蝶阀振动原因分析及处理

姜自中，林成传

（中国水利水电第十六工程局有限公司，福建福州 350019）

0 引言

津巴布韦卡里巴南岸扩机工程是中国在“一带一路”沿线国家承建的项目之一，在原有基础上扩建装机容量为2×150 MW的两台混流式机组，额定水头89 m，机组流量188 m3/s，采用一机一洞引水方式。此扩机电站为地下厂房。在每台蜗壳上游侧安装一台DN5780 蝶阀，采用双密封结构，设置一道工作密封，工作密封采用弹性密封，设置一道检修密封，检修密封采用金属硬密封，活门为双平板偏心结构，蝶阀采用双重锤式，接力器采用双直缸摇摆式，机组开机时带负荷130 MW，蝶阀振动正常，带负荷到140 MW 以上，发现蝶阀振动异常。

1 振动原因分析

水力机械的振动发生于运行中的各类运行设备，振动的大小取决于许多因素，其中最重要的包括不同工况下流道内的流态、设备结构和制造、安装的质量。初步分析产生振动原因可能如下：①流道、阀体阀板内和固定导叶等位置存在异物；②阀板、加强筋的进出水边端部加工形状与设计图纸不符；③制造和现场组装、安装中，各部件装配尺寸不符合设计要求；④机组振动对蝶阀的影响；⑤蝶阀出水边产生卡门涡对蝶阀振动的影响。

通过现场试验，发现各工况下机组振动、摆度不大，排除机组振动对蝶阀产生的影响；对蝶阀安装尺寸及结构进行检查，发现均符合加工、安装要求。因现场检测手段有限，邀请中水科对水轮机进水蝶阀振动开展现场试验，测定蝶阀在不同过流条件下的阀体振动、噪声及进出口压力脉动特性。

2 现场试验及分析

压力测点布置方案：蝶阀前压力，蝶阀后压力，蜗壳进口压力，无叶区压力，尾水锥管压力。试验工况：在上游水位482.61 m，下游水位385.40 m，分步调节机组负荷到75 MW、100 MW、120 MW、130 MW、135 MW、140 MW、145 MW、150 MW，每个工况在负荷稳定后采集数据（表1、表2）。

（1）机组额定转速为150 r/min，转频为2.5 Hz。在75.42～119.52 MW 负荷段，机组蝶阀前、后压力脉动主频为0.52～0.68 Hz，可知由尾水涡带频率以及水力因素引起的低频为主；在150 MW 的负荷下，蝶阀前、后压力脉动主频为36.42 Hz，与该工况下噪声、振动、加速度测点主频保持一致。

表1 压力脉动主频统计

表2 振动测点主频统计

（2）蜗壳进口、无叶区、尾水椎管压力脉动。在75.42～119.52 MW负荷段，主频为0.52～0.68 Hz，可知由尾水涡带频率以及水力因素引起的低频为主；在134.40～150 MW 负荷段，蜗壳进口、无叶区、尾水椎管压力脉动主频为2.5 Hz 左右的转频，并未出现其他异常频率。

（3）在75.42～134.40 MW 负荷段，蝶阀后垂直振动、蝶阀前加速度、蝶阀后加速度均出现异常高频信号，在139.53～150.01 MW负荷段所有振动测点振动幅值均出现异常增大，并以36.42 Hz左右的频率为主。

（4）蝶阀后加速度振动幅值在不同负荷下均大于蝶阀前加速度振动幅值，在高负荷的工况下表现尤为明显。

（5）异常振动的幅值与主频随着流量的上升均有明显变化。

3 理论计算

对蝶阀涡街频率进行理论计算。当水绕过蝶板时，会在蝶板各主板、筋板尾部产生卡门涡街，卡门涡街交替产生并脱落，将产生交变力，使蝶板产生振动，当交变频率与蝶板固有频率相等或相接近时，将会发生共振，使蝶板振动加剧。蝶板主板和各个筋板结构如图1 所示。

涡街的频率f 与流速v 及旋涡发生体的卡门涡分离点厚度d，有如下关系：f=St×（V/d）。式中，St 为斯特劳哈尔数，是一个试验统计值，St 近似于0.27。计算出各主板筋板理论上的涡街频率（表3）。

图1 蝶阀筋板结构

表3 计算各主板筋板的理论涡街频率

从以上资料分析：蝶阀振动很可能是由卡门涡引起的。在139.53～150.01 Hz 负荷段，所有振动测点振动幅值均出现异常增大，并以36.42 Hz 左右的频率为主，说明测得的固有频率为36.42 Hz 左右；厂家计算的筋板A 涡街频率为39.7 Hz，两频率很接近，因此产生共振。

4 处理方案

对蝶板上筋板A 和筋板B 出水边打磨修整，提高涡街频率，使其远大于阀门系统的固有频率（表4）。通过计算分析可以看出，经过修型后，筋板A 和筋板B 产生的涡街频率已远离阀门系统的固有频率。处理后重新开机，蝶阀振动消除，修型开机前后数据对比见表5。

表4 修型后计算筋板A、B 产生的涡街频率

表5 150 MW 负荷下幅值结果对比统计

阀修型后测量结论：在150 MW 的试验工况下，蝶阀前振动幅值下降至26.55 μm，蝶阀后振动幅值下降至14.99 μm。

5 结语

水力机械的强烈振动不仅会缩短设备的使用寿命还会对运行人员的健康和厂房结构等产生不良影响，须及时处理。本电站安装两台结构相同蝶阀，一台运行正常，一台产生振动，说明引水钢管流道中的流态对振动有着重要的影响。振动产生原因虽然很复杂，本电站通过现场试验结合理论计算印证，找出振动产生根源，这样处理起来事半功倍，值得同仁借鉴。