多級多孔節流調節閥的聲學特性研究

肖龍洲，張 政，蔡標華，方 超，俞 健

（武漢第二船舶設計研究所，武漢 430064）

0 引言

調節閥廣泛應用于工業領域中以降低管道系統壓力，防止某些情況下管道的巨大振動和噪聲。但是調節閥本身在將壓力勢能轉化為流體動能的同時也會產生振動與噪聲，這種振動與噪聲嚴重時甚至會造成管道結構故障和設備損壞［1-2］。

目前針對調節閥中的液動力已經有了非常多的研究［3-8］，但是很少有涉及調節閥振動和噪聲的研究。YONEZAWA等［9］通過試驗和數值方法研究了蒸汽調節閥閥頭的振動，發現橫向液動力會對閥頭的振動增加負阻尼。MORITA等［10］發現當閥門處于中度開啟狀態時高壓區沿著圓周旋轉所產生的周期性非對稱側向載荷會引起閥體的振動。閥的噪聲的預測可以參考IEC標準60534-8-3和60534-8-4［11-12］。BAUMANN等［13］提出了半經驗的方法，用于預測管徑為200 mm的充水管道減壓時，距下游管壁1 m、節流閥下游1 m處的A計權聲級，還研究了流體通過閥和相鄰管道時產生的湍流流動以及空化所產生的噪聲，并且可以實現±5 dB的預測精度［14-15］。

多級節流與多孔節流作為減小調節閥振動與噪聲的一種重要方法［16］，目前也有諸多研究進展：王偉波等［17］通過對多孔式套筒調節閥中節流套筒的開孔設計，實現套筒模態頻率避開流激振動頻率，從而避免閥內流動流激振動的產生；LIU等［18］通過對高壓差工況下單級與多級節流閥氣蝕噪聲的對比研究，發現多級節流閥可以對氣蝕噪聲進行有效的抑制。

無論是多孔節流還是多級節流，在調節閥的減振降噪方面均有非常顯著的效果，但目前關于將多孔節流與多級節流原理結合設計的調節閥的研究還較少見，因此在上述研究的基礎之上，參考典型球閥（TBV）結構，利用多孔節流與多級節流相結合的思路設計了多級多孔節流調節閥（MCV），并通過試驗對比分析MCV與TBV的水力特性與聲學特性。分析結果表明，MCV的開度與流量之間的變化規律接近線性，更適用于管路流量控制；相較于TBV，MCV內部的不對稱流動與回流得到明顯改善，其徑向振動頻譜圖在低頻范圍內沒有出現明顯的峰值；在大部分工況下，MCV相較TBV具有更好的聲學特性。

1 多級多孔節流調節閥結構設計

球閥廣泛應用于工業領域和管道系統中，通過球形結構的旋轉進行閥門開度調節。圖1為典型球閥（TBV）結構示意。圖中所示的TBV的過流面積隨著球體的旋轉而變化，在TBV的進口和出口處共出現兩級節流。TBV球體通孔的公稱直徑為100 mm，其橫截面積等于管道的橫截面積。由于TBV通孔流道使得流阻較小，在小開度情況下高速流體入射方向與流道不平行，因此流體與流道之間產生碰撞，導致TBV的流致振動非常顯著。因此利用多孔節流與多級節流的思路，在TBV的基礎上設計了多級多孔節流調節閥（MCV），如圖2所示。MCV用多孔球代替了TBV中的通孔球，并在MCV的進口和出口處各安置一個多孔板，多孔板孔的直徑為4～6 mm不等，其中多孔板的位置是固定的，多孔球是可旋轉的。MCV共存在4個節流階段，每個節流階段均經歷一次多孔結構。除此之外，為了減小通過球體的局部流速以及確保多孔結構的孔截面積恒定，將MCV通孔的公稱直徑設計為150 mm。因此在相同的公稱直徑下，MCV的尺寸往往比TBV更大。

圖1 典型球閥（TBV）結構示意Fig.1 Structural diagram of a traditional ball valve（TBV）

圖2 多級多孔節流調節閥（MCV）結構示意Fig.2 Schematic drawing of a multi-stage multi-orifice throttle control valve（MCV）

2 試驗臺架及方案

為了將環境因素的影響降至最小，設計專門試驗臺進行試驗，圖3示出試驗裝置的原理。選擇壓縮空氣作為系統動力源，壓力水箱（PT）與下游水箱（WT）的容積均為60 m3，被測閥安裝在兩者之間的管路上。試驗過程中PT作為壓力源，WT僅作儲水裝置。PT，WT與被測閥通過軟管相連以隔離管道上下游的振動。圖中止回閥在試驗過程中一直打開，待試驗結束后關閉。PT出口處的電磁流量計用于流量監控。試驗設置2個壓力傳感器與4個振動傳感器。壓力傳感器分別安裝在被測閥的進口和出口，用于測量被測閥進口與出口的壓力值。振動傳感器分別安裝在閥門進口與出口的軸向與徑向處，用于測量閥門軸向和徑向振動。此外在閥門出口下游1 m、與管壁垂直1 m處裝有1個傳聲器，用于測量被測閥噪聲。流量計、傳感器和傳聲器的詳細信息見表1。

表1 試驗設備參數Tab.1 Parameters of the experimental equipment

圖3 試驗裝置原理Fig.3 Schematic diagram of the experimental rig

試驗開始前PT中有30 m3水，WT中有10 m3水。隨后增大PT中壓力至測試值，將整個管道系統注滿水，被測閥保持全閉。首先測量背景振動和聲壓級，確保后續試驗的合理性。準備就緒后，打開被測閥增大管路流量。通過調節被測閥的開度將流量控制在恒定值。由于PT體積足夠大，壓力源壓力變化極小，因此PT的壓力可視作保持恒定。因此本試驗裝置適用于在確定工況下測量振動級和壓力級。

3 結果與討論

3.1 流量系數

閥門的水力特性十分重要且與其聲學特性直接相關。閥門在不同工況下有不同的水力特性，因此，通常使用流量系數Kv表征通過閥門的流量［19］。

式中，Q為通過閥門的流量；Δp0為參考壓差，MPa，Δp0=0.1 MPa；Δp為被測閥前、后的壓降；ρ為水的密度；ρ0為參考密度，kg/m3，ρ0=1 000 kg/m3。式（1）表示溫度在5～40 ℃之間，閥門前、后壓差為0.1 MPa時，在特定的開度下，每小時通過閥門的流量。

圖4示出了不同閥門開度δ下測得TBV和MCV的Kv值。由圖可知，TBV的Kv值總是大于MCV的Kv值，且兩者差值隨著δ增大而增大。這是由于MCV存在4個節流階段，因此相較TBV而言，MCV消耗更多的水力能。還可看出MCV的Kv值隨著δ增大呈線性變化。因此相比較而言，MCV更適合管道系統中的流量控制。

圖4 不同閥門開度δ下閥門流量系數曲線Fig.4 Flow coefficient curve of the valve under different opening δ

3.2 聲學特性

對TBV和MCV進口與出口法蘭徑向和軸向振動加速度級Lv進行比較，結果如圖5所示。由圖可知，TBV進口法蘭與出口法蘭的徑向Lv頻譜圖、軸向Lv頻譜圖分別具有相似性。如圖5（a）（c）所示，TBV徑向Lv頻譜圖在35～40 Hz和115～120 Hz處出現2個高達為123 dB的峰值。如圖5（b）（d）所示，在頻帶為0～320 Hz上的TBV軸向振動比徑向振動小，且不存在明顯峰值。TBV的結構特點使得流體從閥腔的一側流入并從另一側流出，導致進、出口處存在徑向流動不對稱現象，可能引起閥進、出口和內部的不對稱回流。TBV進、出口縮流斷面處產生的不穩定射流和局部回流會導致徑向的劇烈振動。

圖5 TBV和MCV振動加速度級頻譜分析Fig.5 Spectrum analysis of vibration acceleration levels of TBV and MCV

從圖可見，與TBV相比，MCV的Lv值幾乎在所有頻帶上均有明顯降低，其中頻帶為0～320 Hz上的振動幅值降低尤為顯著。且在頻帶為0～320 Hz上MCV的徑向Lv頻譜圖中不存在TBV圖中的2個峰值，并且其最大Lv值小于100 dB。然而在頻帶為2 000～3 000 Hz上，MCV出口法蘭處的Lv值相較TBV有一定增大，其中局部峰值的最大值約為135 dB。

由于MCV在TBV結構的基礎上做了優化改進，因此會出現不同的Lv頻譜圖。MCV中的固定多孔板和可旋轉多孔球結構（見圖2）可以減少MCV中回流的發生，并將射流分成多股小射流以增強環境流和射流的混合，因此對應的局部速度梯度也出現明顯下降，相應地，回流變弱甚至在某些工況下消失。因此與回流相關的振動減弱了。

然而在頻帶為2 000～3 000 Hz上相較TBV而言，MCV出口法蘭處的振動增大，產生更強烈的高頻振動，更多機械能轉換為高頻振動能而非低頻振動能。這是由于多孔射流在存在速度梯度時會產生更多渦流尺寸比單股射流小的局部渦流。

同時還對TBV與MCV的聲學特性進行了試驗測量研究。圖6示出TBV和MCV（20 ～5 000 Hz）A計權聲級（La）頻譜，分別為Kv等于49.0，34.6，24.5三種工況下的測試分析結果。

圖6 TBV和MCV的A計權聲級頻譜分析Fig.6 Spectrum analysis of A-weighted sound levels of TBV and MCV

Kv減小對應著閥門開度減小，ΔP從0.6 MPa增加到1.2 MPa，以及Q保持恒定的過程。測試結果表明，被測閥的聲能主要集中在f＞160 Hz頻帶內。如圖6所示，當Kv從49.0減小至24.5時，TBV產生更大的噪聲。特別是當Kv=24.5時，La峰值最高達到73 dB。此外其La頻譜在80～320 Hz頻帶上的峰值隨著Kv的增加不斷衰減甚至消失。顯然當Kv增加時，TBV噪聲峰值有往高頻方向移動的趨勢，這是閥門開度減小導致射流直徑減小所造成的。

相比之下，隨著Kv的減小，MCV的La頻譜分布變化并不明顯，且La頻譜幅值僅略有增加，這與TBV的情況大相徑庭。如圖6中所示，在相同Kv工況下，MCV的聲學特性相較TBV的聲學特性更優，在幾乎每一個頻帶上La值均有明顯降低。當Kv=24.5時，MCV的La頻譜圖中仍沒有產生明顯的La峰值且La最大值僅為53 dB。

削弱噪聲源是降低閥體空氣輻射噪聲的有效方法。被測閥輻射噪聲主要有流體不穩定流動激起的閥體振動噪聲和內部流體不穩定所導致的流體噪聲2個來源。MCV采用四級多孔節流結構使閥體振動噪聲和流體噪聲得到抑制。此外，氣蝕現象的減少也有助于改善閥的聲學特性，當Kv比較小時尤為明顯。通常來說，無論是局部的小氣穴還是顯著的氣穴云，都會在閥門開度減小時在閥門的特殊位置產生氣蝕。氣穴的崩塌會產生相當大的機械噪聲和流動噪聲。因此在Kv=24.5，ΔP=120 m和Q=120 t/h的工況下，TBV中出現氣蝕現象，并且出現若干個明顯的La峰值。而在MCV中氣蝕的產生得以極大延后，且多級節流減少了流道中的局部低壓區域，進而抑制了氣蝕效應。

3.3 振動與噪聲對比

盡管在3.2節中對TBV和MCV的聲學特性進行了比較，但是忽略了工況對被測閥振動與噪聲的影響?？紤]到實際工程應用，本節分別研究了0～315 Hz和0～6 000 Hz頻帶下的總振動級（TLv）和總聲壓級（TLa）。對不同工況下TBV和MCV的TLv頻譜進行比較，結果如圖7所示。實心點和空心點對應的范圍分別為0～10 000 Hz（全頻帶）和0～315 Hz（低頻帶）。

圖7 TBV和MCV 的總振動級比較（Q=120 t/h）Fig.7 omparison of the total vibration levels of TBV and MCV（Q=120 t/h）

如圖7所示，無論是在全頻段還是低頻段，不同Kv工況下MCV的TLv值均比TBV小，且兩者TLv差值最大接近15 dB，因此MCV的振動特性更優秀。當Q=120 t/h保持不變而Kv減小時，在0～10 000 Hz頻帶上TLv值反而呈平方增長。因此在閥門開度減小過程中閥門的振動能不斷增大，這與3.2節中的結論一致。0～315 Hz頻帶與0～10 000 Hz頻帶上TLv頻譜圖的曲線有所不同，在0～315 Hz頻帶上當Kv減小時MCV和TBV 4個位置處的TLv值并非單調變化。對于TBV而言，當Kv減小至24.5時，TLv值略有下降。然而對于MCV而言，當Kv減小至34.6時，除了進口法蘭徑向以外，TLv值在每個方向上均達到了局部最小值。盡管如此，當Kv＜24.5時，TLv值在進口法蘭徑向上的增加趨勢（圖8（a））仍然出現了明顯的降低。

圖8 TBV和MCV A計權全聲壓級比較（Q=120 t/h）Fig.8 Comparison of the total sound levels （A-weighted）of TBV and MCV（Q=120 t/h）

圖8示出了不同Kv工況下TBV和MCV的A計權總聲級。無論是在低頻帶或是全頻帶，MCV產生的噪聲均比TBV產生的噪聲小，且兩者TLa最大差值接近15 dB。在0～315 Hz頻帶和0～6 000 Hz頻帶上最大TLa值分別僅為65.3 dB和82.7 dB（Kv=21.9）。當Kv從120減少至21.9時，MCV和TBV在0～6 000 Hz頻帶上的TLa值逐漸增加。此外，當Kv減少至34.6時，TLa在0～315 Hz和0～6 000 Hz的變化和圖8中TLv的變化類似。這是因為噪聲的能量主要由閥門振動能量轉換而來。

4 結論

（1）MCV的流量系數與閥門開度之間的變化規律接近線性，更適合管道系統的流量控制。

（2）多級節流和多孔節流可以顯著降低閥體導致的振動和噪聲。當21.9＜Kv＜120時，MCV相較TBV具有更好的聲學特性。為調節閥的減振降噪提供了新的思路。

（3）相較于TBV，MCV內部的不對稱流動和回流現象得到較大改善，其徑向振動頻譜圖在低頻范圍內沒有出現明顯的峰值，但在2 000 Hz＜f＜3 000 Hz頻帶有更多的流體湍動能轉換為振動能。

（4）在Kv從49.0減少至24.5的工況下，MCV的噪聲明顯小于TBV，且幾乎沒有峰產生或增強。