錢 祥 吳軼嵩

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 430103）

0 背景

燈泡貫流式機(jī)組作為一種經(jīng)典的臥式機(jī)組機(jī)型被廣泛運(yùn)用到世界各地，其主要特點(diǎn)是水頭低、流量大、水能損失小、能效轉(zhuǎn)化率高、運(yùn)行穩(wěn)定。流道呈直線型，引水部件、發(fā)電機(jī)設(shè)備、主軸、水輪機(jī)設(shè)備、導(dǎo)水部件、泄水部件的中心在同一條直線上，即為機(jī)組中心線。引水部件、管型座、泄水部件在機(jī)組原始安裝調(diào)整好后預(yù)埋在大壩混凝土內(nèi)，在機(jī)組A中無法進(jìn)行檢修和二次調(diào)整，可調(diào)整的只有機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分（包括轉(zhuǎn)子、主軸、轉(zhuǎn)輪）、導(dǎo)水部件、定子和轉(zhuǎn)輪室，而主軸軸線的調(diào)整（也就是通常所說的機(jī)組軸線調(diào)整）是重中之重，關(guān)乎機(jī)組振動(dòng)、擺度、瓦溫、出力及機(jī)組壽命等。

因設(shè)備加工和原始安裝誤差，不可能將引水部件中心、轉(zhuǎn)動(dòng)部件中心、泄水部件中心調(diào)整至同一條直線上，因此在引水部件、泄水部件、管型座預(yù)埋后無法二次調(diào)整的情況下，如何將轉(zhuǎn)動(dòng)部件的中心調(diào)整至最優(yōu)狀態(tài)是筆者在機(jī)組檢修中亟待解決的問題。

凌津?yàn)┧姀S安裝有9臺(tái)燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)裝機(jī)容量30MW，水輪機(jī)型號(hào)為GZA684-WP-690，發(fā)電機(jī)型號(hào)為SFG30-76/6940。機(jī)組為雙支點(diǎn)雙懸臂結(jié)構(gòu)，發(fā)導(dǎo)軸承與推力軸承合并組成組合軸承，組合軸承位于轉(zhuǎn)子下游側(cè)，水導(dǎo)軸承位于轉(zhuǎn)輪上游側(cè)，發(fā)導(dǎo)軸承和水導(dǎo)軸承承受機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的全部質(zhì)量，推力軸承承受機(jī)組軸向水推力。電廠自1994年開工建設(shè)，于2000年12月28日全部投產(chǎn)，運(yùn)行至今已有20余年，2017年至今發(fā)現(xiàn)多臺(tái)機(jī)組主軸水輪機(jī)側(cè)軸頸R角存在裂紋，為了保障機(jī)組長(zhǎng)期安全穩(wěn)定地運(yùn)行，電廠決定對(duì)機(jī)組主軸進(jìn)行改造，下面以1號(hào)機(jī)組主軸改造為例深入分析機(jī)組軸線調(diào)整方法。

1 軸線測(cè)量方法

1.1 測(cè)量?jī)x器安裝

凌津?yàn)╇姀S1號(hào)機(jī)組主軸軸線測(cè)量方法采用的是鋼琴線電接觸法，如圖1所示。

圖1 機(jī)組軸線測(cè)量示意圖

在進(jìn)、尾水流道內(nèi)制作安裝1個(gè)用于安裝求心器的支架，與進(jìn)、尾水流道內(nèi)固定部件可靠連接，以不受周圍機(jī)組運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)影響為宜。將求心器固定在支架上，選用Ф0.3mm的鋼琴線，將其一端綁在其中一個(gè)求心器上，鋼琴線繞過另一個(gè)求心器后在其端部掛一個(gè)10kg重錘，重錘浸入裝滿透平油的油桶內(nèi)懸空，檢查確保整條鋼琴線無彎折、打結(jié)、折損。

1.2 測(cè)量?jī)x器調(diào)整

處于水平的鋼琴線因自重會(huì)產(chǎn)生下?lián)犀F(xiàn)象，影響因素有鋼琴線直徑、重錘質(zhì)量及鋼琴線測(cè)點(diǎn)與支撐點(diǎn)的跨度，數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)考慮并計(jì)算各個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的下?lián)隙戎?，提升?shù)據(jù)準(zhǔn)確度。

鋼琴線撓度如公式（1）所示。

式中：為鋼琴線撓度（mm），為到支撐點(diǎn)的距離（m），為到支撐點(diǎn)的距離（m），為鋼琴線單位長(zhǎng)度的質(zhì)量（g/m），為重錘的質(zhì)量（kg）。

在鋼琴線調(diào)整過程中經(jīng)常出現(xiàn)反復(fù)測(cè)量、比對(duì)分析、調(diào)整的情形，經(jīng)驗(yàn)判斷不準(zhǔn)確，那么如何將鋼琴線快速調(diào)整至想要的位置是軸線調(diào)整中的重中之重，其中快速準(zhǔn)確地確定鋼琴線調(diào)整量是關(guān)鍵，可以節(jié)省不少時(shí)間，下面分享一套計(jì)算方法（以豎直方向?yàn)槔?/p>

測(cè)量鋼琴線到管型座上、下游側(cè)法蘭±方向的距離后，將撓度修正后得出鋼琴線實(shí)際位置，做圖分別畫出鋼琴線理論位置和實(shí)際位置，2條直線相交于點(diǎn)，假設(shè)鋼琴線在管型座上下游側(cè)法蘭處的實(shí)際與理論偏差為、，設(shè)尾水流道求心器為、管型座下游側(cè)法蘭中心為、管型座上游側(cè)中心為、進(jìn)水流道求心器為，用皮尺分別測(cè)量出=、=、=，假設(shè)=、=，如圖2所示。利用下面的公式可求出尾水流道求心器的調(diào)整量及其調(diào)整方向、進(jìn)水流道求心器的調(diào)整量及其調(diào)整方向。

圖2 鋼琴線調(diào)整量計(jì)算示意圖

當(dāng)、偏向不同的方向（一個(gè)偏+方向、一個(gè)偏-方向），則2條直線的交點(diǎn)在之間，則可以通過以下2個(gè)方程式計(jì)算出、。

通過方程式（2）、（3）可算出：

又根據(jù)相似三角形公式可知：

通過公式（4）、（5）、（6）可算出 ：

此時(shí)，尾水流道求心器的調(diào)整方向與相反，進(jìn)水流道求心器的調(diào)整方向與相反。

當(dāng)、偏向同一個(gè)方向，則兩條直線的交點(diǎn)有以下四種情形（和的計(jì)算同上）：①當(dāng)≥且≤時(shí)，則兩條直線的交點(diǎn)在之間，此時(shí)，尾水流道求心器的調(diào)整方向與相同，進(jìn)水流道求心器的調(diào)整方向與相反。②當(dāng)≥且＞時(shí)，則兩條直線的交點(diǎn)在的延長(zhǎng)線上，此時(shí)，尾水流道求心器的調(diào)整方向與2相反，進(jìn)水流道求心器的調(diào)整方向與相反。③當(dāng)＜且≤時(shí)，則兩條直線的交點(diǎn)在之間，此時(shí)，尾水流道求心器的調(diào)整方向與相反，進(jìn)水流道求心器的調(diào)整方向與相同。④當(dāng)＜且＞時(shí)，則兩條直線的交點(diǎn)在的延長(zhǎng)線上，此時(shí)，尾水流道求心器的調(diào)整方向與相反，進(jìn)水流道求心器的調(diào)整方向與相反。水平方向（方向）與豎直方向（方向）的調(diào)整量計(jì)算方法一樣，水平方向無須考慮撓度。鋼琴線調(diào)整時(shí)必須考慮到周圍環(huán)境，包括溫度、濕度、振動(dòng)。

1.3 其他數(shù)據(jù)測(cè)量

測(cè)量定、轉(zhuǎn)子上下游側(cè)所有磁極位置的空氣間隙、4片槳葉與轉(zhuǎn)輪室的間隙、定子與管形座偏心銷孔的錯(cuò)位情況、定子與管形座螺栓孔的錯(cuò)位情況、排水環(huán)上游側(cè)法蘭與其安裝面螺栓孔的錯(cuò)位情況、管型座上定子導(dǎo)向塊與定子下游側(cè)的間隙、燈泡頭冷卻套上定子導(dǎo)向塊與定子上游側(cè)的間隙。

2 調(diào)整方案確定

2.1 主軸軸線調(diào)整原則

燈泡貫流式機(jī)組與其他立式機(jī)組不同之處在于主軸兩端掛裝轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)輪后必須考慮其撓度問題，經(jīng)過精密計(jì)算后，大都要求主軸安裝后其發(fā)電機(jī)側(cè)法蘭中心高程比水輪機(jī)側(cè)法蘭中心高程高一定數(shù)值。以凌津?yàn)╇姀S機(jī)組為例，原始設(shè)計(jì)要求主軸發(fā)電機(jī)側(cè)法蘭中心高程比水輪機(jī)側(cè)法蘭中心高程高（3.0±0.20）mm，主軸改造后（主軸水輪機(jī)側(cè)加粗）將這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)改為（2.0±0.15）mm。

當(dāng)確定了基準(zhǔn)和主軸軸線標(biāo)準(zhǔn)后，調(diào)整機(jī)組軸線就是調(diào)整發(fā)導(dǎo)支架和水導(dǎo)支架，同時(shí)定子、轉(zhuǎn)輪室、發(fā)導(dǎo)支架、水導(dǎo)支架的調(diào)整閾值有多少是筆者確定主軸軸線調(diào)整方案的重要依據(jù)之一。如果按照最優(yōu)的軸線調(diào)整時(shí)，這個(gè)4個(gè)固定部件均有足夠的調(diào)整閾值，毫無疑問這是最好的結(jié)果，如果沒有足夠的調(diào)整閾值，則需要考慮在調(diào)整閾值極限情況下思考軸線調(diào)整最優(yōu)方案，否則須擴(kuò)大螺栓孔。

2.2 主軸軸線調(diào)整方案

2.2.1 主軸水輪機(jī)側(cè)、發(fā)電機(jī)側(cè)法蘭方向調(diào)整量確定

發(fā)導(dǎo)軸承支架調(diào)整量計(jì)算如下：主軸更換前后高程差變化量最小值為3.33-2.15=1.18mm，最大值為3.33-1.85=1.48mm，即主軸更換前后高程差變化量范圍為1.18mm~1.48mm。

根據(jù)斜率換算發(fā)導(dǎo)軸承支架調(diào)整量，公式如下。

（1.18~1.48）/8760=/6300，可得=0.85mm~1.06mm。

考慮到轉(zhuǎn)子下游側(cè)與定子的相對(duì)位置，將發(fā)導(dǎo)軸承支架單獨(dú)下移0.85mm~1.06mm調(diào)整為發(fā)導(dǎo)軸承支架下移0.50mm、同時(shí)將新水導(dǎo)軸承支架上抬0.35mm~0.56mm。則其他轉(zhuǎn)動(dòng)部分理論變化量如表1所示。

從表1可以看出：為了使槳葉間隙、空氣間隙更均勻，須將排水環(huán)上抬0.97mm~1.24mm，定子不變，考慮測(cè)量得到的排水環(huán)相對(duì)其安裝面偏心情況，正好使排水環(huán)向好的方向發(fā)展，排水環(huán)具備向上抬的閾值，滿足調(diào)整要求。

表1 機(jī)組軸線調(diào)整后轉(zhuǎn)動(dòng)部件Y方向變化量匯總表

2.2.2 主軸水輪機(jī)側(cè)、發(fā)電機(jī)側(cè)法蘭方向調(diào)整量確定

將發(fā)導(dǎo)支架向+方向移動(dòng)0.09mm，將水導(dǎo)支架向-方向移動(dòng)0.25mm，使轉(zhuǎn)動(dòng)部分與管型座同心，空氣間隙和槳葉間隙在實(shí)際安裝過程中調(diào)整合格即可。則調(diào)整后其他轉(zhuǎn)動(dòng)部分變化量如表2所示。

從表2可以看出，為了使槳葉間隙、空氣間隙更均勻，須將定子上游側(cè)向-方向移動(dòng)0.99mm，則需要重新加工水平支撐墊板；然后須將定子下游側(cè)向-方向移動(dòng)0.69mm，通過前面定子與管型座螺栓孔及偏心銷孔錯(cuò)位情況，具備調(diào)整閾值；最后須將排水環(huán)向+方向移動(dòng)0.16mm，同樣通過前面排水環(huán)與其安裝面螺栓孔錯(cuò)位情況，具備調(diào)整閾值。

表2 機(jī)組軸線調(diào)整后X方向變化量匯總表

3 軸線調(diào)整及控制方法

當(dāng)確定了發(fā)導(dǎo)軸承支架、水導(dǎo)軸承支架的調(diào)整量和調(diào)整方向后，須將鋼琴線調(diào)整至與管型座同心，然后根據(jù)調(diào)整量算出鋼琴線到發(fā)導(dǎo)軸承支架、水導(dǎo)軸承支架內(nèi)圓±、±四個(gè)方向的距離（經(jīng)過撓度反算后的數(shù)據(jù)），最后使用內(nèi)徑千分尺邊測(cè)邊調(diào)。為解決緊固螺栓后支架易發(fā)生位移的問題，可以采用4個(gè)方向架設(shè)千斤頂或者提前調(diào)出預(yù)留量的方式進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整過程中可以在調(diào)整方向架設(shè)百分表監(jiān)視支架位移量。

在1號(hào)機(jī)組A修中，因調(diào)整水導(dǎo)軸承支架中心和發(fā)導(dǎo)軸承支架中心時(shí)分別掛設(shè)和調(diào)整的鋼琴線，須將兩次鋼琴線的理論中心都求出來后得到水導(dǎo)理論中心和發(fā)導(dǎo)理論中心，在同一條件下再換算出主軸發(fā)電機(jī)側(cè)法蘭中心與水輪機(jī)側(cè)法蘭中心高程差。又因?yàn)橹鬏S回裝至管型座內(nèi)未完全處于水導(dǎo)和發(fā)導(dǎo)的中心，而是落在水導(dǎo)瓦和發(fā)導(dǎo)瓦上，因此，須考慮主軸落在水導(dǎo)瓦和發(fā)導(dǎo)瓦上后相對(duì)水導(dǎo)和發(fā)導(dǎo)的理論中心的下沉量。檢修后測(cè)量得到水導(dǎo)瓦軸瓦總間隙（上、下）為0.55mm，水導(dǎo)瓦外徑為（1170-0.03）mm，水導(dǎo)瓦框架內(nèi)徑為（1170+0.07）mm，因此主軸落在水導(dǎo)瓦上相對(duì)水導(dǎo)理論中心的下沉量為（0.55+0.07+0.03）÷2=0.325mm；而發(fā)導(dǎo)瓦軸瓦總間隙（上、下）為0.60mm，發(fā)導(dǎo)瓦與支撐環(huán)總間隙（上、下）為0.15mm，支撐環(huán)與發(fā)導(dǎo)支架總間隙（上、下）為0.15mm，主軸落在發(fā)導(dǎo)瓦上相對(duì)發(fā)導(dǎo)理論中心的下沉量為（0.60+0.15+0.15）÷2=0.45mm。則主軸落在水導(dǎo)瓦上相對(duì)管型座中心偏上-0.138-0.325=-0.463mm，主軸落在發(fā)導(dǎo)瓦上相對(duì)管型座中心偏上1.47-0.45=1.02mm。因新水導(dǎo)瓦中心和發(fā)導(dǎo)瓦中心相距6300mm，而主軸長(zhǎng)度（含法蘭）為8760mm，所以經(jīng)過同斜率換算得到主軸發(fā)電機(jī)側(cè)法蘭中心高程比水輪機(jī)側(cè)法蘭中心高程高Δ=（1.02-（-0.463））÷6300×8760=2.06mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

燈泡貫流式機(jī)組因其具有水頭低、流量大、水能損失小、能效轉(zhuǎn)化率高、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于世界各地，與立式機(jī)組相比，其安裝難度要高得多，特別是機(jī)組軸線安裝調(diào)整，貫穿機(jī)組整個(gè)安裝過程，更關(guān)乎機(jī)組長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。凌津?yàn)┧姀S近幾年完成了3臺(tái)燈泡貫流式機(jī)組主軸改造更換項(xiàng)目，累積了一套相對(duì)完整的機(jī)組軸線測(cè)量、分析、調(diào)整、控制理論和方法，包括軸線調(diào)整總思路、軸線測(cè)量方法、鋼琴線快速調(diào)整方法、數(shù)據(jù)分析、軸線調(diào)整方案確定及軸線調(diào)整與控制，以期為同類型電廠的機(jī)組軸線調(diào)整提供參考。