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混流式水輪機進水管蝶閥活門裂紋分析

發布日期:2019-04-18

蝶閥活門不僅結構簡單、體積小、質量輕、安裝尺寸小,而且驅動力矩小,操作簡單、迅速,還具有良好的流量調節功能和關閉密封性能,因此被廣泛應用在大型水電設備中。蝶閥活門處于完全開啟位置時

????蝶閥活門不僅結構簡單、體積小、質量輕、安裝尺寸小,而且驅動力矩小,操作簡單、迅速,還具有良好的流量調節功能和關閉密封性能,因此被廣泛應用在大型水電設備中。蝶閥活門處于完全開啟位置時,蝶板厚度是造成流體流經閥體**的阻力來源,因此閥門所產生的壓力降很小,故具有較好的流量控制特性。

????近日,良好運行13a的某混流式水輪機的蝶閥活門40mm筋板與90mm上蓋板交接處出現了開裂,裂紋長達400mm,由于發現及時,未給電站造成嚴重損失或人員傷亡。該電站水輪機單機裝機容量為220MW,在100~160MW負荷區振動劇烈。裂紋出現的位置及蝶閥活門結構如圖1所示。

圖1 蝶閥活門結構及其開裂位置示意圖

????結構產生裂紋或者斷裂一般是由局部高應力或者強烈振動引起的。國內早期的電站設計在很長一段時間里過多關注的是高應力區域,而忽略了強烈振動對結構引起的損害,特別是沒有考慮卡門渦對結構造成的影響。然而卡門渦引起的結構振動卻是不容忽視的。本文以電站水輪機進水管蝶閥活門為研究對象,針對蝶閥活門出現的長裂紋問題,通過ANSYS有限元軟件,分析蝶閥活門筋板出現裂紋的原因,闡述出水邊形狀對結構有效避免由于水力激振或渦列振動誘發結構共振的意義。

????1 強度分析

????取蝶閥活門的1/2作為分析對象,采用實體六面體Solid95單元劃分網格。根據活門實際的受力狀態,對結構的邊界條件進行以下修正:軸頭與軸瓦接觸的180°范圍內簡支,在軸端約束軸的轉動,對稱面節點約束按對稱條件處理。

圖2 蝶閥活門Mises應力分布

????本次計算主要分析蝶閥活門關閉工況2.0MPa壓力下及打壓工況2.7MPa壓力下的應力分布。2種工況下的應力分布如圖2所示。由于關注的對象是活門筋板,因此隱藏了樞軸段的應力分布。蝶閥活門材料為20Si-Mn,其在關閉工況和打壓工況下材料的許用應力分別為183.4MPa、371.3MPa。由圖2可知,整個結構的應力水平低于許用應力。特別地,結構局部應力*大位置并非在40mm筋板上,40mm筋板的應力水平很低,蝶閥活門關閉工況下40mm筋板的*大應力為82.5MPa,打壓工況下該處的應力為111.4MPa,遠低于許用應力,而且*大應力的位置并非裂紋發生的位置。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,選取整個結構為計算模型。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階振型對應的頻率為73.6Hz,第14階振型對應的頻率為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;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。
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流體流過固體結構物,在結構物尾部產生交替脫流,形成卡門渦,卡門渦可誘發結構振動,活門結構有限元分析沒有考慮水體對結構的附加質量影響,在水中,通常需要乘以一個下降系數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接近。蓋板的彎曲振動使40mm筋板根部承受交變拉壓應力,而蝶閥活門在這種交變載荷下運行,長期損傷累積導致疲勞破壞。

圖3 蝶閥活門第3階振型對應的變形(引起90mm蓋板振動)

圖4 蝶閥活門第14階振型對應的變形(引起40mm筋板振動)

????3 試驗及結果分析

????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,對力信號及響應信號進行傅立葉變換,通過計算傳遞函數獲得蝶閥活門筋板及蓋板的固有頻率。試驗設備采用美國PCB公司生產的力錘和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蓋板出現了86Hz的固有頻率(計算值為84.2Hz),振型為整體彎曲。測試結果與有限元計算結果吻合。這2個固有頻率值會造成40mm筋板及90mm蓋板出現卡門渦??盼杏輾⒌Щ蠲諾墓艙?,*終導致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比關系曲線

圖6 蝶閥活門90mm蓋板的固有頻率與響應比關系曲線

表1 蝶閥活門固有頻率及振型測試結果

????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(其卡門渦頻率變為234.6Hz)。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度。

????4 結語

????基于有限元分析和試驗結果的討論,研究了某電站水輪機進水管蝶閥活門結構裂紋產生的原因。有限元分析結果與試驗結果一致,認為蝶閥活門鋼板裂紋的產生是由卡門渦振動引起的,并非結構的強度不夠。

圖7 修型方案示意圖

????蝶閥活門鋼板尾部卡門渦頻率與結構自振頻率接近或一致時可能引起結構的激烈振動,加速結構破壞,產生裂紋。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,對結構出水邊修型,降低卡門渦擾動強度,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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