多级套筒式调节阀的空气动力噪声预测研究

范微和发

振动和噪声普遍存在于包含可压缩气体的节流和排放的应用系统中。在噪声严重的应用系统中，声波振动不仅会对身体健康产生危险，而且会对设备的可靠性和系统运转造成威胁。调节阀作为流体控制类阀门，常常应用于蒸汽、空气等气体的控制场合，就不可避免的要产生高噪声，并伴随强振动。为改善这种状况，应用声源处理法的多级套筒式调节阀出现。多级套筒式调节阀是一种有套筒导向的低噪音、防气蚀调节阀，因套筒采用多级式能有效控制流体速度，避免流体对阀体及阀芯的直接冲刷，分级减压不仅可以适应气体节流扩散与膨胀，对控制高压差可能出现的闪蒸和气蚀有独特的作用，可实现阀门在高温高压差工况下达到降噪降压的效果。由于具有使作用在阀芯上的流体压力平衡的结构，因此只须用较小的操作力便可达到稳定调节，能够承受较高的工作压差，使控制更加精准。其结构原理示意图如图1所示，1为阀杆，2为压盖，3为平衡阀芯，4为多级套筒，5为阀体，6为阀座。

图1 多级套筒式调节阀结构原理图

    1 噪声的形成

    工业上遇到的调节阀噪音，大多数是空气动力流噪声。气体动力噪声是由于气体或蒸汽流过调节阀的阀瓣与阀座处通流截面突变，流动受阻而产生的。气体和蒸汽都是可压缩流体，一般来说，可压缩流体的流速高与不可压缩流体的流速。当气体流速比声速低时，噪声是因为强烈的扰流产生的；当气体的速度大于声速时，流体中产生冲击波，噪声剧增。把各种噪声加以对比，可压缩流体流经调节阀产生的噪声是最严重的。其噪声往往会超过相关标准的限制值，需对调节阀内部结构进行改进，使其噪声值限制在规定的范围之内。但改进后的调节阀噪声为多少，需经过实验对其进行测量。而噪声的实验测量不仅需要高昂的设备，且程序繁杂，并要做出样机后才能进行实验，延长了产品研发周期。故对调节阀所产生的噪声进行理论预测，为相关结构的改进提供参考是一个不错的选择。在工作过程中调节阀内的流动介质是蒸汽或其他气体，因此可以按空气动力流噪声计算预测噪声水平。

    2 多级套筒阀内件的的假设

    多级套筒式调节阀在气体介质的工况下，由于其压力降较大，易产生高噪声，影响其调节阀的品质与性能，并对周围环境造成严重影响。然而目前为止，并没有权威性的标准或规范对多级套筒式调节阀噪声的理论预测进行描述。经过相关研究发现：对于气体工况下调节阀内加装的多级套筒，可以看作气体消声器。这方面可参照我国马大猷院士的气体消声器的噪声理论进行噪声的预测计算。

    3 多级套筒式调节阀气动噪声理论计算过程

    根据产品相关结构参数，按照标准IEC60534-8-3中未加多级阀内件调节阀的噪声预测公式进行噪声的理论计算，得到未加多级套筒阀内件调节阀所产生的噪声值，再根据马大猷院士的气体消声器理论进行多级套筒消声量的计算，进而得到加装多级阀内件后的调节阀最终噪声值，其计算流程如图2所示：

图2 空气动力流噪声预测理论计算流程图   

    多级套筒式调节阀空气动力流总噪声级计算公式：

    （1）

    式中：     

    SPL……加装多级阀内件后调节阀的总噪声级，dB（A）；

    SPLIEC……未加多级阀内件调节阀的噪声级，dB（A）；

    ΔL消声器……消声器的消声量，dB（A）。

    4 案例

    为说明其计算过程，下面以进口压力8MPa，出口压力1Mpa，内部采用4级节流降压件的多级套筒式调节阀为例，对其产生的气动噪声进行理论计算。

    第一步：计算未加多级套筒时，空气动力流噪音。

    已知：介质为过热蒸汽，阀前压力为P1=8MPa，阀后压力为P2=1MPa，饱和蒸汽温度为tv=295℃，试验温度t=500℃，过热度为tsh=205℃，压力恢复系数为FL=0.95，等熵指数γ=1.3，计算流量系数Cv20。

    未加多级套筒阀内件时管壁外1m处A计权的总噪声级：   

       （2）

    第二步：多级套筒节流降压件消声量的计算。

    由于高压降，阀前后实际压差远远大于临界压差，造成高噪声和强振动。为使本调节阀处于良好的运行状态，设计时采用了在阀瓣节流孔处设置多级套筒节流件，利用多级节流降压原理将高压汽体压力逐级降低，即把通过调节阀的一次高的压降分成数干个小的压降，压力突变改为压力渐变，降压后汽体得到充分膨胀，声能得以充分消耗，从而得到较大的消声量，取得消声效果。

    由于介质为汽体，多级节流降压相当于节流减压排气消声器，故消声量的计算按照多级降压消声器的公式计算。

    多级阀内件的消声量：

        （3）

    式中：

    P1·······················进口压力，8000000Pa；

    P2·······················出口压力，1000000Pa；

    n························降压级数，4；

    α······················修正系数，0.9。

    第三步：总噪声级的计算（加装多级阀内件）。

      （4）

    通过以上设计参数，根据IEC标准预测计算未加入多级节流降压元件时，噪声值为100.77dB（A），采用多级节流降压元件降噪（降噪量为14.385dB（A））后，噪声值降为86.388dB（A），低于90dBA的限制要求，说明设计合理。此计算方法可为调节阀的设计提供参考。

    5 结束语

    本文针对多级套筒式调节阀所产生的空气动力流噪声的预测，根据最新IEC气动噪声计算标准及气体消声器理论进行了计算，并结合案例说明了其计算过程，为多级套筒式调节阀结构的改进、性能的提升提供了理论支撑。