混流式水輪機(jī)蝶閥蝶板振動(dòng)特性分析

混流式水輪機(jī)蝶閥蝶板振動(dòng)特性分析針對電站水輪機(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)前后蝶板構(gòu)造的振動(dòng)特性開展了計(jì)算和比較。研究結(jié)果顯示，補(bǔ)強(qiáng)后蝶板構(gòu)造的各階固有頻率值有了不同程度的提高，而蝶板構(gòu)造的振型在第4階后也出現(xiàn)了較大差異的變化，然而這并不能防止卡門渦的出現(xiàn)。通過對蝶板修型，大幅度的提高了蝶板構(gòu)造的卡門渦頻，以此可以防止卡門渦的產(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略。本文以電站水輪機(jī)蝶閥的蝶板構(gòu)造為研究對象，通過ANSYS有限元軟件，對出現(xiàn)故障蝶板構(gòu)造的振動(dòng)特性開展了分析。

2、問題分析

某電站水輪機(jī)的蝶閥，在蝶板構(gòu)造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)的位置開展了補(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，也將對蝶板構(gòu)造的振動(dòng)特性產(chǎn)生影響。研究結(jié)果顯示，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)原構(gòu)造(b)補(bǔ)強(qiáng)構(gòu)造

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)算蝶板構(gòu)造振動(dòng)特性時(shí)，選取整個(gè)蝶板構(gòu)造為計(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)蝶板構(gòu)造實(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給出了蝶板構(gòu)造補(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)后蝶板構(gòu)造的剛度得到了一定程度的提高。圖2～8給出了補(bǔ)強(qiáng)前后蝶閥構(gòu)造的振型。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，構(gòu)造的振型出現(xiàn)了明顯的差異。

表1蝶板構(gòu)造自振頻率Hz

5、結(jié)語

有限元計(jì)算分析說明，筋板的補(bǔ)強(qiáng)雖然不同程度的提高了構(gòu)造的固有頻率值，而且改變了構(gòu)造從第4階以后的振型，但無法防止卡門渦的產(chǎn)生。而對構(gòu)造的修型，改變構(gòu)造原本對稱的構(gòu)造，可以防止卡門渦的產(chǎn)生?？ㄩT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)