0 引言

    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(yīng)用系統(tǒng)中。在噪聲嚴(yán)重的應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(dǎo)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(yīng)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(dá)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(dá)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(zhǔn)。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。

    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(dāng)氣體流速比聲速低時，噪聲是因為強烈的擾流產(chǎn)生的；當(dāng)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(yán)重的。其噪聲往往會超過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的限制值，需對調(diào)節(jié)閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，使其噪聲值限制在規(guī)定的范圍之內(nèi)。但改進(jìn)后的調(diào)節(jié)閥噪聲為多少，需經(jīng)過實驗對其進(jìn)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(jìn)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(jìn)行理論預(yù)測，為相關(guān)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)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(yù)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(yán)重影響。然而目前為止，并沒有權(quán)威性的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范對多級套筒式調(diào)節(jié)閥噪聲的理論預(yù)測進(jìn)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(jìn)行噪聲的預(yù)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(biāo)準(zhǔn)IEC60534-8-3中未加多級閥內(nèi)件調(diào)節(jié)閥的噪聲預(yù)測公式進(jìn)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(jìn)行多級套筒消聲量的計算，進(jìn)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：

    多級套筒式調(diào)節(jié)閥空氣動力流總噪聲級計算公式：

    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(jìn)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(jìn)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t_sh=205℃，壓力恢復(fù)系數(shù)為F_L=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：    

    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(yuǎn)遠(yuǎn)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(dāng)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。

    通過以上設(shè)計參數(shù)，根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)預(yù)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(yù)測，根據(jù)最新IEC氣動噪聲計算標(biāo)準(zhǔn)及氣體消聲器理論進(jìn)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(jìn)、性能的提升提供了理論支撐。

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