大壓差注水均壓系統降噪改進設計與試驗研究

蔡標華，方 超，俞 健，石兆存

(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064)

大壓差注水均壓系統降噪改進設計與試驗研究

蔡標華，方 超，俞 健，石兆存

(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064)

為了控制船舶裝置均壓過程的振動和噪聲，對注水均壓系統的水力能量分布特點和主要噪聲源進行分析。基于閥門節流空化噪聲形成的機理，提出多級節流降壓的技術改進方案，合理逐級分配系統壓降。對比試驗結果表明，改進后系統的振動和噪聲均有顯著下降，達到預期的降噪目標。

大壓差；減振降噪；多級節流；汽蝕

0 引 言

船舶裝置的注水均壓系統用于均衡耐壓筒體內外流體的壓力差，便于裝置前蓋的啟閉。傳統注水均壓系統直接應用GB595型船用截止閥節流控制系統的流量，在高壓差條件下，系統內部流體紊流程度高，轉化為聲能和振能的冗余能量大，系統整體的振動和噪聲級較高，對于總體環境有不利影響，迫切需要得到治理與改善。本文重點分析高壓差注水均壓系統能量分布特點和閥門汽蝕噪聲的基本原理，提出高壓差注水多級節流降噪的改進設計方案。驗證性試驗表明，可有效降低注水均壓系統產生的振動和噪聲。

1 注水均壓過程噪聲產生機理分析

根據船舶系統設計運行工況要求，注水均壓系統在1.6 MPa的高背壓條件下采用單級節流注水，為了適應注水時間要求和管路材料流速限制，系統流量設定為3 t/h。系統注水的必需水力功率僅占系統可供的總水力功率的1/5，這是注水均壓節流噪聲過高的主要原因。系統的能量分布可用下式表征：

式中：Ne為系統輸出功率，主要由系統注水背壓H、系統流量Q確定；NT為系統的必需凈功率，由沿程水頭損失、局部水頭損失等組成，與注水的管路特性相關；Ni為水力功耗，由摩擦耗能、熱能、聲能等組成。

船建立舶裝置均壓系統的仿真模型（見圖1），采用局部接頭替代原系統管路中的多個水力彎頭及系統中的常開閥門。計算模型分為單級節流和多級節流 2 種型式，件號J4，J40，J41，J42的開度可調，可對系統進行節流，注水均壓系統的調節控制流量設定為3 t/h。

計算表明，對于單節節流工況，調節閥件4是系統的主要功耗部件，閥門開度為7%，其阻力系數達393.8。對于多級節流工況，調節閥件J40，J41，J42的閥門開度均為12%，單個阻力系數33.8。可見，單級節流閥門局部損失是單個多級閥門的局部損失的10倍以上，從統計能量法角度看[1]，導致單閥門壓差過大，節流噪聲與空化問題突出，是系統振動和噪聲的主要貢獻源。

在系統均壓過程中，當流體流經閥門節流時，由于閥芯與閥座的節流，流體的流通面積縮小。閥門局部流場流體靜壓能與動壓能相互轉換，閥芯處會出現局部高流速，最高可達37.88 m/s，并形成局部低壓。當最小節流口壓力Pvc小于該流體在入口溫度下汽化壓力Pv時，液體中的氣核即膨脹成為汽泡，帶有氣泡的液體在下游流道中流速下降，壓力回升。當壓力回升至高于Pv時，汽泡破裂，恢復液相，這一過程即是空化過程[2–3]。空化過程中會釋放較大的能量，發生強烈的振動和噪聲。

通過上述理論分析可知，大壓差注水均壓系統的流量調節控制閥門是系統的主要能耗部件，也是系統的主要振動和噪聲源。由于系統的大壓差、注水流量等屬于系統性能的固有特性，宜采用多級節流的技術方案對振動和噪聲問題進行改進，提高流量調控閥門的下游壓力，減小單級閥門壓差，防止系統強烈的汽蝕噪聲的產生。

2 注水均壓系統多級節流改進設計

根據IEC標準閥門水動力噪聲聲強計算公式可知，閥門的噪聲與空化程度直接相關，閥門空化后，其水動力噪聲量級顯著增加。控制節流空化噪聲產生的關鍵就是避免空化現象的產生。閥門空化及空化噪聲主要是由節流閥門前后的高壓差降引起的，采用多級節流的方式逐步降低海水背壓，以降低系統產生的振動和噪聲。閥門產生汽蝕的條件為[4]：

式中：FL為壓力恢復系數，取0.5～0.98；Δp 為閥門出入口壓差，MPa；；P1為閥門入口壓力，MPa；P2為閥門出口壓力，MPa；FF為液體的臨界壓力比系數，；Pv為飽和蒸汽壓力，MPa，30 ℃水溫時，約為0.004 1 MPa；Pc為液體的臨界壓力，MPa，取22.1 MPa。

為了使閥門不汽蝕，各級的節流壓差均應小于汽蝕發生的臨界壓差。一般設計第一級設計壓差應小于阻塞壓差，多級節流壓降按幾何級數遞減，即

計算已知條件為，閥門入口的絕對壓力為1.6 MPa，最后一級閥門出口的絕對壓力為0.18 MPa，壓力恢復系數取0.8。據此多級節流方案對進行計算，結果如表1所示。

表1 多級節流防汽蝕方案計算結果Tab.1 Calcuation results of cavitation protection on multistage throttling

通過上述計算可知，采用1級節流、2級節流的系統流量控制方案均會產生汽蝕問題，通過3級節流的系統流量控制方案，可以使每一級的，避免產生汽蝕噪聲的出現。根據上述多級節流壓力的計算結果，采用組合型調節閥，對高壓差注水均壓系統的各級壓力進行控制，實現閥門大壓差節流的降噪。

3 注水均壓系統降噪改進對比試驗

3.1 試驗系統原理

試驗系統采用單閥門節流和3級閥門組節流 2 種注水方案，如圖4所示。系統注水壓差采用加氣背壓水罐模擬，最高加氣壓力可達2.0 MPa。試驗過程中測量系統的流速、壓力等水力參數，測量系統管路、裝置筒體等測點的振動加速度，測量筒體內部的流體噪聲。分析閥門節流的壓差系數與振動噪聲特性的關系影響。試驗初始背壓設定為1.5 MPa，以調節流量3 t/h為目標，單級節流試驗調節2閥門2的開度，3級節流試驗調節閥組4的開度。

3.2 試驗結果與數據分析

注水均壓模擬系統共布置9個B&K公司的4534型加速度傳感器和1個8 105型球形水聽器，用于測量船舶裝置筒體位置、近端管路、遠端管路的三向振動和筒體內部的流體噪聲。系統試驗的測試數據見表2，流噪聲對比見圖5。

通過分析 2 種典型方案的試驗數據，可以得出幾點結論：

1）高壓差注水均壓系統的單級節流的壓降模式為1.5 MPa→0.01 MPa，3級節流的壓降模式為1.5 MPa→0.688 MPa→0.283 MPa→0.01 MPa，單級壓降通過多級節流可得到有效控制。

2）高壓差注水均壓系統通過多級節流的技術方案改進，系統各個測點的振動和噪聲均有明顯降低，振動加速度最大降低10.4 dB。

3）多級節流的方式可有效控制系統節流和湍流產生的系統流噪聲，試驗測試的降低幅值為7 dB。

表2 單級-多級節流方案的降噪效果對比試數據Tab.2 Comparing test data of noise between single stage and multistage throttling

4 結 語

對于高壓差注水均壓系統而言，流量調節控制的閥門消耗系統的大部分水力動能。單級節流閥門壓差高于阻塞壓差時，閥門局部流場流體靜、動壓能相互轉換，容易在閥芯與閥座的節流孔附近產生空化現象誘發噪聲。運用多級節流降壓原理，合理逐級分配系統壓降，控制單級閥門的大壓差，可有效控制系統產生的振動和噪聲。

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Noise control design and test study of high differential pressure equalizing system

CAI Biao-hua, FANG Chao, YU Jian, SHI Zhao-cun
(Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China)

In order to control the vibration and noise of ship device equalizing process, this paper analyzes the hydraulic energy distribution characteristics and main noise sources of water injection system. Based on the cavitation noise principle on vavle throttling, the technical scheme for multistage throttle is proposed to reasonable depress system pressure. The contrast experiment shows vabrition and noise of the improved system has dropped significantly to reach the expected noise control goals.

high differential pressure；vibration and noise control；multistage throttle；cavitatin

O328

A

1672 – 7619(2017)06 – 0125 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2017.06.025

2016 – 08 – 22；

2016 – 11 – 19

蔡標華(1980 – )，男，碩士研究生，高級工程師，主要從事船舶系統工程技術和海水系統減振降噪方面的研究工作。