燈泡貫流式機組軸線調整實例與分析

曹岸斌

(廣東省源天工程有限公司，廣東 廣州 511340)

自1984年我國首臺大型燈泡貫流式機組研制成功并在水電站投產以來，貫流式機組被廣泛應用于平原河流以及沿江沿海地區的電站，并向著大容量、高水頭、大尺寸方向快速發展。隨著燈泡貫流式機組的飛速發展，制造廠家的產品質量愈來愈高，安裝工具越來越先進，但是在機組安裝、檢修及運行過程中，各種事故時有發生[1- 4]，其中因機組軸線不符合要求造成的事故占到相當比例[5- 7]。燈泡貫流式機組軸線的測量與調整是整個機組安裝與檢修中非常關鍵的一步，直接影響整臺機組的安裝工期和質量。主軸的安裝質量更是直接影響著機組的擺度、振動大小以及各部軸承的瓦溫溫升。機組的軸線調整若不符合要求，主軸在運轉過程中將產生較大擺動，機組振動加劇，機組軸承運行條件惡化，對水輪發電機組的穩定、安全運行造成了巨大威脅，嚴重時還可引發燒瓦事故。本文結合工程實際，對兩起水電站燈泡貫流式機組安裝與檢修過程中發生的事故進行分析，深入探討燈泡貫流式機組軸線調整原理和方法。

1 燈泡貫流機組軸線概念及軸承布置方式

1.1 燈泡貫流式機組軸線的概念

對比常規軸流轉槳式機組與燈泡貫流式機組的結構，從圖1和圖2不難看出，燈泡貫流式機組的發展離不開常規軸流轉槳機組，其剛引入國內時，實質就是將立軸變成臥軸的一種轉換。在軸線概念方面二者是一樣的，而要真正理解軸線的涵義，對機組“三線”的概念必須有深入的理解。

1.1.1機組中心線

燈泡貫流式機組中心線是指機組各固定部件(管形座、尾水管、轉輪室、導水機構內配水環、定子等)中心的連線。在燈泡貫流機組安裝的實際過程中，因中心的基準會時常變動，加之機組制造存在的誤差和測量誤差累計使得各固定部件中心無法滿足在一條直線上[8]。

1.1.2機組軸線

燈泡貫流式機組的軸線是指水輪發電機主軸(目前的燈泡貫流機組一般都采用單軸結構)的幾何中心線。

1.1.3機組旋轉中心線

燈泡貫流式機組轉動部件圍繞著旋轉的那根幾何中心線。

機組運行過程中，最佳狀態是 “三線合一”，但由于機械加工誤差和安裝等原因，無法滿足三線合一，有時“一線在同一直線上”都無法滿足。

圖1 軸流轉槳式機組結構圖

圖2 燈泡貫流式機組結構圖

1.2 燈泡式機組軸承的布置方式

由于立式軸流轉槳機組根據發電機推力軸承的布置位置不同可分成不同型式，所以燈泡貫流式機組的軸承布置型式也分成不同的類型。燈泡貫流式機組在我國已有幾十年的發展，其軸承布置的型式主要包含以下三種方式[9]。

1.2.1三支點單懸臂結構

該結構形式的發電機轉子位于推力軸承與發電機導軸承之間。水輪機導軸承布置在機組轉輪上游側。此種結構的優點為主軸受力狀態得到改善，軸系的剛度得以提高，能夠擔負較大負荷，缺點是機組安裝時軸系的調整較為困難。

1.2.2雙支點單懸臂結構

該結構將發電機推力軸承與發電機導軸承進行合并，組成發電機組合軸承，發電機轉子則位于發電機組合軸承與水輪機導軸承之間，水輪機導軸承位于機組轉輪下游側。此種結構在中等容量機組中應用較多，其優點為在現場進行軸系調整比較方便，同時機組成本得以下降。

1.2.3雙支點雙懸臂結構

該結構同樣將發電機推力軸承與發電機導軸承進行合并，組成發電機組合軸承，組合軸承布置在發電機轉子下游側，水輪機導軸承位于機組轉輪上游側。此種結構使得機組主軸長度縮短，機組結構更加緊湊，各軸承的維護和檢修更為簡便。

目前，雙支點雙懸臂結構因其發電機與水輪機共用一根軸使得軸長縮短，主軸的制造、安裝和調整較為簡單，已被廣泛應用于國內外大中型燈泡貫流機組的軸承布置[10]。

2 機組軸線調整實例分析

2.1 實例一

2019年1月16日，廣東某燈泡貫流式電站3#機組大修后手動開機，開機后機組運行一切正常。但是磨瓦約2h后，徑向瓦溫急劇上升，運行人員立刻操作緊急停機，機組停機后檢查瓦溫最高達83℃。技術人員隨后對發導瓦進行初檢查，發現發導瓦內部未有異物，導瓦下游側約350mm處未有任何拉花跡象，導瓦上游側約450mm處有燒傷，如圖3所示，從燒傷的部位來看瓦面比較光滑，沒有異物刮到的痕跡，燒傷的巴氏合金還比較軟，可用刮刀清除，厚度為0.1mm，導瓦上游側排油邊離端面30mm處區域沒有任何刮傷痕跡。從瓦面光滑度來看，可判定瓦面損壞不是異物引起的刮傷，應該是干磨引起的拉傷。

圖3 瓦面燒傷示意圖

隨后，相關技術人員根據徑向瓦面受損情況初步判斷為軸線調整不當引發的故障。為證實該判斷，技術人員詢問了工作人員軸線調整的具體情況，了解到機組安裝時，工作人員只是當主軸吊入安裝時對兩部軸承的間隙進行了測量，以控制主軸不產生調角，再用框形水平儀保證了主軸的水平，而未對機組軸線進行有效調整。技術人員隨后查閱了相關圖紙，發現本機組的發電機導軸承并非球支撐，導軸承和支撐座是一個整體，這種結構設計具有更大的承載能力，機組運行更穩定，然而軸承自調整的能力卻更低。機組進入實際運行中，當轉子、轉輪吊入機坑和主軸聯接后，主軸產生變形，而主軸軸線未經調整，難以保證發電機導軸承、主軸以及正反推力軸承瓦和鏡板的接觸面均勻接觸，因此可能造成機組燒瓦事故。從“導瓦上游側約有450mm處有燒傷，導瓦下游側約350mm處未有任何拉花跡象”也能說明，在軸瓦運行中，其實發導瓦面只有上游側和主軸是接觸的，下游側瓦面和主軸沒有接觸，如果采用了正確的軸線調整方法，應該不會出現這種現象。至此，證實了燒瓦故障的發生確為機組軸線調整不當所引致。

圖4 組合軸承裝配圖

2.2 實例二

2019年3月，廣西某燈泡貫流式電站1#機組安裝過程中，在機組進行盤車時，雖然已經投入高壓油頂起，但是主軸系統旋轉起來非常困難，與以往安裝的類似機組明顯不同。經過現場了解，得知安裝人員在進行軸線調整時只是在主軸吊入時保證兩部軸瓦與軸的間隙滿足設計要求，然后通過框形水平儀將主軸的水平度調整好，轉輪和轉子吊入機坑和主軸聯接后再沒有進行過任何軸線的調整，只是用一把500mm的塞尺檢查過兩部軸瓦的側向間隙，檢驗主軸與兩部軸承之間是否存在調角。從該機組組合軸承的裝配圖(如圖4所示)可以看出，該機組的發導軸承并非球支撐，導軸承和支撐座是一個整體，發導軸承通過螺栓與軸承支架相連。技術人員拆開組合軸承檢查發現，由于主軸與轉子聯接后撓度大，主軸與發導瓦面下半部只有上游側接觸，下游側瓦面與主軸還存在間隙，高壓油頂起裝置在機組盤車前根本沒發揮作用，沒有將整個轉動部件頂起，所以自然主軸系統旋轉困難。之后對鏡板面與軸承支架的距離進行了測量，發現鏡板面+Y方向的尺寸比-Y方向的尺寸小很多，說明安裝人員沒有按照正確軸線調整方法進行加調整墊處理，加上發導軸承自調整能力差，直接導致了機組盤車困難，幸好沒有對導軸瓦面造成損傷。找到問題后，安裝人員采用正確的方法對機組軸線重新進行了調整，按照測量尺寸在軸承支架和發導軸承之間加了調整墊片，使得盤車工作順利開展。

3 軸線調整方法研究

近年來，燈泡貫流機組在安裝與檢修過程中因軸線調整不符合要求而造成的機組故障頻發。從上述兩起典型實例亦可以看出，造成故障的原因主要有兩個方面，一方面是安裝人員和檢修人員對軸線調整工作的重要性認識不足，另一方面是相關人員未能掌握正確、有效的軸線安裝方法。本文結合大量燈泡貫流式機組安裝與檢修的現場實例，對軸線調整方法進行了研究與總結。

3.1 軸線初步調整

在主軸吊裝前，導水機構安裝調整好，將內配水環與管形座銷釘打好，軸線調整以水導軸承為基準點展開，先打緊下游側水導軸承和內配水環的聯接螺栓，再對主軸上游側組合軸承支撐環予以調整，直至主軸水平，兩部軸瓦之間的間隙符合設計標準，并滿足主軸上游法蘭面與管形座上游法蘭面平行，待轉輪、轉子吊入與主軸聯接后調整鏡板與反推座的平行度[11]。

3.2 軸線的最終調整

常用的雙支點雙懸臂結構機組，其主軸由發電機導軸承(B1)和水輪機導軸承(B2)兩點支撐，因發電機轉子的重量(W1)和水輪機轉輪的重量(W2)導致其發生彎曲，如圖5所示；因此，軸線調整時必須依照主軸的傾斜角把發導軸承座安裝到軸承支架上，使得發導軸承和主軸的接觸面以及正反向推力軸承和鏡板的接觸面均勻接觸。依據主軸的傾斜角安裝發導軸座時，因發導軸承和軸承支架之間上下尺寸T1和T2不同，所以可在它們之間插入調整墊片來調整導軸承座的安裝角度。調整墊片加好后，對其中沿軸承支架插調整墊片處的上下、左右均布的8個中心對稱點進行校核測量L2，如圖6所示。在以前各測點測量尺寸精確及計算加調整墊片厚度適當的情況下，8個校核測點的測量值應該接近相等，測量的最大值與最小值的差在±0.1mm以內即為正常[12]。

圖5 主軸彎曲示意圖

圖6 加墊回裝軸承圖

4 結語

目前，國內在常規電站混流式和軸流式機組的安裝、檢修方面較為成熟[13- 15]，在機組軸線調整方面也積累了大量實踐經驗，但是不少工作人員在燈泡貫流式機組安裝與檢修過程中對機組軸線調整的重要性還認識不足，同時未能掌握機組軸線調整的原理和方法，導致因軸線調整不符合要求而產生的故障頻發。部分機組即便軸線調整沒有按照正確方法進行，軸線沒有達到相關技術要求，機組運行也暫無問題。這主要是因為機組發導軸承的結構多為球支撐型式，軸承自調整能力較好，對轉子、轉輪吊入安裝后主軸產生的撓度能夠自行調整，能夠滿足主軸與瓦之間的接觸面的要求。但這種做法會對機組其他部件的安裝產生一定影響，如在實際安裝過程中經常出現轉輪室與導水機構外配水環的組合螺孔錯位，定子、轉子的空氣間隙無法達到規范要求，主軸密封間隙難以調整導致漏水嚴重。因此，未來進一步加強對機組軸線調整工作重要性的認識、加深對機組軸線調整原理的理解和切實掌握機組軸線調整的正確方法十分必要。