針對電站水輪機(jī)蝶閥的加強(qiáng)筋板開裂問題，提出了筋板補(bǔ)強(qiáng)方案，利用ANSYS有限元軟件，分別對補(bǔ)強(qiáng)前后蝶板結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性進(jìn)行了計(jì)算和比較。研究結(jié)果顯示，補(bǔ)強(qiáng)后蝶板結(jié)構(gòu)的各階固有頻率值有了不同程度的提高，而蝶板結(jié)構(gòu)的振型在第4階后也出現(xiàn)了較大差異的變化，然而這并不能避免卡門渦的出現(xiàn)。通過對蝶板修型，大幅度的提高了蝶板結(jié)構(gòu)的卡門渦頻，以此可以避免卡門渦的產(chǎn)生。

1、概述

　　在大型水力設(shè)備中，蝶閥得到廣泛的應(yīng)用。長期以來，對蝶閥過多關(guān)注的是其強(qiáng)度問題，而振動(dòng)特性方面的研究常常被忽視。本文以電站水輪機(jī)蝶閥的蝶板結(jié)構(gòu)為研究對象，通過ANSYS有限元軟件，對出現(xiàn)故障蝶板結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性進(jìn)行了分析。

2、問題分析

　　某電站水輪機(jī)的蝶閥，在蝶板結(jié)構(gòu)40mm厚的加強(qiáng)筋板與上下蓋板交接處出現(xiàn)了開裂(圖1，圖中補(bǔ)強(qiáng)位置為筋板開裂位置)，裂紋長為500mm。根據(jù)裂紋出現(xiàn)的位置及尺寸，在裂紋出現(xiàn)的位置進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)處理，即在裂紋處筋板焊接四塊補(bǔ)強(qiáng)板，補(bǔ)強(qiáng)板的添加不僅可以降低開裂位置的應(yīng)力，也將對蝶板結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性產(chǎn)生影響。真空技術(shù)網(wǎng)認(rèn)為(http://lu714.com/)裂紋的出現(xiàn)并非是強(qiáng)度不夠造成的(此處的應(yīng)力遠(yuǎn)低于許用應(yīng)力)，裂紋的形成與振動(dòng)特性卡門渦頻振動(dòng)有關(guān)。

(a)原結(jié)構(gòu) (b)補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)

圖1 蝶板FEM模型

3、振動(dòng)特性

3.1、計(jì)算模型及邊界條件

　　在計(jì)算蝶板結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性時(shí)，選取整個(gè)蝶板結(jié)構(gòu)為計(jì)算模型。全部采用實(shí)體六面體Solid95單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。根據(jù)蝶板結(jié)構(gòu)實(shí)際的受力狀態(tài)，對邊界條件做了修正。即施加的邊界條件為在軸頭與閥體支承處與閥體接觸處簡支，約束軸端一個(gè)端面的所有自由度。

3.2、振動(dòng)差異

　　表1給出了蝶板結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)前后的20階固有頻率。從表中數(shù)據(jù)可知，補(bǔ)強(qiáng)后固有頻率的值有了不同程度的提高(除第1階外)。顯然，補(bǔ)強(qiáng)后蝶板結(jié)構(gòu)的剛度得到了一定程度的提高。圖2～8給出了補(bǔ)強(qiáng)前后蝶閥結(jié)構(gòu)的振型。從圖中不難得出，補(bǔ)強(qiáng)前后的蝶閥振型前3階振型基本相同，而從第4階以后，結(jié)構(gòu)的振型出現(xiàn)了明顯的差異。

表1 蝶板結(jié)構(gòu)自振頻率 Hz

(a)原結(jié)構(gòu) (b)補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)

圖2 蝶板結(jié)構(gòu)第1階振型

(a)原結(jié)構(gòu) (b)補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)

圖3 蝶板結(jié)構(gòu)第2階振型

(a)原結(jié)構(gòu) (b)補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)

圖4 蝶板結(jié)構(gòu)第3階振型

(a)原結(jié)構(gòu) (b)補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)

圖5 蝶板結(jié)構(gòu)第4階振型

(a)原結(jié)構(gòu) (b)補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)

圖6 蝶板結(jié)構(gòu)第5階振型

(a)原結(jié)構(gòu) (b)補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)

圖7 蝶板結(jié)構(gòu)第6階振型

4、分析

　　以第3階振型為例，這階振型引起了90mm蝶板的振動(dòng)。對于90mm厚的蝶板，其卡門渦頻率Fk為

　　式中 Fk———卡門渦頻率，Hz

　　St———斯特羅哈數(shù)

　　V———絕對流速，m/s

　　T———出水邊厚度，mm

　　卡門渦頻率是蝶板在水中的振動(dòng)頻率，而有限元模擬的是在空氣中的振動(dòng)，因此需要乘以一個(gè)系數(shù)，一般取0.7～0.8。因此蝶板的水中振動(dòng)頻率為84.2×0.7=58.9Hz，此頻率與卡門渦頻率非常接近，因此這個(gè)固有頻率值會(huì)造成蝶板出現(xiàn)卡門渦。卡門渦誘發(fā)蝶閥的共振，導(dǎo)致加強(qiáng)筋板與蝶板銜接處的開裂。采取補(bǔ)強(qiáng)措施后，蝶板振動(dòng)的頻率值為85.8Hz，其水中振動(dòng)頻率為60.1Hz，這與卡門渦頻率也非常接近，補(bǔ)強(qiáng)板的添加不能避免卡門渦的產(chǎn)生。因此對蝶板結(jié)構(gòu)做了修型處理(圖9)。

(a)原結(jié)構(gòu) (b)補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)

圖8 蝶板結(jié)構(gòu)第7階振型

　　蝶板修型后，出水邊厚度變?yōu)?.02mm，其卡門渦頻率為117.3Hz。顯然蝶板結(jié)構(gòu)修型后有效的避免了卡門渦的出現(xiàn)。在流速不變的情況下，通過降低流體在出水邊的分離厚度，可以大幅度提高渦列的振動(dòng)頻率，并有效減少高能量漩渦的產(chǎn)生。

(a)修型前(b)修形后

圖9 蝶板結(jié)構(gòu)改進(jìn)

5、結(jié)語

　　有限元計(jì)算分析表明，筋板的補(bǔ)強(qiáng)雖然不同程度的提高了結(jié)構(gòu)的固有頻率值，而且改變了結(jié)構(gòu)從第4階以后的振型，但無法避免卡門渦的產(chǎn)生。而對結(jié)構(gòu)的修型，改變結(jié)構(gòu)原本對稱的結(jié)構(gòu)，可以避免卡門渦的產(chǎn)生。卡門渦振動(dòng)會(huì)造成脫流旋渦渦列，渦列與蝶板產(chǎn)生共振時(shí)可引起激烈振動(dòng)，并可誘發(fā)蝶板結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂紋。鑒于電站蝶閥的實(shí)際情況，建議采用蝶板改型的方法避免卡門渦的產(chǎn)生。