混流式水轮机蝶阀蝶板振动特性研究

    1 概述

    在大型水力设备中，蝶阀得到广泛的应用。长期以来，对蝶阀过多关注的是其强度问题，而振动特性方面的研究常常被忽视。本文以电站水轮机蝶阀的蝶板结构为研究对象，通过ANSYS有限元软件，对出现故障蝶板结构的振动特性进行了分析。

    2 问题分析

    某电站水轮机的蝶阀，在蝶板结构40mm厚的加强筋板与上下盖板交接处出现了开裂（图1，图中补强位置为筋板开裂位置），裂纹长为500mm。根据裂纹出现的位置及尺寸，在裂纹出现的位置进行了补强处理，即在裂纹处筋板焊接四块补强板，补强板的添加不仅可以降低开裂位置的应力，也将对蝶板结构的振动特性产生影响。研究结果显示，裂纹的出现并非是强度不够造成的（此处的应力远低于许用应力），裂纹的形成与振动特性卡门涡频振动有关。

（a）原结构 （b）补强结构

图1 蝶板FEM模型

    3 振动特性

    3.1 计算模型及边界条件

    在计算蝶板结构振动特性时，选取整个蝶板结构为计算模型。全部采用实体六面体Solid95单元划分网格。根据蝶板结构实际的受力状态，对边界条件做了修正。即施加的边界条件为在轴头与阀体支承处与阀体接触处简支，约束轴端一个端面的所有自由度。

    3.2 振动差异

    表1给出了蝶板结构补强前后的20阶固有频率。从表中数据可知，补强后固有频率的值有了不同程度的提高（除第1阶外）。显然，补强后蝶板结构的刚度得到了一定程度的提高。图2～8给出了补强前后蝶阀结构的振型。从图中不难得出，补强前后的蝶阀振型前3阶振型基本相同，而从第4阶以后，结构的振型出现了明显的差异。

表1 蝶板结构自振频率    Hz

（a）原结构   （b）补强结构

图2 蝶板结构第1阶振型

（a）原结构    （b）补强结构

图3 蝶板结构第2阶振型

（a）原结构    （b）补强结构

图4 蝶板结构第3阶振型

（a）原结构    （b）补强结构

图5 蝶板结构第4阶振型

（a）原结构    （b）补强结构

图6 蝶板结构第5阶振型

（a）原结构    （b）补强结构

图7 蝶板结构第6阶振型

    4 分析

    以第3阶振型为例，这阶振型引起了90mm蝶板的振动。对于90mm厚的蝶板，其卡门涡频率F_k为

    式中  F_k———卡门涡频率，Hz

    S_t———斯特罗哈数

    V———绝对流速，m/s

    T———出水边厚度，mm

    卡门涡频率是蝶板在水中的振动频率，而有限元模拟的是在空气中的振动，因此需要乘以一个系数，一般取0.7～0.8。因此蝶板的水中振动频率为84.2×0.7=58.9Hz，此频率与卡门涡频率非常接近，因此这个固有频率值会造成蝶板出现卡门涡。卡门涡诱发蝶阀的共振，导致加强筋板与蝶板衔接处的开裂。采取补强措施后，蝶板振动的频率值为85.8Hz，其水中振动频率为60.1Hz，这与卡门涡频率也非常接近，补强板的添加不能避免卡门涡的产生。因此对蝶板结构做了修型处理（图9）。

（a）原结构   （b）补强结构

图8 蝶板结构第7阶振型

    蝶板修型后，出水边厚度变为0.02mm，其卡门涡频率为117.3Hz。显然蝶板结构修型后有效的避免了卡门涡的出现。在流速不变的情况下，通过降低流体在出水边的分离厚度，可以大幅度提高涡列的振动频率，并有效减少高能量漩涡的产生。

（a）修型前（b）修形后

图9 蝶板结构改进

    5 结语

    有限元计算分析表明，筋板的补强虽然不同程度的提高了结构的固有频率值，而且改变了结构从第4阶以后的振型，但无法避免卡门涡的产生。而对结构的修型，改变结构原本对称的结构，可以避免卡门涡的产生。卡门涡振动会造成脱流旋涡涡列，涡列与蝶板产生共振时可引起激烈振动，并可诱发蝶板结构产生裂纹。鉴于电站蝶阀的实际情况，建议采用蝶板改型的方法避免卡门涡的产生。