基于Excel的立式水轮发电机组轴线检测与调整方法

唐正权，陈韶光，陈炳森

（广西水利电力职业技术学院，广西 南宁530023）

0 前言

水轮发电机组是水电站实现水能到电能转换的主设备，也是水电站质量最大、价格最高的机电设备。因此，水轮发电机组的安装与检修必然受到业内同行的广泛关注。对于水电站机组安装与检修而言，轴线的测量与调整是最重要的工作内容之一，机组轴线调整质量的优劣，直接影响到机组的安全及稳定运行，而掌握正确的检测方法和高效的数据分析计算手段，能大大提高轴线调整的效率，提升轴线调整的质量。本文结合典型水电站立轴悬式机组安装检修工作经验，介绍利用Excel软件来辅助完成机组轴线检测与调整的方法。

1 机组的组成及其主轴径向振动

机组由转动部分和固定部分组成，对于立式水轮发电机组，转动部分由发电机轴、推力头、转子以及水轮机轴、转轮等组成，其重力及水轮机工作时形成的轴向水推力通过卡环、推力轴承传递到发电机机座并最后传递到厂房基础上。机组转动部分与固定部分之间间隙较小，为保证机组工作时两者不发生刮碰并保持稳定的工作间隙（发电机定子与转子之间、水轮机转轮与转轮室之间的间隙），一般在立式机组上设有发电机上导轴承、发电机下导轴承以及水轮机导轴承，以尽可能将机组运行时主轴的径向振动（也称摆度）限制在一定范围之内。立轴悬式水轮发电机组轴线固定示意如图1所示。

图1 水轮发电机组轴线示意图

机组运转时主轴的径向振动（也称摆度，用位移振幅来表示）无法避免，为确保机组运行的安全与稳定，国标GB/T 8564-2003对立式水轮发电机组安装时的轴线允许摆度提出了明确的要求，具体见表1[1].由于不同水电站，机组容量和结构尺寸大小不一，轴线长度不同，国家标准仅规定了相对摆度值，各电站应根据实际情况，特别是机组各轴线长度计算出各轴承和法兰处的摆度允许值[2]，并确保机组安装时轴线的摆度在允许值之内。

表1 机组轴线允许摆度值（双振幅）

2 水轮发电机组轴线检测方法

2.1机组轴线摆度产生的原因

机组轴线主要由发电机轴和水轮机轴连接组成并通过推力头、镜板，将整根轴（整个机组回转部分）支承在推力轴承上。如果镜板摩擦面与整根轴线绝对垂直，且组成轴线的各个部件又没有曲折及偏心，那么这根轴线在旋转时，将围绕理论旋转中心稳定旋转。实际上，由于零部件制造及机组安装的原因，要使得机组轴线没有曲折和偏心是无法做到的。

如果镜板摩擦面与整根轴线不垂直，那么回转时轴线必将偏离理论旋转中心，如图2所示，此时轴线上任一点测得的锥度圆，就是该点的摆度圆，摆度圆直径φ即为摆度值。

图2 镜板摩擦面与轴线不垂直产生的摆度圆

如果镜板摩擦面与发电机轴线是垂直的，但与水轮机轴线连接后，由于连接法兰面与轴线不垂直而发生了轴线曲折，那么这根轴线在回转时，从轴线曲折处开始也将出现摆度圆，如图3所示。此外，还可能同时出现图2和图3两种摆度圆的情况。

图3 法兰组合面与轴线不垂直产生的摆度圆

因此，对于立轴水轮发电机组，镜板摩擦面与轴线不垂直或轴线连接处法兰面与轴线不垂直是产生摆度的主要原因[3]。为了减少机组运行时轴线的摆度，保证机组运转稳定，机组投运前必须对轴线进行测量与调整。

2.2机组轴线摆度的测量与调整

机组轴线的测量包括发电机主轴轴线的测量、发电机与水轮机主轴相连接后的总轴线测量两大部分。发电机轴线测量是为了检查主轴与镜板的不垂直度并测出它的大小数值和方位，以便通过对镜板与推力头之间的组合面处理（加垫或刮垫），使上导轴承和下导轴承处的摆度值符合规定。发电机轴线调整好之后，再进行主轴连接和总轴线测量，通过大轴连接法兰组合面处理，使机组水导轴承处的摆度符合规定，机组总体轴线符合要求。

为了测量轴线，应在发电机上导轴承、下导轴承、大轴连接法兰、水导轴承处，按逆时针方向分成八等分并顺序编号，轴线上、中、下各断面处号数对齐，各部分的对应等分点在同一垂线上，如图4所示，其中水流方向为+Y方向。

图4 轴线摆度测量示意图

在调整好机组推力瓦受力均匀，镜板处于水平状态且安装好上导轴承瓦后，在推力轴承瓦摩擦面涂一层无水纯净的熟猪油混合剂并在上述各测量位置+X、+Y方向安装好百分表，调好压紧行程后即采用人力直接推动（小型机组）、厂内桥式起重机通过钢丝蝇和滑轮组来拖动或利用发电机定子、转子通电形成电磁力来拖动（大中型机组）机组转动部分，使其缓慢旋转来测量轴线在各轴承处的摆度值（也称为盘车）。

盘车时应统一指挥，待主轴转动稳定后，通知各监表人员同时将上导、下导、法兰、水导处+X、+Y位置的百分表读数记入表内，如表2所示。

表22 号机组盘车数据表（单位：0.01mm）

3 基于Excel的机组轴线测量数据分析

为了便于对机组轴线测量数据进行计算，分析轴线产生摆度的原因、大小和方位，可利用Excel的数据分析与处理功能辅助进行分析。表1为某电站2号机组最后盘车时的数据，上导、下导、法兰、水导位置分别使用a、b、c、d表示，表中各处全摆度值等于相隔180°的两个测点转到相应百分表处时的读数之差，如上导+X位置测量的全摆度φa1-5=0.00-（-2.00）=2.00；各处的净摆度等于该处的全摆度减去相应上导处的全摆度，也可根据该处相应于上导处的全摆度计算而得，如水导+Y位置测量的净摆度φda3-7=-25.00-（-1.00）=-24.00，也可以 φda3-7=-9.50-14.50=-24.00.按此计算方法，将表1的数据自动计算完毕。

为了更好地观察和分析机组轴线状况，利用Excel的插入图表功能，选择相应的摆度数据值，自动生成机组轴线摆度曲线，如图5所示。从图5可看出，在+X、+Y两个方位同时测量的下导、法兰、水导处的净摆度值趋势一致且均显现一定的正弦公布规律，说明两个方位测量数据互相核对基本正确，可仅用一个方位的测量数据进行分析即可。

图5 机组摆度曲线图

4 水轮发电机组轴线调整方法

从图5及表2可看出，在下导轴承和法兰面处，4号测点的摆度值最大，而在水导轴承处，7号测点的摆度值最大，说明机组轴线存在曲折，发电机轴向4号测点倾斜，水轮机轴则向7号测点倾斜，可根据上述数据画出各断面的摆度示意图，见图6.

图6 各断面摆度示意图

电站2号机组额定转速187.5 r/min，根据表1以及机组的尺寸可计算出表3所示的机组各断面摆度允许值。结合图6及表3，机组轴线各断面摆度已在允许范围之内，可以投运。

表3 2号机组各断面摆度允许值

如果盘车所测得各断面摆度达不到表3的要求，此时应进行必要的调整。如测得下导轴承及法兰面测点4的摆度为最大值，可考虑在镜板与推力头之间、测点4方位加上一定厚度的铜垫片来将轴线向垂直方向调整，测点4垫片厚度可根据摆度值及相应的距离值由Excel计算求得，同时自测点4向左右两侧的厚度递减；也可在测点4的对向8方位刮削镜板与推力头之间垫片厚度的方式来调整轴线，具体采用哪一种方式，可根据现场情况来决定。

下导轴承及法兰面摆度主要通过处理镜板与推力头之间垫片的方式来调整轴线，调整合格之后，再将水轮机轴与发电机轴连接盘车，通过调整轴端连接法兰面的垫片的方式来调整水轮机轴线符合要求。

5 结束语

水轮发电机轴线检测与调整是机组安装工艺中最为重要的一个项目，保证机组轴线各断面摆度在允许范围之内并尽量减小摆度值，可有效降低机组运行过程中因机械、水力、电气不平衡等因素引起的振动，保证机组的安全稳定运行。通过盘车，检测出机组轴线各断面摆度值，用Excel快速计算分析定位出最大摆度方位点及增加垫片或刮削垫片的厚度，大大提高机组轴线检测与调整的效率。该方法可在水电站机组轴线检测与调整工作中推广。

参考文献：

[1]GB8564-2003，水轮发电机组安装技术规范[S].2003.

[2]黄景湖.准确把握水电机组“摆度”的涵义[J].水电站机电技术，2014（1）：4-5.

[3]张幸福.立式悬吊型机组轴线处理实例分析[J].江淮水利科技，2011（4）：30-32.