广东某抽蓄电站双机甩负荷后轴线变化原因剖析及处理

仝红丽，李兴邦

(1． 黑龙江哈电多能水电开发有限责任公司，哈尔滨 150040；2． 哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040)

0 引言

广东某抽水蓄能电站装设4台立轴单级混流可逆式水泵水轮机—发电电动机机组，采用立轴、半伞式、密闭自循环空气冷却、三相可逆式凸极同步发电电动机结构，额定转速428.6 r/min。发电电动机采用分段轴[1](大轴、转子中心体、顶轴)结构，各段之间采用螺栓与销套连接形式。

机组进行100%双机甩负荷后，上导轴承摆度明显增大。双机甩负荷试验前，上导摆度为0.114 mm，双机甩负荷试验后，上导轴承摆度达到0．418 mm。已超过DL/T 507—2014《水轮发电机组启动试验规程》上导运行摆度允许值0.21 mm。

对机组进行了6次动平衡试验，通过几次试验数据分析并非是由于动不平衡造成上导摆度增大，初步判断机组的轴线发生偏移。对机组重新进行盘车，盘车数据见表1。

表1 双机甩负荷后盘车数据 单位：μm

根据GB/T 8564—2003《水轮发电机组安装技术规范》要求，盘车数据不大于0.02 mm。工地判定上导轴承位置发生了变化，是顶轴与滑转子发生相对位移。

1 顶轴结构介绍

该抽水蓄能电站发电电动机顶轴采用聚酰亚胺薄膜的轴绝缘结构，顶轴装配的结构形式如图1所示。机组在运行过程中，发电电动机主轴两端产生电压，为防止轴电流腐蚀轴瓦，在机组顶轴上设置绝缘层，防止产生轴电流。

1-顶轴；2-滑转子；3-中间环；4-绝缘材料；5-键。图1 顶轴装配图纸

滑转子与中间环连接采用过盈配合，中间环外圆包绕聚酰亚胺薄膜，过盈量为1.412～1.584 mm，滑转子与中间环热套安装成为一体。

滑转子与中间环热套后加工中间环内圆，中间环与顶轴采用过盈配合加切向键结构，过盈量为0.08～0.193 mm，切向键与中间环和顶轴选用过渡配合。顶轴与中间环过盈配合，尤为关键的是中间环的加热温度和顶轴与中间环套装间隙。

2 分析问题

导致上导摆度增大的可能原因有：一是顶轴发生了平移；二是上导滑转子发生了倾斜。为进一步分析变化原因，从结构上看，顶轴与转子支架有12个M100的联轴螺栓连接固定和2个销钉定位，顶轴不存在平移的可能性，顶轴与转子支架连接螺栓和销钉结构如图2所示。

图2 顶轴与转子支架连接螺栓和销钉

根据工地盘车的测量数据分析，初步确定机组轴线发生变化主要是由于顶轴的上导滑转子发生了偏移，将顶轴返厂进行修复，并进行详细分析。

拆卸后实际测量的数据及有限元分析计算均表明，上导滑转子与中间环之间的绝缘层过盈量足够，能够满足机组在过速等工况下不发生有害变形。

从拆卸后零部件测量尺寸及部件照片分析，中间环尺寸为椭圆，中间环与顶轴配合过盈量偏小，基本无过盈量，中间环下段配合略好于上段。顶轴与中间环配合表面情况如图3所示。

图3 顶轴与中间环配合表面情况

抽蓄发电电动机的分离转速为471.46 r/min，过速试验时最高转速为473 r/min。甩50%负荷后，机组转速能达到497.1 r/min(超过分离转速)。甩100%负荷后，机组转速能达到568.7 r/min。

通过ANSYS有限元软件分析计算结果表明，机组过速等试验过程中，在最小配合公差时，上部和下部都出现分离，上部分离面积约占总接触面积的40%，下部分离面积占总接触面积的15%。有限元分析中间环与顶轴接触压力如图4所示。

图4 有限元分析中间环与顶轴接触压力

中间环与顶轴的上、下端过盈量存在一定的偏差，造成机组过速过程中，中间环与顶轴发生了分离，上导滑转子在侧向力的作用下发生了倾斜，机组停机后未能恢复到原位置，导致机组轴线发生变化。

滑转子倾斜的主要原因是顶轴与中间环设计的本身过盈量就偏小，制造过程中也存在一定问题，造成实际过盈量小于设计的最小过盈量。

3 解决问题

中间环与顶轴之间的安装过盈量在原过盈量的基础上增加1.5倍安全系数，调整为0.30～0.35 mm；中间与滑转子之间的过盈量调整为1.6～2.0 mm。中间环与顶轴之间采用增加不锈钢垫增加过盈量，中间环与滑转子之间采用增加绝缘材料的方式增加过盈量。

为保证部件热套后圆周方向的过盈量均匀，对中间环、上导滑转子圆度不满足要求的尺寸进行修复，修复后配合尺寸略有增加，中间环与上导滑转子之间增加绝缘材料的层数，以确保足够的过盈量，绝缘材料由原共7层增加为共12层。

热套完成后加工中间环内径尺寸，满足配合过盈量要求，中间环与上导滑转子之间增加一层0.2 mm的不锈钢带；上导滑转子与顶轴热套后，整体修复上导滑转子外圆的尺寸满足形位公差要求。顶轴修复后运至工地，回装后重新进行轴线调整、动平衡等试验，机组运行摆度满足了国标及合同要求。

4 结论

广东某抽蓄电站机组轴线发生变化，主要是由于顶轴装配中的中间环与顶轴的配合尺寸公差带较大，公差达到一定配合尺寸时，在过速等试验工况下，出现了无过盈量状态，多次过速等试验后出现松动，并非顶轴的绝缘结构出现问题。

顶轴装配的中间环设计理念存在一定的问题，原意是担心长期运行万一顶轴装配的滑转子绝缘松动，方便拆卸滑转子返厂处理，但拆卸滑转子过程中又需要加热，不可避免造成滑转子外圆尺寸偏差。

实际上在电站现场运行与检修时不存在拆卸滑转子的可能。监测上导摆度的传感器的测点在滑转子上，滑转子外圆尺寸会影响上导摆度监测的准确性，所以返厂处理也应是顶轴整体返厂。建议后续的抽蓄电站顶轴装配中取消中间环的结构，减少出现事故的隐患。

像抽蓄和高转速机组，发电机转动部分(包括转子)的质量对机组的安全、稳定运行至关重要。类似转子问题还有巴基斯坦某电站4#机甩负荷后振摆不能恢复、广东某抽水蓄能电站转子动平衡过程中相位不稳和湖北某电站发电机转子支架环板变形[2]等类似问题。

本文通过对广东某抽水蓄能电站双机甩负荷后摆度问题的处理，对原因进行分析，并提出解决方案。对其它抽蓄及常规高转速电站发电机转动部分出现的问题解决，具有一定的参考和借鉴作用。