蝶閥振動(dòng)原因分析及處理

姜自中，林成傳

（中國(guó)水利水電第十六工程局有限公司，福建福州 350019）

0 引言

津巴布韋卡里巴南岸擴(kuò)機(jī)工程是中國(guó)在“一帶一路”沿線國(guó)家承建的項(xiàng)目之一，在原有基礎(chǔ)上擴(kuò)建裝機(jī)容量為2×150 MW的兩臺(tái)混流式機(jī)組，額定水頭89 m，機(jī)組流量188 m3/s，采用一機(jī)一洞引水方式。此擴(kuò)機(jī)電站為地下廠房。在每臺(tái)蝸殼上游側(cè)安裝一臺(tái)DN5780 蝶閥，采用雙密封結(jié)構(gòu)，設(shè)置一道工作密封，工作密封采用彈性密封，設(shè)置一道檢修密封，檢修密封采用金屬硬密封，活門為雙平板偏心結(jié)構(gòu)，蝶閥采用雙重錘式，接力器采用雙直缸搖擺式，機(jī)組開機(jī)時(shí)帶負(fù)荷130 MW，蝶閥振動(dòng)正常，帶負(fù)荷到140 MW 以上，發(fā)現(xiàn)蝶閥振動(dòng)異常。

1 振動(dòng)原因分析

水力機(jī)械的振動(dòng)發(fā)生于運(yùn)行中的各類運(yùn)行設(shè)備，振動(dòng)的大小取決于許多因素，其中最重要的包括不同工況下流道內(nèi)的流態(tài)、設(shè)備結(jié)構(gòu)和制造、安裝的質(zhì)量。初步分析產(chǎn)生振動(dòng)原因可能如下：①流道、閥體閥板內(nèi)和固定導(dǎo)葉等位置存在異物；②閥板、加強(qiáng)筋的進(jìn)出水邊端部加工形狀與設(shè)計(jì)圖紙不符；③制造和現(xiàn)場(chǎng)組裝、安裝中，各部件裝配尺寸不符合設(shè)計(jì)要求；④機(jī)組振動(dòng)對(duì)蝶閥的影響；⑤蝶閥出水邊產(chǎn)生卡門渦對(duì)蝶閥振動(dòng)的影響。

通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)各工況下機(jī)組振動(dòng)、擺度不大，排除機(jī)組振動(dòng)對(duì)蝶閥產(chǎn)生的影響；對(duì)蝶閥安裝尺寸及結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)均符合加工、安裝要求。因現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)手段有限，邀請(qǐng)中水科對(duì)水輪機(jī)進(jìn)水蝶閥振動(dòng)開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，測(cè)定蝶閥在不同過流條件下的閥體振動(dòng)、噪聲及進(jìn)出口壓力脈動(dòng)特性。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及分析

壓力測(cè)點(diǎn)布置方案：蝶閥前壓力，蝶閥后壓力，蝸殼進(jìn)口壓力，無葉區(qū)壓力，尾水錐管壓力。試驗(yàn)工況：在上游水位482.61 m，下游水位385.40 m，分步調(diào)節(jié)機(jī)組負(fù)荷到75 MW、100 MW、120 MW、130 MW、135 MW、140 MW、145 MW、150 MW，每個(gè)工況在負(fù)荷穩(wěn)定后采集數(shù)據(jù)（表1、表2）。

（1）機(jī)組額定轉(zhuǎn)速為150 r/min，轉(zhuǎn)頻為2.5 Hz。在75.42～119.52 MW 負(fù)荷段，機(jī)組蝶閥前、后壓力脈動(dòng)主頻為0.52～0.68 Hz，可知由尾水渦帶頻率以及水力因素引起的低頻為主；在150 MW 的負(fù)荷下，蝶閥前、后壓力脈動(dòng)主頻為36.42 Hz，與該工況下噪聲、振動(dòng)、加速度測(cè)點(diǎn)主頻保持一致。

表1 壓力脈動(dòng)主頻統(tǒng)計(jì)

表2 振動(dòng)測(cè)點(diǎn)主頻統(tǒng)計(jì)

（2）蝸殼進(jìn)口、無葉區(qū)、尾水椎管壓力脈動(dòng)。在75.42～119.52 MW負(fù)荷段，主頻為0.52～0.68 Hz，可知由尾水渦帶頻率以及水力因素引起的低頻為主；在134.40～150 MW 負(fù)荷段，蝸殼進(jìn)口、無葉區(qū)、尾水椎管壓力脈動(dòng)主頻為2.5 Hz 左右的轉(zhuǎn)頻，并未出現(xiàn)其他異常頻率。

（3）在75.42～134.40 MW 負(fù)荷段，蝶閥后垂直振動(dòng)、蝶閥前加速度、蝶閥后加速度均出現(xiàn)異常高頻信號(hào)，在139.53～150.01 MW負(fù)荷段所有振動(dòng)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)幅值均出現(xiàn)異常增大，并以36.42 Hz左右的頻率為主。

（4）蝶閥后加速度振動(dòng)幅值在不同負(fù)荷下均大于蝶閥前加速度振動(dòng)幅值，在高負(fù)荷的工況下表現(xiàn)尤為明顯。

（5）異常振動(dòng)的幅值與主頻隨著流量的上升均有明顯變化。

3 理論計(jì)算

對(duì)蝶閥渦街頻率進(jìn)行理論計(jì)算。當(dāng)水繞過蝶板時(shí)，會(huì)在蝶板各主板、筋板尾部產(chǎn)生卡門渦街，卡門渦街交替產(chǎn)生并脫落，將產(chǎn)生交變力，使蝶板產(chǎn)生振動(dòng)，當(dāng)交變頻率與蝶板固有頻率相等或相接近時(shí)，將會(huì)發(fā)生共振，使蝶板振動(dòng)加劇。蝶板主板和各個(gè)筋板結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

渦街的頻率f 與流速v 及旋渦發(fā)生體的卡門渦分離點(diǎn)厚度d，有如下關(guān)系：f=St×（V/d）。式中，St 為斯特勞哈爾數(shù)，是一個(gè)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值，St 近似于0.27。計(jì)算出各主板筋板理論上的渦街頻率（表3）。

圖1 蝶閥筋板結(jié)構(gòu)

表3 計(jì)算各主板筋板的理論渦街頻率

從以上資料分析：蝶閥振動(dòng)很可能是由卡門渦引起的。在139.53～150.01 Hz 負(fù)荷段，所有振動(dòng)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)幅值均出現(xiàn)異常增大，并以36.42 Hz 左右的頻率為主，說明測(cè)得的固有頻率為36.42 Hz 左右；廠家計(jì)算的筋板A 渦街頻率為39.7 Hz，兩頻率很接近，因此產(chǎn)生共振。

4 處理方案

對(duì)蝶板上筋板A 和筋板B 出水邊打磨修整，提高渦街頻率，使其遠(yuǎn)大于閥門系統(tǒng)的固有頻率（表4）。通過計(jì)算分析可以看出，經(jīng)過修型后，筋板A 和筋板B 產(chǎn)生的渦街頻率已遠(yuǎn)離閥門系統(tǒng)的固有頻率。處理后重新開機(jī)，蝶閥振動(dòng)消除，修型開機(jī)前后數(shù)據(jù)對(duì)比見表5。

表4 修型后計(jì)算筋板A、B 產(chǎn)生的渦街頻率

表5 150 MW 負(fù)荷下幅值結(jié)果對(duì)比統(tǒng)計(jì)

閥修型后測(cè)量結(jié)論：在150 MW 的試驗(yàn)工況下，蝶閥前振動(dòng)幅值下降至26.55 μm，蝶閥后振動(dòng)幅值下降至14.99 μm。

5 結(jié)語

水力機(jī)械的強(qiáng)烈振動(dòng)不僅會(huì)縮短設(shè)備的使用壽命還會(huì)對(duì)運(yùn)行人員的健康和廠房結(jié)構(gòu)等產(chǎn)生不良影響，須及時(shí)處理。本電站安裝兩臺(tái)結(jié)構(gòu)相同蝶閥，一臺(tái)運(yùn)行正常，一臺(tái)產(chǎn)生振動(dòng)，說明引水鋼管流道中的流態(tài)對(duì)振動(dòng)有著重要的影響。振動(dòng)產(chǎn)生原因雖然很復(fù)雜，本電站通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)合理論計(jì)算印證，找出振動(dòng)產(chǎn)生根源，這樣處理起來事半功倍，值得同仁借鑒。