一种灯泡贯流式机组轴线测量分析及调整方法

钱 祥 吴轶嵩

（湖南五凌电力工程有限公司，湖南 长沙 430103）

0 背景

灯泡贯流式机组作为一种经典的卧式机组机型被广泛运用到世界各地，其主要特点是水头低、流量大、水能损失小、能效转化率高、运行稳定。流道呈直线型，引水部件、发电机设备、主轴、水轮机设备、导水部件、泄水部件的中心在同一条直线上，即为机组中心线。引水部件、管型座、泄水部件在机组原始安装调整好后预埋在大坝混凝土内，在机组A中无法进行检修和二次调整，可调整的只有机组转动部分（包括转子、主轴、转轮）、导水部件、定子和转轮室，而主轴轴线的调整（也就是通常所说的机组轴线调整）是重中之重，关乎机组振动、摆度、瓦温、出力及机组寿命等。

因设备加工和原始安装误差，不可能将引水部件中心、转动部件中心、泄水部件中心调整至同一条直线上，因此在引水部件、泄水部件、管型座预埋后无法二次调整的情况下，如何将转动部件的中心调整至最优状态是笔者在机组检修中亟待解决的问题。

凌津滩水电厂安装有9台灯泡贯流式水轮发电机组，单机装机容量30MW，水轮机型号为GZA684-WP-690，发电机型号为SFG30-76/6940。机组为双支点双悬臂结构，发导轴承与推力轴承合并组成组合轴承，组合轴承位于转子下游侧，水导轴承位于转轮上游侧，发导轴承和水导轴承承受机组转动部分的全部质量，推力轴承承受机组轴向水推力。电厂自1994年开工建设，于2000年12月28日全部投产，运行至今已有20余年，2017年至今发现多台机组主轴水轮机侧轴颈R角存在裂纹，为了保障机组长期安全稳定地运行，电厂决定对机组主轴进行改造，下面以1号机组主轴改造为例深入分析机组轴线调整方法。

1 轴线测量方法

1.1 测量仪器安装

凌津滩电厂1号机组主轴轴线测量方法采用的是钢琴线电接触法，如图1所示。

图1 机组轴线测量示意图

在进、尾水流道内制作安装1个用于安装求心器的支架，与进、尾水流道内固定部件可靠连接，以不受周围机组运行产生的振动影响为宜。将求心器固定在支架上，选用Ф0.3mm的钢琴线，将其一端绑在其中一个求心器上，钢琴线绕过另一个求心器后在其端部挂一个10kg重锤，重锤浸入装满透平油的油桶内悬空，检查确保整条钢琴线无弯折、打结、折损。

1.2 测量仪器调整

处于水平的钢琴线因自重会产生下挠现象，影响因素有钢琴线直径、重锤质量及钢琴线测点与支撑点的跨度，数据测量时考虑并计算各个测点对应的下挠度值，提升数据准确度。

钢琴线挠度如公式（1）所示。

式中：为钢琴线挠度（mm），为到支撑点的距离（m），为到支撑点的距离（m），为钢琴线单位长度的质量（g/m），为重锤的质量（kg）。

在钢琴线调整过程中经常出现反复测量、比对分析、调整的情形，经验判断不准确，那么如何将钢琴线快速调整至想要的位置是轴线调整中的重中之重，其中快速准确地确定钢琴线调整量是关键，可以节省不少时间，下面分享一套计算方法（以竖直方向为例）。

测量钢琴线到管型座上、下游侧法兰±方向的距离后，将挠度修正后得出钢琴线实际位置，做图分别画出钢琴线理论位置和实际位置，2条直线相交于点，假设钢琴线在管型座上下游侧法兰处的实际与理论偏差为、，设尾水流道求心器为、管型座下游侧法兰中心为、管型座上游侧中心为、进水流道求心器为，用皮尺分别测量出=、=、=，假设=、=，如图2所示。利用下面的公式可求出尾水流道求心器的调整量及其调整方向、进水流道求心器的调整量及其调整方向。

图2 钢琴线调整量计算示意图

当、偏向不同的方向（一个偏+方向、一个偏-方向），则2条直线的交点在之间，则可以通过以下2个方程式计算出、。

通过方程式（2）、（3）可算出：

又根据相似三角形公式可知：

通过公式（4）、（5）、（6）可算出 ：

此时，尾水流道求心器的调整方向与相反，进水流道求心器的调整方向与相反。

当、偏向同一个方向，则两条直线的交点有以下四种情形（和的计算同上）：①当≥且≤时，则两条直线的交点在之间，此时，尾水流道求心器的调整方向与相同，进水流道求心器的调整方向与相反。②当≥且＞时，则两条直线的交点在的延长线上，此时，尾水流道求心器的调整方向与2相反，进水流道求心器的调整方向与相反。③当＜且≤时，则两条直线的交点在之间，此时，尾水流道求心器的调整方向与相反，进水流道求心器的调整方向与相同。④当＜且＞时，则两条直线的交点在的延长线上，此时，尾水流道求心器的调整方向与相反，进水流道求心器的调整方向与相反。水平方向（方向）与竖直方向（方向）的调整量计算方法一样，水平方向无须考虑挠度。钢琴线调整时必须考虑到周围环境，包括温度、湿度、振动。

1.3 其他数据测量

测量定、转子上下游侧所有磁极位置的空气间隙、4片桨叶与转轮室的间隙、定子与管形座偏心销孔的错位情况、定子与管形座螺栓孔的错位情况、排水环上游侧法兰与其安装面螺栓孔的错位情况、管型座上定子导向块与定子下游侧的间隙、灯泡头冷却套上定子导向块与定子上游侧的间隙。

2 调整方案确定

2.1 主轴轴线调整原则

灯泡贯流式机组与其他立式机组不同之处在于主轴两端挂装转子和转轮后必须考虑其挠度问题，经过精密计算后，大都要求主轴安装后其发电机侧法兰中心高程比水轮机侧法兰中心高程高一定数值。以凌津滩电厂机组为例，原始设计要求主轴发电机侧法兰中心高程比水轮机侧法兰中心高程高（3.0±0.20）mm，主轴改造后（主轴水轮机侧加粗）将这个标准改为（2.0±0.15）mm。

当确定了基准和主轴轴线标准后，调整机组轴线就是调整发导支架和水导支架，同时定子、转轮室、发导支架、水导支架的调整阈值有多少是笔者确定主轴轴线调整方案的重要依据之一。如果按照最优的轴线调整时，这个4个固定部件均有足够的调整阈值，毫无疑问这是最好的结果，如果没有足够的调整阈值，则需要考虑在调整阈值极限情况下思考轴线调整最优方案，否则须扩大螺栓孔。

2.2 主轴轴线调整方案

2.2.1 主轴水轮机侧、发电机侧法兰方向调整量确定

发导轴承支架调整量计算如下：主轴更换前后高程差变化量最小值为3.33-2.15=1.18mm，最大值为3.33-1.85=1.48mm，即主轴更换前后高程差变化量范围为1.18mm~1.48mm。

根据斜率换算发导轴承支架调整量，公式如下。

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

考虑到转子下游侧与定子的相对位置，将发导轴承支架单独下移0.85mm~1.06mm调整为发导轴承支架下移0.50mm、同时将新水导轴承支架上抬0.35mm~0.56mm。则其他转动部分理论变化量如表1所示。

从表1可以看出：为了使桨叶间隙、空气间隙更均匀，须将排水环上抬0.97mm~1.24mm，定子不变，考虑测量得到的排水环相对其安装面偏心情况，正好使排水环向好的方向发展，排水环具备向上抬的阈值，满足调整要求。

表1 机组轴线调整后转动部件Y方向变化量汇总表

2.2.2 主轴水轮机侧、发电机侧法兰方向调整量确定

将发导支架向+方向移动0.09mm，将水导支架向-方向移动0.25mm，使转动部分与管型座同心，空气间隙和桨叶间隙在实际安装过程中调整合格即可。则调整后其他转动部分变化量如表2所示。

从表2可以看出，为了使桨叶间隙、空气间隙更均匀，须将定子上游侧向-方向移动0.99mm，则需要重新加工水平支撑垫板；然后须将定子下游侧向-方向移动0.69mm，通过前面定子与管型座螺栓孔及偏心销孔错位情况，具备调整阈值；最后须将排水环向+方向移动0.16mm，同样通过前面排水环与其安装面螺栓孔错位情况，具备调整阈值。

表2 机组轴线调整后X方向变化量汇总表

3 轴线调整及控制方法

当确定了发导轴承支架、水导轴承支架的调整量和调整方向后，须将钢琴线调整至与管型座同心，然后根据调整量算出钢琴线到发导轴承支架、水导轴承支架内圆±、±四个方向的距离（经过挠度反算后的数据），最后使用内径千分尺边测边调。为解决紧固螺栓后支架易发生位移的问题，可以采用4个方向架设千斤顶或者提前调出预留量的方式进行调整，调整过程中可以在调整方向架设百分表监视支架位移量。

在1号机组A修中，因调整水导轴承支架中心和发导轴承支架中心时分别挂设和调整的钢琴线，须将两次钢琴线的理论中心都求出来后得到水导理论中心和发导理论中心，在同一条件下再换算出主轴发电机侧法兰中心与水轮机侧法兰中心高程差。又因为主轴回装至管型座内未完全处于水导和发导的中心，而是落在水导瓦和发导瓦上，因此，须考虑主轴落在水导瓦和发导瓦上后相对水导和发导的理论中心的下沉量。检修后测量得到水导瓦轴瓦总间隙（上、下）为0.55mm，水导瓦外径为（1170-0.03）mm，水导瓦框架内径为（1170+0.07）mm，因此主轴落在水导瓦上相对水导理论中心的下沉量为（0.55+0.07+0.03）÷2=0.325mm；而发导瓦轴瓦总间隙（上、下）为0.60mm，发导瓦与支撑环总间隙（上、下）为0.15mm，支撑环与发导支架总间隙（上、下）为0.15mm，主轴落在发导瓦上相对发导理论中心的下沉量为（0.60+0.15+0.15）÷2=0.45mm。则主轴落在水导瓦上相对管型座中心偏上-0.138-0.325=-0.463mm，主轴落在发导瓦上相对管型座中心偏上1.47-0.45=1.02mm。因新水导瓦中心和发导瓦中心相距6300mm，而主轴长度（含法兰）为8760mm，所以经过同斜率换算得到主轴发电机侧法兰中心高程比水轮机侧法兰中心高程高Δ=（1.02-（-0.463））÷6300×8760=2.06mm，满足设计要求。

4 结语

灯泡贯流式机组因其具有水头低、流量大、水能损失小、能效转化率高、运行稳定等特点被广泛应用于世界各地，与立式机组相比，其安装难度要高得多，特别是机组轴线安装调整，贯穿机组整个安装过程，更关乎机组长期安全稳定运行。凌津滩水电厂近几年完成了3台灯泡贯流式机组主轴改造更换项目，累积了一套相对完整的机组轴线测量、分析、调整、控制理论和方法，包括轴线调整总思路、轴线测量方法、钢琴线快速调整方法、数据分析、轴线调整方案确定及轴线调整与控制，以期为同类型电厂的机组轴线调整提供参考。