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(diào)節(jié)閥廣泛應用于工業(yè)領(lǐng)域中以降低管道系統(tǒng)壓力，防止某些情況下管道的巨大振動和噪聲。但是調(diào)節(jié)閥本身在將壓力勢能轉(zhuǎn)化為流體動能的同時也會產(chǎn)生振動與噪聲，這種振動與噪聲嚴重時甚至會造成管道結(jié)構(gòu)故障和設備損壞［1-2］。

目前針對調(diào)節(jié)閥中的液動力已經(jīng)有了非常多的研究［3-8］，但是很少有涉及調(diào)節(jié)閥振動和噪聲的研究。YONEZAWA等［9］通過試驗和數(shù)值方法研究了蒸汽調(diào)節(jié)閥閥頭的振動，發(fā)現(xiàn)橫向液動力會對閥頭的振動增加負阻尼。MORITA等［10］發(fā)現(xiàn)當閥門處于中度開啟狀態(tài)時高壓區(qū)沿著圓周旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的周期性非對稱側(cè)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(jīng)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(jié)流閥下游1 m處的A計權(quán)聲級，還研究了流體通過閥和相鄰管道時產(chǎn)生的湍流流動以及空化所產(chǎn)生的噪聲，并且可以實現(xiàn)±5 dB的預測精度［14-15］。

多級節(jié)流與多孔節(jié)流作為減小調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)閥中節(jié)流套筒的開孔設計，實現(xiàn)套筒模態(tài)頻率避開流激振動頻率，從而避免閥內(nèi)流動流激振動的產(chǎn)生；LIU等［18］通過對高壓差工況下單級與多級節(jié)流閥氣蝕噪聲的對比研究，發(fā)現(xiàn)多級節(jié)流閥可以對氣蝕噪聲進行有效的抑制。

無論是多孔節(jié)流還是多級節(jié)流，在調(diào)節(jié)閥的減振降噪方面均有非常顯著的效果，但目前關(guān)于將多孔節(jié)流與多級節(jié)流原理結(jié)合設計的調(diào)節(jié)閥的研究還較少見，因此在上述研究的基礎(chǔ)之上，參考典型球閥（TBV）結(jié)構(gòu)，利用多孔節(jié)流與多級節(jié)流相結(jié)合的思路設計了多級多孔節(jié)流調(diào)節(jié)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(jié)果表明，MCV的開度與流量之間的變化規(guī)律接近線性，更適用于管路流量控制；相較于TBV，MCV內(nèi)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(nèi)沒有出現(xiàn)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(jié)流調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)設計

球閥廣泛應用于工業(yè)領(lǐng)域和管道系統(tǒng)中，通過球形結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)進行閥門開度調(diào)節(jié)。圖1為典型球閥（TBV）結(jié)構(gòu)示意。圖中所示的TBV的過流面積隨著球體的旋轉(zhuǎn)而變化，在TBV的進口和出口處共出現(xiàn)兩級節(jié)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(chǎn)生碰撞，導致TBV的流致振動非常顯著。因此利用多孔節(jié)流與多級節(jié)流的思路，在TBV的基礎(chǔ)上設計了多級多孔節(jié)流調(diào)節(jié)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(zhuǎn)的。MCV共存在4個節(jié)流階段，每個節(jié)流階段均經(jīng)歷一次多孔結(jié)構(gòu)。除此之外，為了減小通過球體的局部流速以及確保多孔結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structural diagram of a traditional ball valve（TBV）

圖2 多級多孔節(jié)流調(diào)節(jié)閥（MCV）結(jié)構(gòu)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(huán)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(tǒng)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(jié)束后關(guān)閉。PT出口處的電磁流量計用于流量監(jiān)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(shù)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(tǒng)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(xù)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(diào)節(jié)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(jié)果與討論

3.1 流量系數(shù)

閥門的水力特性十分重要且與其聲學特性直接相關(guān)。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(shù)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(jié)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(tǒng)中的流量控制。

圖4 不同閥門開度δ下閥門流量系數(shù)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(jié)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(xiàn)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(jié)構(gòu)特點使得流體從閥腔的一側(cè)流入并從另一側(cè)流出，導致進、出口處存在徑向流動不對稱現(xiàn)象，可能引起閥進、出口和內(nèi)部的不對稱回流。TBV進、出口縮流斷面處產(chǎn)生的不穩(wěn)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(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上做了優(yōu)化改進，因此會出現(xiàn)不同的Lv頻譜圖。MCV中的固定多孔板和可旋轉(zhuǎn)多孔球結(jié)構(gòu)（見圖2）可以減少MCV中回流的發(fā)生，并將射流分成多股小射流以增強環(huán)境流和射流的混合，因此對應的局部速度梯度也出現(xiàn)明顯下降，相應地，回流變?nèi)跎踔猎谀承┕r下消失。因此與回流相關(guān)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(chǎn)生更強烈的高頻振動，更多機械能轉(zhuǎn)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(chǎn)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(quán)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(jié)果。

圖6 TBV和MCV的A計權(quán)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(jié)果表明，被測閥的聲能主要集中在f＞160 Hz頻帶內(nèi)。如圖6所示，當Kv從49.0減小至24.5時，TBV產(chǎn)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(yōu)，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(chǎn)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(wěn)定流動激起的閥體振動噪聲和內(nèi)部流體不穩(wěn)定所導致的流體噪聲2個來源。MCV采用四級多孔節(jié)流結(jié)構(gòu)使閥體振動噪聲和流體噪聲得到抑制。此外，氣蝕現(xiàn)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(chǎn)生氣蝕。氣穴的崩塌會產(chǎn)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(xiàn)氣蝕現(xiàn)象，并且出現(xiàn)若干個明顯的La峰值。而在MCV中氣蝕的產(chǎn)生得以極大延后，且多級節(jié)流減少了流道中的局部低壓區(qū)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(jié)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(jié)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(jié)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(yōu)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(jié)中的結(jié)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(diào)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(xiàn)了明顯的降低。

圖8 TBV和MCV A計權(quán)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(quán)總聲級。無論是在低頻帶或是全頻帶，MCV產(chǎn)生的噪聲均比TBV產(chǎn)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(zhuǎn)換而來。

4 結(jié)論

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

（2）多級節(jié)流和多孔節(jié)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(diào)節(jié)閥的減振降噪提供了新的思路。

（3）相較于TBV，MCV內(nèi)部的不對稱流動和回流現(xiàn)象得到較大改善，其徑向振動頻譜圖在低頻范圍內(nèi)沒有出現(xiàn)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(zhuǎn)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?guī)缀鯖]有峰產(chǎn)生或增強。