调节阀噪声分析与气穴研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州理工大学能源与动力工程学院 作者:杨国来

  以套筒式调节阀为研究对象,通过流体动力学知识和噪声理论对其内部流场进行分析,得到套筒式调节阀产生振动的原因,并找出了调节阀内流道中产生气穴现象的位置。通过CFD数值模拟,计算出在某一开度下调节阀的速度矢量图,并与理论分析的气穴现象进行对比分析。该理论分析和CFD技术的采用,使得低噪声、高性能的套筒式调节阀的设计周期更短,成本更低,效果更好。

  调节阀是由执行机构和阀门部件2部分组成。执行机构是调节阀的驱动装置,它按信号压力的大小产生相应的推力,使推杆产生相应的位移,从而带动阀芯动作;阀门部件是调节阀的调节部分,直接与介质接触,通过执行机构推杆的位移,改变调节阀的节流面积,达到调节的目的,同时它也是噪声的主要发生源。

  套筒式调节阀是一种特殊的调节阀,典型的结构如图1所示。其阀体与直通单座式阀体相似,但阀内有1个圆形套筒,套筒四周有不同形状的开口,要根据流通能力大小来设计窗口的数量。利用套筒导向,阀芯可以在套筒中上、下移动,并实现流量调节。由于套筒调节阀采用平衡型的阀芯结构;因此不平衡力小、稳定性好、不易振荡,从而很大程度上改善了原有阀芯容易损坏的现象。

  噪声污染已经成为世界公认的4大污染源之一,各国都投入巨资治理噪声,人们对噪声控制提出了更高的要求。调节阀常常是管路系统中的噪声源,当压力降到一定临界值时,容易引起气穴、气蚀现象,并伴有流体噪声和振动。调节阀流道结构是影响调节阀产生噪声的关键因素;因此,对调节阀结构的研究是很有必要的。

套筒式调节阀

图1 套筒式调节阀

1、调节阀噪声产生的原因

  1.1、机械振动产生噪声

  调节阀产生的机械噪声主要来自阀芯、阀杆和一些可以活动的零件,主要原因是受介质压力波动的影响或者介质的冲击,还有就是由于调节套筒外圆和阀体导向装置之间有较大的间隙。机械振动会引发刚性碰撞,产生的声音是金属响声和敲击声,噪声幅值的大小由碰撞的能量、振动体的质量、阻尼、刚度等决定,这种振动频率一般<1500Hz。

  1.2、气体动力产生的噪声

  当气体介质经过调节阀的节流孔时,会产生气体动力噪声,多为一种漩涡脱离声。通过大量研究表明,当气体流速比声音速度低时,噪声主要是因为强烈的扰流产生的;当气体流速比声音速度大时,介质就会产生冲击波,此时噪声会急剧增加。一般情况下,可压缩介质流经调节阀产生的噪声是最严重的。

  1.3、液体动力产生的噪声

  当液体介质经过调节阀的节流孔时,会产生液体动力噪声。当液体经过节流口时,由于节流口面积的急剧变化,流通面积缩小,流速升高,压力下降,易产生阻塞流,产生闪蒸和空化。一般情况下,当节流口前后压差不大时,调节阀噪声很小,可以不考虑噪声问题;但当节流口两侧压差过大时,就会有闪蒸现象产生,从而存在气、液两相流,两相介质的减速和膨胀作用自然形成了噪声。开始出现空化的点即称为临界点,此时调节阀的压差为Δpc(开始空化时调节阀压差),完全达到空化时的压差为ΔpT。

  流体流动噪声(Δp≤Δpc):

调节阀噪声分析与气穴研究

  初始空化噪声(Δpc<Δp<ΔpT):

调节阀噪声分析与气穴研究

  完全空化噪声(Δp>ΔpT,且p2>pv):

调节阀噪声分析与气穴研究

  式中,LP是介质动力噪声的声压级,以调节阀下游1m,并离管道1m处测量,单位为dB(A);KV是特定流量下的流量系数;Kc是初始空化系数;FL是液体压力恢复系数;H是管道壁厚;Δp是调节阀前后压差;pv是液体饱和蒸汽压;p1是阀前压力;p2是阀后压力。

  可以看出,压差和流速对噪声的影响最大。速度越高,压差越大,噪声也就越大。当然,流量系数、直径、壁厚、温度等因素都会对噪声产生影响。

2、数值模拟

  2.1、流道建模与网格划分

  计算模型采用图1所示的套筒式调节阀,通过三维建模软件UG建立调节阀简化结构,进出口直径都为80mm,套筒窗口尺寸按设计计算值。进行仿真分析前,要对流体部分进行网格划分,通过布尔运算得到调节阀在不同开度下的三维流道图,并保存成.step格式。通过ICEM进行网格划分,计算网格数为30万个。

  2.2、Fluent采用的设置

  将.msh文件导入Fluent,设置后进行计算。本算例湍流模型采用标准的K-ε模型,离散方程的求解方法采用非结构网格上的SIMPLE算法,速度压力场采用隐式的全场迭代解法,边界条件规定进口总压力与出口压力。设定好上述求解控制方程后,即可求得不同开度的阀芯模型。

  2.3、仿真结果分析

  仿真结果如图2所示。可以看出,流体经过节流口A时,流速突然增大,压力迅速降低,在节流口附近出现了很低的负压,当压力降到一定程度时,随之而来的是闪蒸、空化现象。这一现象从图3所示的调节阀某一开度下的速度云图也可以得到验证。因此,要改进结构,尽量提高负压值,减小负压区域,才能够降低噪声。阀芯拐角处出现了大的压力降,此处产生漩涡区并造成能量损失,减小能量利用率。

调节阀计算流线图

图2 调节阀计算流线图

调节阀计算速度云图

图3 调节阀计算速度云图

3、调节阀噪声降低的方法

  要从根本上消除调节阀的噪声,就应该从声源来进行处理,设计机构新颖的低噪声阀芯,在产生噪声的地方,把流速和压差降下来。通常采用如下2种方法。

  1)设计迂回通路。在阀芯节流处设计隔开的、细小的迂回通路,这种流路由于介质和边界层的湍流切应力作用,形成黏性应力,使压力降的百分数比最大化。

  2)采用阶梯式阀芯结构。设计多级阶梯式阀芯结构,当介质流过特殊的阀芯和阀座,使介质密度变化,压力降低,减缓了介质流速。这种方法尤其适用于液体易于产生空化的场合。

4、结语

  通过调节阀的噪声预估计算公式的分析,找到了调节阀产生噪声的原因;同时,通过CFD技术对调节阀内部流场进行可视化仿真模拟,找到了噪声源,并认为介质在经过节流口时,由于流速、压降增大,空化和闪蒸现象极易产生,噪声会明显增加。本文提供了降低调节阀噪声的2种方法,为今后设计高性能、低噪声的调节阀提供了有效的思路。

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