了兩個(gè)電廠的結(jié)構(gòu)差異對(duì)機(jī)組軸線調(diào)整過程的影響。通過對(duì)安裝檢修現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際問題的思考，總結(jié)了部分值得借鑒的經(jīng)驗(yàn)與方法：

從2個(gè)電廠的運(yùn)行情況來看，彈性支撐推力瓦結(jié)構(gòu)在一定程度上能消除鏡板及推力瓦安裝基礎(chǔ)的不水平情況，改善軸線的擺度性能。

發(fā)電機(jī)軸和水輪機(jī)軸同軸加工方法、推力軸承及其附件的高精度加工工藝，對(duì)軸線的性能提高大有裨益。

主軸與推力頭整體加工方式，能有效避免因主軸與推力頭配合問題出現(xiàn)的擺度超標(biāo)問題。

筒式導(dǎo)軸承瓦結(jié)構(gòu)不利于軸線中心的調(diào)整，增大了安裝和檢修的難度。導(dǎo)軸承油盆蓋等附件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選型應(yīng)充分考慮機(jī)組后續(xù)的安裝檢修需求。

[1]劉萬均，黃?？?二灘水電站機(jī)組軸線調(diào)整[J].四川水力發(fā)電，2000，19(2):56-58.

[2]楊 云,李大海,李天石,等.水輪發(fā)電機(jī)組盤車數(shù)據(jù)處理方法[J].水力發(fā)電，2006，29(3):45.

TV547.3

B

1672-5387（2015）S-0014-05

10.13599/j.cnki.11-5130.2015.S.005

2015-10-30

李崇威（1985-），男，工程師，研究方向：抽水蓄能機(jī)組安裝、檢修及試驗(yàn)。