基于Excel的立式水輪發(fā)電機(jī)組軸線檢測與調(diào)整方法

唐正權(quán)，陳韶光，陳炳森

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧530023）

0 前言

水輪發(fā)電機(jī)組是水電站實現(xiàn)水能到電能轉(zhuǎn)換的主設(shè)備，也是水電站質(zhì)量最大、價格最高的機(jī)電設(shè)備。因此，水輪發(fā)電機(jī)組的安裝與檢修必然受到業(yè)內(nèi)同行的廣泛關(guān)注。對于水電站機(jī)組安裝與檢修而言，軸線的測量與調(diào)整是最重要的工作內(nèi)容之一，機(jī)組軸線調(diào)整質(zhì)量的優(yōu)劣，直接影響到機(jī)組的安全及穩(wěn)定運行，而掌握正確的檢測方法和高效的數(shù)據(jù)分析計算手段，能大大提高軸線調(diào)整的效率，提升軸線調(diào)整的質(zhì)量。本文結(jié)合典型水電站立軸懸式機(jī)組安裝檢修工作經(jīng)驗，介紹利用Excel軟件來輔助完成機(jī)組軸線檢測與調(diào)整的方法。

1 機(jī)組的組成及其主軸徑向振動

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

圖1 水輪發(fā)電機(jī)組軸線示意圖

機(jī)組運轉(zhuǎn)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(jī)組運行的安全與穩(wěn)定，國標(biāo)GB/T 8564-2003對立式水輪發(fā)電機(jī)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(jī)組容量和結(jié)構(gòu)尺寸大小不一，軸線長度不同，國家標(biāo)準(zhǔn)僅規(guī)定了相對擺度值，各電站應(yīng)根據(jù)實際情況，特別是機(jī)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(jī)組安裝時軸線的擺度在允許值之內(nèi)。

表1 機(jī)組軸線允許擺度值（雙振幅）

2 水輪發(fā)電機(jī)組軸線檢測方法

2.1機(jī)組軸線擺度產(chǎn)生的原因

機(jī)組軸線主要由發(fā)電機(jī)軸和水輪機(jī)軸連接組成并通過推力頭、鏡板，將整根軸（整個機(jī)組回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)時，將圍繞理論旋轉(zhuǎn)中心穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。實際上，由于零部件制造及機(jī)組安裝的原因，要使得機(jī)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(zhuǎn)時軸線必將偏離理論旋轉(zhuǎn)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(chǎn)生的擺度圓

如果鏡板摩擦面與發(fā)電機(jī)軸線是垂直的，但與水輪機(jī)軸線連接后，由于連接法蘭面與軸線不垂直而發(fā)生了軸線曲折，那么這根軸線在回轉(zhuǎn)時，從軸線曲折處開始也將出現(xiàn)擺度圓，如圖3所示。此外，還可能同時出現(xiàn)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(chǎn)生的擺度圓

因此，對于立軸水輪發(fā)電機(jī)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(chǎn)生擺度的主要原因[3]。為了減少機(jī)組運行時軸線的擺度，保證機(jī)組運轉(zhuǎn)穩(wěn)定，機(jī)組投運前必須對軸線進(jìn)行測量與調(diào)整。

2.2機(jī)組軸線擺度的測量與調(diào)整

機(jī)組軸線的測量包括發(fā)電機(jī)主軸軸線的測量、發(fā)電機(jī)與水輪機(jī)主軸相連接后的總軸線測量兩大部分。發(fā)電機(jī)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(shù)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(dǎo)軸承和下導(dǎo)軸承處的擺度值符合規(guī)定。發(fā)電機(jī)軸線調(diào)整好之后，再進(jìn)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(jī)組水導(dǎo)軸承處的擺度符合規(guī)定，機(jī)組總體軸線符合要求。

為了測量軸線，應(yīng)在發(fā)電機(jī)上導(dǎo)軸承、下導(dǎo)軸承、大軸連接法蘭、水導(dǎo)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(shù)對齊，各部分的對應(yīng)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(diào)整好機(jī)組推力瓦受力均勻，鏡板處于水平狀態(tài)且安裝好上導(dǎo)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(diào)好壓緊行程后即采用人力直接推動（小型機(jī)組）、廠內(nèi)橋式起重機(jī)通過鋼絲蠅和滑輪組來拖動或利用發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子通電形成電磁力來拖動（大中型機(jī)組）機(jī)組轉(zhuǎn)動部分，使其緩慢旋轉(zhuǎn)來測量軸線在各軸承處的擺度值（也稱為盤車）。

盤車時應(yīng)統(tǒng)一指揮，待主軸轉(zhuǎn)動穩(wěn)定后，通知各監(jiān)表人員同時將上導(dǎo)、下導(dǎo)、法蘭、水導(dǎo)處+X、+Y位置的百分表讀數(shù)記入表內(nèi)，如表2所示。

表22 號機(jī)組盤車數(shù)據(jù)表（單位：0.01mm）

3 基于Excel的機(jī)組軸線測量數(shù)據(jù)分析

為了便于對機(jī)組軸線測量數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，分析軸線產(chǎn)生擺度的原因、大小和方位，可利用Excel的數(shù)據(jù)分析與處理功能輔助進(jìn)行分析。表1為某電站2號機(jī)組最后盤車時的數(shù)據(jù)，上導(dǎo)、下導(dǎo)、法蘭、水導(dǎo)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(zhuǎn)到相應(yīng)百分表處時的讀數(shù)之差，如上導(dǎo)+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(yīng)上導(dǎo)處的全擺度，也可根據(jù)該處相應(yīng)于上導(dǎo)處的全擺度計算而得，如水導(dǎo)+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(shù)據(jù)自動計算完畢。

為了更好地觀察和分析機(jī)組軸線狀況，利用Excel的插入圖表功能，選擇相應(yīng)的擺度數(shù)據(jù)值，自動生成機(jī)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(dǎo)、法蘭、水導(dǎo)處的凈擺度值趨勢一致且均顯現(xiàn)一定的正弦公布規(guī)律，說明兩個方位測量數(shù)據(jù)互相核對基本正確，可僅用一個方位的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析即可。

圖5 機(jī)組擺度曲線圖

4 水輪發(fā)電機(jī)組軸線調(diào)整方法

從圖5及表2可看出，在下導(dǎo)軸承和法蘭面處，4號測點的擺度值最大，而在水導(dǎo)軸承處，7號測點的擺度值最大，說明機(jī)組軸線存在曲折，發(fā)電機(jī)軸向4號測點傾斜，水輪機(jī)軸則向7號測點傾斜，可根據(jù)上述數(shù)據(jù)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(jī)組額定轉(zhuǎn)速187.5 r/min，根據(jù)表1以及機(jī)組的尺寸可計算出表3所示的機(jī)組各斷面擺度允許值。結(jié)合圖6及表3，機(jī)組軸線各斷面擺度已在允許范圍之內(nèi)，可以投運。

表3 2號機(jī)組各斷面擺度允許值

如果盤車所測得各斷面擺度達(dá)不到表3的要求，此時應(yīng)進(jìn)行必要的調(diào)整。如測得下導(dǎo)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(diào)整，測點4墊片厚度可根據(jù)擺度值及相應(yīng)的距離值由Excel計算求得，同時自測點4向左右兩側(cè)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(diào)整軸線，具體采用哪一種方式，可根據(jù)現(xiàn)場情況來決定。

下導(dǎo)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(diào)整軸線，調(diào)整合格之后，再將水輪機(jī)軸與發(fā)電機(jī)軸連接盤車，通過調(diào)整軸端連接法蘭面的墊片的方式來調(diào)整水輪機(jī)軸線符合要求。

5 結(jié)束語

水輪發(fā)電機(jī)軸線檢測與調(diào)整是機(jī)組安裝工藝中最為重要的一個項目，保證機(jī)組軸線各斷面擺度在允許范圍之內(nèi)并盡量減小擺度值，可有效降低機(jī)組運行過程中因機(jī)械、水力、電氣不平衡等因素引起的振動，保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運行。通過盤車，檢測出機(jī)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(jī)組軸線檢測與調(diào)整的效率。該方法可在水電站機(jī)組軸線檢測與調(diào)整工作中推廣。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB8564-2003，水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范[S].2003.

[2]黃景湖.準(zhǔn)確把握水電機(jī)組“擺度”的涵義[J].水電站機(jī)電技術(shù)，2014（1）：4-5.

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