針對(duì)電站水輪機(jī)蝶閥的加強(qiáng)筋板開(kāi)裂問(wèn)題，提出了筋板補(bǔ)強(qiáng)方案，利用ANSYS 有限元軟件，分別對(duì)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(guò)對(duì)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(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)蝶閥過(guò)多關(guān)注的是其強(qiáng)度問(wèn)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(duì)象，通過(guò)ANSYS 有限元軟件，對(duì)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(wèn)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(kāi)裂( 圖1，圖中補(bǔ)強(qiáng)位置為筋板開(kāi)裂位置) ，裂紋長(zhǎng)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(kāi)裂位置的應(yīng)力，也將對(duì)蝶板結(jié)構(gòu)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)。

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(duì)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(jiǎn)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。

5、結(jié)語(yǔ)

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(wú)法避免卡門渦的產(chǎn)生。而對(duì)結(jié)構(gòu)的修型，改變結(jié)構(gòu)原本對(duì)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。