使用ANSYS有限元软件对水轮机蝶阀蝶板振动特性开展分析和分析

1、使用ANSYS有限元软件对水轮机蝶阀蝶板振动特性开展分析和分析 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构造的振动特性开展了计算和比较。研究结果显示，补强后蝶板构造的各阶固有频率值有了不同程度的提高，而蝶板构造的振型在第4阶后也出现了较大差异的变化，然而这并不能防止卡门涡的出现。通过对蝶板修型，大幅度的提高了蝶板构造的卡门涡频，以此可以防止卡门涡的产生。 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略。本文以电站水轮机蝶阀的蝶板构造为研究对象，通过ANSYS有限

2、元软件，对出现故障蝶板构造的振动特性开展了分析。 2、问题分析 某电站水轮机的蝶阀，在蝶板构造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，在裂纹出现的位置开展了补强处理，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，也将对蝶板构造的振动特性产生影响。真空技术网认为(http:/)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)原构造 (b)补强构造 图1 蝶板FEM模型 3、振动特性 3.1、计算模型及边界条件 在计算蝶板构造振

3、动特性时，选取整个蝶板构造为计算模型。全部采用实体六面体Solid95单元划分网格。根据蝶板构造实际的受力状态，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给出了蝶板构造补强前后的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，补强后蝶板构造的刚度得到了一定程度的提高。图28给出了补强前后蝶阀构造的振型。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，构造的振型出现了明显的差异。 表1 蝶板构造自振频率 Hz (a)原构造 (b)补强构造 图2 蝶

4、板构造第1阶振型 (a)原构造 (b)补强构造 图3 蝶板构造第2阶振型 (a)原构造 (b)补强构造 图4 蝶板构造第3阶振型 (a)原构造 (b)补强构造 图5 蝶板构造第4阶振型 (a)原构造 (b)补强构造 图6 蝶板构造第5阶振型 (a)原构造 (b)补强构造 图7 蝶板构造第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，而有限元模拟的是在空气中的振动，因此需要乘以一个系数，一般取0.70.8。因此蝶

5、板的水中振动频率为84.20.7=58.9Hz，此频率与卡门涡频率非常接近，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，导致加强筋板与蝶板衔接处的开裂。采取补强措施后，蝶板振动的频率值为85.8Hz，其水中振动频率为60.1Hz，这与卡门涡频率也非常接近，补强板的添加不能防止卡门涡的产生。因此对蝶板构造做了修型处理(图9)。 (a)原构造 (b)补强构造 图8 蝶板构造第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。显然蝶板构造修型后有效的防止了卡门涡的出现。在流速不变的情况下，通过降低流体在出水边的分离厚度，可以大幅度提高涡列的振动频率，并有效减少高能量漩涡的产生。 (a)修型前(b)修形后 图9 蝶板构造改良 5、结语 有限元计算分析说明，筋板的补强虽然不同程度的提高了构造的固有频率值，而且改变了构造从第4阶以后的振型，但无法防止卡门涡的产生。而对构造的修型，改变构造原本对称的构造，可以防止