何 濤，郝夏影，王鎖泉，吳有生

（1.中國船舶科學(xué)研究中心 船舶振動噪聲重點實驗室，江蘇 無錫214082；2.江蘇省綠色船舶技術(shù)重點實驗室，江蘇 無錫214082）

低噪聲控制閥優(yōu)化設(shè)計及試驗驗證

何 濤1，2，郝夏影1，2，王鎖泉1，2，吳有生1，2

（1.中國船舶科學(xué)研究中心 船舶振動噪聲重點實驗室，江蘇 無錫214082；2.江蘇省綠色船舶技術(shù)重點實驗室，江蘇 無錫214082）

控制閥在艦船管路系統(tǒng)中運行時受流體激勵產(chǎn)生振動噪聲，抑制閥門節(jié)流口空化及降低閥內(nèi)流動脈動是低噪聲控制閥設(shè)計的關(guān)鍵。該文基于計算流體動力學(xué)方法，以某型分層迷宮式控制閥為對象，進行了低噪聲的優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化設(shè)計方案采取了一系列有利于抑制空化、均勻流場并降低流動脈動措施，包括應(yīng)用雙層漸變開孔閥套、入流整流裝置、閥芯吸振裝置、出流導(dǎo)流裝置等。優(yōu)化設(shè)計方案的流動計算分析結(jié)果表明，優(yōu)化設(shè)計方案有利于降低振動噪聲源。通過對普通控制閥、分層迷宮式控制閥和新型低噪聲控制閥臺架試驗對比結(jié)果表明，相同水力狀態(tài)下新型低噪聲控制閥水動力噪聲、振動響應(yīng)和空氣噪聲皆顯著降低，優(yōu)化設(shè)計方案得到了試驗驗證。

控制閥；流體動力學(xué)；振動噪聲；優(yōu)化設(shè)計；試驗驗證

0 引 言

工業(yè)控制閥在船舶、航空、石油以及其他工業(yè)部門管路系統(tǒng)中都有重要應(yīng)用[1-2]。管路系統(tǒng)的振動與噪聲問題長期以來一直受到人們的普遍重視。目前管路系統(tǒng)中水泵等設(shè)備在進行低噪聲設(shè)計及隔振處理后，設(shè)備振動噪聲得到了較好的控制[3-4]。船舶管路系統(tǒng)特別是海水冷卻系統(tǒng)中，控制閥起到調(diào)整水泵水力狀態(tài)和配平冷卻用戶流量的作用，由水力激勵引起閥體振動及船外輻射噪聲問題日益凸顯。因此，控制閥作為管路系統(tǒng)低噪聲配置必需手段和元件，在水泵水力與聲學(xué)匹配設(shè)計其振動噪聲水平得到控制的情況下，如果控制閥的流體激勵振動水平高仍然難以保證系統(tǒng)低噪聲配置后管路整體聲學(xué)效果[5]。為實現(xiàn)管路系統(tǒng)的低噪聲設(shè)計目標(biāo)，對控制閥進行低噪聲優(yōu)化設(shè)計是需要進行的工作。

為降低控制閥噪聲國內(nèi)外學(xué)者進行了較為豐富的研究。相關(guān)研究包括了計算分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計、試驗驗證等幾方面。Fuchs[6-7]對水力調(diào)節(jié)元件進行了聲源機理及安裝影響研究。Mao Qing[8-9]等基于測試數(shù)據(jù)對水管路節(jié)流孔板引起的壁面流體脈動壓力建模，并計算分析了流動激勵管系振動特性。Hassis[10]基于試驗分析技術(shù)進行了典型蝶閥和單通閥聲源機理、空化特性參數(shù)和聲傳遞共振特性相關(guān)性研究。Amini[11]以減壓氣閥為對象，以閥塞和閥座幾何參數(shù)及配合角度為設(shè)計參數(shù)，進行了閥門低噪聲工程實踐；試驗結(jié)果表明優(yōu)化設(shè)計方案可顯著降低閥體振動與氣動噪聲。Ziada[12]采用旁通導(dǎo)流設(shè)計降低了高壓角閥的振動噪聲水平。Young Joon An等[13]采用三維流體動力學(xué)計算方法，對液壓天然氣管路控制閥內(nèi)流場進行了仿真，設(shè)計了分流閥套結(jié)構(gòu)形式，計算結(jié)果表面分流多孔閥套設(shè)計在保證流動阻力調(diào)節(jié)性能的基礎(chǔ)上起到了抑制空化和均勻流場的作用。國內(nèi)張雙德[14]和楊長安[15]等基于閥芯形面和節(jié)流孔幾何參數(shù)進行了單節(jié)流口閥門優(yōu)化設(shè)計，區(qū)分了幾何參數(shù)對流動調(diào)節(jié)和氣蝕性能的影響程度。綜上所述，以上的參數(shù)影響規(guī)律及優(yōu)化設(shè)計研究仍針對普通結(jié)構(gòu)型式閥門，仍未對新型多級分流結(jié)構(gòu)形式控制閥進行優(yōu)化設(shè)計。

何濤[16]等基于計算流體方法驗證了多級、分流、迷宮式低噪聲控制閥設(shè)計原理，設(shè)計并分析了某型分層迷宮式控制閥流動特性。本文在前文基礎(chǔ)上，形成了雙層漸變開孔閥套、入流整流裝置、閥芯吸振裝置、出流導(dǎo)流裝置等優(yōu)化設(shè)計方案；計算結(jié)果顯示優(yōu)化設(shè)計方案有利于抑制空化、均勻流場并降低流動脈動；通過對普通控制閥、分層迷宮式控制閥和新型低噪聲控制閥進行臺架試驗，試驗驗證了優(yōu)化設(shè)計方案。

1 研究對象

基于分流、多級、迷宮流道等低噪聲設(shè)計原理，進行了迷宮型式閥套的低噪聲節(jié)流閥設(shè)計[16]。為實現(xiàn)全開低阻和小開度流量微調(diào)的流動特性，設(shè)計得到了包含上層穿孔、中層多迷宮流道、下層少迷宮流道三部分重疊形成的流通結(jié)構(gòu)的閥套型式，如圖1所示。

前文計算結(jié)果顯示，分層迷宮式控制閥由于入流和出流不光順的結(jié)構(gòu)特征，分別在閥套腔體和閥套沿出流方向出口處形成大尺度漩渦結(jié)構(gòu)，將形成額外噪聲源強度；分層迷宮式控制閥閥套上部穿孔結(jié)構(gòu)、中部多流道迷宮結(jié)構(gòu)、下部少流道迷宮結(jié)構(gòu)沿上下和環(huán)向流動速度不均勻，使得閥套出流產(chǎn)生高速區(qū)域及低壓區(qū)域，對于空化及振動噪聲的產(chǎn)生是不利因素。前文計算分析結(jié)果為本文優(yōu)化設(shè)計指明了方向。

圖1 控制閥體及不同節(jié)流型式Fig.1 Control valve body and layered throttle trims

2 優(yōu)化設(shè)計方案及計算分析

為消除腔體內(nèi)大尺度漩渦并均勻流場，控制出流速度并抑制空化產(chǎn)生，設(shè)計了圖2所示新型低噪聲控制閥。優(yōu)化設(shè)計方案中包括雙層漸變開孔閥套、入流整流裝置、閥芯吸振裝置、出流導(dǎo)流裝置等。下面介紹相關(guān)設(shè)計及計算分析。計算方法在文獻[16]中進行了介紹，這里不再贅述。

圖2 低噪聲控制閥整體優(yōu)化設(shè)計方案Fig.2 Optimization designs of new type low noise valve

2.1 雙層漸變開孔閥套

在原有上、中、下三層迷宮閥套的基礎(chǔ)上，形成了雙層環(huán)向、軸向漸變開口數(shù)閥套的新方案，如圖3所示。一方面，此雙層閥套克服了原閥套流通能力隨開度變化驟降的缺點，在內(nèi)層開度關(guān)閉過程中，流體通過層間空間向外層擴散，由于外層通流面積不變，有效控制了出流流體速度；另一方面，根據(jù)流動狀態(tài)，設(shè)計由下至上節(jié)流孔逐漸增多，由背出口面至出口面節(jié)流孔逐漸減少，在原有結(jié)構(gòu)阻力分布特性基礎(chǔ)上，實現(xiàn)各節(jié)流口較為均勻的流速分布。兩方面皆在控制出流速度的設(shè)計原理上達到低噪聲設(shè)計目的。閥套優(yōu)化設(shè)計前后流場計算結(jié)果由圖4顯示，相對于原分層閥套，雙層漸變開孔閥套顯著降低了閥套上部出口流速，閥套各個出流孔流速處于較為均勻的狀態(tài)。

圖3 雙層漸變開孔閥套Fig.3 Two-double trim with uneven holes

2.2 入流整流及閥芯吸振裝置

由圖6（a），由于入流的不光順，腔體內(nèi)形成了大尺度漩渦，根據(jù)渦聲理論，這是相當(dāng)不利的。為消除閥腔體內(nèi)漩渦結(jié)構(gòu)，設(shè)計了圖5（a）所示入流整流裝置，安裝于閥塞下部。由圖6（b）所示，加入導(dǎo)流裝置后，腔體內(nèi)部的回流漩渦區(qū)域消失，并且高速區(qū)得到減輕，計算驗證了入流整流裝置的低噪聲設(shè)計效果?？紤]到來流脈動和腔體內(nèi)流體脈動皆可引起閥體的振動，設(shè)計了如圖5（b）所示閥芯吸振裝置，在閥塞預(yù)留的中空部位中填充氣囊，實現(xiàn)蓄能吸振的效果。

圖5 入流整流及閥芯吸振裝置Fig.5 Inlet guidance and plug vibration isolation device

圖6 入流整流前后閥內(nèi)流場速度分布Fig.6 Fluid velocity distributions in valve with and without inlet guidance

2.4 出流導(dǎo)流裝置

閥出流渦流結(jié)構(gòu)豐富，湍動能強度大，為主要的噪聲源區(qū)域。為整理出流狀態(tài)并降低出流湍流強度和脈動壓力，設(shè)計了如圖2所示出流導(dǎo)流消聲裝置。出流導(dǎo)流消聲裝置由兩片穿孔銅片包裹橡膠內(nèi)芯而成，一方面其結(jié)構(gòu)構(gòu)型分割出流口，起到導(dǎo)流降低出流湍流強度的作用；另一方面，其彈性和阻尼性質(zhì)與流體耦合，可起到降低流體脈動壓力并達到向下游傳播聲衰減的作用。

3 低噪聲性能試驗驗證

為驗證低噪聲設(shè)計效果，對普通單座單節(jié)流口、分層迷宮式、新型低噪聲控制閥等三種閥門安裝于流噪聲測試回路進行了水力與振動噪聲綜合特性測試。

3.1 測試系統(tǒng)及方法

閥門水力及聲學(xué)綜合特性測試回路如圖7所示，由外驅(qū)動管路系統(tǒng)與內(nèi)工作管路系統(tǒng)組成，外驅(qū)動管路系統(tǒng)安裝有水泵，通過改變水泵轉(zhuǎn)速達到調(diào)節(jié)測試回路中閥門流量的作用。閥門在測試段安裝情況如圖8所示。

圖7 閥門水力與聲學(xué)綜合性能測試系統(tǒng)Fig.7 Testing system for hydro-vibration-noise characteristics of valves

圖8 閥門在測試段安裝情況Fig.8 Installation positions of three type valves

如圖7所示，內(nèi)外管路系統(tǒng)采用兩個壓力儲水筒進行連接，儲水筒與工作管路連接處布置水動力消聲器對驅(qū)動回路水泵進行消聲的作用，保證較高的信噪比使得測試回路測到的為閥門本身引起的水動力噪聲。增加測試回路管壁厚度、管道與支撐件通過哈弗固定、支撐采用鐵沙箱掩埋，起到減少振動對水動力噪聲測量結(jié)果的影響。綜上所述，在消除邊界及環(huán)境影響情況下，可以在相同水力工況下測試閥門遠端進出口流噪聲源、閥體振動加速度振級、空氣噪聲，進行各型閥門聲學(xué)性能優(yōu)劣的評價。

基于管路元器件水動力噪聲源特性測試方法進行閥門水動力噪聲源獲取[17-18]?；谄矫媛暡▊鞑ダ碚?，可以用進、出口端分別單向輻射行波的聲壓，以及在進、出口端從聲源傳出和傳向聲源的行波聲壓之間的被動特性矩陣來完整地描述雙端口聲學(xué)模型。閥門水動力噪聲主被動源特性可以由以下散射模型表示：

對于雙端口模型，源參數(shù)提取方法包括三種：（1）兩負(fù)載法、（2）兩位置聲源法、（3）兩聲源法。本文采用兩負(fù)載法進行閥門水動力噪聲源特性的測量：首先在閥門聲源的進口段外加一個強聲源，通過改變閥門聲源出口端的外接負(fù)載阻抗兩次，提取閥門的被動源特性T；然后撤去進口段的強聲源，利用提取出來的［A］來進一步提取出閥門的主動特性。

3.2 三型閥門水力及聲學(xué)性能對比分析

為簡化敘述，普通單座單節(jié)流口、分層迷宮式、新型低噪聲控制閥等三種閥門分別代號為 Valve A、Valve B、Valve C?？刂崎y基本水力特性由阻力系數(shù)ξ= ΔP/（ρU2/2 ）表征。測試獲取三種閥門開度/阻力特性如圖9所示，其中圈數(shù)越多、開度越小、阻力越大。Valve A作為單節(jié)流口形式，在閥門全開時通流面積大阻力較小，但開度/阻力系數(shù)曲線過于陡峭，調(diào)節(jié)性能較差；Valve B由于采用了迷宮形式，盡管采用了分層設(shè)計閥門全開時阻力仍然較大；Valve C采用雙層非對中降壓閥套筒形式，在全開時阻力與Valve A相當(dāng)，且開度/阻力系數(shù)曲線較為平緩與Valve B相當(dāng)，具有大開度下阻力小和阻力調(diào)節(jié)平緩等兩方面的優(yōu)勢。

圖9 三型閥門開度/阻力性能Fig.9 Fluid resistance coefficients of three type valves under different openings

圖10 閥門水動力噪聲Fig.10 Hydrodynamic noise levels of three type valves

圖11 閥體振動加速度響應(yīng)Fig.11 Vibration acceleration levels of three type valves

圖12 閥門空氣噪聲Fig.12 Air noise levels of three type valves

如圖9所示，閥門Valve A、Valve B和Valve C在閥門開度分別為18.8%、100%和50%的情況下，三種閥門具有相同阻力系數(shù)，即具有相同流量/壓降水力狀態(tài)。下面以流量140 m3/h，壓降22 m工況為例，進行三型閥門水動力噪聲、振動加速度和空氣噪聲綜合聲學(xué)性能對比。

由圖10所示，水動力噪聲總級由Valve A、Valve B和Valve C依次降低5～10 dB左右。Valve A在此水力工況下存在空化，因此整個頻段噪聲級皆較大；Valve B通過迷宮式多級降壓設(shè)計抑制了空化，獲得了整個頻段水動力噪聲的降低；Valve C由于采用了入流導(dǎo)流裝置，消除了腔體內(nèi)大尺度漩渦，降低了漩渦噪聲；此外，在閥套分流設(shè)計下噪聲峰值頻率向高頻移動。由圖11所示，閥體三向振動加速度總級由Valve A、Valve B和Valve C依次降低5～10 dB左右，與水動力噪聲趨勢相同。由圖12所示，在閥門流體脈動壓力降低的情況下，流激振動產(chǎn)生的空氣噪聲也得到了有效的抑制，按Valve A、Valve B和Valve C依次降低了約3 dB和5 dB。

4 結(jié) 論

本文以分層迷宮式控制閥為對象，從抑制閥內(nèi)空化及降低水力脈動角度出發(fā)，采用多級、分流、迷宮式低噪聲控制閥設(shè)計原理，開展了控制閥的低噪聲優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化設(shè)計方案包括雙層漸變開孔閥套、入流整流裝置、閥芯吸振裝置、出流導(dǎo)流裝置等?；谟嬎懔黧w動力學(xué)方法進行了優(yōu)化方案分析與校核，基于控制閥水力與聲學(xué)綜合特性測試驗證了優(yōu)化設(shè)計方案。得到的具體結(jié)論如下：

（1）雙層閥套由于在內(nèi)層開度關(guān)閉過程中，流體通過層間空間向外層擴散，有效控制了出流流體速度；此外環(huán)向、軸向漸變開口數(shù)，在原有結(jié)構(gòu)阻力分布特性基礎(chǔ)上，實現(xiàn)各節(jié)流口較為均勻的流速分布。

（2）由于閥體入流的不光順，腔體內(nèi)形成了大尺度漩渦，仿真結(jié)果顯示入流整流裝置可消除閥腔體內(nèi)漩渦結(jié)構(gòu)。

（3）對三型閥門水力及聲學(xué)綜合性能測試表明：新型低噪聲控制閥水力調(diào)節(jié)性能更優(yōu)；相同水力狀態(tài)下，水動力噪聲、閥體振動和空氣噪聲按普通控制閥、分層迷宮式控制閥和新型低噪聲控制閥依次降低；新型低噪聲控制閥低于普通控制閥約10 dB，具有優(yōu)異的低噪聲性能。

[1]陸培文.調(diào)節(jié)閥使用技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006.

[2]Emerson Process Management.Control Valve Handbook[M].fourth edition,2005.

[3]黃國富,常 煜,張海民,趙文峰,陳奕宏.低振動噪聲船用離心泵的水力設(shè)計[J].船舶力學(xué),2009,13(2):313-318. Huang Guofu,Chang Yu,Zhang Haimin,Zhao Wenfeng,Chen Yihong.Hydraulic redesign on a marine centrifugal pump for hydro-borne vibration and noise reduction[J].Journal of Ship Mechanics,2009,13(2):313-318.

[4]何 琳,李 彥,楊 軍.磁懸浮一氣囊主被動混合隔振裝置理論和實驗[J].聲學(xué)學(xué)報,2013,38(2):241-249. He Lin,Li Yan,Yang Jun.Theory and experiment of passive-active hybrid vibration isolation mounts using electromagnetic actuator and air spring[J].Acta Acoustic,2013,38(2):241-249.

[5]何 濤,孫玉東,吳文偉,吳有生.冷卻水管路系統(tǒng)低噪聲配置研究[J].船舶力學(xué),2015,19(9):1149-1159. He Tao,Sun Yudong,Wu Wenwei,Wu Yousheng.Low noise collocation on cooling pipeline system[J].Journal of Ship Mechanics,2015,19(9):1149-1159.

[6]Fuchs H V.Generation and control of noise in water supply installations:Part 1:Fundamental aspects[J].Appl.Acoustics, 1983,16:325-346.

[7]Fuchs H V.Generation and control of noise in water supply installations:Part 2:Sound source mechanisms[J].Appl.A-coustics,1993,38:59-85.

[8]Mao Qing,Zhang Jinghui,Luo Yushan,Wang Haijun,Duan Quan.Experimental studies of orifice-induced wall pressure fluctuations and pipe vibration[J].International Journal of Pressure Vessels and Piping,2006(83):505-511.

[9]Mao Qing,Zhang Jinghui.Orifice-induced wall pressure fluctuations and pipe vibrations:theory and modeling of fluid excitations[J].Flow Turbulence Combustion,2007(79):25-40.

[10]Hassis H.Noise Caused by cavitating butterfly and monvar valves[J].Journal of Sound and Vibration,1999,225(3):515-526.

[11]Amini A,Owen I.A practical solution to the problem of noise and vibration in a pressure-reducing valve[J].Experimental Thermal and Fluid Science,1995,10:136-141.

[12]Ziada S,Sperling H,Fisher H.Vibration of a high pressure piping system due to flow in a spherical elbow[J].Journal of Fluids and Structures,2001(15):751-767.

[13]Young Joon An,Byeong Jin Kim,Byeong Rog Shin.Numerical analysis of 3-D flow through LNG marine control valves for their advanced design[J].Journal of Mechanical Science and Technology,2008(22):1998-2005.

[14]張雙德,張希恒,趙 卿.直通單座調(diào)節(jié)閥閥芯形面優(yōu)化設(shè)計[J].閥門,2010(4):5-7.Zhang Shuangde,Zhang Xiheng,Zhao Qing.Shape optimization on disc of single-seat control valve[J].Valves,2010(4): 5-7.

[15]楊長安,楊國來,劉志剛,馬一春.三角槽節(jié)流孔角度和孔徑對氣蝕的影響[J].機床與液壓,2010,38(2):48-52. Yang Changan,Yang Guolai,Liu Zhigang,Ma Yichun.Influence of angle and height on cavitation of triangle-notch orifice[J].Machine Tool&Hydraulics,2010,38(2):48-52.

[16]何 濤,王秋波,王鎖泉,吳有生.低噪聲迷宮式控制閥設(shè)計原理數(shù)值分析[J].船舶力學(xué),2015,21(2):127-137. He Tao,Wang Qiubo,Wang Suoquan,Wu Yousheng.Numerical analysis on low noise design principle of labyrinth control valves[J].Journal of Ship Mechanics,2015,21(2):127-137.

[17]孫玉東.艦船管路系統(tǒng)聲彈耦合動力學(xué)研究[D].無錫:中國船舶科學(xué)研究中心,2008.

[18]鐘 榮.管路元器件水動力噪聲源特性測試技術(shù)研究[D].無錫:中國船舶科學(xué)研究中心,2008.

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

江蘇省自然科學(xué)基金—青年基金資助項目（BK2012096）

何 濤（1983-），男，高級工程師，E-mail：cssrc_ht@163.com；郝夏影（1984-），女，工程師。