多級套筒式調(diào)節(jié)閥的空氣動力噪聲預測研究
介紹了一種調(diào)節(jié)閥噪聲計算方法，該方法將多級套筒式閥內(nèi)件看作氣體消聲器，把標準IEC60534-8-3中調(diào)節(jié)閥噪聲的預測過程與馬大猷院士氣體消聲器的噪聲理論相結(jié)合，對其所產(chǎn)生的氣動噪聲進行預測。
振動和噪聲普遍存在于包含可壓縮氣體的節(jié)流和排放的應用系統(tǒng)中。在噪聲嚴重的應用系統(tǒng)中，聲波振動不僅會對身體健康產(chǎn)生危險，而且會對設(shè)備的可靠性和系統(tǒng)運轉(zhuǎn)造成威脅。調(diào)節(jié)閥作為流體控制類閥門，常常應用于蒸汽、空氣等氣體的控制場合，就不可避免的要產(chǎn)生高噪聲，并伴隨強振動。為改善這種狀況，應用聲源處理法的多級套筒式調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)。多級套筒式調(diào)節(jié)閥是一種有套筒導向的低噪音、防氣蝕調(diào)節(jié)閥，因套筒采用多級式能有效控制流體速度，避免流體對閥體及閥芯的直接沖刷，分級減壓不僅可以適應氣體節(jié)流擴散與膨脹，對控制高壓差可能出現(xiàn)的閃蒸和氣蝕有獨特的作用，可實現(xiàn)閥門在高溫高壓差工況下達到降噪降壓的效果。由于具有使作用在閥芯上的流體壓力平衡的結(jié)構(gòu)，因此只須用較小的操作力便可達到穩(wěn)定調(diào)節(jié)，能夠承受較高的工作壓差，使控制更加精準。其結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖1所示，1為閥桿，2為壓蓋，3為平衡閥芯，4為多級套筒，5為閥體，6為閥座。
圖1 多級套筒式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)原理圖
1、噪聲的形成
工業(yè)上遇到的調(diào)節(jié)閥噪音，大多數(shù)是空氣動力流噪聲。氣體動力噪聲是由于氣體或蒸汽流過調(diào)節(jié)閥的閥瓣與閥座處通流截面突變，流動受阻而產(chǎn)生的。氣體和蒸汽都是可壓縮流體，一般來說，可壓縮流體的流速高與不可壓縮流體的流速。當氣體流速比聲速低時，噪聲是因為強烈的擾流產(chǎn)生的;當氣體的速度大于聲速時，流體中產(chǎn)生沖擊波，噪聲劇增。把各種噪聲加以對比，可壓縮流體流經(jīng)調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生的噪聲是最嚴重的。其噪聲往往會超過相關(guān)標準的限制值，需對調(diào)節(jié)閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行改進，使其噪聲值限制在規(guī)定的范圍之內(nèi)。但改進后的調(diào)節(jié)閥噪聲為多少，需經(jīng)過實驗對其進行測量。而噪聲的實驗測量不僅需要高昂的設(shè)備，且程序繁雜，并要做出樣機后才能進行實驗，延長了產(chǎn)品研發(fā)周期。故對調(diào)節(jié)閥所產(chǎn)生的噪聲進行理論預測，為相關(guān)結(jié)構(gòu)的改進提供參考是一個不錯的選擇。在工作過程中調(diào)節(jié)閥內(nèi)的流動介質(zhì)是蒸汽或其他氣體，因此可以按空氣動力流噪聲計算預測噪聲水平。
2、多級套筒閥內(nèi)件的的假設(shè)
多級套筒式調(diào)節(jié)閥在氣體介質(zhì)的工況下，由于其壓力降較大，易產(chǎn)生高噪聲，影響其調(diào)節(jié)閥的品質(zhì)與性能，并對周圍環(huán)境造成嚴重影響。然而目前為止，并沒有權(quán)威性的標準或規(guī)范對多級套筒式調(diào)節(jié)閥噪聲的理論預測進行描述。經(jīng)過相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)：對于氣體工況下調(diào)節(jié)閥內(nèi)加裝的多級套筒，可以看作氣體消聲器。這方面可參照我國馬大猷院士的氣體消聲器的噪聲理論進行噪聲的預測計算。
3、多級套筒式調(diào)節(jié)閥氣動噪聲理論計算過程
根據(jù)產(chǎn)品相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，按照標準IEC60534-8-3中未加多級閥內(nèi)件調(diào)節(jié)閥的噪聲預測公式進行噪聲的理論計算，得到未加多級套筒閥內(nèi)件調(diào)節(jié)閥所產(chǎn)生的噪聲值，再根據(jù)馬大猷院士的氣體消聲器理論進行多級套筒消聲量的計算，進而得到加裝多級閥內(nèi)件后的調(diào)節(jié)閥最終噪聲值，其計算流程如圖2所示：
圖2 空氣動力流噪聲預測理論計算流程圖
多級套筒式調(diào)節(jié)閥空氣動力流總噪聲級計算公式：
(1)式中：
SPL……加裝多級閥內(nèi)件后調(diào)節(jié)閥的總噪聲級，dB(A);
SPLIEC……未加多級閥內(nèi)件調(diào)節(jié)閥的噪聲級，dB(A);
ΔL消聲器……消聲器的消聲量，dB(A)。
4、案例
為說明其計算過程，下面以進口壓力8MPa，出口壓力1Mpa，內(nèi)部采用4級節(jié)流降壓件的多級套筒式調(diào)節(jié)閥為例，對其產(chǎn)生的氣動噪聲進行理論計算。
第一步：計算未加多級套筒時，空氣動力流噪音。
已知：介質(zhì)為過熱蒸汽，閥前壓力為P1=8MPa，閥后壓力為P2=1MPa，飽和蒸汽溫度為tv=295℃，試驗溫度t=500℃，過熱度為tsh=205℃，壓力恢復系數(shù)為FL=0.95，等熵指數(shù)γ=1.3，計算流量系數(shù)Cv20。
未加多級套筒閥內(nèi)件時管壁外1m處A計權(quán)的總噪聲級：
(2)第二步：多級套筒節(jié)流降壓件消聲量的計算。
由于高壓降，閥前后實際壓差遠遠大于臨界壓差，造成高噪聲和強振動。為使本調(diào)節(jié)閥處于良好的運行狀態(tài)，設(shè)計時采用了在閥瓣節(jié)流孔處設(shè)置多級套筒節(jié)流件，利用多級節(jié)流降壓原理將高壓汽體壓力逐級降低，即把通過調(diào)節(jié)閥的一次高的壓降分成數(shù)干個小的壓降，壓力突變改為壓力漸變，降壓后汽體得到充分膨脹，聲能得以充分消耗，從而得到較大的消聲量，取得消聲效果。
由于介質(zhì)為汽體，多級節(jié)流降壓相當于節(jié)流減壓排氣消聲器，故消聲量的計算按照多級降壓消聲器的公式計算。
多級閥內(nèi)件的消聲量：
(3)式中：
P1·······················進口壓力，8000000Pa;
P2·······················出口壓力，1000000Pa;
n························降壓級數(shù)，4;
α······················修正系數(shù)，0.9。
第三步：總噪聲級的計算(加裝多級閥內(nèi)件)。
(4)通過以上設(shè)計參數(shù)，根據(jù)IEC標準預測計算未加入多級節(jié)流降壓元件時，噪聲值為100.77dB(A)，采用多級節(jié)流降壓元件降噪(降噪量為14.385dB(A))后，噪聲值降為86.388dB(A)，低于90dBA的限制要求，說明設(shè)計合理。此計算方法可為調(diào)節(jié)閥的設(shè)計提供參考。
5、結(jié)束語
本文針對多級套筒式調(diào)節(jié)閥所產(chǎn)生的空氣動力流噪聲的預測，根據(jù)最新IEC氣動噪聲計算標準及氣體消聲器理論進行了計算，并結(jié)合案例說明了其計算過程，為多級套筒式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)的改進、性能的提升提供了理論支撐。
