顧承慶，崔健康，鄧亞新，楊 斌

（國網(wǎng)新源水電有限公司新安江水力發(fā)電廠，浙江 建德311608）

0 引言

新安江水力發(fā)電廠（以下簡稱新安江電廠）是我國第一座“自己設(shè)計、自行施工、自制設(shè)備”的大型水電站，電站位于浙江省建德市銅官峽谷，距杭州市區(qū)140 km。1957年4月1日電站主體工程開工，1960年4月22日第1臺水輪發(fā)電機組投產(chǎn)發(fā)電，共裝有9臺懸式水輪發(fā)電機組，總裝機容量850 MW，設(shè)計年均發(fā)電量18.6億kW·h。電站以發(fā)電為主，具有防洪、灌溉、城市供水、抗咸頂潮等綜合效益，主要擔(dān)負電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻及事故備用重任，作為華東電網(wǎng)第一調(diào)頻廠及電網(wǎng)黑啟動電源。新安江電廠8號水輪發(fā)電機組投產(chǎn)于1977年10月，2001年5月完成增容改造，額定功率增至95 MW。2017年，新安江電廠針對該型發(fā)電機組上機架、推力軸承以及上導(dǎo)軸承存在的種種問題，進行了全面的優(yōu)化改造，改造效果良好。

1 改造背景

新安江電廠8號機上機架是懸式機組的承重機架，為8支臂輻射式結(jié)構(gòu)，改造前重58 t。上機架中心體和每個支臂由12顆M64的螺栓組裝，中心體兼作上導(dǎo)軸承油槽，推力油槽和推力軸承座等結(jié)構(gòu)安裝于中心體上部。機組增容改造后，推力負荷由660 t增加到765 t，但支撐推力軸承的上機架并未改造。經(jīng)過多年的運行，上機架存在撓度超標(biāo)的問題。8號機上機架撓度值約為2.7 mm，超過了國標(biāo)允許值（依據(jù)GB/T 7894-2009《水輪發(fā)電機基本技術(shù)條件》9.12條款，新安江電廠上機架撓度值應(yīng)為1.5～2 mm），存在安全隱患。

推力軸承設(shè)計于20世紀50年代，為剛性支柱式軸承，每次檢修后需要人工用24磅榔頭捶打?qū)Ｓ冒馐诌M行推力軸承的受力調(diào)整。該調(diào)整工藝復(fù)雜、精度要求高，檢修人員勞動強度大、且存在較大安全風(fēng)險。目前推力軸承還存在軸承座變形松動、支柱螺栓頭部/軸瓦托盤硬度不足等問題，進一步增加了受力調(diào)整工作的困難。近年機組受力調(diào)整平均捶打80圈，最多一次達102圈，即捶打1 020次，耗時5個工作日，費時費力且存在較大的檢修安全風(fēng)險。

同樣，上導(dǎo)軸承也是20世紀50年代設(shè)計的產(chǎn)品，存在托盤/抗重螺栓頭部硬度不足等缺陷。該型式上導(dǎo)軸承檢修后的間隙調(diào)整工作是通過捶打上導(dǎo)抗重螺絲，而上導(dǎo)處空間狹窄，僅允許1人彎腰低頭盤坐，間隙調(diào)整工作十分困難。

2 上機架整體改造

2.1 改造方案概述

上機架需能承受水輪發(fā)電機組所有轉(zhuǎn)動部分的重量和水輪機最大水推力的組合軸向荷載，并需能安全地承受由于繞組短路，包括半數(shù)磁極短路引起的不平衡力，以及作用于水輪機轉(zhuǎn)輪上的不平衡水推力。

新安江電廠本次改造整體設(shè)計制造1套全新的上機架，保持原有主體結(jié)構(gòu)不變，使用性能等級更高的材料制作，增加各承重結(jié)構(gòu)厚度，并在局部進行修改以適應(yīng)推力支撐以及上導(dǎo)支撐的改型。新上機架支臂上下2塊主板均由40 mm加厚至50 mm，支臂及中心體立筋厚度由20 mm增加至30 mm，同時推力油槽底板厚度由50 mm加厚至90 mm。為優(yōu)化上機架受力結(jié)構(gòu)，新上機架推力軸承座與中心體設(shè)計為整體結(jié)構(gòu)，并將推力瓦由10塊改為8塊，更合理地分布推力負荷。改造后上機架重量由改造前的58.1 t增加至 70.9 t。

圖1 上機架結(jié)構(gòu)圖

2.2 上機架受力分析

通過構(gòu)建上機架的幾何模型，計算和分析上機架的整體受力情況下，并進行相關(guān)設(shè)計優(yōu)化。模型包含了整個上機架的焊接結(jié)構(gòu)，同時也包含發(fā)電機上導(dǎo)軸承座和推力軸承支撐座。根據(jù)計算結(jié)果，新安江電廠選取了8塊瓦的方案，優(yōu)化了推力負荷在上機架上的分布情況，并進一步減小了上機架的撓度。計算表明在各個工況，該型上機架所受應(yīng)力低于設(shè)計許用應(yīng)力，在同時受軸向和徑向載荷時，上機撓度值約為1.64 mm，符合國標(biāo)要求。

表1 材料和許用應(yīng)力

表2 軸向載荷

表3 徑向載荷

2.3 推力瓦布置方案比較

新安江電廠發(fā)電機組原布置有10塊推力瓦，根據(jù)受力計算，當(dāng)推力瓦處在機架腿之間位置時，下部對應(yīng)的推力軸承座與上機架變形較大，且受力不均。同時對比分析了8塊推力瓦布置方式，每塊瓦均對應(yīng)放置在一個支臂上，推力軸承座處受力及變形明顯更加均勻。因此，該廠選擇8塊推力瓦的布置方式。

圖2 10塊瓦方案上機架變形

圖3 8塊瓦方案上機架變形

3 推力軸承結(jié)構(gòu)改造

3.1 原推力軸承受力調(diào)整弊端分析

推力軸承造成每次檢修后都要進行推力軸承調(diào)整受力，該調(diào)整工藝復(fù)雜、精度要求高。人工打榔頭弊端較多：①打榔頭采用輪換制，一般需4～5個人輪流打榔頭，每次錘擊力度都有差別，造成推力受力調(diào)整困難。②每次打榔頭要打80圈左右，近年最多一次達102圈，即打1 020下，耗時5個工作日，費時、費力、效率低下。③工作強度和危險性大，易造成人員疲勞，受傷風(fēng)險增大。

實際工作中，要求工作人員具有持續(xù)的精準(zhǔn)鍾擊技能和持續(xù)充沛的體力；調(diào)整受力時，需要檢修人員扶住卡在推力抗重螺絲上的扳手，同時由5名經(jīng)驗豐富的檢修人員輪流揮動24磅的榔頭錘擊專用扳手，該工藝要求每次錘擊的力度盡量相近，越接近越好；實際工作中由于數(shù)日的連續(xù)錘擊操作，工作人員身心疲憊，其錘擊精準(zhǔn)度和控制能力持續(xù)下降，此時存在24磅的大鍾滑出傷人的危險。

3.2 改造方案概述

本次推力軸承由抗重螺絲支撐式改為彈簧簇支撐結(jié)構(gòu)，每塊推力瓦下部布置78只小彈簧，推力瓦為彈性金屬塑料瓦，數(shù)量由10塊減少為8塊，每塊瓦均布置在機架腿方向。推力瓦內(nèi)側(cè)由圓柱銷定位，外側(cè)由推力瓦擋塊固定。本次改造推力軸承鏡板未更換，鏡板檢查情況良好，改造施工拆卸后將鏡板送廠家進行檢測合格，并進行研磨處理，回廠后檢測厚度值無變化。更新后的推力頭與大軸為過盈配合，推力頭內(nèi)/外圈之間設(shè)有絕緣層，推力頭和鏡板之間設(shè)有調(diào)整墊，用于機組軸線調(diào)整。推力頭安裝采用熱套方式，加溫時需保持內(nèi)圈溫度比外圈溫度稍高。

推力軸承安裝前需檢查推力軸承座水平（上機架水平）不超過0.04 mm/m，并測量每個彈簧簇的高度并記錄，根據(jù)測量結(jié)果按高度將彈簧簇分為3類：高度偏大、高度值居中和高度偏小彈簧。將高度較小的彈簧簇放置在內(nèi)徑側(cè)；高度居中的放置在徑向中部位置；高度偏大的彈簧簇放置在外徑。推力瓦擺放完成后，用深度尺測量推力瓦面至軸承座的高度差在0.08 mm以內(nèi)，并無傾斜趨勢。放置鏡板后測量鏡板水平在0.02 mm/m內(nèi)，熱套推力頭后，完成鏡板推力頭的連接，再進行機組軸線調(diào)整。

3.3 推力軸承受力和溫度分析

通過有限元分析，計算由熱載荷和軸向水推力引起的推力瓦變形和應(yīng)力。新安江推力軸承設(shè)計的瓦溫、油膜厚度的計算結(jié)果等內(nèi)容如表4。

表4 推力軸承模擬計算的邊界條件

根據(jù)GB/T7984-2009的要求，斷水運行20 min，瓦溫計算值為48.4℃，小于國標(biāo)GB/T7984-2009要求的最大55℃。最小油膜厚度計算值為24 μm，大于廠家設(shè)計規(guī)范要求的最小值22 μm。

飛逸工況下有冷卻水運行，模擬機組飛逸5 min，瓦溫計算值為45.3℃，小于國標(biāo)GB/T7894要求的最大值55℃。最小油膜厚度為計算值28.8 μm，大于廠家設(shè)計規(guī)范要求的最小值22 μm。

為模擬推力瓦運行的情況，進行推力瓦有限元分析，模型推力瓦在外側(cè)加裝了支撐裝置圓柱銷、固定塊以及限位墊圈。

圖4 推力瓦熱載荷圖

4 上導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)改造

4.1 上導(dǎo)軸承間隙調(diào)整弊端分析

上導(dǎo)軸承導(dǎo)瓦間隙是通過支柱螺母及2個頂絲，利用18磅榔頭敲擊專用扳手來調(diào)整抗重螺絲，從而進行上導(dǎo)間隙的調(diào)整。該調(diào)整工藝精度要求高，一般需要3名經(jīng)驗豐富的工人連續(xù)調(diào)整1 d，這就要求工作人員持續(xù)充沛的體力；且上導(dǎo)瓦處工作空間小，每塊瓦處僅允許一人彎腰低頭盤坐，造成間隙調(diào)整工作非常困難，工作人員很是吃力，極易造成工作人員肢體受傷。

4.2 改造方案概述

此次改造，上導(dǎo)軸承由8塊彈性金屬塑料瓦組成，每塊瓦布置在兩機架腿之間，軸瓦背面設(shè)有托盤，托盤和瓦體之間有絕緣墊。軸瓦采用楔鍵和推力塊固定，軸瓦利用螺母調(diào)整楔鍵在瓦背軸向楔入的深度來改變瓦的間隙。楔鍵斜度為1：50，即楔鍵高度變化50 mm時，對應(yīng)上導(dǎo)瓦間隙變化1 mm。

上導(dǎo)軸瓦間隙設(shè)計為0.13 mm，調(diào)整時，先手握螺桿將楔鍵輕放入推力塊槽內(nèi)，用手輕壓螺桿頂部，雙手握住推力塊檢查其不能被上下晃動為止，不可用榔頭錘擊楔鍵。用深度尺測量并記錄楔鍵塞入深度值，減去6.5 mm即得出上導(dǎo)調(diào)整套尺寸，并按相應(yīng)尺寸加工，長度誤差不超過±10%，調(diào)整套裝入后，并用百分表監(jiān)視調(diào)整套旋緊時楔鍵總抬升高度，記錄最終抬升值，并換算為上導(dǎo)瓦間隙。

4.3 上導(dǎo)軸承受力和溫度分析

經(jīng)過軸系計算，上導(dǎo)軸承處產(chǎn)生的偏心力為22 kN，磁拉力為452 kN。通過有限元分析，新安江電廠導(dǎo)軸承的計算，如軸瓦、油槽的溫度，油膜厚度等內(nèi)容如表5、6。

表5 正常工況上導(dǎo)軸承參數(shù)

表6 飛逸工況上導(dǎo)軸承參數(shù)

按照設(shè)計要求，在各個連續(xù)運行工況下，軸瓦最高溫度不超過36℃；正常工況時軸瓦表面壓應(yīng)力不超過3.25 MPa；計算出的溫度及軸瓦表面壓力均低于標(biāo)準(zhǔn)值。

根據(jù)計算，特殊工況有冷卻水時以最大飛逸轉(zhuǎn)速運行5 min，油槽起始溫度：32℃，總損耗：46.7 kW，5 min后油槽溫度：34.9℃。額定工況下冷卻水?dāng)嗨?0 min，油槽起始溫度：32℃，總損耗：16.4 kW，20 min后油槽溫度：37℃。

圖5 上導(dǎo)瓦溫度分布結(jié)果

5 改造前后效果對比

本次改造整體更換了8號機上機架及推力軸承、上導(dǎo)軸承。推力軸承由剛性支柱式螺栓型式改為多點彈簧簇支撐式軸承；上導(dǎo)軸承由剛性支柱式螺栓型式改為楔塊及推力塊支撐型式。上機架各部件強度增加，上機架運行撓度從2.77 mm降低至1.63 mm，上機架重量從58 t增加至71 t。通過改造，機組安裝過程中無需進行受力調(diào)整，機組軸線調(diào)整完畢后可以直接進入機組中心調(diào)整工序，節(jié)省檢修工日2～5 d；上導(dǎo)瓦間隙調(diào)整只需1名工人使用一把15吋活動扳手即可完成，工藝簡單，不到半個工作日。此外，推力、上導(dǎo)調(diào)整過程均無需人工打榔頭，作業(yè)人員受傷風(fēng)險大大降低。

5.1 上機架撓度對比

新安江電廠在自行測試上機架撓度值超標(biāo)的基礎(chǔ)上，在改造施工前請專業(yè)單位對8號機舊上機架進行了詳細的變形測試，掌握舊上機架具體情況。在改造施工后又再次進行了同樣的測試，獲取相關(guān)參數(shù)，進行改造前后效果對比。

試驗時，在上機架8條機架支臂共安裝8組應(yīng)變測試片，測點布置如圖6所示。同時利用行車吊起約300 kg重的配重塊平臺，百分表表座安裝在吊起的平臺上，與機組本身無任何關(guān)聯(lián)，保證了百分表測量的準(zhǔn)確性。

圖6 上機架應(yīng)變測點布置圖

試驗設(shè)機組空轉(zhuǎn)、空載以及帶負荷等多個工況，各工況運行約3 min，試驗過程中記錄上機架應(yīng)變數(shù)據(jù)。機組停機后，頂起發(fā)電機轉(zhuǎn)動部件進行標(biāo)定，標(biāo)定過程進行2次，取頂轉(zhuǎn)子的平均值作為標(biāo)定值。

改造前試驗結(jié)果：啟動過程中上機架撓度值先增大再減小，期間最大變形平均值為2.4 mm；隨負荷增加，上機架承受的軸向力逐漸增大，最大軸向力為95 MW負荷工況，撓度值為2.77 mm。

改造后試驗結(jié)果：各工況上機架撓度值比較穩(wěn)定隨負荷增加，上機架承受的軸向力逐漸增大，最大軸向力為95 MW負荷工況，撓度值為1.63 mm。

表7 改造前機組各工況撓度值

表8 改造后機組各工況撓度值

通過對8號機上機架的優(yōu)化改造，其撓度值從2.77 mm降低至1.63 mm，在1.5～2 mm范圍內(nèi)，滿足《GB/T 7894-2009水輪發(fā)電機基本技術(shù)條件》中9.12條的規(guī)定。

5.2 機組運行參數(shù)對比

新安江電廠在8號機施工前后對機組振擺、軸承溫度等數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計和對比分析。數(shù)據(jù)顯示，機組各部振動擺度數(shù)據(jù)有大幅減小，各軸承溫度數(shù)據(jù)均有不同程度降低，且改造后8號機推力瓦溫及上導(dǎo)瓦溫均為我廠9臺發(fā)電機組中最優(yōu)值（見表9～表 11）。

6 結(jié)束語

新安江水力發(fā)電廠水輪發(fā)電機組設(shè)計于20世紀50年代，近年來我們不斷對該型機組進行優(yōu)化改造，如轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)水機構(gòu)、定/轉(zhuǎn)子等等，解決了很多實際問題，使設(shè)備運行更加安全穩(wěn)定。2017年9月～12月，我們對8號機發(fā)電機上機架及軸承進行了整體改造，針對存在的問題，進行了全面優(yōu)化。從投運至今的運行情況可以看出，本次發(fā)電機上機架及軸承整體改造是非常成功的，圓滿解決了上機架撓度超標(biāo)、機組受力調(diào)整困難、上導(dǎo)間隙調(diào)整不便等問題，對于類似型式水輪發(fā)電機組的相關(guān)改造工作具有寶貴的參考價值。

表9 振動擺度數(shù)據(jù)對比

表10 軸承溫度數(shù)據(jù)對比

表11 全廠9臺機瓦溫對比