針對電站水輪機蝶閥的加強筋板開裂問題，提出了筋板補強方案，利用ANSYS 有限元軟件，分別對補強前后蝶板結構的振動特性進行了計算和比較。研究結果顯示，補強后蝶板結構的各階固有頻率值有了不同程度的提高，而蝶板結構的振型在第4 階后也出現了較大差異的變化，然而這并不能避免卡門渦的出現。通過對蝶板修型，大幅度的提高了蝶板結構的卡門渦頻，以此可以避免卡門渦的產生。

1、概述

　　在大型水力設備中，蝶閥得到廣泛的應用。長期以來，對蝶閥過多關注的是其強度問題，而振動特性方面的研究常常被忽視。本文以電站水輪機蝶閥的蝶板結構為研究對象，通過ANSYS 有限元軟件，對出現故障蝶板結構的振動特性進行了分析。

2、問題分析

　　某電站水輪機的蝶閥，在蝶板結構40mm 厚的加強筋板與上下蓋板交接處出現了開裂( 圖1，圖中補強位置為筋板開裂位置) ，裂紋長為500mm。根據裂紋出現的位置及尺寸，在裂紋出現的位置進行了補強處理，即在裂紋處筋板焊接四塊補強板，補強板的添加不僅可以降低開裂位置的應力，也將對蝶板結構的振動特性產生影響。研究結果顯示，裂紋的出現并非是強度不夠造成的( 此處的應力遠低于許用應力) ，裂紋的形成與振動特性卡門渦頻振動有關。

( a) 原結構( b) 補強結構

圖1 蝶板FEM 模型

3、振動特性

　　3.1、計算模型及邊界條件

　　在計算蝶板結構振動特性時，選取整個蝶板結構為計算模型。全部采用實體六面體Solid95 單元劃分網格。根據蝶板結構實際的受力狀態，對邊界條件做了修正。即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。

　　3.2、振動差異

　　表1 給出了蝶板結構補強前后的20 階固有頻率。從表中數據可知，補強后固有頻率的值有了不同程度的提高( 除第1 階外) 。顯然，補強后蝶板結構的剛度得到了一定程度的提高。圖2 ～ 8 給出了補強前后蝶閥結構的振型。從圖中不難得出，補強前后的蝶閥振型前3 階振型基本相同，而從第4 階以后，結構的振型出現了明顯的差異。

表1 蝶板結構自振頻率Hz

 5、結語

　　有限元計算分析表明，筋板的補強雖然不同程度的提高了結構的固有頻率值，而且改變了結構從第4 階以后的振型，但無法避免卡門渦的產生。而對結構的修型，改變結構原本對稱的結構，可以避免卡門渦的產生。卡門渦振動會造成脫流旋渦渦列，渦列與蝶板產生共振時可引起激烈振動，并可誘發蝶板結構產生裂紋。鑒于電站蝶閥的實際情況，建議采用蝶板改型的方法避免卡門渦的產生。