蝶閥活門不僅結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕、安裝尺寸小，而且驅(qū)動力矩小，操作簡單、迅速，還具有良好的流量調(diào)節(jié)功能和關(guān)閉密封性能，因此被廣泛應(yīng)用在大型水電設(shè)備中。蝶閥活門處于完全開啟位置時，蝶板厚度是造成流體流經(jīng)閥體**的阻力來源，因此閥門所產(chǎn)生的壓力降很小，故具有較好的流量控制特性。
近日，良好運(yùn)行13a的某混流式水輪機(jī)的蝶閥活門40mm筋板與90mm上蓋板交接處出現(xiàn)了開裂，裂紋長達(dá)400mm，由于發(fā)現(xiàn)及時，未給電站造成嚴(yán)重?fù)p失或人員傷亡。該電站水輪機(jī)單機(jī)裝機(jī)容量為220MW，在100～160MW負(fù)荷區(qū)振動劇烈。裂紋出現(xiàn)的位置及蝶閥活門結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 蝶閥活門結(jié)構(gòu)及其開裂位置示意圖
結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂紋或者斷裂一般是由局部高應(yīng)力或者強(qiáng)烈振動引起的。國內(nèi)早期的電站設(shè)計在很長一段時間里過多關(guān)注的是高應(yīng)力區(qū)域，而忽略了強(qiáng)烈振動對結(jié)構(gòu)引起的損害，特別是沒有考慮卡門渦對結(jié)構(gòu)造成的影響。然而卡門渦引起的結(jié)構(gòu)振動卻是不容忽視的。本文以電站水輪機(jī)進(jìn)水管蝶閥活門為研究對象，針對蝶閥活門出現(xiàn)的長裂紋問題，通過ANSYS有限元軟件，分析蝶閥活門筋板出現(xiàn)裂紋的原因，闡述出水邊形狀對結(jié)構(gòu)有效避免由于水力激振或渦列振動誘發(fā)結(jié)構(gòu)共振的意義。
1 強(qiáng)度分析
取蝶閥活門的1/2作為分析對象，采用實體六面體Solid95單元劃分網(wǎng)格。根據(jù)活門實際的受力狀態(tài)，對結(jié)構(gòu)的邊界條件進(jìn)行以下修正：軸頭與軸瓦接觸的180°范圍內(nèi)簡支，在軸端約束軸的轉(zhuǎn)動，對稱面節(jié)點約束按對稱條件處理。
圖2 蝶閥活門Mises應(yīng)力分布
本次計算主要分析蝶閥活門關(guān)閉工況2.0MPa壓力下及打壓工況2.7MPa壓力下的應(yīng)力分布。2種工況下的應(yīng)力分布如圖2所示。由于關(guān)注的對象是活門筋板，因此隱藏了樞軸段的應(yīng)力分布。蝶閥活門材料為20Si-Mn，其在關(guān)閉工況和打壓工況下材料的許用應(yīng)力分別為183.4MPa、371.3MPa。由圖2可知，整個結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平低于許用應(yīng)力。特別地，結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力*大位置并非在40mm筋板上，40mm筋板的應(yīng)力水平很低，蝶閥活門關(guān)閉工況下40mm筋板的*大應(yīng)力為82.5MPa，打壓工況下該處的應(yīng)力為111.4MPa，遠(yuǎn)低于許用應(yīng)力，而且*大應(yīng)力的位置并非裂紋發(fā)生的位置。以上分析表明，電站蝶閥活門40mm筋板的裂紋不是強(qiáng)度問題引起的。
2 振動特性分析
在計算蝶閥活門自振頻率時，選取整個結(jié)構(gòu)為計算模型。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，約束軸端一個端面的所有自由度。圖3和圖4是活門第3階和第14階振型，這2階振型分別引起了90mm蓋板及40mm筋板的振動。第3階振型對應(yīng)的頻率為73.6Hz，第14階振型對應(yīng)的頻率為136.2Hz。
卡門渦頻率Fk計算公式為
（1）
式中：V———額定出力下的**流速；Sr———斯特羅哈數(shù)；T1———40mm筋板出水邊厚度。
由式（1）可計算得40mm筋板及90mm蓋板的卡門渦頻率Fk分別為117.2Hz和58.62Hz。
流體流過固體結(jié)構(gòu)物，在結(jié)構(gòu)物尾部產(chǎn)生交替脫流，形成卡門渦，卡門渦可誘發(fā)結(jié)構(gòu)振動，活門結(jié)構(gòu)有限元分析沒有考慮水體對結(jié)構(gòu)的附加質(zhì)量影響，在水中，通常需要乘以一個下降系數(shù)k（一般取k=0.7～0.8，這里取0.8）。因此90mm蓋板的水中振動頻率為58.9Hz，40mm筋板的振動頻率為109Hz，這2階頻率與卡門渦頻率相當(dāng)接近。蓋板的彎曲振動使40mm筋板根部承受交變拉壓應(yīng)力，而蝶閥活門在這種交變載荷下運(yùn)行，長期損傷累積導(dǎo)致疲勞破壞。
圖3 蝶閥活門第3階振型對應(yīng)的變形（引起90mm蓋板振動）
圖4 蝶閥活門第14階振型對應(yīng)的變形（引起40mm筋板振動）
3 試驗及結(jié)果分析
針對電站40mm筋板的開裂，采用錘擊法對蝶閥活門的40mm筋板及90mm蓋板進(jìn)行了固有頻率振動測試。在筋板及蓋板上分別布置16個測點。采用單點激勵、多點拾取的測試方法。用加速度傳感器測量其衰減信號，對力信號及響應(yīng)信號進(jìn)行傅立葉變換，通過計算傳遞函數(shù)獲得蝶閥活門筋板及蓋板的固有頻率。試驗設(shè)備采用美國PCB公司生產(chǎn)的力錘和308B加速度傳感器，分析儀采用LDS信號分析儀。
圖5和圖6分別給出了40mm筋板和90mm蓋板的振動測試傅立葉變換后的頻譜曲線。表1則是對16個測點分析得到的筋板及蓋板的固有頻率及振型。40mm筋板出現(xiàn)了155Hz的固有頻率（計算值為156.0Hz），振型為整體扭曲；90mm蓋板出現(xiàn)了86Hz的固有頻率（計算值為84.2Hz），振型為整體彎曲。測試結(jié)果與有限元計算結(jié)果吻合。這2個固有頻率值會造成40mm筋板及90mm蓋板出現(xiàn)卡門渦?？ㄩT渦誘發(fā)蝶閥活門的共振，*終導(dǎo)致40mm筋板開裂。因此，需要對90mm蓋板和40mm筋板修型。兩板件的修型方案如圖7所示。
圖5 蝶閥活門40mm筋板的固有頻率與響應(yīng)比關(guān)系曲線
圖6 蝶閥活門90mm蓋板的固有頻率與響應(yīng)比關(guān)系曲線
表1 蝶閥活門固有頻率及振型測試結(jié)果
修型后，90mm蓋板出水邊厚度從0.04mm減小到0.02mm（其卡門渦頻率為117.3Hz），而40mm筋板的出水邊厚度從0.02mm減小到0.01mm（其卡門渦頻率變?yōu)?34.6Hz）。在流速不變的情況下，通過降低流體在出水邊的分離厚度可以大幅度提高卡門渦激勵頻率，有效減少高能量漩渦的產(chǎn)生。因此，通過對蝶閥活門蓋板及筋板的出水邊采取修型方案，在出水邊進(jìn)行光滑過渡打磨，用減小分離厚度的方法來提高卡門渦激勵頻率，從而降低卡門渦擾動強(qiáng)度。
4 結(jié)語
基于有限元分析和試驗結(jié)果的討論，研究了某電站水輪機(jī)進(jìn)水管蝶閥活門結(jié)構(gòu)裂紋產(chǎn)生的原因。有限元分析結(jié)果與試驗結(jié)果一致，認(rèn)為蝶閥活門鋼板裂紋的產(chǎn)生是由卡門渦振動引起的，并非結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度不夠。
圖7 修型方案示意圖
蝶閥活門鋼板尾部卡門渦頻率與結(jié)構(gòu)自振頻率接近或一致時可能引起結(jié)構(gòu)的激烈振動，加速結(jié)構(gòu)破壞，產(chǎn)生裂紋。避免過流部件自振頻率與卡門渦頻率接近或一致是必要的。因此，對結(jié)構(gòu)出水邊修型，降低卡門渦擾動強(qiáng)度，提高擾動頻率，是降低活門破壞幾率、延長活門使用壽命的有效措施。
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