混流式水轮机蝶阀蝶板振动特征研究
1 概述
在大型水力设备中，蝶阀得到广泛的应用。长期以来河北人事考试信息网，对蝶阀过多关注的是其强度题目，而振动特征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征进行了分析。
2 题目分析
某电站水轮机的蝶阀，在蝶板结构40mm厚的增强筋板与上下盖板交接处出现了开裂（图1，图中步枪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步枪处理，即在裂纹处筋板焊接四块步枪板，步枪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征产生影响。研究效果表现，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征卡门涡频振动有关。
（a）原结构 （b）步枪结构
图1 蝶板FEM模型
3 振动特征
3.1 计算模型及边界条件
在计算蝶板结构振动特征时，选取整个蝶板结构为计算模型。悉数采用实体六面体Solid95单元划分网格。根据蝶板结构现实的受力状况，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，束缚轴端一个端面的所有自由度。
3.2 振动差异
表1给出了蝶板结构步枪前后的20阶固有频率。从表中数据可知，步枪后固有频率的值有了不同程度的进步（除第1阶外）。显然，步枪后蝶板结构的刚度得到了肯定程度的进步。图2～8给出了步枪前后蝶阀结构的振型。从图中不难得出，步枪前后的蝶阀振型前3阶振型基原形同，而从第4阶以后，结构的振型出现了显明的差异。
表1 蝶板结构自振频率 Hz
（a）原结构 （b）步枪结构
图2 蝶板结构第1阶振型
（a）原结构 （b）步枪结构
图3 蝶板结构第2阶振型
（a）原结构 （b）步枪结构
图4 蝶板结构第3阶振型
（a）原结构 （b）步枪结构
图5 蝶板结构第4阶振型
（a）原结构 （b）步枪结构
图6 蝶板结构第5阶振型
（a）原结构 （b）步枪结构
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Fk为
式中 Fk———卡门涡频率，Hz
St———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，而有限元模仿的是在空气中的振动，因此必要乘以一个系数搜索引擎优化，一样平常取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特别很是接近奥龙驾驶室总成，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，导致增强筋板与蝶板衔接处的开裂。采取步枪措施后，蝶板振动的频率值为85.8Hz，其水中振动频率为60.1Hz，这与卡门涡频率也特别很是接近，步枪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）步枪结构
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用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星散厚度，可以大幅度进步涡列的振动频率，并有用削减高能量漩涡的产生。
（a）修型前（b）修形后
图9 蝶板结构改进
5 结语
有限元计算分析注解，筋板的步枪虽然不同程度的进步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，改变结构本来对称的结构，可以避免卡门涡的产生。卡门涡振动会造成脱流旋涡涡列物流配送，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。鉴于电站蝶阀的现实情况，建议采用蝶板改型的方法避免卡门涡的产生。
