水輪發電機組軸線調整技術探討

王承 唐善安 蔡小林

摘要：為調整大中型水輪發電機組主軸分段制造軸系的組裝軸線，降低軸承運行擺度，利用兩階段軸線調整的方式，分析了軸系在靜態時軸線偏折狀態的測量及調整方式，模擬了軸系在動態旋轉狀態下軸承擺度的測量及軸線調整方式。結果表明：通過兩階段軸線調整技術，引進主軸現場同鏜工藝，既有效解決了主軸不便在制造廠預組的難題，同時有助于現場提前檢查軸線制造質量，分散質量風險帶來的工期壓力，更有助于提高軸線安裝質量。

關鍵詞：水輪發電機組; 軸線調整; 大軸同鏜; 盤車

中圖法分類號：TM312 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.03.016

文章編號：1006 - 0081（2022）03 - 0072 - 05

0 引 言

隨著水輪發電機組制造技術的發展，水輪發電機組單機裝機容量逐步提升，大型機組日益增多，對于大型水力發電機組，穩定運行是實現工程經濟效益的重要保障。在機組運行過程中，振動與擺度幅值的大小是衡量機組運行質量的主要標準之一，也是反映設計、制造、安裝、檢修工藝水平的重要綜合性能指標。產生機組振動的原因較多，如水力不平衡、轉輪重量不平衡、轉子重量不平衡、電磁力不均衡以及機組軸線偏差等因素，除了通過設計、制造階段控制部分因素外，安裝施工階段的工藝控制保障也尤為重要，其中通過科學的檢查方法以及調整手段，使機組軸線特性趨于優良，進而控制各導軸承擺度達到規范優良水平，可有效降低機組軸線擺動幅度，減少機組振動[1-3]。因此，本文研究了水輪發電機組軸線的檢查方法和調整手段。

1 機組軸線特性及擺度原因分析

1.1 機組軸系構成

大型水輪發電機組軸系一般為分段軸系，主要由5部分構成，分為轉輪、水輪機主軸、發電機主軸、轉子及上端軸。各段軸通過法蘭連接的方式，構成了整個機組的軸系，理論機組中心線即是機組轉動部分作旋轉運動的理論軌跡中心。由于機組類型不同，上端軸部分結構略有差異，雙調結構的轉槳式機組在軸系端部多設有受油器，操作油管亦作為軸系轉動部件考慮。

1.2 機組擺度產生原因

對于大型水輪發電機組，受加工制造及運輸條件限制，水輪機主軸、發電機主軸、上端軸一般為獨立部件供貨，需在施工現場通過法蘭連接的方式進行軸系連接。理論上，當聯軸后的實際主軸線與機組理論旋轉中心線完全重合時，機組轉動部分的運動最為穩定，該狀態可理解為機組擺度為零的狀態。但在實際生產中，由于制造、安裝過程中必然存在且不可消除的誤差，導致聯軸后的實際軸線與理論旋轉中心線必然存在一定偏差。機組運轉過程中，上述偏差在各軸承斷面即形成了圓周擺動，擺動幅值即為各部軸承擺度。

擺度產生的直接原因是實際軸系與理論軸系存在偏差。偏差表現的具體形式多種多樣，按偏差產生的原因，理論上大致可以分為兩種：① 各分段軸系偏斜程度或偏斜方向不一致，主軸系本體的直線度存在偏差，機組運轉過程中，在導軸承斷面產生擺度圓（圖1）;② 主軸系整體的直線度相對較好，但整體軸系與鏡板面垂直度存在偏差，實際軸系與理論軸系存在偏斜，機組運行時，在導軸承斷面形成擺度圓，見圖2。

理論上兩種擺度產生的原因不同，軸系調整時所處理的對象也有所不同。但在實際安裝過程中，機組軸線偏斜的形式更為復雜，往往兩種原因會同時存在，而軸系表現出來的偏折形態也是多種多樣。在以往的安裝工藝中，大多在機組回裝階段，通過軸系盤車檢查擺度幅值并進行軸系的調整處理。由于該階段受到操作空間、操作方法以及工期的制約，問題發現不及時，其處理的難度相對增大，不利于最優方案的選擇。對此，兩階段軸系調整技術的應用能更為有效規避單一階段盤車檢查的不足之處。

2 軸線測量分析及調整

大型水輪發電機組的水輪機、發電機往往由不同廠家生產。受制造產能及經濟效益影響，水輪機、發電機主軸進行制造廠預組的成本往往非常大，一般難以實現。隨著中國機械制造技術的日益發展，機械加工設備的精密程度大幅提高，提升了設備的便攜性以及操作的便利性，使得大型精密設備部件在工地現場進行二次機加工成為現實。

以金沙水電站為例，其水輪機、發電機分別由不同廠家制造，水輪發電機組軸線調整采用兩個階段調整。第一階段為主軸預組階段，通過在特定的工位將水機主軸與發機主軸進行預組，檢查水、發機主軸靜態軸系的直線度，采用大軸法蘭現場同鏜技術，校正機組軸系本體直線度的偏折;第二階段處于機組整機回裝階段，通過轉動部件的盤車檢查，調整軸線擺動，最終使4臺機組擺度均達到優良標準。

2.1 水輪機、發電機軸預組及同鏜

2.1.1 合同準備階段

水輪機、發電機軸實施現場預組同鏜，其工藝的實施涉及多個合同相關方，包括工程設計方、設備制造承包方和安裝施工承包方等，在工程前期招標階段，需要對相關方的合同責任界面進行劃分，為安裝階段水、發軸預組同鏜創造良好的實施條件。

（1） 設計專用的水輪機、發電機聯軸工位。金沙水電站水輪機主軸長度7 016 mm，總重約87 t，發電機主軸長度為6 910 mm，總重約73 t。聯軸預組時主軸均為直立狀態，整體垂直高度高達14 m，地基承載總重約160 t，須設置專用聯軸工位。經設計規劃，聯軸工位設置于安裝間II段，在水輪機層（非樓板層）埋設承重基礎板，工位上方發電機樓板層開設吊物孔，利用層間高差解決高度過高的問題，發電機層兼作聯軸同鏜的施工平臺，完美解決了聯軸承重及高度空間的需求，也保證了作業安全。

（2） 明確合同分工界面。合同招標階段，需明確主軸法蘭同鏜加工的實施單位。金沙水電站相關合同明確由水機廠家負責現場同鏜，機加工設備及人員由廠家提供，水輪機、發電機主軸連接及中心找正由安裝承包人負責，廠家參與聯合驗收，合同分工界面較為合理，因為設備制造廠家機加工技術較為成熟，且有專業的加工設備及操作人員，有效規避了質量風險，降低了合同協調難度。

2.1.2 聯軸預組、調整

2.1.2.1 安裝程序

水輪機軸工位吊裝→水輪機軸上法蘭水平度調整→發電機主軸吊裝、聯軸→發電機主軸上法蘭水平調整→軸線檢查、測量→軸線調整、驗收→工裝螺栓緊固→連接法蘭鏜孔→永久螺栓孔驗收→聯軸、鏜孔完成。

2.1.2.2 工藝及措施

（1） 支墩安裝。金沙水電站水輪機、發電機聯軸在安裝間工位進行，聯軸、同鏜加工工期約25～30 d，基礎板板面與地面高差為10 mm。主軸若直接承載于基礎板上，水輪機軸下法蘭過于貼近地面，主軸連接法蘭面為精加工面，法蘭面長期受潮易出現銹蝕，不利于后期與轉輪面把合質量;后考慮增設鋼性支墩（圖3），既可避免法蘭面銹蝕，同時能較好地調整水、發軸組合法蘭的高度，方便同鏜加工設備的布置及操作。

（2） 軸系調整。① 在水輪機軸下法蘭和支墩支撐面設置成對楔子板，利用楔子板調整主軸水平，水平調整合格后，必須注意及時將楔子板點焊鎖定，同時建議在對楔側面劃定記號線，監測水平防止移動錯位。② 利用工裝螺栓把合水輪機、發電機主軸連接法蘭，應注意各自的方位調整;廠內進行鏜孔時法蘭組合面一般考慮過高、低點，并設置有明顯標記（法蘭連接面低點一般標記為“L”，高點標記為“H”），在用法蘭把合面連接前，應將發電機主軸合面的低點標記“L”與水輪機主軸合面的高點標記“H”處于同一位置，有利于保障軸線傾斜度一致。③ 調整好主軸法蘭面水平后，在主軸±X，±Y四個方位角分別懸掛鋼琴線，利用內徑千分尺測量各法蘭/軸徑位置的垂直偏差，根據測量數據計算主軸軸系直線度，如果直線度偏差較大，松開把合螺栓，根據兩段軸系的偏差方向旋轉軸系相對角度，多次重復調整，直至軸系直線度滿足設計規范要求。

（3） 軸線數據分析。主軸水平度調整合格后，利用內徑千分尺測量各法蘭面鋼琴線數據，計算靜態軸線偏折情況。以金沙水電站4號機組為例，軸線預組后各法蘭面鋼琴線測量數據見表1。

以發電機軸上法蘭作為基準圓進行數據修正，經修正簡化計算數據見表2。

計算軸線的靜態偏斜S，參考GB/T8564-2003《水輪機安裝技術規范》機組軸線的允許擺度值，當S在規范允許范圍，且軸線垂直偏斜方向與法蘭水平趨勢一致時，可判定靜態軸線直線度滿足設計要求，經測量計算，金沙水電站4號機組主軸靜態軸線調整滿足設計要求，具備法蘭同鏜條件。

（4） 法蘭同鏜加工。水輪機、發電機軸靜態軸線連接、調整合格后，利用工裝螺栓對稱把合聯結法蘭，采用鏜孔設備對其他螺孔進行同鏜擴孔加工至設計尺寸，加工完成后更換永久螺栓，拉伸緊固后復測軸線情況，拆除工裝螺栓，對剩余螺栓孔進行同鏜加工，最終使所有螺孔加工完成并全部更換為永久螺栓，復測軸線合格后，聯軸、同鏜工序完成。

2.2 動態盤車軸線檢查

盤車主要在轉動部件裝配完成后進行，通過人為的方法使機組轉動部分進行連續緩慢的轉動。分別在導軸承、法蘭相應部位架設百分表，將軸承面均勻劃分8個測點，通過記錄旋轉過程各測點數據，分析計算各部軸承擺度，確認各部軸承擺度是否在規范允許的范圍內，否則應查明原因后處理合格，盤車合格后根據擺度值合理調整各導軸承抱瓦間隙。

2.2.1 盤車工藝質量控制

不同類型的機組盤車方式大同小異，以立軸混流式發電機組為例，在不同的盤車階段，應注意不同的質量控制要點。

2.2.1.1 盤車準備階段

盤車前應重點關注盤車準備工作是否妥當，盤車條件是否具備，若檢查不到位，盤車過程極有可能造成設備刮擦，情況嚴重的甚至導致設備損傷，造成難以挽回的損失，重點控制以下方面。

（1） 檢查轉動部件是否位于機組中心。

（2） 檢查各部轉動部分與固定部分之間間隙應無雜物。重點檢查轉子與定子空氣間隙，若空氣間隙存在硬物，轉動過程極有可能造成磁極或定子沖片絕緣損傷，修復處理非常困難，后果較為嚴重，必須堅決杜絕此類現象發生。

（3） 測量各轉動部分與固定部分間隙，保證轉動部位處于自由狀態。主要應測量止漏環間隙、轉輪下冠與底環間隙、空氣圍帶間隙，確保間隙均勻且滿足設計要求，盤車抱瓦的瓦面間隙一般控制在0.02 mm范圍。

（4） 檢查制動系統是否已退出、閘板間隙是否足夠，檢查轉動部件重量是否已受力于推力軸承、推力瓦受力是否均勻，每塊受力偏差應控制在工藝要求范圍內。

（5） 檢查高壓油頂起系統是否運行正常、調節閥是否調整到位，檢查每塊瓦面出油量是否正常，保證油膜有效形成。

2.2.1.2 盤車數據測量

為保證盤車數據測量準確、有效，盤車過程中數據測量應注意以下質量控制要點。

（1） 各部軸承測點均分個數、起始點方位、旋轉方向必須保持一致，否則測量數據無效，旋轉方向一般與機組運行旋轉方向保持一致。

（2） 百分表必須架設在固定部件上，旋轉過程中百分表不得晃動，指針必須靈活并垂直于軸承旋轉面，百分表不得設置零位作為初始值，應有一定的正負測量區間，否則測量數據無效。

（3） 盤車時投入高壓油減載裝置，旋轉轉子每旋轉45°時停一次，停止位置以鏡板分部測點為準，關閉高壓油減載裝置，應在百分表穩定后記錄讀數;為校核測量數據，每次盤車轉子需轉回零位，檢查回零誤差，若誤差較大，應查找原因重新盤車。

首次盤車檢查完水導、下導、鏡板擺度后，還應掃描轉子圓度與偏心。鏡板水平擺度測量應在鏡板面設置百分表進行監測，指針應垂直于鏡板水平面。轉子圓度及偏心測量以定子+Y方位為基準，轉動轉子測量空氣間隙，計算轉子磁極相對下導偏心。

2.2.2 擺度分析及調整

根據盤車測量記錄，計算各測量部位擺度、同心度，并繪制軸線彎折曲線，若擺度超標，應進行調整，一般調整方式如下。

（1） 上導擺度調整方式。上端軸長度較短，擺度超標一般由于法蘭同心度調整不到位造成，可松開法蘭連接螺栓，根據擺度方向，利用千斤頂調整與轉子同心度，合格后重新連接法蘭螺栓并盤車檢查。

（2） 集電環擺度調整方式。調整方式與上導相同，但集電環調整需兼顧上、下環數據。

（3） 水導、聯軸法蘭擺度調整。水導擺度超標，需結合軸線彎折情況對比分析，若擺度趨勢與軸線彎折情況吻合，一般需進行軸線處理，應召開專題會分析確定調整方式。

2.3 軸線調整措施

由于軸線偏折導致的擺度超標，需對軸線進行調整處理，軸線調整的方式主要包括旋轉、加墊、研刮及鏜孔等處理工藝，對應不同的軸線偏折方式，其調整處理措施有所差異。

旋轉即根據軸線偏折的方位進行180°反向調整聯軸的相對方位，但該方式存在較大的不確定性，如工期允許可以進行嘗試，但一般不采用。鏜孔主要適用于法蘭聯結面不同心引起的軸線偏折，工藝與聯軸階段同鏜工藝相同。

加墊與研刮的原理基本類似，但加墊方式存在較大的局限性，加墊后法蘭或鏡板、推力頭支承接觸面積必然減小，不利于機組長期穩定運行;同時今后電廠進行機組大修時，很難恢復到原始狀態，電廠檢修維護極為不便，一般不建議大型水電站選擇該處理方式。

研刮主要是通過刮削組合面，對軸線相對鏡板的垂直度或軸線相對法蘭面的垂直度予以糾正，進而減小軸承部位的凈擺度。對于不同的軸線彎折狀態，研刮部位有所不同。若因軸線與鏡板面垂直度偏差導致的擺度超標，一般通過研刮推力頭與鏡板之間的絕緣墊，無絕緣墊則研刮推力頭底面。若因軸線本身存在明顯偏折導致的擺度超標，即軸線與法蘭面垂直度較差，一般通過研刮法蘭接觸面調整相對垂直度。實際安裝過程中，可能兩種偏折情況同時存在，隨著加工技術的發展以及聯軸同鏜技術的應用，軸線本身的偏折往往較小，需要處理法蘭面的情況較少，且法蘭接觸面較大，處理難度較大，這種情況下一般選擇調整軸線與鏡板面垂直度偏差，以減小軸承凈擺度。

3 結 語

兩階段軸系調整技術日益廣泛應用于大型水輪發電機組安裝，與常規單純的盤車檢查相比，在遇到機組擺度超標時，其軸系處理的時間成本以及質量控制成本都更為經濟;同時聯軸同鏜工藝的應用也降低了設備在制造階段的質量控制成本及風險，制造廠可以通過預留加工余量，在現場預裝配合格后進行現場加工，制造及安裝容錯率大大提高。該技術在錦屏二級、觀音巖、金沙等大中型水電站中都取得了良好的應用效果，可在同類水電建設工程中推廣應用。

參考文獻：

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[3] 肖少華，吳建洪.水電機組軸線調整及聯軸方位旋轉技術[J]. 水電站機電技術，2009，32（6）：8-11.

（編輯：江 文）

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