0 引言

高温高压疏水管网中经常存在着严重噪声及振动等危害现象，其中调节阀产生的噪声是管路噪声的重要来源之一。尤其是在高温介质、高压降等恶劣工况下工作的调节阀内极易产生高噪声、闪蒸及空化等现象，导致阀门寿命缩短及管道剧烈振动，严重影响着系统的安全稳定运行与节能水平。在恶劣的噪声环境下工作会使工作人员效率大大降低，操作失误导致事故频发。强噪声环境也容易影响仪器设备的正常操作，甚至在有些情况下造成设备灵敏度的降低。

目前在高压降调节类阀门噪声抑制领域研究较少，现有研究只限于原理介绍与定性验证分析。尤其国内研究起步较晚，长期采用测绘仿制进口产品的落后方法，无成熟设计方法或标准可循。因此，对套筒式多级降压调节阀噪声特性展开深入研究具有十分重要的意义。

本文针对高温高压降工况下调节阀引发噪声的问题，基于多级降压理论，建立一定过冷度凝结水排放条件下的多级降压套筒参数模型及噪声计算模型，研究多级降压套筒层数对阀内流动及噪声特性的影响规律。

1 消声节流套筒与多级降压原理

阀前后压差过高导致节流处局部流速过高是高噪声现象的主要诱因。根据多级降压原理，如图1所示：

通过多次节流把一次高压降分解成多个小压降，将压力突变转化为压力渐变，限制流速过快引起的高噪声及振动等危害。图2为多级降压消声节流套筒结构，套筒分为三层，每一层套筒都开有均匀分布的小孔，各级小孔相互错开。套筒降压级数是节流套筒最为关键的参数，直接影响到调节阀内部流动特性及噪声特性。

图1 多级节流降压原理图

图2 多级降压消声节流套筒结构

2 建立数值计算模型

高压降调节阀一般常在20%－80%开度范围内工作，小开度下易出现噪声。选取20%开度，使用SolidWorks软件建立无套筒及一、二、三层套筒层数流道模型。计算网格由ICEM－CFD软件划分生成，采用四面体/混合网格的网格划分方式生成流动区域贴体网格。为了计算结果更加精确，对套筒内部网格进行了局部加密处理。通过网格无关性检验，选定无套筒模型网格数为14.9×104。

采用计算流体力学软件Fluent，以连续性方程、动量方程、基于各向同性涡粘性理论的k–ε双方程及混合两相流空泡动力学方程组成数值模拟的控制方程组，对无套筒疏水阀模型及不同套筒层数模型内部空化流动进行数值模拟。

3 流场模拟计算结果与分析

介质参数及边界条件为：200℃高温水；入口压力P1为22MPa、出口压力P2为6MPa；饱和蒸汽压Pv为1.5MPa。得出不同模型压力、速度分布，如图3和图4所示。

图3 不同套筒模型压力分布云图（Pa）

图3（a）、图4（a）为无套筒模型压力分布云图、流体速度分布图，流体在小开度节流作用下压差达到了14MPa，最高速度156m/s，高压差引发高流速，极易出现空化现象，产生强烈的空化噪声；图3（b）、图4（b）及图3（c）、图4（c）分别为单层套筒及双层套筒模型压力分布云图、流体速度分布图，阀底部流道转角处小部分压力变化较大，最大压差分别下降至11.35MPa与8.35Mpa，最高速度分别为140m/s与135m/s；图3（d）、图3（d）为三层套筒模型压力分布云图、流体速度分布图，最大压差下降至5.18Mpa，最高速度117m/s。说明多级节流套筒降低最大压差的作用十分明显，增加套筒级数有助于实现逐级降压，将压力突变转化为压力渐变，防止压力突变导致局部流速过高，使流速趋于平缓。

图4 不同套筒模型速度分布云图（m/s）

4 噪声计算与分析

在不同流道模型模拟计算结果中读取压差数值，对比分析不同套筒层数对噪声特性的影响。根据标准IEC60534－8－4－2005Industrial－processcontrolvalve－part8－4：Noisecon-siderations－Predictionofnoisegeneratedbyhydrodynamicflow，计算得到阀门外1m处的噪声值LpAe，1m。其中主要计算公式如下：

由压差p1－p2和饱和蒸汽压pv得压差比xF：

    （1）

由压差比xf得修正压降比：

    （2）

比较压差比xf和修正压差比的大小判断噪声为紊流噪声还是空化噪声

内部声压级Lpi：

    （3）

紊流（空化）阀外1m处噪声级为：

    （4）

最后，阀内各级间加权噪声：

    （5）

通过以上计算过程，忽略较小变量，对不同模型的关键数据进行对比，对比结果如表1所示。

表1 不同套筒级数模型噪声参数

由表1中数据可以看出随着消声节流套筒级数的增加，级间最大压差从14MPa逐步降低至5.18MPa；介质流速上升程度亦有所降低，由156m/s降低至117m/s；各级间最大压差比xF由0.685降至0.319；阀外1m加权噪声级由101.7dB（A）降至减小到78.8dB（A），满足要求不大于85dB（A）的要求。说明多级消声节流套筒有助于实现逐级降压、限制流速，从而有效降低噪声。

5 结论

（1）随着套筒级数增加，阀内流体压力、速度变化趋于平缓，说明多级套筒有效实现了逐级降压、限制流速的目的。

（2）增加套筒级数，可使各级间最大压差比逐渐减小，阀外1m加权噪声明显降低，有效满足了降低噪声的要求。

（3）根据CFD模拟及噪声理论计算，设计的消声节流套筒可以满足消声减振要求，该方法为初步计算多级套筒调节阀的降压级数提供了理论依据。

 

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