混流式水轮机蝶阀蝶板振动特性研究

　　针对电站水轮机蝶阀的加强筋板开裂问题，提出了筋板补强方案，利用ANSYS 有限元软件，分别对补强前后蝶板结构的振动特性进行了计算和比较。研究结果显示，补强后蝶板结构的各阶固有频率值有了不同程度的提高，而蝶板结构的振型在第4 阶后也出现了较大差异的变化，然而这并不能避免卡门涡的出现。通过对蝶板修型，大幅度的提高了蝶板结构的卡门涡频，以此可以避免卡门涡的产生。

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

 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。