一種燈泡貫流式機組軸線測量分析及調整方法

錢 祥 吳軼嵩

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長沙 430103）

0 背景

燈泡貫流式機組作為一種經典的臥式機組機型被廣泛運用到世界各地，其主要特點是水頭低、流量大、水能損失小、能效轉化率高、運行穩定。流道呈直線型，引水部件、發電機設備、主軸、水輪機設備、導水部件、泄水部件的中心在同一條直線上，即為機組中心線。引水部件、管型座、泄水部件在機組原始安裝調整好后預埋在大壩混凝土內，在機組A中無法進行檢修和二次調整，可調整的只有機組轉動部分（包括轉子、主軸、轉輪）、導水部件、定子和轉輪室，而主軸軸線的調整（也就是通常所說的機組軸線調整）是重中之重，關乎機組振動、擺度、瓦溫、出力及機組壽命等。

因設備加工和原始安裝誤差，不可能將引水部件中心、轉動部件中心、泄水部件中心調整至同一條直線上，因此在引水部件、泄水部件、管型座預埋后無法二次調整的情況下，如何將轉動部件的中心調整至最優狀態是筆者在機組檢修中亟待解決的問題。

凌津灘水電廠安裝有9臺燈泡貫流式水輪發電機組，單機裝機容量30MW，水輪機型號為GZA684-WP-690，發電機型號為SFG30-76/6940。機組為雙支點雙懸臂結構，發導軸承與推力軸承合并組成組合軸承，組合軸承位于轉子下游側，水導軸承位于轉輪上游側，發導軸承和水導軸承承受機組轉動部分的全部質量，推力軸承承受機組軸向水推力。電廠自1994年開工建設，于2000年12月28日全部投產，運行至今已有20余年，2017年至今發現多臺機組主軸水輪機側軸頸R角存在裂紋，為了保障機組長期安全穩定地運行，電廠決定對機組主軸進行改造，下面以1號機組主軸改造為例深入分析機組軸線調整方法。

1 軸線測量方法

1.1 測量儀器安裝

凌津灘電廠1號機組主軸軸線測量方法采用的是鋼琴線電接觸法，如圖1所示。

圖1 機組軸線測量示意圖

在進、尾水流道內制作安裝1個用于安裝求心器的支架，與進、尾水流道內固定部件可靠連接，以不受周圍機組運行產生的振動影響為宜。將求心器固定在支架上，選用Ф0.3mm的鋼琴線，將其一端綁在其中一個求心器上，鋼琴線繞過另一個求心器后在其端部掛一個10kg重錘，重錘浸入裝滿透平油的油桶內懸空，檢查確保整條鋼琴線無彎折、打結、折損。

1.2 測量儀器調整

處于水平的鋼琴線因自重會產生下撓現象，影響因素有鋼琴線直徑、重錘質量及鋼琴線測點與支撐點的跨度，數據測量時考慮并計算各個測點對應的下撓度值，提升數據準確度。

鋼琴線撓度如公式（1）所示。

式中：為鋼琴線撓度（mm），為到支撐點的距離（m），為到支撐點的距離（m），為鋼琴線單位長度的質量（g/m），為重錘的質量（kg）。

在鋼琴線調整過程中經常出現反復測量、比對分析、調整的情形，經驗判斷不準確，那么如何將鋼琴線快速調整至想要的位置是軸線調整中的重中之重，其中快速準確地確定鋼琴線調整量是關鍵，可以節省不少時間，下面分享一套計算方法（以豎直方向為例）。

測量鋼琴線到管型座上、下游側法蘭±方向的距離后，將撓度修正后得出鋼琴線實際位置，做圖分別畫出鋼琴線理論位置和實際位置，2條直線相交于點，假設鋼琴線在管型座上下游側法蘭處的實際與理論偏差為、，設尾水流道求心器為、管型座下游側法蘭中心為、管型座上游側中心為、進水流道求心器為，用皮尺分別測量出=、=、=，假設=、=，如圖2所示。利用下面的公式可求出尾水流道求心器的調整量及其調整方向、進水流道求心器的調整量及其調整方向。

圖2 鋼琴線調整量計算示意圖

當、偏向不同的方向（一個偏+方向、一個偏-方向），則2條直線的交點在之間，則可以通過以下2個方程式計算出、。

通過方程式（2）、（3）可算出：

又根據相似三角形公式可知：

通過公式（4）、（5）、（6）可算出 ：

此時，尾水流道求心器的調整方向與相反，進水流道求心器的調整方向與相反。

當、偏向同一個方向，則兩條直線的交點有以下四種情形（和的計算同上）：①當≥且≤時，則兩條直線的交點在之間，此時，尾水流道求心器的調整方向與相同，進水流道求心器的調整方向與相反。②當≥且＞時，則兩條直線的交點在的延長線上，此時，尾水流道求心器的調整方向與2相反，進水流道求心器的調整方向與相反。③當＜且≤時，則兩條直線的交點在之間，此時，尾水流道求心器的調整方向與相反，進水流道求心器的調整方向與相同。④當＜且＞時，則兩條直線的交點在的延長線上，此時，尾水流道求心器的調整方向與相反，進水流道求心器的調整方向與相反。水平方向（方向）與豎直方向（方向）的調整量計算方法一樣，水平方向無須考慮撓度。鋼琴線調整時必須考慮到周圍環境，包括溫度、濕度、振動。

1.3 其他數據測量

測量定、轉子上下游側所有磁極位置的空氣間隙、4片槳葉與轉輪室的間隙、定子與管形座偏心銷孔的錯位情況、定子與管形座螺栓孔的錯位情況、排水環上游側法蘭與其安裝面螺栓孔的錯位情況、管型座上定子導向塊與定子下游側的間隙、燈泡頭冷卻套上定子導向塊與定子上游側的間隙。

2 調整方案確定

2.1 主軸軸線調整原則

燈泡貫流式機組與其他立式機組不同之處在于主軸兩端掛裝轉子和轉輪后必須考慮其撓度問題，經過精密計算后，大都要求主軸安裝后其發電機側法蘭中心高程比水輪機側法蘭中心高程高一定數值。以凌津灘電廠機組為例，原始設計要求主軸發電機側法蘭中心高程比水輪機側法蘭中心高程高（3.0±0.20）mm，主軸改造后（主軸水輪機側加粗）將這個標準改為（2.0±0.15）mm。

當確定了基準和主軸軸線標準后，調整機組軸線就是調整發導支架和水導支架，同時定子、轉輪室、發導支架、水導支架的調整閾值有多少是筆者確定主軸軸線調整方案的重要依據之一。如果按照最優的軸線調整時，這個4個固定部件均有足夠的調整閾值，毫無疑問這是最好的結果，如果沒有足夠的調整閾值，則需要考慮在調整閾值極限情況下思考軸線調整最優方案，否則須擴大螺栓孔。

2.2 主軸軸線調整方案

2.2.1 主軸水輪機側、發電機側法蘭方向調整量確定

發導軸承支架調整量計算如下：主軸更換前后高程差變化量最小值為3.33-2.15=1.18mm，最大值為3.33-1.85=1.48mm，即主軸更換前后高程差變化量范圍為1.18mm~1.48mm。

根據斜率換算發導軸承支架調整量，公式如下。

（1.18~1.48）/8760=/6300，可得=0.85mm~1.06mm。

考慮到轉子下游側與定子的相對位置，將發導軸承支架單獨下移0.85mm~1.06mm調整為發導軸承支架下移0.50mm、同時將新水導軸承支架上抬0.35mm~0.56mm。則其他轉動部分理論變化量如表1所示。

從表1可以看出：為了使槳葉間隙、空氣間隙更均勻，須將排水環上抬0.97mm~1.24mm，定子不變，考慮測量得到的排水環相對其安裝面偏心情況，正好使排水環向好的方向發展，排水環具備向上抬的閾值，滿足調整要求。

表1 機組軸線調整后轉動部件Y方向變化量匯總表

2.2.2 主軸水輪機側、發電機側法蘭方向調整量確定

將發導支架向+方向移動0.09mm，將水導支架向-方向移動0.25mm，使轉動部分與管型座同心，空氣間隙和槳葉間隙在實際安裝過程中調整合格即可。則調整后其他轉動部分變化量如表2所示。

從表2可以看出，為了使槳葉間隙、空氣間隙更均勻，須將定子上游側向-方向移動0.99mm，則需要重新加工水平支撐墊板；然后須將定子下游側向-方向移動0.69mm，通過前面定子與管型座螺栓孔及偏心銷孔錯位情況，具備調整閾值；最后須將排水環向+方向移動0.16mm，同樣通過前面排水環與其安裝面螺栓孔錯位情況，具備調整閾值。

表2 機組軸線調整后X方向變化量匯總表

3 軸線調整及控制方法

當確定了發導軸承支架、水導軸承支架的調整量和調整方向后，須將鋼琴線調整至與管型座同心，然后根據調整量算出鋼琴線到發導軸承支架、水導軸承支架內圓±、±四個方向的距離（經過撓度反算后的數據），最后使用內徑千分尺邊測邊調。為解決緊固螺栓后支架易發生位移的問題，可以采用4個方向架設千斤頂或者提前調出預留量的方式進行調整，調整過程中可以在調整方向架設百分表監視支架位移量。

在1號機組A修中，因調整水導軸承支架中心和發導軸承支架中心時分別掛設和調整的鋼琴線，須將兩次鋼琴線的理論中心都求出來后得到水導理論中心和發導理論中心，在同一條件下再換算出主軸發電機側法蘭中心與水輪機側法蘭中心高程差。又因為主軸回裝至管型座內未完全處于水導和發導的中心，而是落在水導瓦和發導瓦上，因此，須考慮主軸落在水導瓦和發導瓦上后相對水導和發導的理論中心的下沉量。檢修后測量得到水導瓦軸瓦總間隙（上、下）為0.55mm，水導瓦外徑為（1170-0.03）mm，水導瓦框架內徑為（1170+0.07）mm，因此主軸落在水導瓦上相對水導理論中心的下沉量為（0.55+0.07+0.03）÷2=0.325mm；而發導瓦軸瓦總間隙（上、下）為0.60mm，發導瓦與支撐環總間隙（上、下）為0.15mm，支撐環與發導支架總間隙（上、下）為0.15mm，主軸落在發導瓦上相對發導理論中心的下沉量為（0.60+0.15+0.15）÷2=0.45mm。則主軸落在水導瓦上相對管型座中心偏上-0.138-0.325=-0.463mm，主軸落在發導瓦上相對管型座中心偏上1.47-0.45=1.02mm。因新水導瓦中心和發導瓦中心相距6300mm，而主軸長度（含法蘭）為8760mm，所以經過同斜率換算得到主軸發電機側法蘭中心高程比水輪機側法蘭中心高程高Δ=（1.02-（-0.463））÷6300×8760=2.06mm，滿足設計要求。

4 結語

燈泡貫流式機組因其具有水頭低、流量大、水能損失小、能效轉化率高、運行穩定等特點被廣泛應用于世界各地，與立式機組相比，其安裝難度要高得多，特別是機組軸線安裝調整，貫穿機組整個安裝過程，更關乎機組長期安全穩定運行。凌津灘水電廠近幾年完成了3臺燈泡貫流式機組主軸改造更換項目，累積了一套相對完整的機組軸線測量、分析、調整、控制理論和方法，包括軸線調整總思路、軸線測量方法、鋼琴線快速調整方法、數據分析、軸線調整方案確定及軸線調整與控制，以期為同類型電廠的機組軸線調整提供參考。