潜艇均衡系统自流注水调节阀稳态噪声试验研究

2021-05-17胡华兵朱爱华伍来智

舰船科学技术 2021年4期

金荣，黄政，胡华兵，朱爱华，伍来智

(中国船舶集团公司第七〇七研究所九江分部，江西九江 332007)

0 引言

在潜艇均衡系统中，由自流注水和均衡泵排水完成浮力调整。其中，自流注水是利用舱外压力经流量调节阀向舱内注水，由流量调节阀控制管路系统的流量。随着潜艇下潜深度的不断加深，自流注水时系统的振动噪声也不断恶化，主要由调节阀在调节流量时节流产生的湍流、空化等现象引起。因此，为了降低潜艇在自流注水过程中对系统产生的振动噪声，有必要开展自流注水时流量调节阀稳态振动噪声的试验研究工作[1-3]。

国内外学者在流量调节阀减振降噪理论方面开展了大量的研究，梁向东[4]通过理论与试验相结合的方法分析了节流导致管路振动噪声异常的现象，提出建议采用串联降压或并联小通径阀的方法调节管路背压，缓解气蚀现象；方超等[5]采用数值模拟的方法建立了通过调整水舱背压的低噪声改进设计方案，背压点为0 MPa，0.6 MPa，1.2 MPa。同时，也有一些学者开展了相关的试验研究，Y Liu等[6]建立了单级节流孔、二级节流孔以及三级节流孔试验模型，通过试验研究了在不同入口压力，相同背压试验条件下的空化特性。结果表明，空化程度与节流孔级数和工况压力都密切相关；蔡标华等[7]通过对均压系统的水力能量分布特点和主要噪声源进行分析，基于阀门节流空化噪声形成机理，提出多级节流降压的技术改进方案，并通过试验验证减振降噪效果。目前，结合潜艇均衡系统开展调节阀水动力噪声的试验研究方面很少有相关文献报道。

本文在试验室中建立模拟潜艇均衡自流注水管路系统，开展各影响因素（不同假海压力、不同系统流量、不同出口背压及串联两台调节阀）下，自流注水稳定后空气噪声、振动加速度及水动力噪声分布规律的试验研究工作，提出了自流注水减振降噪的有效措施，对潜艇声隐身设计具有重要的指导意义。

1 试验方法

模拟潜艇均衡系统自流注水管路试验原理如图1所示。其主要由空压机、水舱、手动球阀、管路、被试调节阀等组成，水舱容积为20 m3，系统管路通径为80 mm，注水管路总长约15 m，管路采用刚性支撑。通过向水舱1加入气压模拟不同假海深度，水舱2通大气，控制流量调节阀开度调节注水流量，实现模拟均衡系统自流注水过程。系统管路节点A和B处各布置1个0～4 MPa量程的压力传感器采集流量调节阀前、后两端压力值，采样频率2 kHz输出信号4～20 mA；在流量调节阀进出口法兰各布置2个振动加速度传感器，分别采集自流注水过程中进出口法兰R方向（法兰径向）、Z向（管路水流方向）的振动加速度级值，振动加速度基准值为10-6m/s2；在距离流量调节阀出口中心线水平面下游1 m并距管壁1 m处布置了传声器测量自流注水过程中的空气噪声值，空气噪声基准值为2×10-5Pa，并对其进行A计权计算；在距流量调节阀进出口法兰100 mm处各布置了一个水听器测量自流注水过程的水动力噪声，水动力噪声基准值为10-6Pa。

图1 模拟潜艇均衡自流注水试验系统Fig.1 Simulation experiment system of the submarine trimming self flow water injection

模拟潜艇均衡系统自流注水的试验过程主要包括：水舱1充压→调节流量调节阀至预定开度→开启管路中手动球阀→关闭管路中手动球阀。自流注水过程的稳态噪声研究工况见表1。

表1 自流注水过程稳态噪声试验研究工况表Tab.1 Steady noise test condition for self flow water injection

2 试验结果与分析

2.1 假海压力

图2为系统流量为72 m3/h，出口背压为0，单台调节阀时不同假海压力下自流注水稳态振动噪声的变化曲线。由图可知，随着假海压力从0.5 MPa增加至3 MPa，空气噪声、振动加速度级及水动力噪声均呈逐渐增大趋势。空气噪声由72.4 dB（A）增大至80.5 dB（A），其中在0.5～1 MPa假海压力下，增大幅度尤其明显；振动加速度由154 dB增大至169 dB，其中在1.5 MPa假海压力以下，流量调节阀进出口法兰振动级比较接近。随着假海压力的增大，入口法兰的振动加速度级增幅明显增大；水动力噪声由198 dB增大至209 dB，其中在1.0 MPa假海压力以下，水动力噪声比较接近。随着假海压力的增大，入口水动力噪声明显高于出口水动力噪声。试验结果表明：随着假海压力的增大，空气噪声、振动加速度级、水动力噪声均随着假海压力的增大而增大，在流量调节阀入口的振动噪声级增幅明显大于出口。

2.2 系统流量（开度）

图3为在1.5 MPa假海压力，出口背压为0 MPa，单台调节阀时不同流量下自流注水稳态振动噪声的变化曲线。通过调节流量调节阀开度实现均衡系统自流注水流量的调节，间隔为10°。由图可以看出，随着流量调节阀开度的增大，空气噪声呈增大趋势，由64.7 dB（A）增大至94.7 dB（A），增大30 dB。在30°以下，空气噪声增大趋势较为明显；流量调节阀进出口法兰的振动加速度级随着开度的增大呈现先增大后减小的趋势。在60°以下，进出口法兰振动加速度级随着开度增大而增大，在30°以下增大幅度较为明显。在60°以上，进出口法兰振动加速度级随着开度增大出现了下降趋势；流量调节阀进出口水动力噪声随着开度的增大也呈现先增大后减小的趋势。在60°以下，进出口水动力噪声随着开度增大而增大，在30°以下增大幅度较为明显。在60°以上，进出口水动力噪声随着开度增大出现了下降趋势。试验结果表明：随着开度的增大，空气噪声呈现逐渐增大的趋势；振动加速度级及水动力噪声随着开度的增大呈现先增大再减小的趋势，峰值处于 60°～70°之间。

图2 不同假海压力下自流注水稳态振动噪声变化曲线Fig.2 Steady vibration and noise curve under different simulation ocean pressure

2.3 出口背压

图3 不同开度下自流注水稳态振动噪声变化曲线Fig.3 Steady vibration and noise curve under different opening degree

图4为系统流量为72 m3/h，假海压力为2 MPa，单台调节阀时不同出口背压下自流注水稳态振动噪声的变化曲线。由图可知，空气噪声随着出口背压的增大出现先增大再减小的趋势。从无背压增大至0.3 MPa的出口背压的过程中，空气噪声增大了5.8 dB，接着由0.3 MPa增大至0.5 MPa时，空气噪声下降了4.8 dB；入口振动加速度级随着出口背压的变化不大，出口振动加速度级呈现先增大再减小的趋势，在0.2 MPa出现了峰值。入口水动力噪声随着出口背压的增大总体出现下降的趋势，出口水动力噪声呈现先增大再减小的趋势，在0.2 MPa处出现明显峰值。试验结果表明：出口背压对均衡系统自流注水稳态振动噪声有明显的影响，在自流注水过程中，应避免出现0.5 MPa以下的出口背压。

2.4 串联调节阀

表2为假海压力为3 MPa，出口背压为0，系统流量为72m3/h，串联2台调节阀与单台调节阀时自流注水稳态振动噪声的试验对比数据。从表中可以看出，串联2台调节阀时，振动噪声值明显下降。空气噪声下降了2.9 dB，入口法兰振动加速度级下降了18～22 dB，出口法兰振动加速度级下降了4～6 dB，入口水动力噪声下降了16 dB，出口水动力噪声下降了9 dB。试验结果表明：串联两台调节阀可以大幅降低振动噪声，尤其是入口法兰振动加速度级和水动力噪声。