关于抽水蓄能机组水轮发电机轴系摆度的探讨

徐鑫华 侯彬

浙江仙居抽水蓄能有限公司 浙江台州 317300

摘要：抽水蓄能机组对于转速的要求较高，是一种高转速下运动的发电机。抽水蓄能机组轴系摆度问题是影响机组安全运行的关键因素之一，对于机组的运行性能和运行质量有明显的影响。本文从实际案例分析入手，重点探讨了导致抽水蓄能机组水轮发电机轴系摆度超差问题的原因，并提出相应的改进策略。

关键字： 抽水蓄能，水轮发电机，轴系摆度

抽水蓄能水轮发电机，轴流式水轮发电机和混流式水轮发电机是现实中应用最为广泛的三种类型，其中额定转速最高的是抽水蓄能水轮发电机。抽水蓄能水轮发电机在运行过程中需频繁切换抽水工况和发电工况，从而引起机组的频繁停机和启动，因而机组运行过程中受到的干扰因素更为复杂。抽水蓄能机组水轮发电机能否安全，平稳运行，不仅影响到水电厂设备的运行安全和发电效率，同时也影响到电网是否能够稳定、高效的供能，发电机的工作状态需引起相关技术人员的高度重视。

1 抽水蓄能机组轴系典型结构分析

抽水蓄能机组的轴系稳定性是影响机组安全运行的主要因素之一，在安装过程中，轴系的摆度值是影响主体稳定性的核心因素，抽水蓄能机组在高转速运行过程中存在双向转动问题，因而对于轴系敏感度更高。

分析抽水蓄能机组的典型结构，主要采用立轴悬式结构布置，轴系上部使用推力轴承，自下而上分别是水轮机轴，发电机轴，转子支架和上端轴。以国内典型的抽水蓄能机组为例进行研究，其主要参数如下，轴系长度约为1500厘米，发电机轴长1000厘米。在整个轴系的零部件分布中，水轮机轴系与发电机轴系的长度比为1:2，比较内部零部件数量，水轮机机轴系零件数与发电机轴系零件数比为1:3。

2 电站安装轴系找摆情况分析

本次研究的抽水蓄能机组在电站安装过程中，首先连接发电机轴和水轮机轴，在此基础上检测轴系的摆度值，重点是测量水轮机轴滑转子部分和发电机轴导轴承部分，检测结果表明摆度值超过预定范围。水轮机滑轴转子部分和发电机轴导轴承部分的摆度值分别为0.4mm和0.2mm，两者之间呈180°对称方位分布。再将水轮机轴水平旋转后，重新与发电机轴相连，测量摆度值衰减到0.2~0.25mm之间。在同一象限内测量轴导轴承部分摆度值，夹角小于90°，呈现锐角分布。

3 蓄能机组轴系摆度超差原因分析

3.1 水轮机轴加工精度对于摆度的影响

水轮机轴加工过程中使用整锻构造，长度约在500厘米，重量50吨，轴身长径比在5:1范围内，进一步分析，其结构为标准的回旋几何体。结合设备出厂参数及实地测量值，主要部件的加工精度分析如下：发电机与法兰端跳动范围在0.025毫米以内，法兰端与水轮机端跳动值为0.025毫米，滑转子和基准的同轴度为0.03毫米，可见水轮机组轴系是高精度加工部件。加工过程中主要采用“一卡一托”的加工方式，作为一种传统的加工方式，“一卡一托”加工方式是主要轴类零部件加工方式之一。采用上述方式在进行水轮机组轴系加工过程中，影响精度的主要有以下两方面原因，首先是机床径跳和端跳的旋转精度，主轴的径向跳动主要影响圆柱表面的圆滑度和柱体的同轴度，主轴的端面跳动直接影响端面的跳动量，跳动量超出范围将造成轴线和表面倾斜之间不垂直，进而影响连轴之后的摆度值。由此可见，在主轴旋转精度的加工中，必须严格按照图纸设计的精度进行加工。其次是加工过程的质量控制，主要包括工件调头后的找正精度控制，如精度超过误差范围，将影响主轴两个法兰端面的平行度，直接导致成品的法兰端面与主轴轴线之间不垂直。

在进行水轮机端法兰加工之前，需首先完成水轮机组轴身、滑转子等部位的加工工作并保证加工精度，然后需完成基准找证工作，其后进行工件调头操作，最后进行发电机端法兰加工工作。考虑到水轮机端法兰的背面，通常情况下留有一定的加工余量，但水轮机法兰背面的找准工艺出现较大误差，必然导致发电机端面和轴线的不垂直现象。可借助于水轮机端法兰的背面余量进行二次加工，满足法兰加工的精度。从另一个角度分析，在主轴翻身之后必须严格落实找正精度。

3.2 电机轴系加工过程的影响分析

发电机的轴系主要包括上端轴，转子支架和发电机主轴，总重量在100吨左右，长度约为100米。发电机轴系加工过程也是使用“一卡一托”方式，在加工过程中首先将各主要部件进行组合，然后进行加工，可消除一定的累积误差。但是考虑到发电机主轴系的重量较大，长度较长，实际测量不太现实，故本文使用有限元计算分析手段，在“一卡一托”的装夹方式下，发电机轴系的静挠度在0.23毫米左右波动。在条件允许的工况下，建议使用双托方式进行加工，可在一定程度上消除静挠度。

3.3 水轮机轴与发电机轴的找摆影响

为保证抽水蓄能机组在高速旋转过程中保持稳定，需对发电机轴和水轮机轴进行连轴找摆工作，验证两者的加工精度。具体工况下多按照“一卡一托”的方式开展找摆，为有效控制法兰外园摆度对于跳动的影响，可增加相应的辅助支撑措施，类似于“一卡双托”的方式虽然能一定程度上解决挠度增大的趋势，但是需严格保证中心支架的高度一致。如果两者的高度不一致，发电机轴和水轮机轴之间会出现折线，影响找摆工作的准确性。所以在找摆过程中应精确控制中心支架的高度，合理控制连轴螺栓的夹合力。

3.4 机组安装过程的影响分析

抽水蓄能发电机组在工厂内完成主要零部件的加工之后，经过有限元分析，得到发电机轴系和推力头直径的比值为4:1，由此可知在进行推力头加热装载时，如果存在0.01毫米的倾斜，将导致发电机轴承部位产生四倍的误差，加之发电机轴导轴承部分本身存在的跳动值，可直接将发电机轴器的摆度增大到0.1毫米以上，造成较大的制造和安装误差。

如果轴线与发电机端面相重合，并且结合面的高低点匹配位置正确，则发电机轴和水轮机轴连轴之后，轴线的倾斜方向应和电机轴线的倾斜方向一致，同时应保证两者的倾角接近。此安装状态和轴系的分布是抽水蓄能机组发电机安装的理想状态，即摆度值保持在同一方位且倾角一致，此情况下可通过调节推力头上部的卡环来进一步修正摆度值，满足轴系摆度值要求。

在安装抽水蓄能机组水轮发电机之前，应首先进行水轮机轴身水平旋转，然后连接发电机组，一旦发现水轮机轴的倾斜范围超出了预定指标，与此同时，发电机轴与水轮机轴的折线夹角变小。这两项指标进一步证明了主轴线与发电机轴和水轮机轴的结合部位不垂直，另一方面，也可以看到发电机端面和水轮机轴点位并不成180°分布。

结合上述分析可以看到，导致水轮机轴线和发电机轴线倾斜方向相反的原因是，发电机端面与发电机轴线之间不垂直，同时水轮机轴发电机短与水轮机轴线不垂直。

4 结语

通过上文的分析，可以看到抽水蓄能机组发电机轴系摆度问题，直接影响着后期发电机的使用，摆度值超范围不仅影响了机组的工作效率，严重时可造成安全隐患。为此本文深入探讨了影响发电机轴系摆度的主要因素，并建议加强对于轴系单个部件加工精度和摆度误差的控制，确保轴系加工精度满足要求。同时本文提出了“一卡双托”方式，相比于“一卡一托”方式，具有更好的连轴找摆特性，同时应保证连轴螺栓的拧紧状态。

参考文献：

[1]彭宣霖. 基于水机电多场耦合有限元方法的水电机组振动特性研究[D].华中科技大学,2018.

[2]郑小康,罗成宗,黄智欣,刘小松,孙锋.仙居抽水蓄能机组发电电动机运行稳定性研究[J].水电与抽水蓄能,2017,3(02):50-53.

第一作者简介: 姓名：徐鑫华（1994.12--），性别：男，籍贯：江苏省启东人，学历：本科，现有职称：助理工程师，研究方向：水轮发电机。