水轮发电机组轴线调整技术探讨

王承 唐善安 蔡小林

摘要：为调整大中型水轮发电机组主轴分段制造轴系的组装轴线，降低轴承运行摆度，利用两阶段轴线调整的方式，分析了轴系在静态时轴线偏折状态的测量及调整方式，模拟了轴系在动态旋转状态下轴承摆度的测量及轴线调整方式。结果表明：通过两阶段轴线调整技术，引进主轴现场同镗工艺，既有效解决了主轴不便在制造厂预组的难题，同时有助于现场提前检查轴线制造质量，分散质量风险带来的工期压力，更有助于提高轴线安装质量。

关键词：水轮发电机组; 轴线调整; 大轴同镗; 盘车

中图法分类号：TM312 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.03.016

文章编号：1006 - 0081（2022）03 - 0072 - 05

0 引 言

随着水轮发电机组制造技术的发展，水轮发电机组单机装机容量逐步提升，大型机组日益增多，对于大型水力发电机组，稳定运行是实现工程经济效益的重要保障。在机组运行过程中，振动与摆度幅值的大小是衡量机组运行质量的主要标准之一，也是反映设计、制造、安装、检修工艺水平的重要综合性能指标。产生机组振动的原因较多，如水力不平衡、转轮重量不平衡、转子重量不平衡、电磁力不均衡以及机组轴线偏差等因素，除了通过设计、制造阶段控制部分因素外，安装施工阶段的工艺控制保障也尤为重要，其中通过科学的检查方法以及调整手段，使机组轴线特性趋于优良，进而控制各导轴承摆度达到规范优良水平，可有效降低机组轴线摆动幅度，减少机组振动[1-3]。因此，本文研究了水轮发电机组轴线的检查方法和调整手段。

1 机组轴线特性及摆度原因分析

1.1 机组轴系构成

大型水轮发电机组轴系一般为分段轴系，主要由5部分构成，分为转轮、水轮机主轴、发电机主轴、转子及上端轴。各段轴通过法兰连接的方式，构成了整个机组的轴系，理论机组中心线即是机组转动部分作旋转运动的理论轨迹中心。由于机组类型不同，上端轴部分结构略有差异，双调结构的转桨式机组在轴系端部多设有受油器，操作油管亦作为轴系转动部件考虑。

1.2 机组摆度产生原因

对于大型水轮发电机组，受加工制造及运输条件限制，水轮机主轴、发电机主轴、上端轴一般为独立部件供货，需在施工现场通过法兰连接的方式进行轴系连接。理论上，当联轴后的实际主轴线与机组理论旋转中心线完全重合时，机组转动部分的运动最为稳定，该状态可理解为机组摆度为零的状态。但在实际生产中，由于制造、安装过程中必然存在且不可消除的误差，导致联轴后的实际轴线与理论旋转中心线必然存在一定偏差。机组运转过程中，上述偏差在各轴承断面即形成了圆周摆动，摆动幅值即为各部轴承摆度。

摆度产生的直接原因是实际轴系与理论轴系存在偏差。偏差表现的具体形式多种多样，按偏差产生的原因，理论上大致可以分为两种：① 各分段轴系偏斜程度或偏斜方向不一致，主轴系本体的直线度存在偏差，机组运转过程中，在导轴承断面产生摆度圆（图1）;② 主轴系整体的直线度相对较好，但整体轴系与镜板面垂直度存在偏差，实际轴系与理论轴系存在偏斜，机组运行时，在导轴承断面形成摆度圆，见图2。

理论上两种摆度产生的原因不同，轴系调整时所处理的对象也有所不同。但在实际安装过程中，机组轴线偏斜的形式更为复杂，往往两种原因会同时存在，而轴系表现出来的偏折形态也是多种多样。在以往的安装工艺中，大多在机组回装阶段，通过轴系盘车检查摆度幅值并进行轴系的调整处理。由于该阶段受到操作空间、操作方法以及工期的制约，问题发现不及时，其处理的难度相对增大，不利于最优方案的选择。对此，两阶段轴系调整技术的应用能更为有效规避单一阶段盘车检查的不足之处。

2 轴线测量分析及调整

大型水轮发电机组的水轮机、发电机往往由不同厂家生产。受制造产能及经济效益影响，水轮机、发电机主轴进行制造厂预组的成本往往非常大，一般难以实现。随着中国机械制造技术的日益发展，機械加工设备的精密程度大幅提高，提升了设备的便携性以及操作的便利性，使得大型精密设备部件在工地现场进行二次机加工成为现实。

以金沙水电站为例，其水轮机、发电机分别由不同厂家制造，水轮发电机组轴线调整采用两个阶段调整。第一阶段为主轴预组阶段，通过在特定的工位将水机主轴与发机主轴进行预组，检查水、发机主轴静态轴系的直线度，采用大轴法兰现场同镗技术，校正机组轴系本体直线度的偏折;第二阶段处于机组整机回装阶段，通过转动部件的盘车检查，调整轴线摆动，最终使4台机组摆度均达到优良标准。

2.1 水轮机、发电机轴预组及同镗

2.1.1 合同准备阶段

水轮机、发电机轴实施现场预组同镗，其工艺的实施涉及多个合同相关方，包括工程设计方、设备制造承包方和安装施工承包方等，在工程前期招标阶段，需要对相关方的合同责任界面进行划分，为安装阶段水、发轴预组同镗创造良好的实施条件。

（1） 设计专用的水轮机、发电机联轴工位。金沙水电站水轮机主轴长度7 016 mm，总重约87 t，发电机主轴长度为6 910 mm，总重约73 t。联轴预组时主轴均为直立状态，整体垂直高度高达14 m，地基承载总重约160 t，须设置专用联轴工位。经设计规划，联轴工位设置于安装间II段，在水轮机层（非楼板层）埋设承重基础板，工位上方发电机楼板层开设吊物孔，利用层间高差解决高度过高的问题，发电机层兼作联轴同镗的施工平台，完美解决了联轴承重及高度空间的需求，也保证了作业安全。

（2） 明确合同分工界面。合同招标阶段，需明确主轴法兰同镗加工的实施单位。金沙水电站相关合同明确由水机厂家负责现场同镗，机加工设备及人员由厂家提供，水轮机、发电机主轴连接及中心找正由安装承包人负责，厂家参与联合验收，合同分工界面较为合理，因为设备制造厂家机加工技术较为成熟，且有专业的加工设备及操作人员，有效规避了质量风险，降低了合同协调难度。

2.1.2 联轴预组、调整

2.1.2.1 安装程序

水轮机轴工位吊装→水轮机轴上法兰水平度调整→发电机主轴吊装、联轴→发电机主轴上法兰水平调整→轴线检查、测量→轴线调整、验收→工装螺栓紧固→连接法兰镗孔→永久螺栓孔验收→联轴、镗孔完成。

2.1.2.2 工艺及措施

（1） 支墩安装。金沙水电站水轮机、发电机联轴在安装间工位进行，联轴、同镗加工工期约25～30 d，基础板板面与地面高差为10 mm。主轴若直接承载于基础板上，水轮机轴下法兰过于贴近地面，主轴连接法兰面为精加工面，法兰面长期受潮易出现锈蚀，不利于后期与转轮面把合质量;后考虑增设钢性支墩（图3），既可避免法兰面锈蚀，同时能较好地调整水、发轴组合法兰的高度，方便同镗加工设备的布置及操作。

（2） 轴系调整。① 在水轮机轴下法兰和支墩支撑面设置成对楔子板，利用楔子板调整主轴水平，水平调整合格后，必须注意及时将楔子板点焊锁定，同时建议在对楔侧面划定记号线，监测水平防止移动错位。② 利用工装螺栓把合水轮机、发电机主轴连接法兰，应注意各自的方位调整;厂内进行镗孔时法兰组合面一般考虑过高、低点，并设置有明显标记（法兰连接面低点一般标记为“L”，高点标记为“H”），在用法兰把合面连接前，应将发电机主轴合面的低点标记“L”与水轮机主轴合面的高点标记“H”处于同一位置，有利于保障轴线倾斜度一致。③ 调整好主轴法兰面水平后，在主轴±X，±Y四个方位角分别悬挂钢琴线，利用内径千分尺测量各法兰/轴径位置的垂直偏差，根据测量数据计算主轴轴系直线度，如果直线度偏差较大，松开把合螺栓，根据两段轴系的偏差方向旋转轴系相对角度，多次重复调整，直至轴系直线度满足设计规范要求。

（3） 轴线数据分析。主轴水平度调整合格后，利用内径千分尺测量各法兰面钢琴线数据，计算静态轴线偏折情况。以金沙水电站4号机组为例，轴线预组后各法兰面钢琴线测量数据见表1。

以发电机轴上法兰作为基准圆进行数据修正，经修正简化计算数据见表2。

计算轴线的静态偏斜S，参考GB/T8564-2003《水轮机安装技术规范》机组轴线的允许摆度值，当S在规范允许范围，且轴线垂直偏斜方向与法兰水平趋势一致时，可判定静态轴线直线度满足设计要求，经测量计算，金沙水电站4号机组主轴静态轴线调整满足设计要求，具备法兰同镗条件。

（4） 法兰同镗加工。水轮机、发电机轴静态轴线连接、调整合格后，利用工装螺栓对称把合联结法兰，采用镗孔设备对其他螺孔进行同镗扩孔加工至设计尺寸，加工完成后更换永久螺栓，拉伸紧固后复测轴线情况，拆除工装螺栓，对剩余螺栓孔进行同镗加工，最终使所有螺孔加工完成并全部更换为永久螺栓，复测轴线合格后，联轴、同镗工序完成。

2.2 动态盘车轴线检查

盘车主要在转动部件装配完成后进行，通过人为的方法使机组转动部分进行连续缓慢的转动。分别在导轴承、法兰相应部位架设百分表，将轴承面均匀划分8个测点，通过记录旋转过程各测点数据，分析计算各部轴承摆度，确认各部轴承摆度是否在规范允许的范围内，否则应查明原因后处理合格，盘车合格后根据摆度值合理调整各导轴承抱瓦间隙。

2.2.1 盘车工艺质量控制

不同类型的机组盘车方式大同小异，以立轴混流式发电机组为例，在不同的盘车阶段，应注意不同的质量控制要点。

2.2.1.1 盘车准备阶段

盘车前应重点关注盘车准备工作是否妥当，盘车条件是否具备，若检查不到位，盘车过程极有可能造成设备刮擦，情况严重的甚至导致设备损伤，造成难以挽回的损失，重点控制以下方面。

（1） 检查转动部件是否位于机组中心。

（2） 检查各部转动部分与固定部分之间间隙应无杂物。重点检查转子与定子空气间隙，若空气间隙存在硬物，转动过程极有可能造成磁极或定子冲片绝缘损伤，修复处理非常困難，后果较为严重，必须坚决杜绝此类现象发生。

（3） 测量各转动部分与固定部分间隙，保证转动部位处于自由状态。主要应测量止漏环间隙、转轮下冠与底环间隙、空气围带间隙，确保间隙均匀且满足设计要求，盘车抱瓦的瓦面间隙一般控制在0.02 mm范围。

（4） 检查制动系统是否已退出、闸板间隙是否足够，检查转动部件重量是否已受力于推力轴承、推力瓦受力是否均匀，每块受力偏差应控制在工艺要求范围内。

（5） 检查高压油顶起系统是否运行正常、调节阀是否调整到位，检查每块瓦面出油量是否正常，保证油膜有效形成。

2.2.1.2 盘车数据测量

为保证盘车数据测量准确、有效，盘车过程中数据测量应注意以下质量控制要点。

（1） 各部轴承测点均分个数、起始点方位、旋转方向必须保持一致，否则测量数据无效，旋转方向一般与机组运行旋转方向保持一致。

（2） 百分表必须架设在固定部件上，旋转过程中百分表不得晃动，指针必须灵活并垂直于轴承旋转面，百分表不得设置零位作为初始值，应有一定的正负测量区间，否则测量数据无效。

（3） 盘车时投入高压油减载装置，旋转转子每旋转45°时停一次，停止位置以镜板分部测点为准，关闭高压油减载装置，应在百分表稳定后记录读数;为校核测量数据，每次盘车转子需转回零位，检查回零误差，若误差较大，应查找原因重新盘车。

首次盘车检查完水导、下导、镜板摆度后，还应扫描转子圆度与偏心。镜板水平摆度测量应在镜板面设置百分表进行监测，指针应垂直于镜板水平面。转子圆度及偏心测量以定子+Y方位为基准，转动转子测量空气间隙，计算转子磁极相对下导偏心。

2.2.2 摆度分析及调整

根据盘车测量记录，计算各测量部位摆度、同心度，并绘制轴线弯折曲线，若摆度超标，应进行调整，一般调整方式如下。

（1） 上导摆度调整方式。上端轴长度较短，摆度超标一般由于法兰同心度调整不到位造成，可松开法兰连接螺栓，根据摆度方向，利用千斤顶调整与转子同心度，合格后重新连接法兰螺栓并盘车检查。

（2） 集电环摆度调整方式。调整方式与上导相同，但集电环调整需兼顾上、下环数据。

（3） 水导、联轴法兰摆度调整。水导摆度超标，需结合轴线弯折情况对比分析，若摆度趋势与轴线弯折情况吻合，一般需进行轴线处理，应召开专题会分析确定调整方式。

2.3 轴线调整措施

由于轴线偏折导致的摆度超标，需对轴线进行调整处理，轴线调整的方式主要包括旋转、加垫、研刮及镗孔等处理工艺，对应不同的轴线偏折方式，其调整处理措施有所差异。

旋转即根据轴线偏折的方位进行180°反向调整联轴的相对方位，但该方式存在较大的不确定性，如工期允许可以进行尝试，但一般不采用。镗孔主要适用于法兰联结面不同心引起的轴线偏折，工艺与联轴阶段同镗工艺相同。

加垫与研刮的原理基本类似，但加垫方式存在较大的局限性，加垫后法兰或镜板、推力头支承接触面积必然减小，不利于机组长期稳定运行;同时今后电厂进行机组大修时，很难恢复到原始状态，电厂检修维护极为不便，一般不建议大型水电站选择该处理方式。

研刮主要是通过刮削组合面，对轴线相对镜板的垂直度或轴线相对法兰面的垂直度予以纠正，进而减小轴承部位的净摆度。对于不同的轴线弯折状态，研刮部位有所不同。若因轴线与镜板面垂直度偏差导致的摆度超标，一般通過研刮推力头与镜板之间的绝缘垫，无绝缘垫则研刮推力头底面。若因轴线本身存在明显偏折导致的摆度超标，即轴线与法兰面垂直度较差，一般通过研刮法兰接触面调整相对垂直度。实际安装过程中，可能两种偏折情况同时存在，随着加工技术的发展以及联轴同镗技术的应用，轴线本身的偏折往往较小，需要处理法兰面的情况较少，且法兰接触面较大，处理难度较大，这种情况下一般选择调整轴线与镜板面垂直度偏差，以减小轴承净摆度。

3 结 语

两阶段轴系调整技术日益广泛应用于大型水轮发电机组安装，与常规单纯的盘车检查相比，在遇到机组摆度超标时，其轴系处理的时间成本以及质量控制成本都更为经济;同时联轴同镗工艺的应用也降低了设备在制造阶段的质量控制成本及风险，制造厂可以通过预留加工余量，在现场预装配合格后进行现场加工，制造及安装容错率大大提高。该技术在锦屏二级、观音岩、金沙等大中型水电站中都取得了良好的应用效果，可在同类水电建设工程中推广应用。

参考文献：

[1] 朱玉兵. 大型立式机组下导摆度调整的新方法[J].上海大中型电机，2010（1）：60-61.

[2] 李军. 锦屏二级水电站机组轴线摆度测量与调整新工艺 [J]. 水电与新能源，2013（6）： 65-68.

[3] 肖少华，吴建洪.水电机组轴线调整及联轴方位旋转技术[J]. 水电站机电技术，2009，32（6）：8-11.

（编辑：江 文）

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