祁英明，王 超

（華能瀾滄江水電股份有限公司，云南 維西674600）

1 概述

影響水電機組安全穩(wěn)定運行的3個因素主要有：電氣因素、機械因素、水力因素。其中機械因素主要有：軸線不對中、發(fā)電機轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心、導(dǎo)軸承缺陷或間隙調(diào)整不當、各油盆密封調(diào)整不當?shù)纫蛩豙1]。軸線不對中以及導(dǎo)軸承間隙調(diào)整不當，會使機組各部件圓度及同心度誤差大，以及機組旋轉(zhuǎn)部件幾何中心與旋轉(zhuǎn)中心不重合，造成發(fā)電機氣隙不均勻和發(fā)電機轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡，最終會造成旋轉(zhuǎn)部件上磁拉力不平衡或者質(zhì)量不平衡。水輪發(fā)電機組旋轉(zhuǎn)部件不平衡力的存在會使機組振動或者擺度出現(xiàn)不同程度的增加，并增加導(dǎo)軸承荷載以及機械部件的疲勞破壞強度。

傳統(tǒng)水電機組軸線調(diào)整分析，常采用8等分點全擺度、凈擺度計算法，比較依賴技術(shù)人員的經(jīng)驗，對于軸線調(diào)整分析定量分析不夠精確，尤其是定位最大擺度相位角等。文獻[1]、[2]闡述了非線性理論在軸系調(diào)整及模擬中的應(yīng)用，對上導(dǎo)、電磁拉力以及質(zhì)量不平衡等進行建模計算，分析了發(fā)電機靜平衡和動平衡對軸系的影響，以及機組轉(zhuǎn)速、電磁拉力和上導(dǎo)剛度對動平衡產(chǎn)生的負面作用。文獻[3]采用機坑內(nèi)聯(lián)軸鏜孔新工藝進行軸線調(diào)整，很好的解決了2號機組軸線盤車擺度超標，并經(jīng)過啟動試運行檢驗，機組振動和擺度均滿足國標和企業(yè)標準。文獻[4]結(jié)合立式水電機組安裝實際情況，在傳統(tǒng)的機組軸系調(diào)整計算方法的基礎(chǔ)上，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理，建立新的機組軸系調(diào)整預(yù)測模型。研究表明，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型充分考慮機組自身結(jié)構(gòu)特性影響，比傳統(tǒng)計算方法更準確地獲得軸系調(diào)整方法，為水電機組盤車提供了一種新方法。

本文從安裝過程出發(fā)，結(jié)合最小二乘法原理，對機組盤車擺度、軸線傾斜度以及軸線中心等關(guān)鍵參數(shù)進行精確定量化分析，優(yōu)化軸線調(diào)整，使其達到轉(zhuǎn)動部件的幾何中心和旋轉(zhuǎn)中心盡可能重合。經(jīng)過機組空轉(zhuǎn)運行、帶負荷運行、甩負荷試驗驗證，機組振動擺度均優(yōu)于國標，為現(xiàn)場分析處理問題提供了依據(jù)和參考。

2 軸線調(diào)整流程及計算方法

2.1 盤車準備工作

（1）在上導(dǎo)、推力頭、下導(dǎo)、法蘭及水導(dǎo)軸承處，按逆時針方向分成8等分做好標記，各部分的對應(yīng)等分點需在同一垂直平面，并在各部位的+X、+Y 方向架設(shè)2塊表，鏡板應(yīng)處于水平狀態(tài)，并使各推力瓦受力均勻。

（2）安裝推力瓦附近的導(dǎo)軸瓦，以便控制主軸徑向位移，瓦與軸的間隙調(diào)整為：單側(cè)抱瓦間隙調(diào)至0.02～0.03mm。

（3）裝設(shè)百分表。在上下導(dǎo)軸承、推力頭、聯(lián)軸法蘭及水導(dǎo)軸承各層處架設(shè)百分表，每一層相同的高度上沿X、Y 軸各設(shè)1只百分表。作為測量擺度及相互校核用。百分表測桿應(yīng)緊貼且垂直于被測部件，小針應(yīng)有5mm 的壓縮量，大針調(diào)到零位。

（4）以剛性盤車為準，在鏡板外側(cè)面放置百分表，測出其上下波動值，其值波動不大于0.2mm。旋轉(zhuǎn)并測量機組的軸向擺度，鏡板邊緣處的軸向擺度應(yīng)不超過0.10mm。

（5）測量彈性油箱壓縮量：①推力軸承處于自由狀態(tài)，在每個彈性油箱所對應(yīng)的推力頭鏡板下表面邊緣處架設(shè)百分表，使用前百分表調(diào)0。②用制動器高壓油頂落轉(zhuǎn)子一次，并記錄各百分表讀數(shù)。③計算分析數(shù)據(jù)，要求各百分表測量數(shù)據(jù)的最大值與最小值之差在設(shè)計允許的范圍內(nèi)，通常≤0.3～0.35mm。

（6）檢查機組固定部分與轉(zhuǎn)動部分的間隙，間隙內(nèi)應(yīng)無雜物。

2.2 盤車檢查數(shù)據(jù)優(yōu)化處理

由于機組測量耦合設(shè)備制造誤差或安裝調(diào)整不當時，根據(jù)常規(guī)方法對稱點相減確定機組擺度的大小及方位，得到的處理結(jié)果與真實狀態(tài)存在偏差，使調(diào)整的方向引入歧途，同時導(dǎo)致軸線調(diào)整工期延長，安裝質(zhì)量難以保證。本文依據(jù)機組圓形部件沿某一中心旋轉(zhuǎn)時，旋轉(zhuǎn)部件旋轉(zhuǎn)軌跡為正弦曲線ex=e sinθ。通過最小二乘法原理，獲得正弦分布方程式，見公式（1）[6]和公式（2）[7]，便得到測量部件的偏差值e 及其偏差角α。該計算方法全面應(yīng)用于機組軸線數(shù)據(jù)處理過程中，可剔除非正常突變數(shù)據(jù)，可精確確定設(shè)備部件偏差值和偏差方位，計算結(jié)果與設(shè)備狀態(tài)更加真實。

最大擺度對應(yīng)的方位角正弦擬合曲線方程式：

式中：

最大擺度正弦擬合曲線方程式：

2.3 擺度計算

擺度分為全擺度和凈擺度。全擺度：同一測量部位對稱2點百分表的讀數(shù)。凈擺度：同一測點上下2部位全擺度數(shù)值之差。軸系各斷面軸心連線為軸線；軸線旋轉(zhuǎn)軌跡圓直徑稱為擺度。其中旋轉(zhuǎn)部件上擺度計算公式見公式（3）[7]，旋轉(zhuǎn)部件上擺度角見公式（4）[7]。

旋轉(zhuǎn)部件上擺度及擺度角：

2.4 軸線傾斜度

多段軸結(jié)構(gòu)的機組，在盤車時應(yīng)檢查各段軸線的折彎情況，偏差一般不宜大于0.04mm/m。軸線折彎一般用軸線傾斜度表示。軸線傾斜度指該軸下端面偏心相對上端面偏心距離與軸向距離比值。

某段軸傾斜度計算公式為：

式中：（xa，ya）為上端軸面最佳中心坐標，（xb，yb）為下端軸面最佳中心坐標，其中H 為上端軸面到下端軸面的軸心距離。

2.5 機組旋轉(zhuǎn)中心計算

機組旋轉(zhuǎn)中心是一個虛擬中心，它是機組轉(zhuǎn)動部分在運行狀態(tài)時的回轉(zhuǎn)中心。旋轉(zhuǎn)中心的確定，一般以轉(zhuǎn)輪相對于固定止漏環(huán)為測量部位。

式中（x0，y0）分別表示軸心在0°的坐標A，（x180，y180）表示軸心在180°的坐標B，軸心擺度AB 可以表達為：

2.6 軸線及擺度校正方法

根據(jù)盤車測量結(jié)果，計算機組各測量斷面處擺度、軸線傾斜度、方位角，按照機組軸線與機組旋轉(zhuǎn)中心同心的原則，分析、調(diào)整機組軸線。機組軸線調(diào)整通常采用的主要方法有：移軸、加墊、打磨、法蘭面對高低點、按螺栓拉伸值的上下限偏差進行調(diào)整等。

（1）移軸法

采用移軸找正各段軸中心，以減少軸系各斷面擺度。如移動上端軸可校正上導(dǎo)至轉(zhuǎn)子下法蘭面這段軸的傾斜或折彎；移動發(fā)電機軸與轉(zhuǎn)子下法蘭相對位移，可校正水導(dǎo)擺度，但需處理定位銷孔和修磨止口，施工難度較大；水發(fā)軸聯(lián)軸螺栓為銷釘螺栓，因此不宜采用移軸方法校正水導(dǎo)擺度。

（2）加墊法

采用法蘭間加楔形銅墊，使軸線傾斜，以校正軸頸處擺度。如在上端軸下法蘭面加墊，可校正上導(dǎo)至轉(zhuǎn)子下法蘭這段軸傾斜或折彎；在水發(fā)聯(lián)軸法蘭間加墊可校正水導(dǎo)擺度；考慮到機組安全穩(wěn)定運行，不宜在推力頭或發(fā)電機軸與轉(zhuǎn)子下法蘭間加墊調(diào)整水導(dǎo)擺度。

為突出介觀尺度銑削加工特有的尺度效應(yīng)，本文選取主軸轉(zhuǎn)速、每齒進給量和軸向切削深度作為主要影響因素，分別編碼為A、B、C，取值如表1所示，根據(jù)表1構(gòu)建正交實驗。為避免刀具磨損對實驗結(jié)果的影響，每組銑削實驗進行兩次，實驗順序按U型排列，如表2所示。

（3）法蘭面對高低點法

根據(jù)盤車計算軸線傾斜方位，拆軸后兩法蘭間高點對高點，低點對低點的方法，校正軸頸擺度或軸線傾斜。此方法僅限于機組安裝階段，且水發(fā)軸或發(fā)電機軸與轉(zhuǎn)子下法蘭連接螺栓孔現(xiàn)場加工銷套孔的機組。

（4）按聯(lián)軸螺栓拉伸值上下限偏差進行調(diào)整的方法

采用螺栓拉伸值上下限偏差法校正軸頸擺度或軸線傾斜。需要主軸向某一方位傾斜時，則將該側(cè)聯(lián)軸螺栓伸長值拉伸至設(shè)計規(guī)定的上限值，對側(cè)螺栓伸長值拉伸至下限值。兩側(cè)螺栓拉伸值取中間值，可以少量校正軸頸擺度，法蘭距軸頸距離越大，效果越明顯。此方法一般用于液壓拉伸冷拉伸螺栓聯(lián)軸的機組。

3 “最小二乘法”水電機組軸線調(diào)整分析案例

以烏弄龍水電站機組安裝軸線調(diào)整為例。發(fā)電機為立軸半傘式結(jié)構(gòu)，具有2個導(dǎo)軸承和1個推力軸承，推力軸承和下導(dǎo)軸承分開布置，均支撐在下機架上，水輪機為立軸混流式結(jié)構(gòu)，設(shè)置1個導(dǎo)軸承。機組軸線從下至上旋轉(zhuǎn)部件依次為水輪機轉(zhuǎn)輪、水輪機主軸、發(fā)電機主軸、發(fā)電機轉(zhuǎn)子、上端軸、集電環(huán)、補氣頭等部件。推力軸承為彈性支撐，上導(dǎo)和下導(dǎo)為鍵支撐結(jié)構(gòu)，水導(dǎo)為楔型支撐結(jié)構(gòu)。水輪機軸與發(fā)電機軸有止口定位，設(shè)計配合總間隙0.3～0.5mm，在機坑內(nèi)用法蘭連接，用銷釘螺栓傳遞扭矩。水輪機轉(zhuǎn)輪和主軸法蘭采用螺栓連接，銷套傳遞扭矩。發(fā)電機轉(zhuǎn)子與發(fā)電機大軸有止口定位，設(shè)計配合總間隙0.03～0.185mm，用銷釘螺栓傳遞扭矩。推力頭與轉(zhuǎn)子有止口定位，設(shè)計配合總間隙0～0.7mm。上端軸待盤車合格后，現(xiàn)場鉆銷釘定位。集電環(huán)現(xiàn)場熱套，用一塊圓頭普通平鍵定位于上端軸頂部。補氣管調(diào)整合格后現(xiàn)場鉆鉸銷釘定位。

盤車采用電動盤車，在下導(dǎo)軸承處均勻?qū)ΨQ抱8塊導(dǎo)軸瓦，抱瓦間隙0.02mm，并均勻做出8個標記，以固定部件裝配線位置為起始點，并在+X、+Y方向設(shè)置百分表。在需要百分表檢查擺度的旋轉(zhuǎn)部位上，做出對應(yīng)的測點。啟動高壓油頂起轉(zhuǎn)子，將推力瓦面均勻涂抹一層豬油，然后轉(zhuǎn)子落至推力瓦上。開啟電動機械盤車裝置電源，先空轉(zhuǎn)1圈，不做記錄。第2圈開始將轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)45°，關(guān)閉電源，讀取各測量面斷面百分表讀數(shù)，每次盤車記錄2圈讀數(shù)。第1次盤車測量數(shù)據(jù)見表1，數(shù)據(jù)處理見表2，計算結(jié)果見表3。

經(jīng)軸線檢查計算結(jié)果分析：水導(dǎo)絕對擺度，水輪機軸法蘭相對擺度，上端軸法蘭相對擺度，上端軸折彎超標。發(fā)電機下端軸、水機軸折彎度較小，而水導(dǎo)擺度超標，水發(fā)聯(lián)軸組合面需檢查，螺栓拉緊力需檢查。上端軸折彎、上端軸法蘭相對擺度超標是因為制造原因（轉(zhuǎn)子上法蘭面水平度超0.02mm/m）產(chǎn)生，為此通過上端軸向-X 平移0.05mm，可校正上導(dǎo)、上端軸法蘭擺度。

機組軸線校正完成后，再次盤車測量機組軸線，數(shù)據(jù)處理見表4，計算結(jié)果見表5。

表1 盤車數(shù)據(jù)記錄表

表2 數(shù)據(jù)處理（各測量部位相對下導(dǎo)偏心值）

表3 計算結(jié)果及分析

表4 數(shù)據(jù)處理（各測量部位相對下導(dǎo)偏心值）

表5 計算結(jié)果及分析

通過對軸線校正后再次盤車，軸線檢查計算結(jié)果及分析：下導(dǎo)、水導(dǎo)、上導(dǎo)相對擺度合格，發(fā)電機下端軸、水輪機軸折彎滿足標準要求，故機組軸線調(diào)整合格。

4 機組軸線調(diào)整注意問題

（1）盤車前，機組軸線中心與盤車工具中心基本重合，盤車工具與發(fā)電機上端軸螺栓須均勻把合擰緊，這對盤車檢查測量數(shù)據(jù)準確性相當重要。

（2）機組軸線調(diào)整中，當擺度偏差不大，通過加墊或移動軸時可將擺度調(diào)整合格，建議通過加墊將軸線調(diào)合格同時將擺度調(diào)合格，可為后期動平衡配重打下基礎(chǔ)。

（3）盤車測量結(jié)果分析過程中，X、Y 軸百分表讀數(shù)可能會出現(xiàn)大小不一致的問題，但通過最小二乘法數(shù)據(jù)處理后，擺度數(shù)據(jù)的選擇還是要考慮選擇擺度大的一組數(shù)據(jù)，旋轉(zhuǎn)中心方向在同一象限，或相鄰象限。

（4）機組盤車完成后，下導(dǎo)軸承瓦抱死前，需保證機組軸線是垂直的，這一步對機組準確抱瓦間隙相當重要。

5 結(jié)束語

機組軸線的調(diào)整是機組安裝過程中一個極為重要的環(huán)節(jié)，而且貫穿始終，其質(zhì)量優(yōu)劣直接影響到機組的安全穩(wěn)定運行。對比傳統(tǒng)的8等分點全擺度、凈擺度計算法處理數(shù)據(jù)不夠精確，通過運用最小二乘法優(yōu)化對盤車數(shù)據(jù)進行處理，可以解決局部位置制造加工誤差、安裝調(diào)整不當、個別數(shù)據(jù)測量誤差較大等問題，給機組軸線調(diào)整指明正確方向，機組軸線校正可以通過每個測量部位得到的偏心值、方位，可簡單、直接將軸線反方向移動校正軸線擺度，克服了傳統(tǒng)盤車數(shù)據(jù)處理復(fù)雜分析的不足。本文詳細論證了機組軸線調(diào)整的工藝、機組軸線擺度、軸線傾斜度、旋轉(zhuǎn)中心計算的理論知識。通過烏弄龍電站3號機組軸線調(diào)整時應(yīng)用最小二乘法進行數(shù)據(jù)優(yōu)化，計算結(jié)果、數(shù)據(jù)分析與機組各斷面真實現(xiàn)象更加吻合，機組運行后各項數(shù)據(jù)指標達到了國標的要求。