喀麦隆曼维莱水电站悬式水轮发电机组盘车轴线不垂直原因分析

2019-07-31林锦光张清卫

水利水电工程设计 2019年2期

林锦光吴靖张清卫

曼维莱水电站位于喀麦隆南部，是一座径流式水电站，厂房内安装4台单机额定容量为52.75 MW的混流式水轮发电机组。水轮机型号为HLLJ-355，发电机型号为SF52.75-36/8000，设计水头55 m，设计流量108.1 m3/s，额定转速166.7 r/min，轴向水推力不大于2 930 kN。发电机采用上下2个导轴承的立轴悬式结构，上下导轴承分别由12块及10块扇形瓦、楔形调整装置等组成，推力轴承置于上导轴承油槽内，由10块扇形瓦组成，采用弹性圆盘支撑结构。水轮机水导轴承由12块扇形瓦、楔形调整装置等组成。机组的轴线由辅机轴、发电机轴和水轮机轴等组成，采用螺栓连接。机组通过推力头和镜板，将整根轴支撑在推力轴承上，再通过上机架、定子机座传导到机组受力基础。

1 机组轴线状态分析

在假定水轮发电机组轴线与镜板回转面绝对垂直的理想情况下，同时组成轴线的各部分没有倾斜也没有曲折，那么机组轴线在回转时，将与机组理论回转中心重合。但是，机组安装后实际的机组轴线与镜板回转面不会绝对垂直，轴线本身也不会是一条理想的直线。轴线上任一点所测得的锥度圆，就是该点的摆度圆。

目前现场遇到的连轴后可能出现的轴线状态，如图1所示。

（1）镜板回转面及法兰结合面都与轴线垂直，总轴线无摆度和曲折，如图1（a）所示。

（2）镜板回转面与轴线不垂直，而法兰面与轴线垂直，总轴线无曲折，按摆度距离线性放大，如图1（b）所示。

（3）镜板回转面与轴线垂直，而法兰结合面与轴线不垂直，总轴线有曲折，法兰处摆度为零，水导处有摆度，如图1（c）所示。

（4）镜板回转面及法兰结合面与轴线均不垂直，两处不垂直方位相同、相反或成某一方位角等，总轴线有曲折、法兰及水导处均有摆度，如图1（d）～（i）所示。

图1 轴线曲折状态

水轮发电机组轴线垂直度对机组的稳定运行（机组振动、摆度、瓦温等）起到至关重要的作用，因此，现场需要对水轮发电机组进行轴线垂直度测定及轴线垂直度的调整。通过盘车，用百分表测出有关部位（一般包括水导轴承处、机组联轴法兰处、下导轴承处、上导轴承处及镜板轴向水平等）的摆度值，借以分析轴线产生摆度的原因、大小和方位。并通过刮削卡环的方法，使镜板本身摩擦面与轴线、法兰组合面与轴线的不垂直得以纠正，使机组各部分摆度减少到所允许的范围内。目前现场普遍使用的国家标准允许偏差见表1、2。

表1 不同轴转速下机组轴线的允许摆度值（双振幅）

表2 镜板允许的轴向摆度

2 机组轴线不垂直原因及轴线调整

造成机组轴线不垂直的原因，大体可概括为由于设备生产加工精度的限制，设备安装过程中安装工艺不当、安装精度不够等。

由于设备生产加工精度造成机组轴线不垂直主要包括：

（1）推力头与主轴配合较松，卡环厚薄不均；

（2）推力头底面与主轴不垂直；

（3）推力头与镜板的绝缘垫厚薄不均；

（4）镜板加工精度不够；

（5）主轴本身不垂直等。

机组轴线调整是在机组安装后进行，在现场因设备加工精度而导致的轴线不垂直属于不可逆因素。对于机组安装过程中由于安装工艺、安装精度造成的机组轴线不垂直，现场可通过改善安装工艺、安装精度等措施，减少或者避免。

（1）在推力轴承安装前应对推力轴承安装面水平进行重新测量。由于推力轴承承重机架在预安装后，受力基础板混凝土浇筑、混凝土凝固过程中都会导致承重机架水平发生变化；承重机架定位销钉钻铣精度不够，如销钉安装后与销钉孔的间隙不满足规范要求，导致销钉定位效果差，在正式安装时承重机架不能安装到预安装位置致使机架水平、中心发生变化等。因此，在推力轴承安装前应重新检查其安装面的水平，如不满足要求可采用在基础板间加垫的方式进行调整。

（2）发电机轴与水轮机轴联接时，联轴法兰面毛刺或者灰尘等杂物没有完全清理干净；联轴螺栓拉伸时没有进行对称同时拉伸，或者在联轴螺栓对称拉伸时对称位置的联轴螺栓伸长值偏差太大。如存在上述情况，会导致机组联轴后轴线在联接法兰处发生弯折，造成机组轴线不垂直。同时，机组在运行中的力矩传递主要通过联接法兰面的摩擦力及联接螺栓的拉紧力，在测量螺栓伸长值时不宜采用计算角度的方式进行计算，而应在螺栓两侧各架设百分表，这样测得的螺栓伸长值较为准确。

（3）安装推力轴承。在吊装推力镜板前，一定要重新校核相邻推力瓦间的高差，并且测量数据要与厂家提供的厂内预装数据相吻合。因为推力瓦的弹性圆盘设计有一定的弹性量，在设备出厂、运输、安装等过程中，可能由于弹性圆盘应力的释放、碰撞、磨损等不确定因素，安装后会出现与出厂前预装数据存在出入，影响吊装后的镜板水平。镜板水平的变化是导致机组轴线不垂直的直接原因，同时也是造成机组后期运行推力瓦瓦温偏高甚至烧瓦的主要原因，在确保弹性圆盘满足载荷弹性量的前提下可通过微调上机架水平来调整镜板水平度。对于无法满足弹性圆盘载荷弹性量的情况，应要求生产厂家重新生产装配。

（4）机组转动部分的所有重量转移到推力轴承后，应重新检查承重机架的水平。承重机架承重后会产生轴向位移，由于承重机架本体、定子机座材料的结构强度、屈服强度、应力变形以及机组转动部分微量的重量不平衡等，使得承重机架每个受力支腿方向所产生的挠度变形不可能完全相同，会造成承重机架整体水平发生微量变化导致影响机组轴线垂直度。如承重机架整体水平发生变化，在确保转动部分安装高程（主要指定子、转子间的机组中心线高度差）满足要求的前提下应进行相应的调整，目前主要采取对承重机架、定子机座间的调整垫板进行重新配刨或者直接加垫（所加垫片不宜采用紫铜垫而应采用强度较高的钢垫片）的方式进行调整，确保机架水平满足要求。

（5）盘车前应认真检查转动部件上有无杂物，检查转动与固定部分的缝隙处应绝对无异物卡阻及刮碰，应特别注意检查定子与转子间隙及转轮与迷宫环间隙。同时，在机组轴线法兰盘处推动主轴应能看到架设的百分表指针摆动，确保机组盘车时主轴处于自由状态。因为对于机组转动部分与固定部分间任何微小的卡阻及刮碰，均会产生除盘车工具以外其的他外力。此种情况，在盘车转动过程中会导致机组真实轴线产生偏移，各部分测量的摆度圆与实际存在的摆度圆产生偏差，使得盘车数据不真实、规律性不明显甚至没有规律，如在1组盘车数据中出现2个最大值的“双波峰现象”。对于机组第一次转动盘车及水导处测量摆度值较大时，要随时对转轮与止漏环间隙进行监测，决定是否对机组整体中心位置进行重新推动调整。根据以往经验首次转动盘车，机组轴线摆度值会相对较大，可能会对止漏环产生刮碰，不仅影响机组轴线的垂直度及测量数据的真实性，也会对止漏环造成损坏。在盘车过程中，采用高压减载装置对转动部分减载盘车时，每转动一个盘车点，要注意观察高压减载装置供油高压管路的油压，推力瓦和镜板间的出油量是否出现明显变化。由于油压和出油量的变化，会影响推力瓦与镜板间产生的油膜厚度，同时也应避免盘车时镜板与推力瓦间出现干摩擦现象。对于静置时间较长的机组，盘车前最好先将机组空转几周。因为盘车过程油膜厚度、均匀度，也是造成机组轴线不垂直的一个重要因素。同时，一次盘车一般转动2圈且取第二圈数据作为计算各部摆度值的基准数据，也是出于对油膜厚度、均匀度的考量。

（6）当前对于立轴混流式机组，调整轴线垂直度相对成熟的方式是刮削卡环。在卡环刮削过程中应严格按划分的区域进行，且最终应采用研磨膏或研磨石对刮削区域进行认真仔细的研磨，认真处理刮削区残留的高点、毛刺等，及不同区域间过度是否平滑。如卡环有高点残留、毛刺或过度不平滑，在卡环回装后会造成卡环局部受力，而局部受力点属于不稳定受力点。盘车时会出现机组轴线与镜板摩擦面相对位置不稳定的情况即轴线垂直度不稳定，导致相同情况下每次盘车数据不一致，无法准确分析机组轴线盘车点位置的摆度大小和方向。

（7）水轮发电机组最终的轴线处理，在符合各部位摆度值的前提下，应结合各摆度点的摆度值综合考量转轮与止漏环间隙的大小是否满足要求及间隙是否均匀。因为机组在运行工况下，止漏环间射流量的大小及不平衡情况也会影响到运行机组的振动、摆度等，从而影响运行机组轴线的垂直度。

通过表3曼维莱水电站轴线调整前盘车数据分析可知，镜板水平超出允许相对偏差，法兰处和水导处的相对摆度值也均超过允许相对摆度值，且在法兰处轴线有曲折，即如图1（b）所示的轴线状态。结合盘车数据、安装尺寸校核及上述可能轴线不垂直原因，初步确定该机组可能为主轴本身不垂直或法兰处加工精度偏差，承重机架或定子机座调整水平偏差导致轴线不垂直。主轴本身不垂直和法兰处的曲折，由于现场处理起来比较困难且现场施工条件也无法满足处理要求。最终确定按上述非加工精度造成轴线不垂直原因中（1）、（2）、（3）、（4）、（6）项所述进行调整处理，且每次调整完成再次盘车确定轴线垂直度的变化情况。通过多次往复调整、盘车，镜板水平、法兰和水导处的相对摆度值都达到比较理想的状态，详见表4。