悬式水轮发电机组轴线调整研究

赵海军 ，王新洪

（1. 水力发电设备国家重点实验室，哈尔滨 150040；2. 东北林业大学机电工程学院，哈尔滨 150040）

0 前言

悬式机组即发电机的推力轴承位于转子上面的上机架内或上机架上，它把整个转动部分悬挂起来，轴向推力通过定子机座传向基础。该结构适用于转速较高机组（一般在150r/min以上）。目前，随着涉外机组项目的增多，悬式机组占的比重越来越大，悬式机组轴系较长，盘车测量难度大，致使机组运行时摆度大，对机组安全运行很不利。

水轮发电机组的轴线是由顶轴（或励磁机轴）、发电机轴和水轮机轴等构成机组轴系的旋转几何中心线。

假设在机组回转时，镜板摩擦面与发电机轴线绝对垂直，且构成轴系的各部分没有倾斜或曲折，那么机组旋转轴线将重合于理论回转中心线。但实际的情况是，机组旋转时，二者不会绝对垂直，在机组旋转时，轴线要偏离理论中心线，在轴线上会产生一定的摆度圆，其直径就是通常所说的摆度。因而产生摆度的原因是镜板摩擦面与轴线不垂直或轴线本身曲折。

1 轴线测量调整

轴线测量是通过盘车用百分表测出推力头、上下导轴承、联轴法兰及水导轴承的摆度值，通过测量的数据对轴线产生的原因、大小和方位进行分析。处理方法通常采取刮研推力头与镜板之间的绝缘垫板或加入铜皮，纠正镜板摩擦面与轴线、法兰组合面与轴线的不垂直，将摆度降低到国标GB8564/2003要求的范围内。悬式机组一般采用电动盘车工具装于推力头上方进行盘车。

1.1 盘车方式

按照动力来源，盘车可以分为人力盘车、机械盘车和电气盘车三种。

人工盘车是用人工推动转动部分，每次转动45º，测量及记录一次。适用于小容量悬式机组。

机械盘车是在推力头上安装盘车工具，以厂房上的桥式吊车为动力，通过滑轮和钢丝绳拖动机组的转动部分，每转45°记录一次，适用于中、小型机组。

电气盘车是在定子及转子线圈内通以直流电，使其产生电磁力，在电磁力的作用下使转子旋转。适用于大中型机组盘车前准备。

1.2 盘车准备工作

（1）在推力头、导轴承、法兰及水导轴承处，按逆时针方向分成八等份作好标记，各部分的对应等分点需在同一垂直平面，并在各测量部分的X与Y方向各放置一块百分表。机组应位于中心，镜板应处于水平状态，并使各推力瓦受力均匀。

（2）安装推力头附近的上导轴承瓦，以便控制主轴径向位移，瓦与轴的间隙调整为不大于0.03～0.05mm。

（3）装设百分表。发电机轴线盘车时，在推力头、上下导轴承、联轴法兰及水导轴承各层处架设百分表，每一层相同的高度上沿 X、Y轴各设一只百分表，作为测量摆度及相互校核用。

（4）以刚性盘车为准，在镜板摩擦面外侧放置百分表，测出上下波动值，其值不大于0.2mm。

（5）检查机组固定部分与转动部分的间隙，间隙内应无杂物。

（6）在法兰或水导轴承处推动主轴，百分表指针摆动正常，说明主轴处于自由状态。

1.3 盘车测量

在各百分表处需有人员进行测量数据的记录，当发出“开始”命令时，利用盘车工具按机组旋转方向缓慢转动，当发出“停止”命令时，准确地停在各等分的测点上。为消除外力对转动部分的影响，需再次用手推动机组转轴，验证其是否处于自由状态，验证合格后，记录各百分表的读数。按照此方式逐点测量一圈八点的读数，最后检查第八点的百分表的读数是否可以归“0”值，若不归“0”值，应不得超过0.05mm。

盘车测量时,一般测量记录两圈的读数。摆度计算时以第二圈所测数值为准。因为机组主轴转动第二圈时，推力瓦与镜面间的油膜比较均匀，摆度测量值较为准确。

1.4 盘车数据优化处理方案

按照以往方式，根据盘车数据需要绘制摆度曲线图，然后确定摆度曲线的波峰、波谷位置。根据波峰、波谷来确定摆度的大小及方位。

此种方法，费事费力，并且数据太少，数据本身含有一定的随机误差，因此计算的准确性及可靠性较低。

理论上摆度特性为正弦曲线，但由于测量表面的质量（粗糙度等）影响和测量误差等，不可能完全是一条标准的正弦曲线。根据摆度离散数据的特点，结合均方误差理论拟合摆度曲线，消除各种误差对计算结果的影响。摆度特性几何关系如图1所示。

图1 摆度特性几何关系

其特征方程式：

设测得数据点为(θi，Ri),i=1, 2, … , n ，现根据最小二乘原理，求出使式（2）取最小值时，参数e、θ0、R0的值。

根据多元函数求极值，对上述方程偏导：

对以上方程组直接求导数较困难，先进行变量代换，原方程可变换为：

令P=ecosθ0，Q= e sinθ0， 同 时P2+Q2= e2cos2θ0+ e2sin2θ0=e2，则e=式（2）、（3）可变换为：

将式（5）代入式（6）中，得：

对上述方程求解，可得出正弦拟合曲线方程式。

摆度最大值为：2A=，θ为最大摆度对应的方位角。

1.5 盘车数据的整理、分析

通过上述对盘车数据拟合成正弦曲线，并进行严密的推导，可确定出机组轴线的最大摆度值及其方位。

我们用上面改进的方法对回龙电站2号机组盘车数据进行了优化处理，回龙电站采用悬式机组，机组转速750r/min，油浸分块瓦式导轴承。卡环直径(与轴压合)348mm，水导至上导距离L=8.615m，刚性定点盘车，抱上导瓦4块，瓦与轴单侧间隙为0.03mm。回龙电站2号机组盘车数据，如表1所示。

根据上述盘车数据，绘制水导净摆度曲线（X方向）如图2所示。

表1 回龙电厂2号机组首次盘车数据表（X方向） 单位：0.01mm

通过比较实际数值偏离理论值的程度和误差，对盘车过程中所测得的数据分析更为明了直观，如果按照传统的分析方法，很难求出他们之间存在的误差量，更重要的是，用最小二乘法为下一步轴线处理指明了更为准确、精确的方向。

1.6 轴线处理

根据回龙机组特点以及缩短检修工期的目的，采用处理修刮推力卡环与主轴压合面的方法处理机组轴线。

根据上述盘车计算最大摆度及方位，下导与水导及法兰最大摆度区基本一致，故采取整体处理。

由于以上采用整体处理的方法，因此应根据通过水导处的最大倾斜方位来判定修磨绝缘的方位。由前面的判定可以知道，水导处的最大倾斜方位是盘车点的101.54°，最大磨削量：

δ—卡环平面修磨量；

D—卡环上平面与发电机轴压合部分的轴颈尺寸；

Φca—测点水导轴承处的全摆度；

L—上导测点至水导测点的距离；

δ=（0.348×0.4534）/（2×8.615）=0.009mm。

图 2

处理方法：将卡环吊至平台，拼成整圆，按轴号找出修刮量最大方位，即为盘车点的101.54°。将卡环划分成5个磨削区，并进行分区编号，如图3所示。

修刮工具可用新油石来进行修刮。修刮深度的控制也可凭经验按磨削次数来掌握，按如图3所示的尺寸修磨绝缘垫，并用百分表测量。

图 3

1.7 盘车结果

经采取上述措施处理后，再次盘车，盘车满足了机组检修规范DL/T 817-2002的要求，盘车结果如表2。

绘制水导净摆度曲线（X方向）如图4所示。

表2 回龙电厂2号机组最终盘车数据表（X方向） 单位：0.01mm

3 小结

机组轴线的调整是机组安装过程中一个极为重要的环节, 而且贯穿始终, 其质量的优劣直接影响到机组的安全稳定运行。通过上述运用最小二乘法优化处理悬式三导机组轴线盘车数据，可以精确地找到摆度最大方位及最大值，为后续机组轴线偏斜调整指明了正确方向，克服了传统盘车数据处理方法的不足。通过回龙电站的实例，详细论证了轴线偏斜时的最佳调整方向和调整量的计算，经修刮推力卡环与主轴压合面的方法处理机组轴线，工艺简单、操作方便，节约检修工期，通过上述方案处理后，机组运行各项数据指标均达到了国标GB/T8564-2003的要求。通过实践证明其建立的数学模型正确，表明了该方法的可行性和先进性，具有较大的推广应用价值。

[1]刘云. 水轮发电机故障处理与检修(第一版)[M].北京: 中国水利水电出版社, 2002.

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[3]徐刚, 等. 龙滩1号机组盘车数据处理的优化[J].红水河, 2008(2), 72-74.