水轮机双偏心蝶阀建模方法的探讨

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【摘 要】阐述了双偏心蝶阀直接建模的弊端。结合某电站进水蝶阀的基本参数，完成了强度、直径等计算，并且在三维造型软件的装配设计模块中，分别构建蝶阀各个部件，再利用部件间的相对约束关系进行整体装配造型。为后续产品的结构强度分析、力学特性计算提供理论基础。

【关键词】蝶阀；装配；模型

【Abstract】In the process of butterfly valve desigh. First，choose the calculation parameters of valve. Second，draw the 3D parts. And then， set up a 3D modeling on the method of assembly in Assembling desigh module of . The result provides a basis for strength analysis.

【Key words】Butterfly valve； Assembly； Modeling

0 引言

对于混流式水轮机而言，其水流进口端通常设置有蝶阀。它的主要功能[1]是：当机组正常停机时，阻断水流，并减小流体在机组中的沿程水头损失。由此可见，蝶阀的性能优劣，直接关系到整机的效率和运行的稳定性。故合理的设计，对于混流式水轮机的高效、稳定运行，具有举足轻重的意义。

传统的蝶阀设计方法，主要是直接进行CAD二维工程图造型。具体操作方式是：所有的蝶阀零部件，均以三视投影图的形式，在平面图上进行尺寸、精度的表述。该方法的优点在于设计图纸能够直接用于施工。但是，这种设计方式却也存在一些不足之处：（1）阀门的设计，强度性能和内部流场特点往往是非常关键的指标。而二维平面模型，数值计算只能用于简单、规则的零部件结构。对于双偏心蝶阀而言，结构及其复杂，二维模型几乎无法实现数值计算。（2）工程图的绘制，表现出的只是阀门关闭时刻得瞬时状态。而运行状态下，零部件之间是否会有干涉现象（如蝶阀活门全开时，重锤的位置是否会与取水管座等部件碰撞，便无法确定。（3）阀门设计，牵涉到招标运输等问题，因此机械部件的重量，必须计算精确。由于蝶阀的形状结构复杂，平面图上要计算出零部件的体积，相对困难。故采用先进的设计方法解决以上问题，显得十分必要。

利用三维造型软件，可以构建完整的蝶阀三维实体模型，即能够精确地实现产品的动力特性分析。同时，阀门在任意运行状态下的干涉性检查，零部件质量的计算，都可以在模型上实现。本文便是基于的三维建模，完成了某电站的双偏心进水蝶阀设计。

1 模型几何尺寸的计算

双偏心蝶阀的设计，是以某电站的基本参数（如机组类型、工作水头、蜗壳流线图尺寸等）为依据来确定的。根据电站参数，拟确定阀门的结构为卧式、双平板、带重锤的形式。阀门的几何尺寸计算，通常分为两步：（1）分别计算各零件的几何尺寸；（2）几何尺寸是否满足要求，需再进行强度核算。

1.1 蝶阀特征参数的计算

在混流式水轮发电机中，蝶阀的特征参数有：公称直径（D）、活门厚度（b）、接力器直径（dZ）以及阀轴直径（Df）等。

1.1.1 公称直径D的确定

公称直径的计算，与机组的金属蜗壳进口直径和最大工作水头有关。本文中，若机组的蜗壳进口断面直径为d，最大工作水头为Hmax，则公称直径的计算表达式[1]为：

由方程（1）可知，阀门的公称直径确定，活门厚度计算表达式为：

1.1.3 接力器直径dz的确定

本文中，拟对阀门选择摇摆式接力器，故直径计算方程为：

同理，分别能够计算出活门直径（Dh）、阀轴直径（Df）、阀轴长度（L）、推拉杆直径（Dt）等几何尺寸。

1.2 零部件强度校核

蝶阀零部件的几何尺寸确定之后。下一步工作，便是对所有零部件都进行压强、载荷、静水力矩的计算，以验算计算出的几何尺寸是否满足刚强度的标准。本文以阀轴设计为例，进行说明。

已知阀轴的剪应力方程：

假设阀轴材料采用锻35号钢，根据文献[2]的标准，材料许用屈服极限为：[？滓]=1200kg/cm2。若活门直径D=250cm，阀轴直径Df=30cm，阀轴长度Lf=17.4cm，则由公式（4）～（8），可得：？滓np=959kg/cm2 。故：？滓np

同理，阀门的其余零部件（如阀体、活门、接力器等）均需强度核算，以便校核设计参数的准确性。若验算结果都满足要求，便可以进行后续建模过程。反之，则需要重新计算尺寸。

2 蝶阀三维实体模型的建立

基本几何参数确定之后，建立三维实体模型的流程为：（1）建立各个零部件的三维实体模型（如上游管路、下游管路、活门等）。（2）进入的装配模块，根据相关部件的几何约束关系，定义相对位置，继而完成整体的造型工作。

2.1 阀门零部件的三维造型

双偏心蝶阀的主要零部件有：上游管路、下游管路、阀体、活门、阀轴、重锤、伸缩节。因此本文在模型构建时，只需要建立这7个零部件的三维模型即可。具体操作在的零件设计模块[3]实现：（1）草绘平面模型；（2）切换至设计模块，进行实体旋转、拉伸、抽壳等操作，完成模型构建。建立的三维模型如图1至图7所示。

2.2 蝶阀三维模型装配过程

将零件组装成整体的成品，是在的装配设计模块中实现。在操作界面当中，首先，逐级载入即将装配的零部件；其次，将阀体作为定位基准，固定其位置；第三，根据零部件之间的几何关联情况，利用偏移、角度旋转等命令完成装配。本文以阀体和活门装配为例，进行说明。

在双偏心蝶阀中，分析阀体和活门之间的关联特性：（1）二者同心；（2）活门两端的轴孔圆心和阀体两侧的轴孔圆心属同轴关系。由此可知，对这两个部件可以采用两种约束操作。（1）阀体和活门的圆心轴采用一致性约束；（2）二者相关联的阀轴孔圆心轴也进行同样的操作，继而装配过程完成（如图8所示）。

同理，根据其余各零部件的关系，逐级进行约束设置，完成整机的模型构建（如图9所示）。

2.3 干涉性检查

当混流式水轮机在正常发电的时候，蝶阀活门的状态是全开。此时，重锤的位置处在阀轴轴线90的地方，即上游管路的右上方。而该片区域由于存在取水管座等部件，因此，二者会不会发生干涉，需要进行验证。将模型调整至活门全开位置，此时的状态如图10所示。

由图10所示，重锤和取水管座没有干涉现象。故该双偏心蝶阀模型设计满足要求。

3 结语

在对某电站的蝶阀设计中，完成了模型特征参数的计算和强度校核工作；建立了蝶阀的主要零部件三维实体模型；最后，通过关联部件之间的几何关系，完成了整体三维实体模型的装配，为机组后续的有限元分析、重量的计算、产品的装配奠定了理论基础。

【参考文献】

[1]哈尔滨大电机研究所.水轮机设计手册[M].北京：机械工业出版社，1975.

[2]吴宗泽.机械设计师手册[M].北京：机械工业出版社，2002.

[3]杜黎蓉，林博正.V5 三维零件设计[M].北京：人民邮电出版社，2005.

[4]王旭，胡洪，王莉君，等.基于有限元法2MW水平轴风力发电机叶片模态分析[J].机械制造，2015，53（1）：9-11.

[5]李春，陈积强，马玉山，马明轩.蝶阀参数化建模的理论及应用[J].机械制造，2007，45（515）：20-23.

[6]陈兵，李霄，樊玉光，杜兆年.三偏心蝶阀三维建模与启闭运动仿真[J].机械设计与制造，2005（6）：126-127.

[7]张瑾.基于Pro /E和ANSYS的阀门实体建模与有限元分析[J].石油矿场机械，2008，37（1）：43-45.