使用ANSYS有限元軟件對水輪機蝶閥蝶板振動(dòng)特性進(jìn)行分析和研究
針對電站水輪機蝶閥的加強筋板開(kāi)裂問(wèn)題，提出了筋板補強方案，利用ANSYS有限元軟件，分別對補強前后蝶板結構的振動(dòng)特性進(jìn)行了計算和比較。研究結果顯示，補強后蝶板結構的各階固有頻率值有了不同程度的提高，而蝶板結構的振型在第4階后也出現了較大差異的變化，然而這并不能避免卡門(mén)渦的出現。通過(guò)對蝶板修型，大幅度的提高了蝶板結構的卡門(mén)渦頻，以此可以避免卡門(mén)渦的產(chǎn)生。
1、概述
在大型水力設備中，蝶閥得到廣泛的應用。長(cháng)期以來(lái)，對蝶閥過(guò)多關(guān)注的是其強度問(wèn)題，而振動(dòng)特性方面的研究常常被忽視。本文以電站水輪機蝶閥的蝶板結構為研究對象，通過(guò)ANSYS有限元軟件，對出現故障蝶板結構的振動(dòng)特性進(jìn)行了分析。
2、問(wèn)題分析
某電站水輪機的蝶閥，在蝶板結構40mm厚的加強筋板與上下蓋板交接處出現了開(kāi)裂(圖1，圖中補強位置為筋板開(kāi)裂位置)，裂紋長(cháng)為500mm。根據裂紋出現的位置及尺寸，在裂紋出現的位置進(jìn)行了補強處理，即在裂紋處筋板焊接四塊補強板，補強板的添加不僅可以降低開(kāi)裂位置的應力，也將對蝶板結構的振動(dòng)特性產(chǎn)生影響。真空技術(shù)網(wǎng)認為(http://likelearn.cn/)裂紋的出現并非是強度不夠造成的(此處的應力遠低于許用應力)，裂紋的形成與振動(dòng)特性卡門(mén)渦頻振動(dòng)有關(guān)。
(a)原結構 (b)補強結構
圖1 蝶板FEM模型
3、振動(dòng)特性
3.1、計算模型及邊界條件
在計算蝶板結構振動(dòng)特性時(shí)，選取整個(gè)蝶板結構為計算模型。全部采用實(shí)體六面體Solid95單元劃分網(wǎng)格。根據蝶板結構實(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(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給出了蝶板結構補強前后的20階固有頻率。從表中數據可知，補強后固有頻率的值有了不同程度的提高(除第1階外)。顯然，補強后蝶板結構的剛度得到了一定程度的提高。圖2～8給出了補強前后蝶閥結構的振型。從圖中不難得出，補強前后的蝶閥振型前3階振型基本相同，而從第4階以后，結構的振型出現了明顯的差異。
表1 蝶板結構自振頻率 Hz
(a)原結構 (b)補強結構
圖2 蝶板結構第1階振型
(a)原結構 (b)補強結構
圖3 蝶板結構第2階振型
(a)原結構 (b)補強結構
圖4 蝶板結構第3階振型
(a)原結構 (b)補強結構
圖5 蝶板結構第4階振型
(a)原結構 (b)補強結構
圖6 蝶板結構第5階振型
(a)原結構 (b)補強結構
圖7 蝶板結構第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(mén)渦頻率Fk為
式中 Fk———卡門(mén)渦頻率，Hz
St———斯特羅哈數
V———絕對流速，m/s
T———出水邊厚度，mm
卡門(mén)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，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(mén)渦頻率非常接近，因此這個(gè)固有頻率值會(huì )造成蝶板出現卡門(mén)渦�？ㄩT(mén)渦誘發(fā)蝶閥的共振，導致加強筋板與蝶板銜接處的開(kāi)裂。采取補強措施后，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(mén)渦頻率也非常接近，補強板的添加不能避免卡門(mén)渦的產(chǎn)生。因此對蝶板結構做了修型處理(圖9)。
(a)原結構 (b)補強結構
圖8 蝶板結構第7階振型
蝶板修型后，出水邊厚度變?yōu)?.02mm，其卡門(mén)渦頻率為117.3Hz。顯然蝶板結構修型后有效的避免了卡門(mén)渦的出現。在流速不變的情況下，通過(guò)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 蝶板結構改進(jìn)
5、結語(yǔ)
有限元計算分析表明，筋板的補強雖然不同程度的提高了結構的固有頻率值，而且改變了結構從第4階以后的振型，但無(wú)法避免卡門(mén)渦的產(chǎn)生。而對結構的修型，改變結構原本對稱(chēng)的結構，可以避免卡門(mén)渦的產(chǎn)生�？ㄩT(mén)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)蝶板結構產(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(mén)渦的產(chǎn)生。
