進水球閥密封效果的有限元方法分析

摘 要：對于高水頭水輪機的進水球閥，在各種運行工況下的安全性和球閥使用時的可靠性對于整個機組有決定性的影響。因此，球閥的各個部件必須要計算的足夠精準，球閥密封環和密封座的變形要計算的足夠準確，才能夠幫助設計人員進行準確的設計和優化。

關鍵詞：球閥；密封；有限元

1 模型描述

根據常用的高水頭球閥的結構形式，建立其三維實體模型，模型包括球閥閥體、活門、上下連接管及其連接螺栓、檢修密封環和工作密封環。在有限元前處理軟件hypermesh中進行有限元網格的劃分，在該有限元模型中共包括節點723055個，單元911557個，有限元模型的各個部件均采用六面體單元進行劃分，只有球閥活門遠離樞軸位置采用四面體單元。各部件之間按照工作關系建立接觸行為。密封環周圍由于有密封，密封環和連接環及閥體之間采用無摩擦接觸進行仿真。按照不同工況施加載荷和約束，模型中考慮到連接螺栓的預緊力，計算時考慮到球閥最大水壓和升壓水頭工況下密封環正常投入、活門全開時的最大水頭升壓水頭、檢修密封投入時球閥受到最大水壓。

球閥整體分析計算屬于大型裝配結構的有限元仿真，存在以下幾個問題：（1）由于部件尺度差別大，有限元仿真模型的網格質量要求比較高，同時，網格和節點的數量多，計算時將耗費時間，計算成本較高；（2）模型中接觸行為較多，而且，有幾個單獨部件屬于懸空狀態，因此，模型的收斂性很差，需要多次進行模型調整才可以保證計算順利；（3）對于計算出來的結果，必須進行準確性的判斷，同時，也要調整模型，使得網格和有限元模型的差別引起計算結果產生偏差的量最小。（4）計算結果的評價標準的判別。

2 有限元計算結果

在正常的工作密封投入，機組受到最大水頭工況作用時，球閥的內部相對應位置將受到水壓力作用；密封環受到密封壓力的作用，激活密封環與密封座之間的接觸行為。在下連接管位置施加軸向約束，球閥閥體地腳位置施加數值方向的約束，機組的截面施加對稱約束，進行有限元計算。

2.1 球閥計算結果

經過計算，球閥最大變形是活門由于水壓造成的，最大的軸向變形量為1.86mm。

2.2 密封環計算結果

經過計算，在正常的工作密封投入，機組受到最大水頭工況作用時，密封環的最大綜合應力為139MPa。主要是由于密封座與密封環接觸產生的接觸擠壓應力。

經過計算，密封環受到的密封接觸壓力為176.8MPa，也就是說明，在密封環與密封座相接觸的位置，存在一個接觸區域，該區域的最大接觸壓力為176.8MPa，密封環的剛度設計可以滿足球閥在關閉時，能夠具有良好的封水性能。

沿著路徑，考察密封環的接觸狀態。密封面接觸壓力為106MPa到172MPa之間；在水壓力的作用下，密封環的密封面的軸向相對變形在1.08mm到0.65mm之間。如果密封座的變形超過這些值，那么說明密封效果會產生失效的可能。

經過計算，取出密封環的密封面橫截面，考察接觸壓力沿著密封面法向的變化趨勢，發現有接觸壓力的范圍為35mm～57mm，也就是接觸面的寬度有22mm以上。

2.3 活門計算結果

經過計算，計算結果顯示，在封水工況時，球閥活門的最大軸向絕對變形為1.86mm。

經過計算，樞軸根部的最大綜合應力為272.0MPa。應力水平很高，在球閥的設計時，還要進行優化計算，來降低其關鍵部位的強度水平。

去除掉樞軸，活門本體的最大綜合應力為91.0MPa。相對材料來說，應力水平較低，活門本身滿足強度要求。

3 結束語

通過對實例球閥的計算研究，找到了一個新的球閥計算方法，該方法基于大型非線性有限元軟件的仿真計算，利用豐富的接觸選項和非線性計算特點，成功的一次性進行球閥整體模型的求解。成功的得到了常規關心的閥體、活門及樞軸、連接管、連接螺栓等部件的強度和變形分析結果，而且得到了球閥密封效果的決定性因素：密封環和密封座的變形以及相互之間的接觸應力分布情況、有效的接觸面積，為以后的高水頭球閥設計和優化打下很好的研究基礎。