喀麥隆曼維萊水電站懸式水輪發(fā)電機(jī)組盤車軸線不垂直原因分析

林錦光 吳 靖 張清衛(wèi)

曼維萊水電站位于喀麥隆南部，是一座徑流式水電站，廠房?jī)?nèi)安裝4臺(tái)單機(jī)額定容量為52.75 MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組。水輪機(jī)型號(hào)為HLLJ-355，發(fā)電機(jī)型號(hào)為SF52.75-36/8000，設(shè)計(jì)水頭55 m，設(shè)計(jì)流量108.1 m3/s，額定轉(zhuǎn)速166.7 r/min，軸向水推力不大于2 930 kN。發(fā)電機(jī)采用上下2個(gè)導(dǎo)軸承的立軸懸式結(jié)構(gòu)，上下導(dǎo)軸承分別由12塊及10塊扇形瓦、楔形調(diào)整裝置等組成，推力軸承置于上導(dǎo)軸承油槽內(nèi)，由10塊扇形瓦組成，采用彈性圓盤支撐結(jié)構(gòu)。水輪機(jī)水導(dǎo)軸承由12塊扇形瓦、楔形調(diào)整裝置等組成。機(jī)組的軸線由輔機(jī)軸、發(fā)電機(jī)軸和水輪機(jī)軸等組成，采用螺栓連接。機(jī)組通過推力頭和鏡板，將整根軸支撐在推力軸承上，再通過上機(jī)架、定子機(jī)座傳導(dǎo)到機(jī)組受力基礎(chǔ)。

1 機(jī)組軸線狀態(tài)分析

在假定水輪發(fā)電機(jī)組軸線與鏡板回轉(zhuǎn)面絕對(duì)垂直的理想情況下，同時(shí)組成軸線的各部分沒有傾斜也沒有曲折，那么機(jī)組軸線在回轉(zhuǎn)時(shí)，將與機(jī)組理論回轉(zhuǎn)中心重合。但是，機(jī)組安裝后實(shí)際的機(jī)組軸線與鏡板回轉(zhuǎn)面不會(huì)絕對(duì)垂直，軸線本身也不會(huì)是一條理想的直線。軸線上任一點(diǎn)所測(cè)得的錐度圓，就是該點(diǎn)的擺度圓。

目前現(xiàn)場(chǎng)遇到的連軸后可能出現(xiàn)的軸線狀態(tài)，如圖1所示。

（1）鏡板回轉(zhuǎn)面及法蘭結(jié)合面都與軸線垂直，總軸線無擺度和曲折，如圖1（a）所示。

（2）鏡板回轉(zhuǎn)面與軸線不垂直，而法蘭面與軸線垂直，總軸線無曲折，按擺度距離線性放大，如圖1（b）所示。

（3）鏡板回轉(zhuǎn)面與軸線垂直，而法蘭結(jié)合面與軸線不垂直，總軸線有曲折，法蘭處擺度為零，水導(dǎo)處有擺度，如圖1（c）所示。

（4）鏡板回轉(zhuǎn)面及法蘭結(jié)合面與軸線均不垂直，兩處不垂直方位相同、相反或成某一方位角等，總軸線有曲折、法蘭及水導(dǎo)處均有擺度，如圖1（d）～（i）所示。

圖1 軸線曲折狀態(tài)

水輪發(fā)電機(jī)組軸線垂直度對(duì)機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行（機(jī)組振動(dòng)、擺度、瓦溫等）起到至關(guān)重要的作用，因此，現(xiàn)場(chǎng)需要對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行軸線垂直度測(cè)定及軸線垂直度的調(diào)整。通過盤車，用百分表測(cè)出有關(guān)部位（一般包括水導(dǎo)軸承處、機(jī)組聯(lián)軸法蘭處、下導(dǎo)軸承處、上導(dǎo)軸承處及鏡板軸向水平等）的擺度值，借以分析軸線產(chǎn)生擺度的原因、大小和方位。并通過刮削卡環(huán)的方法，使鏡板本身摩擦面與軸線、法蘭組合面與軸線的不垂直得以糾正，使機(jī)組各部分?jǐn)[度減少到所允許的范圍內(nèi)。目前現(xiàn)場(chǎng)普遍使用的國家標(biāo)準(zhǔn)允許偏差見表1、2。

表1 不同軸轉(zhuǎn)速下機(jī)組軸線的允許擺度值（雙振幅）

表2 鏡板允許的軸向擺度

2 機(jī)組軸線不垂直原因及軸線調(diào)整

造成機(jī)組軸線不垂直的原因，大體可概括為由于設(shè)備生產(chǎn)加工精度的限制，設(shè)備安裝過程中安裝工藝不當(dāng)、安裝精度不夠等。

由于設(shè)備生產(chǎn)加工精度造成機(jī)組軸線不垂直主要包括：

（1）推力頭與主軸配合較松，卡環(huán)厚薄不均；

（2）推力頭底面與主軸不垂直；

（3）推力頭與鏡板的絕緣墊厚薄不均；

（4）鏡板加工精度不夠；

（5）主軸本身不垂直等。

機(jī)組軸線調(diào)整是在機(jī)組安裝后進(jìn)行，在現(xiàn)場(chǎng)因設(shè)備加工精度而導(dǎo)致的軸線不垂直屬于不可逆因素。對(duì)于機(jī)組安裝過程中由于安裝工藝、安裝精度造成的機(jī)組軸線不垂直，現(xiàn)場(chǎng)可通過改善安裝工藝、安裝精度等措施，減少或者避免。

（1）在推力軸承安裝前應(yīng)對(duì)推力軸承安裝面水平進(jìn)行重新測(cè)量。由于推力軸承承重機(jī)架在預(yù)安裝后，受力基礎(chǔ)板混凝土澆筑、混凝土凝固過程中都會(huì)導(dǎo)致承重機(jī)架水平發(fā)生變化；承重機(jī)架定位銷釘鉆銑精度不夠，如銷釘安裝后與銷釘孔的間隙不滿足規(guī)范要求，導(dǎo)致銷釘定位效果差，在正式安裝時(shí)承重機(jī)架不能安裝到預(yù)安裝位置致使機(jī)架水平、中心發(fā)生變化等。因此，在推力軸承安裝前應(yīng)重新檢查其安裝面的水平，如不滿足要求可采用在基礎(chǔ)板間加墊的方式進(jìn)行調(diào)整。

（2）發(fā)電機(jī)軸與水輪機(jī)軸聯(lián)接時(shí)，聯(lián)軸法蘭面毛刺或者灰塵等雜物沒有完全清理干凈；聯(lián)軸螺栓拉伸時(shí)沒有進(jìn)行對(duì)稱同時(shí)拉伸，或者在聯(lián)軸螺栓對(duì)稱拉伸時(shí)對(duì)稱位置的聯(lián)軸螺栓伸長(zhǎng)值偏差太大。如存在上述情況，會(huì)導(dǎo)致機(jī)組聯(lián)軸后軸線在聯(lián)接法蘭處發(fā)生彎折，造成機(jī)組軸線不垂直。同時(shí)，機(jī)組在運(yùn)行中的力矩傳遞主要通過聯(lián)接法蘭面的摩擦力及聯(lián)接螺栓的拉緊力，在測(cè)量螺栓伸長(zhǎng)值時(shí)不宜采用計(jì)算角度的方式進(jìn)行計(jì)算，而應(yīng)在螺栓兩側(cè)各架設(shè)百分表，這樣測(cè)得的螺栓伸長(zhǎng)值較為準(zhǔn)確。

（3）安裝推力軸承。在吊裝推力鏡板前，一定要重新校核相鄰?fù)屏ν唛g的高差，并且測(cè)量數(shù)據(jù)要與廠家提供的廠內(nèi)預(yù)裝數(shù)據(jù)相吻合。因?yàn)橥屏ν叩膹椥詧A盤設(shè)計(jì)有一定的彈性量，在設(shè)備出廠、運(yùn)輸、安裝等過程中，可能由于彈性圓盤應(yīng)力的釋放、碰撞、磨損等不確定因素，安裝后會(huì)出現(xiàn)與出廠前預(yù)裝數(shù)據(jù)存在出入，影響吊裝后的鏡板水平。鏡板水平的變化是導(dǎo)致機(jī)組軸線不垂直的直接原因，同時(shí)也是造成機(jī)組后期運(yùn)行推力瓦瓦溫偏高甚至燒瓦的主要原因，在確保彈性圓盤滿足載荷彈性量的前提下可通過微調(diào)上機(jī)架水平來調(diào)整鏡板水平度。對(duì)于無法滿足彈性圓盤載荷彈性量的情況，應(yīng)要求生產(chǎn)廠家重新生產(chǎn)裝配。

（4）機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的所有重量轉(zhuǎn)移到推力軸承后，應(yīng)重新檢查承重機(jī)架的水平。承重機(jī)架承重后會(huì)產(chǎn)生軸向位移，由于承重機(jī)架本體、定子機(jī)座材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、應(yīng)力變形以及機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分微量的重量不平衡等，使得承重機(jī)架每個(gè)受力支腿方向所產(chǎn)生的撓度變形不可能完全相同，會(huì)造成承重機(jī)架整體水平發(fā)生微量變化導(dǎo)致影響機(jī)組軸線垂直度。如承重機(jī)架整體水平發(fā)生變化，在確保轉(zhuǎn)動(dòng)部分安裝高程（主要指定子、轉(zhuǎn)子間的機(jī)組中心線高度差）滿足要求的前提下應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，目前主要采取對(duì)承重機(jī)架、定子機(jī)座間的調(diào)整墊板進(jìn)行重新配刨或者直接加墊（所加墊片不宜采用紫銅墊而應(yīng)采用強(qiáng)度較高的鋼墊片）的方式進(jìn)行調(diào)整，確保機(jī)架水平滿足要求。

（5）盤車前應(yīng)認(rèn)真檢查轉(zhuǎn)動(dòng)部件上有無雜物，檢查轉(zhuǎn)動(dòng)與固定部分的縫隙處應(yīng)絕對(duì)無異物卡阻及刮碰，應(yīng)特別注意檢查定子與轉(zhuǎn)子間隙及轉(zhuǎn)輪與迷宮環(huán)間隙。同時(shí)，在機(jī)組軸線法蘭盤處推動(dòng)主軸應(yīng)能看到架設(shè)的百分表指針擺動(dòng)，確保機(jī)組盤車時(shí)主軸處于自由狀態(tài)。因?yàn)閷?duì)于機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分與固定部分間任何微小的卡阻及刮碰，均會(huì)產(chǎn)生除盤車工具以外其的他外力。此種情況，在盤車轉(zhuǎn)動(dòng)過程中會(huì)導(dǎo)致機(jī)組真實(shí)軸線產(chǎn)生偏移，各部分測(cè)量的擺度圓與實(shí)際存在的擺度圓產(chǎn)生偏差，使得盤車數(shù)據(jù)不真實(shí)、規(guī)律性不明顯甚至沒有規(guī)律，如在1組盤車數(shù)據(jù)中出現(xiàn)2個(gè)最大值的“雙波峰現(xiàn)象”。對(duì)于機(jī)組第一次轉(zhuǎn)動(dòng)盤車及水導(dǎo)處測(cè)量擺度值較大時(shí)，要隨時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)輪與止漏環(huán)間隙進(jìn)行監(jiān)測(cè)，決定是否對(duì)機(jī)組整體中心位置進(jìn)行重新推動(dòng)調(diào)整。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)首次轉(zhuǎn)動(dòng)盤車，機(jī)組軸線擺度值會(huì)相對(duì)較大，可能會(huì)對(duì)止漏環(huán)產(chǎn)生刮碰，不僅影響機(jī)組軸線的垂直度及測(cè)量數(shù)據(jù)的真實(shí)性，也會(huì)對(duì)止漏環(huán)造成損壞。在盤車過程中，采用高壓減載裝置對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)部分減載盤車時(shí)，每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)盤車點(diǎn)，要注意觀察高壓減載裝置供油高壓管路的油壓，推力瓦和鏡板間的出油量是否出現(xiàn)明顯變化。由于油壓和出油量的變化，會(huì)影響推力瓦與鏡板間產(chǎn)生的油膜厚度，同時(shí)也應(yīng)避免盤車時(shí)鏡板與推力瓦間出現(xiàn)干摩擦現(xiàn)象。對(duì)于靜置時(shí)間較長(zhǎng)的機(jī)組，盤車前最好先將機(jī)組空轉(zhuǎn)幾周。因?yàn)楸P車過程油膜厚度、均勻度，也是造成機(jī)組軸線不垂直的一個(gè)重要因素。同時(shí)，一次盤車一般轉(zhuǎn)動(dòng)2圈且取第二圈數(shù)據(jù)作為計(jì)算各部擺度值的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，也是出于對(duì)油膜厚度、均勻度的考量。

（6）當(dāng)前對(duì)于立軸混流式機(jī)組，調(diào)整軸線垂直度相對(duì)成熟的方式是刮削卡環(huán)。在卡環(huán)刮削過程中應(yīng)嚴(yán)格按劃分的區(qū)域進(jìn)行，且最終應(yīng)采用研磨膏或研磨石對(duì)刮削區(qū)域進(jìn)行認(rèn)真仔細(xì)的研磨，認(rèn)真處理刮削區(qū)殘留的高點(diǎn)、毛刺等，及不同區(qū)域間過度是否平滑。如卡環(huán)有高點(diǎn)殘留、毛刺或過度不平滑，在卡環(huán)回裝后會(huì)造成卡環(huán)局部受力，而局部受力點(diǎn)屬于不穩(wěn)定受力點(diǎn)。盤車時(shí)會(huì)出現(xiàn)機(jī)組軸線與鏡板摩擦面相對(duì)位置不穩(wěn)定的情況即軸線垂直度不穩(wěn)定，導(dǎo)致相同情況下每次盤車數(shù)據(jù)不一致，無法準(zhǔn)確分析機(jī)組軸線盤車點(diǎn)位置的擺度大小和方向。

（7）水輪發(fā)電機(jī)組最終的軸線處理，在符合各部位擺度值的前提下，應(yīng)結(jié)合各擺度點(diǎn)的擺度值綜合考量轉(zhuǎn)輪與止漏環(huán)間隙的大小是否滿足要求及間隙是否均勻。因?yàn)闄C(jī)組在運(yùn)行工況下，止漏環(huán)間射流量的大小及不平衡情況也會(huì)影響到運(yùn)行機(jī)組的振動(dòng)、擺度等，從而影響運(yùn)行機(jī)組軸線的垂直度。

通過表3曼維萊水電站軸線調(diào)整前盤車數(shù)據(jù)分析可知，鏡板水平超出允許相對(duì)偏差，法蘭處和水導(dǎo)處的相對(duì)擺度值也均超過允許相對(duì)擺度值，且在法蘭處軸線有曲折，即如圖1（b）所示的軸線狀態(tài)。結(jié)合盤車數(shù)據(jù)、安裝尺寸校核及上述可能軸線不垂直原因，初步確定該機(jī)組可能為主軸本身不垂直或法蘭處加工精度偏差，承重機(jī)架或定子機(jī)座調(diào)整水平偏差導(dǎo)致軸線不垂直。主軸本身不垂直和法蘭處的曲折，由于現(xiàn)場(chǎng)處理起來比較困難且現(xiàn)場(chǎng)施工條件也無法滿足處理要求。最終確定按上述非加工精度造成軸線不垂直原因中（1）、（2）、（3）、（4）、（6） 項(xiàng)所述進(jìn)行調(diào)整處理，且每次調(diào)整完成再次盤車確定軸線垂直度的變化情況。通過多次往復(fù)調(diào)整、盤車，鏡板水平、法蘭和水導(dǎo)處的相對(duì)擺度值都達(dá)到比較理想的狀態(tài)，詳見表4。

表3 曼維萊水電站軸線調(diào)整前某次盤車數(shù)據(jù)

表4 曼維萊水電站軸線調(diào)整后驗(yàn)收盤車數(shù)據(jù)

3 結(jié)語

影響水輪發(fā)電機(jī)組軸線不垂直原因很多且復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)需要通過具體的盤車數(shù)據(jù)及對(duì)可能造成軸線不垂直的原因進(jìn)行綜合考慮逐一分析，明確機(jī)組軸線調(diào)整方案。最終，通過改善相應(yīng)設(shè)備或部件的安裝工藝、安裝精度等，使機(jī)組軸線達(dá)到最佳狀態(tài)。