600 MW 汽輪機軸系調整和基礎沉降分析

趙林峰，劉 衛，賀 莊

(上海電氣電站工程公司，上海201199)

0 引言

某電廠一臺型號為 N600-16．7/538/538 的600 MW亞臨界中間再熱凝汽式機組，隨著運行時間的增加存在1 號、5 號軸承振動大、2 號軸承溫度高和經常碾瓦的問題，嚴重影響了機組的安全和穩定可靠運行。通過對汽輪發電機組軸系標高的現場測量和相對標高的分析，發現軸系標高存在異常變化，其中2 號和3 號軸承之間標高差為4．02，設計值是0．99，它不同于軸系中個別軸承標高調整不當所產生的瓦溫升高，這種異常情況在汽輪發電機組軸系的檢修中很少見到，究其原因也沒有明確的論述，同樣，軸系標高的異常變化對于軸系恢復也是相當的困難。因此針對該現象和原因，大修時，通過對機組軸系標高的特別調整恢復，徹底消除了機組存在的軸承溫度過高和振動不穩定隱患，同時也研究分析了軸系標高的異常變化與基礎沉降之間一定的牽連關系，并提出在以后運行過程中的注意事項［1］。

1 軸系的基本慨念和設計計算

1.1 汽輪機-發電機組軸系

汽輪機-發電機組軸系由高中壓轉子、低壓Ⅰ，Ⅱ轉子及發電機轉子、勵磁機轉子組成。除勵磁機外每一轉子各自支承于兩徑向軸承上，整個軸系有9 個軸承。按制造廠的找中要求，正確完成各軸承標高的調整，是保證軸系平穩運行的重要條件。軸系找中的同時，對各聯軸器平面處的張口和錯位值加以調整。使相互聯系的轉子，在旋轉時只承受扭矩，以確保軸系具有良好的振動特性［2］。

1.2 軸系安裝揚度曲線設計成“鏈垂線”或“垂弧線”的原因

自由支托于每兩個軸承之間的各轉子，因重力作用其靜撓度都是不同的。如高中壓轉子的靜撓度為0．272，連接轉子的聯軸器接觸面不能維持相互平行，因此要將各轉子調整成如鏈垂線或垂弧線的軸系安裝揚度曲線，目的是使連接轉子的聯軸器接觸面相互平行。但軸系調整成垂弧線后，如由于1 號瓦標高的提升，將導致2 號瓦的負荷增加，因此，各聯軸器的張口和錯位均有設計要求，以產生一定的彎矩平衡作用。汽輪機轉子軸頸揚度是汽輪機安裝質量評估的重要內容，是質量檢驗及評定標準的重要項目［3］。

“鏈垂線”(見圖1 軸系為“鏈垂線”狀):軸系的首尾兩端，尾端的標高是相對零位，則首端的標高必然是高于相對零位的尾端，就像一條鏈子尾端放在地上，首端拿在手上所形成的自然曲線。

圖1 軸系為“鏈垂線”狀

“垂弧線”:軸系首尾2 端的標高都是高于軸系中相對標高是0 的某一段，軸系成自然垂弧形狀。

1.3 軸系中各軸承的理想標高

由于各轉子的靜撓度大小不同，因此每一轉子被支承的兩個徑向軸承就存在兩個方向相反的揚度，再根據每一轉子兩個軸承存在的方向相反大小不同的揚度，通過計算，把依次為高中壓轉子、低壓Ⅰ，Ⅱ轉子及發電機轉子、勵磁機轉子設計連接成為一條“垂弧線”形狀的軸系，由此確定軸系中9 個軸承的理想標高(見圖2 軸系中各軸承的理想標高，軸系為“垂弧線”狀)。

圖2 軸系中各軸承的理想標高

由于低壓轉子的靜撓度比較小，且軸系常規設計中把重載的低壓轉子軸承的標高定為相對零位(如5 號、6 號軸承)，其他軸承的理想標高都是參照相對零位來確定。

1.4 軸系中各聯軸器平面處的張口和錯位值

對于單轉子通常是軸承標高確定后能夠滿足軸承軸頸彎矩為零的要求，因此聯軸器平面處的張口和錯位值為零。

但對于多轉子的汽輪機-發電機組軸系，在設計計算確定各軸承標高的同時，還要計算確定各聯軸器平面處的張口和錯位值，才能滿足軸承軸頸彎矩為零的要求，以確保軸系具有很好的振動特性(見圖3 理想標高下聯軸器張口和錯位示意圖)。

圖3 理想標高下聯軸器張口和錯位示意圖

一般正張口定義為聯軸器平面張口在下部較大，正錯位定義為調閥端的聯軸器頂端較高。

1.5 聯軸器平面處的張口和錯位值超差對軸承負荷均勻分配的影響

(1)聯軸器端面張口超標對軸承負荷均勻分配的影響:為了便于分析問題，先把2 根轉子看作絕對剛體，以下張口超標為例，下張口值大于設計值。兩轉子連接后，2 號軸承與3 號軸承不再支承轉子，兩轉子的重量由1 號軸承與4 號軸承承擔，因此1 號軸承與4 號軸承的負荷將加重。實際上轉子并非絕對剛體，在自重的作用下將產生撓曲，使2 號軸承與3 號軸承也承擔部分負荷，這種負荷轉移是客觀存在的，因此機組運行時1 號軸承與4 號軸承也就是遠離聯軸器的兩個軸承，軸頸與軸承之間的摩擦力將很大，使潤滑油溫升高，嚴重時會使軸頸和軸承鎢金磨損。反之，如果上張口超標，則離聯軸器較近的兩個軸承的負荷將加重，遠離聯軸器的兩個軸承負荷將減輕。

(2)聯軸器錯位超標和既存在聯軸器張口超標又存在聯軸器錯位超標的情況下對軸承負荷均勻分配的影響。原理同上，也會使各軸承負荷分配不均。

多支撐結構的軸系中任一軸承標高的變化都將影響所有軸承的負荷分配［4］。

1.6 軸系設計計算的主要內容與準則

(1)計算的主要內容包括:計算采用的軸承參數(表1 軸承參數中的理想標高);軸系靜態計算(見圖2 軸系中各軸承的理想標高，軸系為“垂弧線”狀);軸系臨界轉速計算(見表2 軸系中各軸承軸頸處臨界轉速計算值);軸系穩定性計算;軸系扭振頻率及短路應力計算等。

表1 軸承參數中的理想標高

表2 軸系中各軸承軸頸處的最大響應峰值轉速(阻尼臨界轉速) r/min

(2)目前軸系安裝揚度設計計算常用兩種假設原則:

引進美國西屋公司技術，假設軸承軸頸彎矩為零的邊界條件下計算軸系安裝揚度曲線。

引進ABB 及西門子等歐洲公司技術，假設聯軸節彎矩及剪力為零的邊界條件下計算軸系安裝揚度曲線。

汽輪機-發電機組的軸系安裝揚度由汽輪機廠統一計算設計，提供軸系找中圖。圖內有各軸承參數、各跨度參數、各軸承軸頸的阻尼臨界轉速、理想標高下聯軸器張口和錯位值及技術要求，應用于新機組的安裝和后期的檢修。

2 軸系標高的測量和軸系找中測量值的計算調整

2.1 軸系標高的測量

軸系標高是對各軸承理想標高(見表1 軸承參數中的理想標高)的統稱，其要求在汽輪機廠設計提供的軸系找中圖中有說明，它是汽輪機軸系安裝和調整的依據［5］。

以測量各軸承座水平面的相對標高(見表3各軸承座水平中分面相對標高)，作為各軸承的相對標高，以5 號軸承標高為0，實測值與廠家設計的各軸承理想標高值對比變化很大。

表3 各軸承座水平中分面相對標高 mm

以上實測數據采用水連通加深度千分尺測量，測量點均在軸承座各軸承兩側的水平中分面，測量各軸承座水平中分面相對標高采用水連通專用工具，水連通是用不銹鋼材料制成的一對溶杯，2 個成雙使用，底部的接口用橡膠管連接并密封固定，杯內灌水。其是利用水平衡管能使2 個溶杯中的液面處于同一標高的原理［6］。測量過程如下:

(1)將A，B 一對溶杯置放在同一軸承座的水平中分面上，向杯內灌水直到杯中無氣泡，并且液面穩定平衡在深度千分尺有效地測量行程內，用深度千分尺分別測量A，B 杯液面與軸承座的水平中分面之間的高度。千分尺面與液面接觸時，能夠看見液面會出現波動。測到的液面高度為

(2)將B 杯置放在相鄰軸承座的水平中分面上，由于2 個軸承座的標高不同，待A，B 杯的液面重新穩定平衡后，再用深度千分尺分別測量A，B 杯液面的高度為ha1和hb1。當ha-ha1=Δh為正數時，表示A 杯所在的軸承座高于B 杯所在的軸承座，其標高差就是Δh 值。如果Δh 為負數時，則A 杯所在的軸承座低于B 杯所在的軸承座。

將測量到的各軸承相對標高統計為相鄰軸承的標高差與設計值對比，列于表4 便于分析。

由1 號和2 號軸承間標高差實測值/設計值1．49/4．06 差2．57，經初步分析計算1 號軸承標高需抬高約2 mm，汽輪機廠特殊加工一套偏心2 mm的1 號軸承殼體，以滿足現場軸系標高的調整需要。

表4 各相鄰軸承標高差實測值與設計值的對比 mm

2.2 大修前軸系找中測量值的計算調整和修后的軸系找中測量值

汽輪機軸系中心的調整是汽輪機正常運行的基礎，調整不當直接影響機組安全穩定運行。因此，汽輪發電機組大修時，要對軸系的各個對輪中心進行檢查和調整。在軸系找中心過程中，一般是先經過大量的計算，決定調整方案，然后反復試調整、測量，使調整結果逐漸達到對輪中心的偏差［7］。

2.2.1 廠家提供的軸系各聯軸器張口和錯位(見表5 理想標高下聯軸器張口和錯位值)。

(1)正張口定義為聯軸器平面張口在下部較大。

(2)正錯位定義為調閥端的聯軸器頂端較高。

表5 理想標高下聯軸器張口和錯位值 mm

2.2.2 按大修前的軸系找中測量值計算后的軸系標高的調整預案(見圖4 軸系標高的調整預案)。

圖4 軸系標高的調整預案

其中1 號軸承抬高2 mm，采用廠家提供的偏心軸承殼體，2 號～6 號軸承標高用各軸承的調整墊塊進行調整。軸系標高的預案允許經過幾次測量和修整，并達到最佳的軸系標高調整效果。

2.2.3 軸系調整的原則和基本計算公式

(1)原則:離聯軸器遠的軸承，調整面;離聯軸器近的軸承，調整圓。

(2)基本計算公式

A:消除張口差，軸承標高的調整量=兩軸承中心間距/對輪直徑×張口差;

B:消除錯位差，軸承標高的調整量=兩軸承中心間距/另一軸瓦至聯軸器端面距離×錯位差;

C:消除錯位差調整后，對張口的影響，張口值=聯軸器直徑/另一軸瓦至聯軸器端面的距離×錯位差。

2.2.4 軸系調整計算時用到的一些結構尺寸

(1)各聯軸器直徑:中-低Φ914．4;低-低Φ914．4;低-發Φ978。

(2)各軸承間距離:1 號-2 號6 100;3 號-4 號4 650;5 號-6 號4 650。

(3)各軸承到聯軸器的距離:2 號-中低1 559．32;3 號- 低Ⅰ713．29;4 號-低Ⅰ2 234．03;5 號-低Ⅱ717．03;6 號-低Ⅱ1 547．57。

2.2.5 修前各聯軸器張口和錯位的主要偏差情況

(1)中-低聯軸器測量錯位:設計值Ⅰ低壓轉子高0．245，實測高中壓轉子高2．515，差2．76。

(2)中-低聯軸器測量張口:設計值下張口0．195，實測上張口0．635，差0．83。

(3)低-低聯軸器測量錯位:設計值Ⅱ低壓轉子高0．456，實測Ⅱ低壓轉子高0．655，差0．199。

(4)低-低聯軸器測量張口:設計值下張口0．262，實測下張口0．615，差0．353。

低-發聯軸器張口和錯位的測量與調整圓周，是在汽輪機軸系經過調整確認后再進行。

2.2.6 汽輪機軸系修前找中測量值的計算和調整

(1)首先計算1 號軸承標高上抬2 mm 后，對張口的影響，應用公式A 消除張口差，軸承標高的調整量=兩軸承中心間距/對輪直徑× 張口差;張口差=6 100/2 ×914=0．299。

(2)計算2 號軸承標高的下調量，應用公式B 消除錯位差，軸承標高的調整量=兩軸承中心間距/另一軸瓦至聯軸器端面的距離×錯位差;下調量=1 號-2 號瓦中心距離6 100/(2 號-中低1 559．32 +6 100)×錯位差=6 100/7 659 ×2．76=0．8 ×2．76=2．20(實際1．50)。考慮到2 號和3 號軸承之間標高差設計值0．99，實測值4．02，決定2 號軸承標高下降1．50，多抬高3 號瓦的標高，減少2 號和3 號軸承之間標高差。

(3)計算確定2 號軸承標高下調1．5 后，能消除多少錯位差，應用公式B 消除錯位差，軸承標高的調整量=兩軸承中心間距/另一軸瓦至聯軸器端面的距離×錯位差;錯位差=6 100/1．5 ×7 659=0．53。

(4)計算確定2 號軸承標高調整后，對于張口的影響，應用公式C 消除錯位差調整后，對張口的影響，張口值=聯軸器直徑/另一軸瓦至聯軸器端面的距離×錯位差;錯位差=中低聯軸器直徑Φ914．4/(2 號- 中低1 559．32 + 6 100)×2．23=0．266。

(5)當1 號、2 號軸承標高調整后，可以認為中低聯軸器的錯位差仍有2．76-1．5-0．530=0．73，張口差仍有0．83-0．299-0．266=0．265 ，需要由3 號、4 號軸承進行標高的調整。

(6)計算確定3 號軸承標高的上抬量，應用公式B 消除錯位差，軸承標高的調整量=兩軸承中心間距/另一軸瓦至聯軸器端面的距離× 錯位差;上抬量=3 號-4 號瓦中心距離4 650/(3 號-低Ⅰ713．29 +4 650)×錯位差=4 650/5 363 ×0．757=0．87 ×0．73=0．63。

(7)計算確定3 號軸承標高抬高0．635 后對于張口的影響，應用公式C 消除錯位差調整后對張口的影響，張口值=聯軸器直徑/另一軸瓦至聯軸器端面的距離×錯位差，張口值=914/5 363 ×0．757=0．129。

(8)計算確定4 號軸承標高的上抬量，應用公式A 消除張口差，軸承標高的調整量=兩軸承中心間距/對輪直徑× 張口差;上抬量=4 650/914 ×(0．265 +0．129)=5．09 ×0．394=2。

(9)當3 號、4 號瓦標高調整后對原低低聯軸器的影響，可以認為低低聯軸器的錯位差為2+0．199=2．199，張口差為0．353，需要由5 號、6 號軸承進行標高的調整。

(10)計算確定5 號軸承標高的上抬量，應用公式B 消除錯位差，軸承標高的調整量=兩軸承中心間距/另一軸瓦至聯軸器端面的距離× 錯位差;上抬量=5 號-6 號瓦中心距離4 650/(5 號-低Ⅱ717．03 +4 650)×錯位差=4 650/5 367 ×2．199=0．87 ×2．199=1．91。

(11)計算5 號軸承標高抬高1．91 后對于張口的影響，應用公式C 消除錯位差調整后對張口的影響，張口值=聯軸器直徑/另一軸瓦至聯軸器端面的距離×錯位差;張口值=978/5 367 ×1．91=0．348。

(12)計算6 號軸承標高的上抬量，應用公式A 消除張口差，軸承標高的調整量=兩軸承中心間距/對輪直徑×張口差;由于6 號軸承的標高按照設計要求應該與5 號軸承標高一致，都是相對零位，因此6 號軸承的調整量可以與5 號軸承的調整量相同，即也是上抬1．91。

經過對于汽輪機軸系修前找中測量值的計算和最后的調整，汽輪機轉子軸系檢修前后的找中測量記錄(見表6、表7 汽輪機轉子軸系檢修前后的找中測量記錄)。

表6 汽輪機轉子軸系檢修前后的中-低靠背輪中心測量記錄 mm

表7 汽輪機轉子軸系檢修前后的低-低靠背輪中心測量記錄 mm

1 號-6 號軸承標高第1 次的計算調整量/最終的實際調整量2．0/2．0;1．5/1．5;0．6/0．8;2．0/1．78;1．9/2．1;1．9/2．13。

第1 次的計算值經過調整，再測量計算，反復直至達到最接近于設計要求的軸系標高調整效果。低-發聯軸器張口和錯位的要求，以調整發電機底部墊片厚度來實現。

3 汽輪機軸承標高的變化對應基礎沉降之間的牽連關系

3.1 汽輪機基礎的基本概念

(1)基礎是不會上升的，但基礎會沉降。

(2)汽輪機島各基礎橫梁的沉降為不均勻沉降，但重載的低壓缸橫梁沉降量接近。

(3)汽輪機島各基礎橫梁的沉降對于軸系標高有直接影響。

(4)軸承座臺板與二次灌漿層分離存在間隙，可以認為是由該基礎的沉降引起。

3.2 汽輪發電機組基礎的沉降對軸系影響的機理

(1)汽輪發電機基礎沉降對機組軸系揚度、軸承標高、軸承載荷分配會造成一定的影響，因基礎不均勻沉降，破壞了軸承理想標高，使兩端的軸承標高異常，則兩端軸承的負荷分配變化，負荷較輕的一邊，軸瓦內的油膜不理想，極易誘發機組的自激振動，包括油膜振動和汽流激振等，負荷較重的一邊，軸瓦烏金溫度偏高，當溫度達到一定值時，很容易產生碾瓦現象，引發機組振動［8］。

(2)汽輪發電機基礎不均勻沉降對機組軸系中心會造成一定的影響，基礎的沉降會影響機組軸系中心各項參數的相應變化，包括轉子與汽缸或靜子的同心度、支撐轉子各軸承的標高，軸系連接的同心度和平直度等參數。轉子與汽缸或靜子的同心度偏差過大，則可能會引起汽流激振和動靜碰磨。若碰磨發生在轉軸處，則會使轉子發生熱彎曲而引起不穩定強迫振動。而軸系不同心和不平直，則會使轉子產生預載荷。當轉子處于旋轉狀態時，軸系同心度和平直度不佳會直接產生振動的激振力，引起機組的振動［3］。

3.3 對各軸承標高所測數據的分析

根據現場測得的標高數據(如表3，4)各相鄰軸承標高差實測值與設計值的對比數據所示，將實測值數據與設計值對比可以發現:

(1)各軸承標高實測值與設計值變化很大且呈現不規律變化。

(2)從表3 各軸承座水平中分面相對標高可以看出，以5 號軸承為基準，各軸瓦實測標高均比設計值高，而基礎是不會抬升的。因此可以判斷可能是低壓缸處的基礎發生沉降。

(3)從表4 各相鄰軸承標高差實測值與設計值的對比可以看出，1 號軸承和2 號軸承的冷態安裝標高差設計值應該為4．06，而實測值僅有1．49，可判斷前軸承箱處的基礎也發生了沉降。

(4)從表3 各軸承座水平中分面相對標高可以看出，1 號軸承相對于5 號軸承的相對標高設計值為6．85，而實測值為9．76，可以判斷出雖然1 號瓦處和低壓缸均有基礎沉降，但低壓缸處沉降更為嚴重。

3.4 軸承標高的變化對應基礎沉降之間的牽連關系(見圖5 所示汽輪機島基礎橫梁)。

圖5 汽輪機島基礎橫梁

(1)1 號和2 號軸承按設計標高差4．06，實測值1．49，那么尺寸為957 的橫梁向下沉降2．57。這導致前軸承座底部出現間隙，由于1 號軸承瓦靠近電端，所以導致調端翹起。

(2)4 號和2 號軸承按設計冷態安裝標高差-2．33，而實測-7．39，則尺寸為1 170 的橫梁向下沉降5．06。整個1 號低壓缸跟著向下沉，影響到了3號軸承區域。

(3)5 號和2 號軸承按設計冷態安裝標高差-2．79，而實測-8．27，則說明尺寸為1 170 的橫梁向下沉了5．48，與(2)的計算結果相當。這也會影響到2 號低壓缸。

(4)6 號軸承與2 號軸承按設計冷態安裝標高差-2．79，而實測-8．04，說明尺寸為1 177 的橫梁向下沉降5．25。與2 號低壓缸調端的5 號軸承處數據相當。這也是低壓缸軸承振動反應不明顯的原因。

根據汽輪發電機組結構特點，結合國內多臺機組大修、改造及新機組安裝的實踐經驗和地理位置特點，機組基礎不均勻沉降作為主要影響因素之一，造成轉子揚度變化，也反映在軸系標高數據的異常，從而成為導致汽輪機運行軸系不穩的重要原因之一［3］。所以對于已經成形“窄梁”結構的汽輪機基礎來說，應定期分析各軸承金屬溫度的變化情況，測量檢查各軸承的標高變化是跟蹤檢查機組運行時基礎變形趨勢的間接手段。便于及時發現和解決問題［9，10］。

4 結論

(1)本機組隨著運行時間的增加存在1 號、5號軸承振動大，2 號軸承溫度高和經常碾瓦的問題，通過對汽輪發電機組軸系標高的現場測量和相對標高的分析，發現軸系標高存在異常變化，其中2 號和3 號軸承之間標高差為4．02，設計值是0．99，故障的主要原因是機組軸系標高產生嚴重的不正常變化，已影響到機組的安全和穩定運行。

(2)軸系標高的異常變化對于軸系恢復存在困難，如:1 號軸承標高現場無規范正確的調整手段。因此，對于1 號軸承標高2 mm 的上抬量，在汽機廠家的支持下采用更換偏心軸承殼體的特殊方法，滿足了軸系標高的調整要求。該方法既有新意而又行之有效。

(3)根據汽輪機基礎的一些基本概念和相對標高的比較分析，判別各軸承處的基礎橫梁是否發生沉降，通過沉降量與相對標高的比較研究分析，揭示了軸系標高的異常變化與基礎沉降之間一定的牽連關系，并提出定期分析各軸承金屬溫度的變化情況，測量檢查各軸承標高的變化是跟蹤檢查機組運行時基礎不均勻沉降變化趨勢的間接手段，便于及時發現和解決問題。

(4)結合汽輪發電機組現場實際情況，在大修時，通過對機組軸系標高的測量和軸系調整的恢復，徹底消除了機組存在的軸承溫度過高和振動不穩定隱患，并提出在以后運行過程中的注意事項，保證了機組穩定可靠運行。

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