基于Excel的立式水輪發電機組軸線檢測與調整方法

唐正權，陳韶光，陳炳森

（廣西水利電力職業技術學院，廣西 南寧530023）

0 前言

水輪發電機組是水電站實現水能到電能轉換的主設備，也是水電站質量最大、價格最高的機電設備。因此，水輪發電機組的安裝與檢修必然受到業內同行的廣泛關注。對于水電站機組安裝與檢修而言，軸線的測量與調整是最重要的工作內容之一，機組軸線調整質量的優劣，直接影響到機組的安全及穩定運行，而掌握正確的檢測方法和高效的數據分析計算手段，能大大提高軸線調整的效率，提升軸線調整的質量。本文結合典型水電站立軸懸式機組安裝檢修工作經驗，介紹利用Excel軟件來輔助完成機組軸線檢測與調整的方法。

1 機組的組成及其主軸徑向振動

機組由轉動部分和固定部分組成，對于立式水輪發電機組，轉動部分由發電機軸、推力頭、轉子以及水輪機軸、轉輪等組成，其重力及水輪機工作時形成的軸向水推力通過卡環、推力軸承傳遞到發電機機座并最后傳遞到廠房基礎上。機組轉動部分與固定部分之間間隙較小，為保證機組工作時兩者不發生刮碰并保持穩定的工作間隙（發電機定子與轉子之間、水輪機轉輪與轉輪室之間的間隙），一般在立式機組上設有發電機上導軸承、發電機下導軸承以及水輪機導軸承，以盡可能將機組運行時主軸的徑向振動（也稱擺度）限制在一定范圍之內。立軸懸式水輪發電機組軸線固定示意如圖1所示。

圖1 水輪發電機組軸線示意圖

機組運轉時主軸的徑向振動（也稱擺度，用位移振幅來表示）無法避免，為確保機組運行的安全與穩定，國標GB/T 8564-2003對立式水輪發電機組安裝時的軸線允許擺度提出了明確的要求，具體見表1[1].由于不同水電站，機組容量和結構尺寸大小不一，軸線長度不同，國家標準僅規定了相對擺度值，各電站應根據實際情況，特別是機組各軸線長度計算出各軸承和法蘭處的擺度允許值[2]，并確保機組安裝時軸線的擺度在允許值之內。

表1 機組軸線允許擺度值（雙振幅）

2 水輪發電機組軸線檢測方法

2.1機組軸線擺度產生的原因

機組軸線主要由發電機軸和水輪機軸連接組成并通過推力頭、鏡板，將整根軸（整個機組回轉部分）支承在推力軸承上。如果鏡板摩擦面與整根軸線絕對垂直，且組成軸線的各個部件又沒有曲折及偏心，那么這根軸線在旋轉時，將圍繞理論旋轉中心穩定旋轉。實際上，由于零部件制造及機組安裝的原因，要使得機組軸線沒有曲折和偏心是無法做到的。

如果鏡板摩擦面與整根軸線不垂直，那么回轉時軸線必將偏離理論旋轉中心，如圖2所示，此時軸線上任一點測得的錐度圓，就是該點的擺度圓，擺度圓直徑φ即為擺度值。

圖2 鏡板摩擦面與軸線不垂直產生的擺度圓

如果鏡板摩擦面與發電機軸線是垂直的，但與水輪機軸線連接后，由于連接法蘭面與軸線不垂直而發生了軸線曲折，那么這根軸線在回轉時，從軸線曲折處開始也將出現擺度圓，如圖3所示。此外，還可能同時出現圖2和圖3兩種擺度圓的情況。

圖3 法蘭組合面與軸線不垂直產生的擺度圓

因此，對于立軸水輪發電機組，鏡板摩擦面與軸線不垂直或軸線連接處法蘭面與軸線不垂直是產生擺度的主要原因[3]。為了減少機組運行時軸線的擺度，保證機組運轉穩定，機組投運前必須對軸線進行測量與調整。

2.2機組軸線擺度的測量與調整

機組軸線的測量包括發電機主軸軸線的測量、發電機與水輪機主軸相連接后的總軸線測量兩大部分。發電機軸線測量是為了檢查主軸與鏡板的不垂直度并測出它的大小數值和方位，以便通過對鏡板與推力頭之間的組合面處理（加墊或刮墊），使上導軸承和下導軸承處的擺度值符合規定。發電機軸線調整好之后，再進行主軸連接和總軸線測量，通過大軸連接法蘭組合面處理，使機組水導軸承處的擺度符合規定，機組總體軸線符合要求。

為了測量軸線，應在發電機上導軸承、下導軸承、大軸連接法蘭、水導軸承處，按逆時針方向分成八等分并順序編號，軸線上、中、下各斷面處號數對齊，各部分的對應等分點在同一垂線上，如圖4所示，其中水流方向為+Y方向。

圖4 軸線擺度測量示意圖

在調整好機組推力瓦受力均勻，鏡板處于水平狀態且安裝好上導軸承瓦后，在推力軸承瓦摩擦面涂一層無水純凈的熟豬油混合劑并在上述各測量位置+X、+Y方向安裝好百分表，調好壓緊行程后即采用人力直接推動（小型機組）、廠內橋式起重機通過鋼絲蠅和滑輪組來拖動或利用發電機定子、轉子通電形成電磁力來拖動（大中型機組）機組轉動部分，使其緩慢旋轉來測量軸線在各軸承處的擺度值（也稱為盤車）。

盤車時應統一指揮，待主軸轉動穩定后，通知各監表人員同時將上導、下導、法蘭、水導處+X、+Y位置的百分表讀數記入表內，如表2所示。

表22 號機組盤車數據表（單位：0.01mm）

3 基于Excel的機組軸線測量數據分析

為了便于對機組軸線測量數據進行計算，分析軸線產生擺度的原因、大小和方位，可利用Excel的數據分析與處理功能輔助進行分析。表1為某電站2號機組最后盤車時的數據，上導、下導、法蘭、水導位置分別使用a、b、c、d表示，表中各處全擺度值等于相隔180°的兩個測點轉到相應百分表處時的讀數之差，如上導+X位置測量的全擺度φa1-5=0.00-（-2.00）=2.00；各處的凈擺度等于該處的全擺度減去相應上導處的全擺度，也可根據該處相應于上導處的全擺度計算而得，如水導+Y位置測量的凈擺度φda3-7=-25.00-（-1.00）=-24.00，也可以 φda3-7=-9.50-14.50=-24.00.按此計算方法，將表1的數據自動計算完畢。

為了更好地觀察和分析機組軸線狀況，利用Excel的插入圖表功能，選擇相應的擺度數據值，自動生成機組軸線擺度曲線，如圖5所示。從圖5可看出，在+X、+Y兩個方位同時測量的下導、法蘭、水導處的凈擺度值趨勢一致且均顯現一定的正弦公布規律，說明兩個方位測量數據互相核對基本正確，可僅用一個方位的測量數據進行分析即可。

圖5 機組擺度曲線圖

4 水輪發電機組軸線調整方法

從圖5及表2可看出，在下導軸承和法蘭面處，4號測點的擺度值最大，而在水導軸承處，7號測點的擺度值最大，說明機組軸線存在曲折，發電機軸向4號測點傾斜，水輪機軸則向7號測點傾斜，可根據上述數據畫出各斷面的擺度示意圖，見圖6.

圖6 各斷面擺度示意圖

電站2號機組額定轉速187.5 r/min，根據表1以及機組的尺寸可計算出表3所示的機組各斷面擺度允許值。結合圖6及表3，機組軸線各斷面擺度已在允許范圍之內，可以投運。

表3 2號機組各斷面擺度允許值

如果盤車所測得各斷面擺度達不到表3的要求，此時應進行必要的調整。如測得下導軸承及法蘭面測點4的擺度為最大值，可考慮在鏡板與推力頭之間、測點4方位加上一定厚度的銅墊片來將軸線向垂直方向調整，測點4墊片厚度可根據擺度值及相應的距離值由Excel計算求得，同時自測點4向左右兩側的厚度遞減；也可在測點4的對向8方位刮削鏡板與推力頭之間墊片厚度的方式來調整軸線，具體采用哪一種方式，可根據現場情況來決定。

下導軸承及法蘭面擺度主要通過處理鏡板與推力頭之間墊片的方式來調整軸線，調整合格之后，再將水輪機軸與發電機軸連接盤車，通過調整軸端連接法蘭面的墊片的方式來調整水輪機軸線符合要求。

5 結束語

水輪發電機軸線檢測與調整是機組安裝工藝中最為重要的一個項目，保證機組軸線各斷面擺度在允許范圍之內并盡量減小擺度值，可有效降低機組運行過程中因機械、水力、電氣不平衡等因素引起的振動，保證機組的安全穩定運行。通過盤車，檢測出機組軸線各斷面擺度值，用Excel快速計算分析定位出最大擺度方位點及增加墊片或刮削墊片的厚度，大大提高機組軸線檢測與調整的效率。該方法可在水電站機組軸線檢測與調整工作中推廣。

參考文獻：

[1]GB8564-2003，水輪發電機組安裝技術規范[S].2003.

[2]黃景湖.準確把握水電機組“擺度”的涵義[J].水電站機電技術，2014（1）：4-5.

[3]張幸福.立式懸吊型機組軸線處理實例分析[J].江淮水利科技，2011（4）：30-32.