工業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有研究基礎，分析了減壓閥內噪聲產生的機理，總結了目前國內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外降噪技術的研究現狀.經過分析總結，探討了目前研究存在的主要問題：減壓閥內流動復雜、旋渦流動發生位置不明確和高速射流相互作用的影響不確定等；指出未來方向應在綜合理論分析、試驗研究和數值模擬的基礎上，確定減壓閥內噪聲源位置并分析噪聲指向性，明確降噪機理，進而研究降噪技術，實現根源降噪.未來對減壓閥噪聲的控制應從流動機理和結構創新同時著手，進而推出一套普適性低噪聲閥門設計理論.研究減壓閥內噪聲可以為有效并針對性地降低噪聲提供可靠依據.

隨著大型煤化工、新能源工程和航空母艦等國家重點工程的建設和發展，各種高溫高壓復雜工況機組不斷出現.在高溫高壓、大流量、高減壓比等復雜工況下，傳統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

基于此，多級高參數減壓閥的概念被提出并被逐步應用于各大國家重點工程中.依據閥內節流降壓組件的結構形式不同，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.串級式能持續降壓，可有效減輕汽蝕.迷宮盤片式可達到不同的流量調節特性.多層套筒式減振和降噪效果較好.

減壓閥結構復雜，流體流經節流元件如閥芯和孔板時，壓力迅速降低發生超聲速流動，導致減壓閥內氣體湍流程度劇烈并產生較大噪聲，對操作人員健康和設備的正常運行有嚴重影響.據醫學調查及研究表明：暴露在強噪聲環境中，人體的免疫能力會慢慢降低，容易誘發各種生理疾病；同時，噪聲使人情緒不安，分散設備操作人員精力，在強噪聲環境中工作會產生不同程度的心理疾病；另外，噪聲的掩蔽效應使得操作人員不易察覺危險信號，容易造成事故發生.

減壓閥噪聲危害較大，因此，國內外眾多學者相繼開展減壓閥噪聲機理及降噪技術研究.文中旨在歸納總結國內外學者在減壓閥噪聲領域的研究進展，探討目前研究存在的主要問題，爭取對推動減溫減壓技術與裝置的科技進步提供一定的科學意義和工程價值.

1 工業減壓閥噪音研究及解決辦法噪聲產生機理

減壓閥內部結構復雜，湍流程度較大，其噪聲產生原因主要包括：減壓閥內運動零部件在流體激勵作用下產生的機械振動噪聲；液體在減壓閥內部復雜結構中發生流動分離、紊流及渦流所產生的液體動力學噪聲；氣體在減壓閥內部達到臨界流速出現激波、膨脹波而產生的氣體動力學噪聲.

1.1 工業減壓閥噪音研究及解決辦法機械振動噪聲

機械振動噪聲主要是由減壓閥內可運動部件如閥桿、閥芯受流體沖擊產生振動而形成的.機械振動噪聲分為低頻振動噪聲和高頻振動噪聲.低頻振動噪聲的產生源于流體的脈動和射流.射流流體沖擊減壓閥內可運動部件閥桿和閥芯時，會引起閥桿相對于閥座的運動，導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.共振現象下的振動頻率較大，高達3 000～7 000 Hz，所以對應的噪聲稱之為高頻振動噪聲.高頻振動噪聲會產生很大的破壞應力，導致振動部件產生疲勞破壞甚至斷裂.機械振動噪聲與流體介質流動狀態無關，多是由于減壓閥結構設計不合理產生.減小機械振動噪聲的方法應從減壓閥自身結構出發，包括合理設計可運動部件的剛性、減小零部件之間的間隙以及合理選用材料等措施.

1.2 工業減壓閥噪音研究及解決辦法液體動力學噪聲

液體動力學噪聲是由流體流經減壓閥內節流元件之后發生流動分離及渦流所產生的.基于此，液體動力學噪聲主要是汽蝕噪聲.汽蝕噪聲是由于液體流經節流元件，多孔節流孔板，流速上升而壓力下降，當節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象.離開節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.空化作用的氣泡破裂使得能量高度集中，產生極大沖擊力，形成汽蝕噪聲.與此同時，節流元件面積的急劇變化使得流體在節流孔后產生高速湍流噴注，在此狀態下液體流速極不均勻，進而產生旋渦脫落噪聲.

1.3工業減壓閥噪音研究及解決辦法 氣體動力學噪聲

氣體動力學噪聲又稱氣動噪聲，是由氣體流經減壓閥內節流元件時，流體機械能轉換為聲能所產生的噪聲.當氣體介質的流速高于聲速，會產生沖擊波，反之則產生強烈的擾流現象，2種情況都會加劇噪聲分布，因此，氣動噪聲被認為是減壓閥及管道系統運行過程中、最嚴重的噪聲.氣動噪聲根據球形聲源特性可以分為3種，如表1所示.氣體動力學噪聲不能*被消除，因為減壓閥在減壓過程中引起的流體紊流是不可避免的.但可以通過改變節流元件結構或流體流動狀態以達到氣動噪聲最小化.

2 工業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、試驗研究和數值模擬研究.3種方法相輔相成，互為印證，共同推動減壓閥噪聲領域向前發展.

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.聲源的幾何特性遠小于聲波波長時，可把聲源看成是點聲源.任何復雜的聲源都可以看成是由許多點聲源組合而成.假設點聲源為球形，其表面振速在各個方向上均勻分布，或只與極有關，則聲場為軸對稱分布.

2.2 噪聲問題的試驗研究

試驗研究可以提供有效可靠的數據，是減壓閥噪聲問題研究步驟之一.目前國內外學者針對減壓閥噪聲問題的試驗研究從兩條線展開：噪聲產生原因分析和降噪方法研究提出一種迷宮式低噪聲節流閥，并進行了水力與振動噪聲綜合特性測試.結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.調節類閥門噪聲試驗的開展需要嚴格按照標準要求實施，主要步驟包括試驗技術路線的設計、噪聲測試系統的設計、噪聲測點安排、噪聲頻譜和聲強的測試以及數據處理.另外試驗過程中需要隔振和消除背景噪聲.

減壓閥常用的噪聲試驗研究技術路線.噪聲試驗研究可以分為3個階段：噪聲源位置的識別和特性分析；減壓閥結構優化；驗證試驗.

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，并通過聲強分析確定相應的噪聲源位置.

階段2是降噪技術的關鍵一步，是在噪聲源識別的基礎上對減壓閥結構進行優化.結構優化主要包括閥體和內節流部件的參數優化.

階段3是試驗驗證階段：對優化后的減壓閥進行加工制造，然后通過噪聲試驗裝置來驗證優化策略在降噪特性方面的可行性，如果結果不滿足要求，則繼續優化，重復試驗.

2.3 工業減壓閥噪音研究及解決辦法噪聲問題的數值模擬

聲學測量儀器，如聲級計和頻率分析儀等，可以測得噪聲的聲壓級、聲強以及頻率特性.然而傳統測試方法對測量儀器精度要求高，需要考慮環境噪聲、溫度和濕度等環境因素的影響.另外試驗成本較高，針對復雜工況，如高溫高壓氣體減壓過程，試驗難度較大，而且對優化設計過程，需大量重復性試驗，降低了產品設計速度.因此不少學者使用數值模擬的方法進行噪聲分析.數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系，對研究噪聲產生的機理提供有力工具.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場的互補工具；另一種稱為聲類比方法，因為體積積分代價太大所以效率較低，而且對截斷效應敏感，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.國內外學者在減壓閥噪聲問題上進行了大量數值模擬.

數值模擬是解決減壓閥噪聲問題的有力工具.但是數值模擬的難點在于聲音能量遠小于流動能量，所以聲波的求解較為困難，特別是遠場噪聲傳播的預測和產生噪聲的近場流動預測計算.上述減壓閥噪聲產生機理指出，氣動噪聲被認為是減壓閥及管道系統運行過程中、最嚴重的噪聲.現以氣動噪聲為例，敘述減壓閥噪聲數值模擬方法：直接方法、基于聲類比的積分方法和寬頻噪聲模型方法.

① 直接方法求解適當的流體動力學方程直接計算聲波的產生和傳播.精確的聲波預測需要控制方程時間精確的解.由于需要高精度的數值，精細的網格和聲學無反射邊界條件，直接方法的計算較為復雜.預測遠場噪聲時，計算成本非常高，只有當監測點位于近場范圍內時，可以使用直接方法.

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

③ 寬頻噪聲模型方法.許多實際湍流的噪聲不具有明顯的音調，聲能量連續分布于較寬的頻率范圍，稱為寬頻噪聲.這種流動的統計學湍流特征通過聲類比理論預測寬頻噪聲.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控制方程的瞬態解.因此，寬頻噪聲模型方法計算成本.

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

3 工業減壓閥噪音研究及解決辦法技術研究現狀

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噪聲，國內外學者在降噪技術方面進行了大量的研究.

3.1 來源降噪

來源降噪即通過識別噪聲源來采取相應的降噪措施.通過增加孔板或多孔網罩可以實現來源降噪.不同的消聲器廣泛應用于排放系統，比如擴張室消聲器、微穿孔板消聲器、孔板等.由于結構簡單，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，國內外很多學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流體流動的基礎上進行相應降噪技術研究.國內外學者對傳播降噪技術的研究主要集中在閥門結構設計和類消聲器設計兩方面.基于多級、分流、迷宮流道等低噪聲設計原理，進行了迷宮型式閥套的低噪聲節流閥設計.

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

4 工業減壓閥噪音研究及解決辦法結 論

文中分析了減壓閥內噪聲產生的機理，總結了目前國內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外降噪技術的研究現狀.得出結論及展望如下：

1) 噪聲機理.減壓閥內部結構復雜，湍流程度較大，其噪聲產生原因主要包括3個方面：減壓閥內運動零部件在流體激勵作用下產生的機械振動噪聲；液體在減壓閥內部復雜結構中發生流動分離及渦流所產生的液體動力學噪聲；氣體在減壓閥內部達到臨界流速出現激波、膨脹波而產生的氣體動力學噪聲.

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、試驗研究和數值模擬研究.3種方法相輔相成，互為印證，共同推動減壓閥噪聲領域向前發展.

3) 降噪技術.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的降噪措施.傳播降噪是在分析減壓閥內流體流動的基礎上進行相應降噪技術研究.2種降噪方法均可有效降低減壓閥內噪聲.

4) 存在問題及今后發展方向.減壓閥內流動復雜，旋渦流動發生位置不明確，高速射流相互作用的影響也不確定.減壓閥節流元件處噪聲明顯，其噪聲產生的原因主要為湍流和高速射流.應從根源上減少噪聲的產生，包括流道優化及結構創新.流道應保證蒸汽充分膨脹，減少旋渦及回流的產生，可以通過改變腔結構參數和形狀，使流道更為均勻，減少湍流耗散和噪聲；結構創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.未來發展趨勢應著重低噪聲減壓閥設計.