蝶閥振動原因分析及處理

姜自中，林成傳

（中國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機工程是中國在“一帶一路”沿線國家承建的項目之一，在原有基礎上擴建裝機容量為2×150 MW的兩臺混流式機組，額定水頭89 m，機組流量188 m3/s，采用一機一洞引水方式。此擴機電站為地下廠房。在每臺蝸殼上游側安裝一臺DN5780 蝶閥，采用雙密封結構，設置一道工作密封，工作密封采用彈性密封，設置一道檢修密封，檢修密封采用金屬硬密封，活門為雙平板偏心結構，蝶閥采用雙重錘式，接力器采用雙直缸搖擺式，機組開機時帶負荷130 MW，蝶閥振動正常，帶負荷到140 MW 以上，發現蝶閥振動異常。

1 振動原因分析

水力機械的振動發生于運行中的各類運行設備，振動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的流態、設備結構和制造、安裝的質量。初步分析產生振動原因可能如下：①流道、閥體閥板內和固定導葉等位置存在異物；②閥板、加強筋的進出水邊端部加工形狀與設計圖紙不符；③制造和現場組裝、安裝中，各部件裝配尺寸不符合設計要求；④機組振動對蝶閥的影響；⑤蝶閥出水邊產生卡門渦對蝶閥振動的影響。

通過現場試驗，發現各工況下機組振動、擺度不大，排除機組振動對蝶閥產生的影響；對蝶閥安裝尺寸及結構進行檢查，發現均符合加工、安裝要求。因現場檢測手段有限，邀請中水科對水輪機進水蝶閥振動開展現場試驗，測定蝶閥在不同過流條件下的閥體振動、噪聲及進出口壓力脈動特性。

2 現場試驗及分析

壓力測點布置方案：蝶閥前壓力，蝶閥后壓力，蝸殼進口壓力，無葉區壓力，尾水錐管壓力。試驗工況：在上游水位482.61 m，下游水位385.40 m，分步調節機組負荷到75 MW、100 MW、120 MW、130 MW、135 MW、140 MW、145 MW、150 MW，每個工況在負荷穩定后采集數據（表1、表2）。

（1）機組額定轉速為150 r/min，轉頻為2.5 Hz。在75.42～119.52 MW 負荷段，機組蝶閥前、后壓力脈動主頻為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 的負荷下，蝶閥前、后壓力脈動主頻為36.42 Hz，與該工況下噪聲、振動、加速度測點主頻保持一致。

表1 壓力脈動主頻統計

表2 振動測點主頻統計

（2）蝸殼進口、無葉區、尾水椎管壓力脈動。在75.42～119.52 MW負荷段，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 負荷段，蝸殼進口、無葉區、尾水椎管壓力脈動主頻為2.5 Hz 左右的轉頻，并未出現其他異常頻率。

（3）在75.42～134.40 MW 負荷段，蝶閥后垂直振動、蝶閥前加速度、蝶閥后加速度均出現異常高頻信號，在139.53～150.01 MW負荷段所有振動測點振動幅值均出現異常增大，并以36.42 Hz左右的頻率為主。

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

（5）異常振動的幅值與主頻隨著流量的上升均有明顯變化。

3 理論計算

對蝶閥渦街頻率進行理論計算。當水繞過蝶板時，會在蝶板各主板、筋板尾部產生卡門渦街，卡門渦街交替產生并脫落，將產生交變力，使蝶板產生振動，當交變頻率與蝶板固有頻率相等或相接近時，將會發生共振，使蝶板振動加劇。蝶板主板和各個筋板結構如圖1 所示。

渦街的頻率f 與流速v 及旋渦發生體的卡門渦分離點厚度d，有如下關系：f=St×（V/d）。式中，St 為斯特勞哈爾數，是一個試驗統計值，St 近似于0.27。計算出各主板筋板理論上的渦街頻率（表3）。

圖1 蝶閥筋板結構

表3 計算各主板筋板的理論渦街頻率

從以上資料分析：蝶閥振動很可能是由卡門渦引起的。在139.53～150.01 Hz 負荷段，所有振動測點振動幅值均出現異常增大，并以36.42 Hz 左右的頻率為主，說明測得的固有頻率為36.42 Hz 左右；廠家計算的筋板A 渦街頻率為39.7 Hz，兩頻率很接近，因此產生共振。

4 處理方案

對蝶板上筋板A 和筋板B 出水邊打磨修整，提高渦街頻率，使其遠大于閥門系統的固有頻率（表4）。通過計算分析可以看出，經過修型后，筋板A 和筋板B 產生的渦街頻率已遠離閥門系統的固有頻率。處理后重新開機，蝶閥振動消除，修型開機前后數據對比見表5。

表4 修型后計算筋板A、B 產生的渦街頻率

表5 150 MW 負荷下幅值結果對比統計

閥修型后測量結論：在150 MW 的試驗工況下，蝶閥前振動幅值下降至26.55 μm，蝶閥后振動幅值下降至14.99 μm。

5 結語

水力機械的強烈振動不僅會縮短設備的使用壽命還會對運行人員的健康和廠房結構等產生不良影響，須及時處理。本電站安裝兩臺結構相同蝶閥，一臺運行正常，一臺產生振動，說明引水鋼管流道中的流態對振動有著重要的影響。振動產生原因雖然很復雜，本電站通過現場試驗結合理論計算印證，找出振動產生根源，這樣處理起來事半功倍，值得同仁借鑒。