工業(yè)減壓閥噪音研究及解決辦法

工業(yè)減壓閥噪音研究及解決辦法

為了全面深刻理解減壓閥噪聲的具體生成過程及現(xiàn)有研究基礎(chǔ)，分析了減壓閥內(nèi)噪聲產(chǎn)生的機(jī)理，總結(jié)了目前國內(nèi)外減壓閥噪聲的研究方法，并從來源降噪和傳播降噪兩方面回顧了國內(nèi)外降噪技術(shù)的研究現(xiàn)狀.經(jīng)過分析總結(jié)，探討了目前研究存在的主要問題：減壓閥內(nèi)流動復(fù)雜、旋渦流動發(fā)生位置不明確和高速射流相互作用的影響不確定等；指出未來方向應(yīng)在綜合理論分析、試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，確定減壓閥內(nèi)噪聲源位置并分析噪聲指向性，明確降噪機(jī)理，進(jìn)而研究降噪技術(shù)，實(shí)現(xiàn)根源降噪.未來對減壓閥噪聲的控制應(yīng)從流動機(jī)理和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新同時著手，進(jìn)而推出一套普適性低噪聲閥門設(shè)計(jì)理論.研究減壓閥內(nèi)噪聲可以為有效并針對性地降低噪聲提供可靠依據(jù).

隨著大型煤化工、新能源工程和航空母艦等國家重點(diǎn)工程的建設(shè)和發(fā)展，各種高溫高壓復(fù)雜工況機(jī)組不斷出現(xiàn).在高溫高壓、大流量、高減壓比等復(fù)雜工況下，傳統(tǒng)形式的減壓閥已不能滿足要求，存在安全可靠性差、壽命短、噪聲高、振動大、工作效率低等缺點(diǎn)

基于此，多級高參數(shù)減壓閥的概念被提出并被逐步應(yīng)用于各大國家重點(diǎn)工程中.依據(jù)閥內(nèi)節(jié)流降壓組件的結(jié)構(gòu)形式不同，可以將多級降壓減壓閥分為串級式、迷宮盤片式和多層套筒式.串級式能持續(xù)降壓，可有效減輕汽蝕.迷宮盤片式可達(dá)到不同的流量調(diào)節(jié)特性.多層套筒式減振和降噪效果較好.

減壓閥結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流體流經(jīng)節(jié)流元件如閥芯和孔板時，壓力迅速降低發(fā)生超聲速流動，導(dǎo)致減壓閥內(nèi)氣體湍流程度劇烈并產(chǎn)生較大噪聲，對操作人員健康和設(shè)備的正常運(yùn)行有嚴(yán)重影響.據(jù)醫(yī)學(xué)調(diào)查及研究表明：暴露在強(qiáng)噪聲環(huán)境中，人體的免疫能力會慢慢降低，容易誘發(fā)各種生理疾??；同時，噪聲使人情緒不安，分散設(shè)備操作人員精力，在強(qiáng)噪聲環(huán)境中工作會產(chǎn)生不同程度的心理疾病；另外，噪聲的掩蔽效應(yīng)使得操作人員不易察覺危險信號，容易造成事故發(fā)生.

減壓閥噪聲危害較大，因此，國內(nèi)外眾多學(xué)者相繼開展減壓閥噪聲機(jī)理及降噪技術(shù)研究.文中旨在歸納總結(jié)國內(nèi)外學(xué)者在減壓閥噪聲領(lǐng)域的研究進(jìn)展，探討目前研究存在的主要問題，爭取對推動減溫減壓技術(shù)與裝置的科技進(jìn)步提供一定的科學(xué)意義和工程價值.

1 工業(yè)減壓閥噪音研究及解決辦法噪聲產(chǎn)生機(jī)理

減壓閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，湍流程度較大，其噪聲產(chǎn)生原因主要包括：減壓閥內(nèi)運(yùn)動零部件在流體激勵作用下產(chǎn)生的機(jī)械振動噪聲；液體在減壓閥內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)中發(fā)生流動分離、紊流及渦流所產(chǎn)生的液體動力學(xué)噪聲；氣體在減壓閥內(nèi)部達(dá)到臨界流速出現(xiàn)激波、膨脹波而產(chǎn)生的氣體動力學(xué)噪聲.

1.1 工業(yè)減壓閥噪音研究及解決辦法機(jī)械振動噪聲

機(jī)械振動噪聲主要是由減壓閥內(nèi)可運(yùn)動部件如閥桿、閥芯受流體沖擊產(chǎn)生振動而形成的.機(jī)械振動噪聲分為低頻振動噪聲和高頻振動噪聲.低頻振動噪聲的產(chǎn)生源于流體的脈動和射流.射流流體沖擊減壓閥內(nèi)可運(yùn)動部件閥桿和閥芯時，會引起閥桿相對于閥座的運(yùn)動，導(dǎo)致閥芯與腔體壁面之間的碰撞.另外，若零部件剛性不足或存在間隙，即便沒有力的傳遞，互相振動也會產(chǎn)生碰撞.碰撞聲有較寬廣的頻率范圍，其噪聲幅值大小由振動體的質(zhì)量、剛度、阻尼及碰撞能量決定

.基于振動頻率一般介于20～200 Hz，所以稱之為低頻振動噪聲.高頻振動噪聲的產(chǎn)生源于減壓閥自然頻率與流體激勵頻率一致時引起的共振.共振現(xiàn)象下的振動頻率較大，高達(dá)3 000～7 000 Hz，所以對應(yīng)的噪聲稱之為高頻振動噪聲.高頻振動噪聲會產(chǎn)生很大的破壞應(yīng)力，導(dǎo)致振動部件產(chǎn)生疲勞破壞甚至斷裂.機(jī)械振動噪聲與流體介質(zhì)流動狀態(tài)無關(guān)，多是由于減壓閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理產(chǎn)生.減小機(jī)械振動噪聲的方法應(yīng)從減壓閥自身結(jié)構(gòu)出發(fā)，包括合理設(shè)計(jì)可運(yùn)動部件的剛性、減小零部件之間的間隙以及合理選用材料等措施.

1.2 工業(yè)減壓閥噪音研究及解決辦法液體動力學(xué)噪聲

液體動力學(xué)噪聲是由流體流經(jīng)減壓閥內(nèi)節(jié)流元件之后發(fā)生流動分離及渦流所產(chǎn)生的.基于此，液體動力學(xué)噪聲主要是汽蝕噪聲.汽蝕噪聲是由于液體流經(jīng)節(jié)流元件，多孔節(jié)流孔板，流速上升而壓力下降，當(dāng)節(jié)流元件出口壓力下降至流體的飽和蒸汽壓時，部分流體開始汽化，形成氣液共存的兩相流閃蒸現(xiàn)象.離開節(jié)流口后壓力迅速上升，液體中的氣泡受壓破裂，形成空化效應(yīng).空化作用的氣泡破裂使得能量高度集中，產(chǎn)生極大沖擊力，形成汽蝕噪聲.與此同時，節(jié)流元件面積的急劇變化使得流體在節(jié)流孔后產(chǎn)生高速湍流噴注，在此狀態(tài)下液體流速極不均勻，進(jìn)而產(chǎn)生旋渦脫落噪聲.

1.3工業(yè)減壓閥噪音研究及解決辦法 氣體動力學(xué)噪聲

氣體動力學(xué)噪聲又稱氣動噪聲，是由氣體流經(jīng)減壓閥內(nèi)節(jié)流元件時，流體機(jī)械能轉(zhuǎn)換為聲能所產(chǎn)生的噪聲.當(dāng)氣體介質(zhì)的流速高于聲速，會產(chǎn)生沖擊波，反之則產(chǎn)生強(qiáng)烈的擾流現(xiàn)象，2種情況都會加劇噪聲分布，因此，氣動噪聲被認(rèn)為是減壓閥及管道系統(tǒng)運(yùn)行過程中、最嚴(yán)重的噪聲.氣動噪聲根據(jù)球形聲源特性可以分為3種，如表1所示.氣體動力學(xué)噪聲不能*被消除，因?yàn)闇p壓閥在減壓過程中引起的流體紊流是不可避免的.但可以通過改變節(jié)流元件結(jié)構(gòu)或流體流動狀態(tài)以達(dá)到氣動噪聲最小化.

2 工業(yè)減壓閥噪音研究及解決辦法研究方法

減壓閥噪聲問題的研究方法有很多，主要劃分為理論研究、試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究.3種方法相輔相成，互為印證，共同推動減壓閥噪聲領(lǐng)域向前發(fā)展.

2.1 噪聲問題的理論研究

聲源位置及類型的識別是減壓閥噪聲問題研究的基礎(chǔ).聲源的幾何特性遠(yuǎn)小于聲波波長時，可把聲源看成是點(diǎn)聲源.任何復(fù)雜的聲源都可以看成是由許多點(diǎn)聲源組合而成.假設(shè)點(diǎn)聲源為球形，其表面振速在各個方向上均勻分布，或只與極有關(guān)，則聲場為軸對稱分布.

2.2 噪聲問題的試驗(yàn)研究

試驗(yàn)研究可以提供有效可靠的數(shù)據(jù)，是減壓閥噪聲問題研究步驟之一.目前國內(nèi)外學(xué)者針對減壓閥噪聲問題的試驗(yàn)研究從兩條線展開：噪聲產(chǎn)生原因分析和降噪方法研究提出一種迷宮式低噪聲節(jié)流閥，并進(jìn)行了水力與振動噪聲綜合特性測試.結(jié)果顯示新型低噪聲控制閥的噪聲級低于普通控制閥約10 dB.調(diào)節(jié)類閥門噪聲試驗(yàn)的開展需要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求實(shí)施，主要步驟包括試驗(yàn)技術(shù)路線的設(shè)計(jì)、噪聲測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、噪聲測點(diǎn)安排、噪聲頻譜和聲強(qiáng)的測試以及數(shù)據(jù)處理.另外試驗(yàn)過程中需要隔振和消除背景噪聲.

減壓閥常用的噪聲試驗(yàn)研究技術(shù)路線.噪聲試驗(yàn)研究可以分為3個階段：噪聲源位置的識別和特性分析；減壓閥結(jié)構(gòu)優(yōu)化；驗(yàn)證試驗(yàn).

階段1是噪聲源位置識別和特性分析：此階段在消聲室的測試臺上完成，通過聲譜分析確定噪聲的頻譜特性，并通過聲強(qiáng)分析確定相應(yīng)的噪聲源位置.

階段2是降噪技術(shù)的關(guān)鍵一步，是在噪聲源識別的基礎(chǔ)上對減壓閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化.結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要包括閥體和內(nèi)節(jié)流部件的參數(shù)優(yōu)化.

階段3是試驗(yàn)驗(yàn)證階段：對優(yōu)化后的減壓閥進(jìn)行加工制造，然后通過噪聲試驗(yàn)裝置來驗(yàn)證優(yōu)化策略在降噪特性方面的可行性，如果結(jié)果不滿足要求，則繼續(xù)優(yōu)化，重復(fù)試驗(yàn).

2.3 工業(yè)減壓閥噪音研究及解決辦法噪聲問題的數(shù)值模擬

聲學(xué)測量儀器，如聲級計(jì)和頻率分析儀等，可以測得噪聲的聲壓級、聲強(qiáng)以及頻率特性.然而傳統(tǒng)測試方法對測量儀器精度要求高，需要考慮環(huán)境噪聲、溫度和濕度等環(huán)境因素的影響.另外試驗(yàn)成本較高，針對復(fù)雜工況，如高溫高壓氣體減壓過程，試驗(yàn)難度較大，而且對優(yōu)化設(shè)計(jì)過程，需大量重復(fù)性試驗(yàn)，降低了產(chǎn)品設(shè)計(jì)速度.因此不少學(xué)者使用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行噪聲分析.數(shù)值方法主要分為直接模擬方法和混合方法.直接模擬需要額外的體積積分，因此代價較大，但是可以表示出流動和聲音之間所有的關(guān)系，對研究噪聲產(chǎn)生的機(jī)理提供有力工具.混合方法中的波場外推方法，，受控制表面位置的影響較小，可以作為直接模擬延伸至遠(yuǎn)場的互補(bǔ)工具；另一種稱為聲類比方法，因?yàn)轶w積積分代價太大所以效率較低，而且對截?cái)嘈?yīng)敏感，盡管如此，它將直接噪聲和反射噪聲聲場分開，對輻射方向圖的研究很有用.國內(nèi)外學(xué)者在減壓閥噪聲問題上進(jìn)行了大量數(shù)值模擬.

數(shù)值模擬是解決減壓閥噪聲問題的有力工具.但是數(shù)值模擬的難點(diǎn)在于聲音能量遠(yuǎn)小于流動能量，所以聲波的求解較為困難，特別是遠(yuǎn)場噪聲傳播的預(yù)測和產(chǎn)生噪聲的近場流動預(yù)測計(jì)算.上述減壓閥噪聲產(chǎn)生機(jī)理指出，氣動噪聲被認(rèn)為是減壓閥及管道系統(tǒng)運(yùn)行過程中、最嚴(yán)重的噪聲.現(xiàn)以氣動噪聲為例，敘述減壓閥噪聲數(shù)值模擬方法：直接方法、基于聲類比的積分方法和寬頻噪聲模型方法.

① 直接方法求解適當(dāng)?shù)牧黧w動力學(xué)方程直接計(jì)算聲波的產(chǎn)生和傳播.精確的聲波預(yù)測需要控制方程時間精確的解.由于需要高精度的數(shù)值，精細(xì)的網(wǎng)格和聲學(xué)無反射邊界條件，直接方法的計(jì)算較為復(fù)雜.預(yù)測遠(yuǎn)場噪聲時，計(jì)算成本非常高，只有當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)位于近場范圍內(nèi)時，可以使用直接方法.

② 基于聲類比的積分方法.對于中場和遠(yuǎn)場噪聲預(yù)測，聲類比方法提供了替代直接方法的切實(shí)可行方案.方程采用聲類比的通用形式，可以預(yù)測等效聲源包括單極子源、偶極子源和四極子源產(chǎn)生的噪聲.

③ 寬頻噪聲模型方法.許多實(shí)際湍流的噪聲不具有明顯的音調(diào)，聲能量連續(xù)分布于較寬的頻率范圍，稱為寬頻噪聲.這種流動的統(tǒng)計(jì)學(xué)湍流特征通過聲類比理論預(yù)測寬頻噪聲.與直接方法和積分方法不同，寬頻噪聲模型不需要求解流體動力學(xué)控制方程的瞬態(tài)解.因此，寬頻噪聲模型方法計(jì)算成本.

減壓閥內(nèi)噪聲數(shù)值模擬分析流程減壓閥噪聲問題數(shù)值模擬的一般步驟是：首先建立減壓閥數(shù)值模型，基于控制方程和邊界條件，計(jì)算穩(wěn)態(tài)流場.其次利用寬頻噪聲模型得到APL分布，確定主要噪聲源位置.然后布置聲壓監(jiān)測點(diǎn)，開啟FW-H模型，計(jì)算非穩(wěn)態(tài)流場，記錄監(jiān)測點(diǎn)聲壓信號.最后通過傅里葉變換得到頻譜數(shù)據(jù)，分析噪聲指向性和頻譜特性.

3 工業(yè)減壓閥噪音研究及解決辦法技術(shù)研究現(xiàn)狀

降低減壓閥噪聲的方法有來源降噪和傳播降噪.2種降噪方法均可有效降低減壓閥內(nèi)噪聲，國內(nèi)外學(xué)者在降噪技術(shù)方面進(jìn)行了大量的研究.

3.1 來源降噪

來源降噪即通過識別噪聲源來采取相應(yīng)的降噪措施.通過增加孔板或多孔網(wǎng)罩可以實(shí)現(xiàn)來源降噪.不同的消聲器廣泛應(yīng)用于排放系統(tǒng)，比如擴(kuò)張室消聲器、微穿孔板消聲器、孔板等.由于結(jié)構(gòu)簡單，降噪效果較好，單孔板和多孔板被用于管路中和閥出口處的噪聲控制.因此，國內(nèi)外很多學(xué)者展開了孔板降噪特性的研究.

3.2 傳播降噪

傳播降噪是在分析減壓閥內(nèi)流體流動的基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)降噪技術(shù)研究.國內(nèi)外學(xué)者對傳播降噪技術(shù)的研究主要集中在閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和類消聲器設(shè)計(jì)兩方面.基于多級、分流、迷宮流道等低噪聲設(shè)計(jì)原理，進(jìn)行了迷宮型式閥套的低噪聲節(jié)流閥設(shè)計(jì).

低噪聲控制閥.低噪聲節(jié)流元件設(shè)計(jì)的原理是將控制閥壓降過程歸結(jié)為在裝置的局部流阻上損耗能量，因此低噪聲節(jié)流元件設(shè)計(jì)主要基于3種方法：結(jié)構(gòu)法、黏滯法和射流法.結(jié)構(gòu)法是工作流體受閥門流通結(jié)構(gòu)的改變而損耗能量；黏滯法就是使工作流體與節(jié)流閥件通流部分的壁產(chǎn)生黏性摩擦而損耗能量；射流法是擴(kuò)展或者緊縮情況下，流動速度驟變引起的阻力損失.

4 工業(yè)減壓閥噪音研究及解決辦法結(jié) 論

文中分析了減壓閥內(nèi)噪聲產(chǎn)生的機(jī)理，總結(jié)了目前國內(nèi)外減壓閥噪聲的研究方法，并從來源降噪和傳播降噪兩方面回顧了國內(nèi)外降噪技術(shù)的研究現(xiàn)狀.得出結(jié)論及展望如下：

1) 噪聲機(jī)理.減壓閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，湍流程度較大，其噪聲產(chǎn)生原因主要包括3個方面：減壓閥內(nèi)運(yùn)動零部件在流體激勵作用下產(chǎn)生的機(jī)械振動噪聲；液體在減壓閥內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)中發(fā)生流動分離及渦流所產(chǎn)生的液體動力學(xué)噪聲；氣體在減壓閥內(nèi)部達(dá)到臨界流速出現(xiàn)激波、膨脹波而產(chǎn)生的氣體動力學(xué)噪聲.

2) 研究方法.減壓閥噪聲問題的研究方法主要包括：理論研究、試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究.3種方法相輔相成，互為印證，共同推動減壓閥噪聲領(lǐng)域向前發(fā)展.

3) 降噪技術(shù).降低減壓閥噪聲的方法有2種：來源降噪和傳播降噪.來源降噪即通過識別噪聲源來采取相應(yīng)的降噪措施.傳播降噪是在分析減壓閥內(nèi)流體流動的基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)降噪技術(shù)研究.2種降噪方法均可有效降低減壓閥內(nèi)噪聲.

4) 存在問題及今后發(fā)展方向.減壓閥內(nèi)流動復(fù)雜，旋渦流動發(fā)生位置不明確，高速射流相互作用的影響也不確定.減壓閥節(jié)流元件處噪聲明顯，其噪聲產(chǎn)生的原因主要為湍流和高速射流.應(yīng)從根源上減少噪聲的產(chǎn)生，包括流道優(yōu)化及結(jié)構(gòu)創(chuàng)新.流道應(yīng)保證蒸汽充分膨脹，減少旋渦及回流的產(chǎn)生，可以通過改變腔結(jié)構(gòu)參數(shù)和形狀，使流道更為均勻，減少湍流耗散和噪聲；結(jié)構(gòu)創(chuàng)新包括新型閥芯和閥體等，比如采用套筒式閥芯、多級孔板等.未來發(fā)展趨勢應(yīng)著重低噪聲減壓閥設(shè)計(jì).