多级多孔节流调节阀的声学特性研究

2024-01-25肖龙洲蔡标华

流体机械 2023年12期

肖龙洲，张政，蔡标华，方超，俞健

（武汉第二船舶设计研究所，武汉 430064）

0 引言

调节阀广泛应用于工业领域中以降低管道系统压力，防止某些情况下管道的巨大振动和噪声。但是调节阀本身在将压力势能转化为流体动能的同时也会产生振动与噪声，这种振动与噪声严重时甚至会造成管道结构故障和设备损坏［1-2］。

目前针对调节阀中的液动力已经有了非常多的研究［3-8］，但是很少有涉及调节阀振动和噪声的研究。YONEZAWA等［9］通过试验和数值方法研究了蒸汽调节阀阀头的振动，发现横向液动力会对阀头的振动增加负阻尼。MORITA等［10］发现当阀门处于中度开启状态时高压区沿着圆周旋转所产生的周期性非对称侧向载荷会引起阀体的振动。阀的噪声的预测可以参考IEC标准60534-8-3和60534-8-4［11-12］。BAUMANN等［13］提出了半经验的方法，用于预测管径为200 mm的充水管道减压时，距下游管壁1 m、节流阀下游1 m处的A计权声级，还研究了流体通过阀和相邻管道时产生的湍流流动以及空化所产生的噪声，并且可以实现±5 dB的预测精度［14-15］。

多级节流与多孔节流作为减小调节阀振动与噪声的一种重要方法［16］，目前也有诸多研究进展：王伟波等［17］通过对多孔式套筒调节阀中节流套筒的开孔设计，实现套筒模态频率避开流激振动频率，从而避免阀内流动流激振动的产生；LIU等［18］通过对高压差工况下单级与多级节流阀气蚀噪声的对比研究，发现多级节流阀可以对气蚀噪声进行有效的抑制。

无论是多孔节流还是多级节流，在调节阀的减振降噪方面均有非常显著的效果，但目前关于将多孔节流与多级节流原理结合设计的调节阀的研究还较少见，因此在上述研究的基础之上，参考典型球阀（TBV）结构，利用多孔节流与多级节流相结合的思路设计了多级多孔节流调节阀（MCV），并通过试验对比分析MCV与TBV的水力特性与声学特性。分析结果表明，MCV的开度与流量之间的变化规律接近线性，更适用于管路流量控制；相较于TBV，MCV内部的不对称流动与回流得到明显改善，其径向振动频谱图在低频范围内没有出现明显的峰值；在大部分工况下，MCV相较TBV具有更好的声学特性。

1 多级多孔节流调节阀结构设计

球阀广泛应用于工业领域和管道系统中，通过球形结构的旋转进行阀门开度调节。图1为典型球阀（TBV）结构示意。图中所示的TBV的过流面积随着球体的旋转而变化，在TBV的进口和出口处共出现两级节流。TBV球体通孔的公称直径为100 mm，其横截面积等于管道的横截面积。由于TBV通孔流道使得流阻较小，在小开度情况下高速流体入射方向与流道不平行，因此流体与流道之间产生碰撞，导致TBV的流致振动非常显著。因此利用多孔节流与多级节流的思路，在TBV的基础上设计了多级多孔节流调节阀（MCV），如图2所示。MCV用多孔球代替了TBV中的通孔球，并在MCV的进口和出口处各安置一个多孔板，多孔板孔的直径为4～6 mm不等，其中多孔板的位置是固定的，多孔球是可旋转的。MCV共存在4个节流阶段，每个节流阶段均经历一次多孔结构。除此之外，为了减小通过球体的局部流速以及确保多孔结构的孔截面积恒定，将MCV通孔的公称直径设计为150 mm。因此在相同的公称直径下，MCV的尺寸往往比TBV更大。

图1 典型球阀（TBV）结构示意Fig.1 Structural diagram of a traditional ball valve（TBV）

图2 多级多孔节流调节阀（MCV）结构示意Fig.2 Schematic drawing of a multi-stage multi-orifice throttle control valve（MCV）

2 试验台架及方案

为了将环境因素的影响降至最小，设计专门试验台进行试验，图3示出试验装置的原理。选择压缩空气作为系统动力源，压力水箱（PT）与下游水箱（WT）的容积均为60 m3，被测阀安装在两者之间的管路上。试验过程中PT作为压力源，WT仅作储水装置。PT，WT与被测阀通过软管相连以隔离管道上下游的振动。图中止回阀在试验过程中一直打开，待试验结束后关闭。PT出口处的电磁流量计用于流量监控。试验设置2个压力传感器与4个振动传感器。压力传感器分别安装在被测阀的进口和出口，用于测量被测阀进口与出口的压力值。振动传感器分别安装在阀门进口与出口的轴向与径向处，用于测量阀门轴向和径向振动。此外在阀门出口下游1 m、与管壁垂直1 m处装有1个传声器，用于测量被测阀噪声。流量计、传感器和传声器的详细信息见表1。

表1 试验设备参数Tab.1 Parameters of the experimental equipment

图3 试验装置原理Fig.3 Schematic diagram of the experimental rig

试验开始前PT中有30 m3水，WT中有10 m3水。随后增大PT中压力至测试值，将整个管道系统注满水，被测阀保持全闭。首先测量背景振动和声压级，确保后续试验的合理性。准备就绪后，打开被测阀增大管路流量。通过调节被测阀的开度将流量控制在恒定值。由于PT体积足够大，压力源压力变化极小，因此PT的压力可视作保持恒定。因此本试验装置适用于在确定工况下测量振动级和压力级。

3 结果与讨论

3.1 流量系数

阀门的水力特性十分重要且与其声学特性直接相关。阀门在不同工况下有不同的水力特性，因此，通常使用流量系数Kv表征通过阀门的流量［19］。

式中，Q为通过阀门的流量；Δp0为参考压差，MPa，Δp0=0.1 MPa；Δp为被测阀前、后的压降；ρ为水的密度；ρ0为参考密度，kg/m3，ρ0=1 000 kg/m3。式（1）表示温度在5～40 ℃之间，阀门前、后压差为0.1 MPa时，在特定的开度下，每小时通过阀门的流量。

图4示出了不同阀门开度δ下测得TBV和MCV的Kv值。由图可知，TBV的Kv值总是大于MCV的Kv值，且两者差值随着δ增大而增大。这是由于MCV存在4个节流阶段，因此相较TBV而言，MCV消耗更多的水力能。还可看出MCV的Kv值随着δ增大呈线性变化。因此相比较而言，MCV更适合管道系统中的流量控制。

图4 不同阀门开度δ下阀门流量系数曲线Fig.4 Flow coefficient curve of the valve under different opening δ

3.2 声学特性

对TBV和MCV进口与出口法兰径向和轴向振动加速度级Lv进行比较，结果如图5所示。由图可知，TBV进口法兰与出口法兰的径向Lv频谱图、轴向Lv频谱图分别具有相似性。如图5（a）（c）所示，TBV径向Lv频谱图在35～40 Hz和115～120 Hz处出现2个高达为123 dB的峰值。如图5（b）（d）所示，在频带为0～320 Hz上的TBV轴向振动比径向振动小，且不存在明显峰值。TBV的结构特点使得流体从阀腔的一侧流入并从另一侧流出，导致进、出口处存在径向流动不对称现象，可能引起阀进、出口和内部的不对称回流。TBV进、出口缩流断面处产生的不稳定射流和局部回流会导致径向的剧烈振动。

图5 TBV和MCV振动加速度级频谱分析Fig.5 Spectrum analysis of vibration acceleration levels of TBV and MCV

从图可见，与TBV相比，MCV的Lv值几乎在所有频带上均有明显降低，其中频带为0～320 Hz上的振动幅值降低尤为显著。且在频带为0～320 Hz上MCV的径向Lv频谱图中不存在TBV图中的2个峰值，并且其最大Lv值小于100 dB。然而在频带为2 000～3 000 Hz上，MCV出口法兰处的Lv值相较TBV有一定增大，其中局部峰值的最大值约为135 dB。

由于MCV在TBV结构的基础上做了优化改进，因此会出现不同的Lv频谱图。MCV中的固定多孔板和可旋转多孔球结构（见图2）可以减少MCV中回流的发生，并将射流分成多股小射流以增强环境流和射流的混合，因此对应的局部速度梯度也出现明显下降，相应地，回流变弱甚至在某些工况下消失。因此与回流相关的振动减弱了。

然而在频带为2 000～3 000 Hz上相较TBV而言，MCV出口法兰处的振动增大，产生更强烈的高频振动，更多机械能转换为高频振动能而非低频振动能。这是由于多孔射流在存在速度梯度时会产生更多涡流尺寸比单股射流小的局部涡流。

同时还对TBV与MCV的声学特性进行了试验测量研究。图6示出TBV和MCV（20 ～5 000 Hz）A计权声级（La）频谱，分别为Kv等于49.0，34.6，24.5三种工况下的测试分析结果。

图6 TBV和MCV的A计权声级频谱分析Fig.6 Spectrum analysis of A-weighted sound levels of TBV and MCV

Kv减小对应着阀门开度减小，ΔP从0.6 MPa增加到1.2 MPa，以及Q保持恒定的过程。测试结果表明，被测阀的声能主要集中在f＞160 Hz频带内。如图6所示，当Kv从49.0减小至24.5时，TBV产生更大的噪声。特别是当Kv=24.5时，La峰值最高达到73 dB。此外其La频谱在80～320 Hz频带上的峰值随着Kv的增加不断衰减甚至消失。显然当Kv增加时，TBV噪声峰值有往高频方向移动的趋势，这是阀门开度减小导致射流直径减小所造成的。

相比之下，随着Kv的减小，MCV的La频谱分布变化并不明显，且La频谱幅值仅略有增加，这与TBV的情况大相径庭。如图6中所示，在相同Kv工况下，MCV的声学特性相较TBV的声学特性更优，在几乎每一个频带上La值均有明显降低。当Kv=24.5时，MCV的La频谱图中仍没有产生明显的La峰值且La最大值仅为53 dB。

削弱噪声源是降低阀体空气辐射噪声的有效方法。被测阀辐射噪声主要有流体不稳定流动激起的阀体振动噪声和内部流体不稳定所导致的流体噪声2个来源。MCV采用四级多孔节流结构使阀体振动噪声和流体噪声得到抑制。此外，气蚀现象的减少也有助于改善阀的声学特性，当Kv比较小时尤为明显。通常来说，无论是局部的小气穴还是显著的气穴云，都会在阀门开度减小时在阀门的特殊位置产生气蚀。气穴的崩塌会产生相当大的机械噪声和流动噪声。因此在Kv=24.5，ΔP=120 m和Q=120 t/h的工况下，TBV中出现气蚀现象，并且出现若干个明显的La峰值。而在MCV中气蚀的产生得以极大延后，且多级节流减少了流道中的局部低压区域，进而抑制了气蚀效应。

3.3 振动与噪声对比

尽管在3.2节中对TBV和MCV的声学特性进行了比较，但是忽略了工况对被测阀振动与噪声的影响。考虑到实际工程应用，本节分别研究了0～315 Hz和0～6 000 Hz频带下的总振动级（TLv）和总声压级（TLa）。对不同工况下TBV和MCV的TLv频谱进行比较，结果如图7所示。实心点和空心点对应的范围分别为0～10 000 Hz（全频带）和0～315 Hz（低频带）。

图7 TBV和MCV 的总振动级比较（Q=120 t/h）Fig.7 omparison of the total vibration levels of TBV and MCV（Q=120 t/h）

如图7所示，无论是在全频段还是低频段，不同Kv工况下MCV的TLv值均比TBV小，且两者TLv差值最大接近15 dB，因此MCV的振动特性更优秀。当Q=120 t/h保持不变而Kv减小时，在0～10 000 Hz频带上TLv值反而呈平方增长。因此在阀门开度减小过程中阀门的振动能不断增大，这与3.2节中的结论一致。0～315 Hz频带与0～10 000 Hz频带上TLv频谱图的曲线有所不同，在0～315 Hz频带上当Kv减小时MCV和TBV 4个位置处的TLv值并非单调变化。对于TBV而言，当Kv减小至24.5时，TLv值略有下降。然而对于MCV而言，当Kv减小至34.6时，除了进口法兰径向以外，TLv值在每个方向上均达到了局部最小值。尽管如此，当Kv＜24.5时，TLv值在进口法兰径向上的增加趋势（图8（a））仍然出现了明显的降低。

图8 TBV和MCV A计权全声压级比较（Q=120 t/h）Fig.8 Comparison of the total sound levels （A-weighted）of TBV and MCV（Q=120 t/h）

图8示出了不同Kv工况下TBV和MCV的A计权总声级。无论是在低频带或是全频带，MCV产生的噪声均比TBV产生的噪声小，且两者TLa最大差值接近15 dB。在0～315 Hz频带和0～6 000 Hz频带上最大TLa值分别仅为65.3 dB和82.7 dB（Kv=21.9）。当Kv从120减少至21.9时，MCV和TBV在0～6 000 Hz频带上的TLa值逐渐增加。此外，当Kv减少至34.6时，TLa在0～315 Hz和0～6 000 Hz的变化和图8中TLv的变化类似。这是因为噪声的能量主要由阀门振动能量转换而来。