卡門渦街引起蝴蝶閥振動(dòng)的原因分析和處理

黃 飛

（中國(guó)水利水電第十六工程局有限公司機(jī)電制造安裝分公司，福建 福州 350019）

1 概述

津巴布韋卡里巴南岸擴(kuò)建水電站位于津巴布韋和贊比亞交界的贊比西河上，中國(guó)電力建設(shè)集團(tuán)公司作為EPC總承包商，負(fù)責(zé)該工程設(shè)計(jì)、采購和施工。擴(kuò)建水電站總裝機(jī)容量為2×150 MW，每臺(tái)機(jī)組的蝸殼進(jìn)口段均有1臺(tái)蝴蝶閥。

擴(kuò)建水電站的第1臺(tái)機(jī)組蝴蝶閥未出現(xiàn)異常振動(dòng)，而第2臺(tái)機(jī)組在啟動(dòng)試運(yùn)行試驗(yàn)期間，發(fā)現(xiàn)蝴蝶閥區(qū)域（閥體、上游接管、下游接管、旁通管路、檢修平臺(tái)）出現(xiàn)異常振動(dòng)，主要現(xiàn)象如下：機(jī)組負(fù)荷在135 MW以下時(shí)，蝴蝶閥區(qū)域無異常振動(dòng)；當(dāng)機(jī)組負(fù)荷在135～150 MW之間時(shí)，在蝴蝶閥區(qū)域出現(xiàn)異常振動(dòng)，振幅和振動(dòng)頻率隨著機(jī)組負(fù)荷的增加而增大，而水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

（1）水輪發(fā)電機(jī)的技術(shù)參數(shù)：

額定功率 150 MW

額定轉(zhuǎn)速 150 r/min

額定水頭 89 m

額定流量 188 m3/s

水輪機(jī)固定導(dǎo)葉 24個(gè)

水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉 24個(gè)

（2）蝴蝶閥的技術(shù)參數(shù)：

型號(hào) PDF113-WY-578

公稱直徑 5 780 mm

設(shè)計(jì)壓力 1.6 MPa

最大靜水水頭 113.2 m

額定流量 188 m3/s

2 卡門渦街簡(jiǎn)介

2.1 卡門渦街的定義

在一定條件下的定常來流繞過某些物體時(shí)，物體兩側(cè)會(huì)周期性地脫落出旋轉(zhuǎn)方向相反、并排列成有規(guī)則的雙列線渦，開始時(shí)，這兩列線渦分別保持自身的運(yùn)動(dòng)前進(jìn)，接著它們互相干擾，互相吸引，而且干擾越來越大，形成非線性卡門渦街。出現(xiàn)卡門渦街時(shí)，流體對(duì)物體會(huì)產(chǎn)生一個(gè)周期性的交變橫向作用力，如果力的頻率與物體的固有頻率相接近,就會(huì)引起共振,甚至使物體損壞。

2.2 卡門渦街頻率

卡門渦街頻率的計(jì)算公式

式中：

f——卡門渦街頻率，Hz；

Sr——斯特勞哈爾數(shù)，常數(shù)；

v——脫流速度；

d——脫流厚度。

斯特勞哈爾數(shù)與雷諾數(shù)有關(guān)。當(dāng)雷諾數(shù)為300～3×105時(shí)，Sr近似于常數(shù)值（0.21）；當(dāng)雷諾數(shù)為 3×105～3×106時(shí)，有規(guī)則的渦街便不再存在；當(dāng)雷諾數(shù)大于3×106時(shí)，卡門渦街又會(huì)自動(dòng)出現(xiàn)，這時(shí)Sr約為0.27。

3 蝴蝶閥振動(dòng)處理前數(shù)據(jù)測(cè)量

3.1 測(cè)量?jī)x器的布置

為了分析蝴蝶閥振動(dòng)原因，分別在以下部位布置測(cè)量?jī)x器：

（1）蝴蝶閥上游側(cè)

在壓力鋼管頂部，距閥體1.5 m，各布置1個(gè)低頻振動(dòng)傳感器、加速度傳感器、壓力脈動(dòng)傳感器。

（2）蝴蝶閥下游側(cè)

在蝴蝶閥伸縮節(jié)頂部，距閥體1.5 m，各布置1個(gè)低頻振動(dòng)傳感器、加速度傳感器、壓力脈動(dòng)傳感器。

（3）機(jī)組側(cè)的壓力脈動(dòng)

在蝸殼進(jìn)口壓力、無葉區(qū)（活動(dòng)導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪間）和尾水錐管進(jìn)口各安裝1個(gè)壓力脈動(dòng)傳感器。

（4）蝴蝶閥區(qū)域

安裝1個(gè)噪聲傳感器。

（5）機(jī)組流量

機(jī)組流量測(cè)量采用機(jī)組的超聲波流量計(jì)。

（6）導(dǎo)葉開度

導(dǎo)葉開度測(cè)量采用調(diào)速器的位移傳感器。

（7）機(jī)組有功功率

機(jī)組有功功率采用調(diào)速器的有功功率變送器。

3.2 壓力脈動(dòng)、振動(dòng)、噪聲等數(shù)據(jù)測(cè)量

（1）壓力脈動(dòng)的主頻，見表1。

（2）振動(dòng)幅值，振動(dòng)和噪聲的主頻，見表2。

表1 壓力脈動(dòng)的主頻

表2 振動(dòng)幅值，振動(dòng)和噪聲的主頻

3.3 壓力脈動(dòng)、振動(dòng)、噪聲的測(cè)量數(shù)據(jù)分析

（1）機(jī)組額定轉(zhuǎn)速為150 r/min，轉(zhuǎn)頻為2.5 Hz。

（2）蝴蝶閥前、后的壓力脈動(dòng)主頻。在75.42～119.52 MW的負(fù)荷段，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134.40～144.18 MW的負(fù)荷段，壓力脈動(dòng)主頻為410.69～468.12 Hz；在150 MW負(fù)荷，蝴蝶閥后的壓力脈動(dòng)主頻為36.42 Hz，與振動(dòng)、振動(dòng)加速度、噪聲的主頻保持一致。

（3）蝸殼進(jìn)口、無葉區(qū)、尾水錐管壓力脈動(dòng)主頻。在75.42～119.52 MW的負(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的負(fù)荷段，蝸殼進(jìn)口、無葉區(qū)、尾水錐管的壓力脈動(dòng)主頻為2.5 Hz左右的轉(zhuǎn)頻或倍頻，并未出現(xiàn)其他異常頻率。

（4）蝴蝶閥前、后的振動(dòng)。在139.53～150.01 MW負(fù)荷段，振動(dòng)幅值出現(xiàn)異常增大，以36.42 Hz左右的頻率為主。

4 蝴蝶閥振動(dòng)原因分析

4.1 蝴蝶閥固有頻率

蝴蝶閥制造廠家利用ANSYS軟件，對(duì)蝴蝶閥進(jìn)行模態(tài)分析，在蝴蝶閥受到基礎(chǔ)螺栓、接力器、上游接管和下游接管的約束條件下，蝴蝶閥的七階固有頻率為36.7 Hz。

4.2 蝴蝶閥閥板的卡門渦街頻率計(jì)算

蝴蝶閥閥板截面圖見圖1。

圖1 蝴蝶閥閥板截面圖

雷諾數(shù)的計(jì)算公式

式中：

Re—— 雷諾數(shù)；

ρ—— 流體密度，水的密度為 1×103kg/m3；

v—— 流體流速，m/s；

d—— 脫流厚度，m；

μ—— 流體粘度，Pa·s；

V—— 流體運(yùn)動(dòng)粘度，水的運(yùn)動(dòng)粘度為1.01×10-6m2/s。

按表1測(cè)量數(shù)據(jù)，機(jī)組負(fù)荷超過135 MW的流量分別 156.2 m3/s 、162.17 m3/s、168.86 m3/s。按公式（2）計(jì)算雷諾數(shù)Re為 3.9×107～4.22×107，斯特勞哈爾數(shù)Sr近似于0.27；主板A的脫流厚度為115 mm，主板B的脫流厚度為120 mm，筋板A的脫流厚度為49.7 mm，筋板B的脫流厚度為32.6 mm，按公式（1）計(jì)算蝴蝶閥閥板的主板、筋板的卡門渦街頻率，通過計(jì)算，筋板A的卡門渦街頻率分別為36.7 Hz、38 Hz、39.7 Hz。

4.3 蝴蝶閥振動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)分析的結(jié)論

（1）通過對(duì)蝸殼進(jìn)口段、無葉區(qū)、尾水錐管的壓力脈動(dòng)幅值及主頻測(cè)量，可以確認(rèn)蝴蝶閥振動(dòng)與水輪機(jī)的固定導(dǎo)葉、活動(dòng)導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪沒有關(guān)系。

（2）通過蝴蝶閥前、后的壓力脈動(dòng)幅值、壓力脈動(dòng)主頻、振動(dòng)幅值、振動(dòng)主頻、噪聲主頻測(cè)量，在139.53～150.01 MW負(fù)荷段時(shí)，主頻在36.39～36.42 Hz范圍。

（3）通過計(jì)算蝴蝶閥閥板的卡門渦街頻率，在139.53～150.01 MW負(fù)荷段時(shí)（機(jī)組流量為156.2～168.86 m3/s），筋板 A 卡門渦街頻率范圍為36.7～39.7 Hz。

綜上所述，蝴蝶閥振動(dòng)的原因是水流流過蝴蝶閥閥板，在閥板的筋板出水邊產(chǎn)生的卡門渦街頻率與蝴蝶閥固有頻率相近，而產(chǎn)生共振，具體表現(xiàn)為壓力脈動(dòng)主頻、振動(dòng)主頻、噪聲主頻為36.39～36.42 Hz，與蝴蝶閥固有頻率36.7 Hz相近。

5 蝴蝶閥閥板的修型

為了能夠消除蝴蝶閥振動(dòng)，決定對(duì)閥板的筋板A和筋板B的出水邊進(jìn)行打磨修型，使得卡門渦街頻率遠(yuǎn)離蝴蝶閥固有頻率。閥板的筋板出水邊打磨前后的厚度，見表3。

表3 筋板出水邊打磨前后的厚度

6 閥板修型后的測(cè)量數(shù)據(jù)

閥板的筋板出水邊經(jīng)過兩次修型后，消除了蝴蝶閥振動(dòng)現(xiàn)象。

6.1 振動(dòng)幅值和主頻測(cè)量數(shù)據(jù)

振動(dòng)幅值和主頻測(cè)量數(shù)據(jù)，見表4。

表4 振動(dòng)幅值和主頻

6.2 蝴蝶閥閥板處理后的測(cè)量數(shù)據(jù)分析

通過對(duì)閥板的筋板出水邊的修型打磨，改變了蝴蝶閥后的卡門渦街頻率，使得水力激振頻率遠(yuǎn)離了蝴蝶閥固有頻率，蝴蝶閥振動(dòng)幅值也降低了近20倍。

7 結(jié)束語

（1）利用卡門渦街原理，正確分析了蝴蝶閥振動(dòng)的主要因素，并成功解決了卡門渦街產(chǎn)生的有害共振。

（2）通過對(duì)蝴蝶閥閥板的筋板出水邊進(jìn)行修型，可以改變流體繞行閥板的卡門渦街頻率，使得水流流過蝴蝶閥后的水力激振頻率與蝴蝶閥固有頻率不發(fā)生耦合，消除了共振產(chǎn)生的必然條件。