低噪声控制阀优化设计及试验验证

何 涛，郝夏影，王锁泉，吴有生

（1.中国船舶科学研究中心 船舶振动噪声重点实验室，江苏 无锡214082；2.江苏省绿色船舶技术重点实验室，江苏 无锡214082）

低噪声控制阀优化设计及试验验证

何 涛1，2，郝夏影1，2，王锁泉1，2，吴有生1，2

（1.中国船舶科学研究中心 船舶振动噪声重点实验室，江苏 无锡214082；2.江苏省绿色船舶技术重点实验室，江苏 无锡214082）

控制阀在舰船管路系统中运行时受流体激励产生振动噪声，抑制阀门节流口空化及降低阀内流动脉动是低噪声控制阀设计的关键。该文基于计算流体动力学方法，以某型分层迷宫式控制阀为对象，进行了低噪声的优化设计。优化设计方案采取了一系列有利于抑制空化、均匀流场并降低流动脉动措施，包括应用双层渐变开孔阀套、入流整流装置、阀芯吸振装置、出流导流装置等。优化设计方案的流动计算分析结果表明，优化设计方案有利于降低振动噪声源。通过对普通控制阀、分层迷宫式控制阀和新型低噪声控制阀台架试验对比结果表明，相同水力状态下新型低噪声控制阀水动力噪声、振动响应和空气噪声皆显著降低，优化设计方案得到了试验验证。

控制阀；流体动力学；振动噪声；优化设计；试验验证

0 引 言

工业控制阀在船舶、航空、石油以及其他工业部门管路系统中都有重要应用[1-2]。管路系统的振动与噪声问题长期以来一直受到人们的普遍重视。目前管路系统中水泵等设备在进行低噪声设计及隔振处理后，设备振动噪声得到了较好的控制[3-4]。船舶管路系统特别是海水冷却系统中，控制阀起到调整水泵水力状态和配平冷却用户流量的作用，由水力激励引起阀体振动及船外辐射噪声问题日益凸显。因此，控制阀作为管路系统低噪声配置必需手段和元件，在水泵水力与声学匹配设计其振动噪声水平得到控制的情况下，如果控制阀的流体激励振动水平高仍然难以保证系统低噪声配置后管路整体声学效果[5]。为实现管路系统的低噪声设计目标，对控制阀进行低噪声优化设计是需要进行的工作。

为降低控制阀噪声国内外学者进行了较为丰富的研究。相关研究包括了计算分析、结构设计、试验验证等几方面。Fuchs[6-7]对水力调节元件进行了声源机理及安装影响研究。Mao Qing[8-9]等基于测试数据对水管路节流孔板引起的壁面流体脉动压力建模，并计算分析了流动激励管系振动特性。Hassis[10]基于试验分析技术进行了典型蝶阀和单通阀声源机理、空化特性参数和声传递共振特性相关性研究。Amini[11]以减压气阀为对象，以阀塞和阀座几何参数及配合角度为设计参数，进行了阀门低噪声工程实践；试验结果表明优化设计方案可显著降低阀体振动与气动噪声。Ziada[12]采用旁通导流设计降低了高压角阀的振动噪声水平。Young Joon An等[13]采用三维流体动力学计算方法，对液压天然气管路控制阀内流场进行了仿真，设计了分流阀套结构形式，计算结果表面分流多孔阀套设计在保证流动阻力调节性能的基础上起到了抑制空化和均匀流场的作用。国内张双德[14]和杨长安[15]等基于阀芯形面和节流孔几何参数进行了单节流口阀门优化设计，区分了几何参数对流动调节和气蚀性能的影响程度。综上所述，以上的参数影响规律及优化设计研究仍针对普通结构型式阀门，仍未对新型多级分流结构形式控制阀进行优化设计。

何涛[16]等基于计算流体方法验证了多级、分流、迷宫式低噪声控制阀设计原理，设计并分析了某型分层迷宫式控制阀流动特性。本文在前文基础上，形成了双层渐变开孔阀套、入流整流装置、阀芯吸振装置、出流导流装置等优化设计方案；计算结果显示优化设计方案有利于抑制空化、均匀流场并降低流动脉动；通过对普通控制阀、分层迷宫式控制阀和新型低噪声控制阀进行台架试验，试验验证了优化设计方案。

1 研究对象

基于分流、多级、迷宫流道等低噪声设计原理，进行了迷宫型式阀套的低噪声节流阀设计[16]。为实现全开低阻和小开度流量微调的流动特性，设计得到了包含上层穿孔、中层多迷宫流道、下层少迷宫流道三部分重叠形成的流通结构的阀套型式，如图1所示。

前文计算结果显示，分层迷宫式控制阀由于入流和出流不光顺的结构特征，分别在阀套腔体和阀套沿出流方向出口处形成大尺度漩涡结构，将形成额外噪声源强度；分层迷宫式控制阀阀套上部穿孔结构、中部多流道迷宫结构、下部少流道迷宫结构沿上下和环向流动速度不均匀，使得阀套出流产生高速区域及低压区域，对于空化及振动噪声的产生是不利因素。前文计算分析结果为本文优化设计指明了方向。

图1 控制阀体及不同节流型式Fig.1 Control valve body and layered throttle trims

2 优化设计方案及计算分析

为消除腔体内大尺度漩涡并均匀流场，控制出流速度并抑制空化产生，设计了图2所示新型低噪声控制阀。优化设计方案中包括双层渐变开孔阀套、入流整流装置、阀芯吸振装置、出流导流装置等。下面介绍相关设计及计算分析。计算方法在文献[16]中进行了介绍，这里不再赘述。

图2 低噪声控制阀整体优化设计方案Fig.2 Optimization designs of new type low noise valve

2.1 双层渐变开孔阀套

在原有上、中、下三层迷宫阀套的基础上，形成了双层环向、轴向渐变开口数阀套的新方案，如图3所示。一方面，此双层阀套克服了原阀套流通能力随开度变化骤降的缺点，在内层开度关闭过程中，流体通过层间空间向外层扩散，由于外层通流面积不变，有效控制了出流流体速度；另一方面，根据流动状态，设计由下至上节流孔逐渐增多，由背出口面至出口面节流孔逐渐减少，在原有结构阻力分布特性基础上，实现各节流口较为均匀的流速分布。两方面皆在控制出流速度的设计原理上达到低噪声设计目的。阀套优化设计前后流场计算结果由图4显示，相对于原分层阀套，双层渐变开孔阀套显著降低了阀套上部出口流速，阀套各个出流孔流速处于较为均匀的状态。

图3 双层渐变开孔阀套Fig.3 Two-double trim with uneven holes

2.2 入流整流及阀芯吸振装置

由图6（a），由于入流的不光顺，腔体内形成了大尺度漩涡，根据涡声理论，这是相当不利的。为消除阀腔体内漩涡结构，设计了图5（a）所示入流整流装置，安装于阀塞下部。由图6（b）所示，加入导流装置后，腔体内部的回流漩涡区域消失，并且高速区得到减轻，计算验证了入流整流装置的低噪声设计效果。考虑到来流脉动和腔体内流体脉动皆可引起阀体的振动，设计了如图5（b）所示阀芯吸振装置，在阀塞预留的中空部位中填充气囊，实现蓄能吸振的效果。

图5 入流整流及阀芯吸振装置Fig.5 Inlet guidance and plug vibration isolation device

图6 入流整流前后阀内流场速度分布Fig.6 Fluid velocity distributions in valve with and without inlet guidance

2.4 出流导流装置

阀出流涡流结构丰富，湍动能强度大，为主要的噪声源区域。为整理出流状态并降低出流湍流强度和脉动压力，设计了如图2所示出流导流消声装置。出流导流消声装置由两片穿孔铜片包裹橡胶内芯而成，一方面其结构构型分割出流口，起到导流降低出流湍流强度的作用；另一方面，其弹性和阻尼性质与流体耦合，可起到降低流体脉动压力并达到向下游传播声衰减的作用。

3 低噪声性能试验验证

为验证低噪声设计效果，对普通单座单节流口、分层迷宫式、新型低噪声控制阀等三种阀门安装于流噪声测试回路进行了水力与振动噪声综合特性测试。

3.1 测试系统及方法

阀门水力及声学综合特性测试回路如图7所示，由外驱动管路系统与内工作管路系统组成，外驱动管路系统安装有水泵，通过改变水泵转速达到调节测试回路中阀门流量的作用。阀门在测试段安装情况如图8所示。

图7 阀门水力与声学综合性能测试系统Fig.7 Testing system for hydro-vibration-noise characteristics of valves

图8 阀门在测试段安装情况Fig.8 Installation positions of three type valves

如图7所示，内外管路系统采用两个压力储水筒进行连接，储水筒与工作管路连接处布置水动力消声器对驱动回路水泵进行消声的作用，保证较高的信噪比使得测试回路测到的为阀门本身引起的水动力噪声。增加测试回路管壁厚度、管道与支撑件通过哈弗固定、支撑采用铁沙箱掩埋，起到减少振动对水动力噪声测量结果的影响。综上所述，在消除边界及环境影响情况下，可以在相同水力工况下测试阀门远端进出口流噪声源、阀体振动加速度振级、空气噪声，进行各型阀门声学性能优劣的评价。

基于管路元器件水动力噪声源特性测试方法进行阀门水动力噪声源获取[17-18]。基于平面声波传播理论，可以用进、出口端分别单向辐射行波的声压，以及在进、出口端从声源传出和传向声源的行波声压之间的被动特性矩阵来完整地描述双端口声学模型。阀门水动力噪声主被动源特性可以由以下散射模型表示：

对于双端口模型，源参数提取方法包括三种：（1）两负载法、（2）两位置声源法、（3）两声源法。本文采用两负载法进行阀门水动力噪声源特性的测量：首先在阀门声源的进口段外加一个强声源，通过改变阀门声源出口端的外接负载阻抗两次，提取阀门的被动源特性T；然后撤去进口段的强声源，利用提取出来的［A］来进一步提取出阀门的主动特性。

3.2 三型阀门水力及声学性能对比分析

为简化叙述，普通单座单节流口、分层迷宫式、新型低噪声控制阀等三种阀门分别代号为 Valve A、Valve B、Valve C。控制阀基本水力特性由阻力系数ξ= ΔP/（ρU2/2 ）表征。测试获取三种阀门开度/阻力特性如图9所示，其中圈数越多、开度越小、阻力越大。Valve A作为单节流口形式，在阀门全开时通流面积大阻力较小，但开度/阻力系数曲线过于陡峭，调节性能较差；Valve B由于采用了迷宫形式，尽管采用了分层设计阀门全开时阻力仍然较大；Valve C采用双层非对中降压阀套筒形式，在全开时阻力与Valve A相当，且开度/阻力系数曲线较为平缓与Valve B相当，具有大开度下阻力小和阻力调节平缓等两方面的优势。

图9 三型阀门开度/阻力性能Fig.9 Fluid resistance coefficients of three type valves under different openings

图10 阀门水动力噪声Fig.10 Hydrodynamic noise levels of three type valves

图11 阀体振动加速度响应Fig.11 Vibration acceleration levels of three type valves

图12 阀门空气噪声Fig.12 Air noise levels of three type valves

如图9所示，阀门Valve A、Valve B和Valve C在阀门开度分别为18.8%、100%和50%的情况下，三种阀门具有相同阻力系数，即具有相同流量/压降水力状态。下面以流量140 m3/h，压降22 m工况为例，进行三型阀门水动力噪声、振动加速度和空气噪声综合声学性能对比。

由图10所示，水动力噪声总级由Valve A、Valve B和Valve C依次降低5～10 dB左右。Valve A在此水力工况下存在空化，因此整个频段噪声级皆较大；Valve B通过迷宫式多级降压设计抑制了空化，获得了整个频段水动力噪声的降低；Valve C由于采用了入流导流装置，消除了腔体内大尺度漩涡，降低了漩涡噪声；此外，在阀套分流设计下噪声峰值频率向高频移动。由图11所示，阀体三向振动加速度总级由Valve A、Valve B和Valve C依次降低5～10 dB左右，与水动力噪声趋势相同。由图12所示，在阀门流体脉动压力降低的情况下，流激振动产生的空气噪声也得到了有效的抑制，按Valve A、Valve B和Valve C依次降低了约3 dB和5 dB。

4 结 论

本文以分层迷宫式控制阀为对象，从抑制阀内空化及降低水力脉动角度出发，采用多级、分流、迷宫式低噪声控制阀设计原理，开展了控制阀的低噪声优化设计。优化设计方案包括双层渐变开孔阀套、入流整流装置、阀芯吸振装置、出流导流装置等。基于计算流体动力学方法进行了优化方案分析与校核，基于控制阀水力与声学综合特性测试验证了优化设计方案。得到的具体结论如下：

（1）双层阀套由于在内层开度关闭过程中，流体通过层间空间向外层扩散，有效控制了出流流体速度；此外环向、轴向渐变开口数，在原有结构阻力分布特性基础上，实现各节流口较为均匀的流速分布。

（2）由于阀体入流的不光顺，腔体内形成了大尺度漩涡，仿真结果显示入流整流装置可消除阀腔体内漩涡结构。

（3）对三型阀门水力及声学综合性能测试表明：新型低噪声控制阀水力调节性能更优；相同水力状态下，水动力噪声、阀体振动和空气噪声按普通控制阀、分层迷宫式控制阀和新型低噪声控制阀依次降低；新型低噪声控制阀低于普通控制阀约10 dB，具有优异的低噪声性能。

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Optimization design and experimental verification on low noise control valve

HE Tao1,2,HAO Xia-ying1,2,WANG Suo-quan1,2,WU You-sheng1,2
(1.National Key Laboratory on Ship Vibration&Noise,China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China; 2.Jiangsu Key Laboratory of Green Ship Technology,Wuxi 214082,China)

Control valves used in ship piping system become vibration and noise sources because of fluid dynamic excitation,low noise designs of control valves focus on suppressing inception of cavitations and evening flow dynamic characteristics.In this paper,some optimizations are used to control valve noise.The optimizations are two-double trim with uneven holes,inlet guidance,plug vibration isolation device,outlet guidance.CFD results show that the optimizations are effective.Experimental results on normal,layered labyrinth and new type low noise valves show that new type low noise valve behaves better hydrodynamic noise,vibration and air-noise performances.The optimization designs on low noise control valve are verified experimentally.

control valve;fluid dynamics;vibration and noise;optimization design; experimental verification

U664.5

：Adoi:10.3969/j.issn.1007-7294.2017.05.015

1007-7294（2017）05-0642-09

2017-03-31

江苏省自然科学基金—青年基金资助项目（BK2012096）

何 涛（1983-），男，高级工程师，E-mail：cssrc_ht@163.com；郝夏影（1984-），女，工程师。