大壓差注水均壓系統(tǒng)降噪改進(jìn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

蔡標(biāo)華，方 超，俞 健，石兆存

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064)

大壓差注水均壓系統(tǒng)降噪改進(jìn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

蔡標(biāo)華，方 超，俞 健，石兆存

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064)

為了控制船舶裝置均壓過(guò)程的振動(dòng)和噪聲，對(duì)注水均壓系統(tǒng)的水力能量分布特點(diǎn)和主要噪聲源進(jìn)行分析?；陂y門節(jié)流空化噪聲形成的機(jī)理，提出多級(jí)節(jié)流降壓的技術(shù)改進(jìn)方案，合理逐級(jí)分配系統(tǒng)壓降。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲均有顯著下降，達(dá)到預(yù)期的降噪目標(biāo)。

大壓差；減振降噪；多級(jí)節(jié)流；汽蝕

0 引 言

船舶裝置的注水均壓系統(tǒng)用于均衡耐壓筒體內(nèi)外流體的壓力差，便于裝置前蓋的啟閉。傳統(tǒng)注水均壓系統(tǒng)直接應(yīng)用GB595型船用截止閥節(jié)流控制系統(tǒng)的流量，在高壓差條件下，系統(tǒng)內(nèi)部流體紊流程度高，轉(zhuǎn)化為聲能和振能的冗余能量大，系統(tǒng)整體的振動(dòng)和噪聲級(jí)較高，對(duì)于總體環(huán)境有不利影響，迫切需要得到治理與改善。本文重點(diǎn)分析高壓差注水均壓系統(tǒng)能量分布特點(diǎn)和閥門汽蝕噪聲的基本原理，提出高壓差注水多級(jí)節(jié)流降噪的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。驗(yàn)證性試驗(yàn)表明，可有效降低注水均壓系統(tǒng)產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲。

1 注水均壓過(guò)程噪聲產(chǎn)生機(jī)理分析

根據(jù)船舶系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)行工況要求，注水均壓系統(tǒng)在1.6 MPa的高背壓條件下采用單級(jí)節(jié)流注水，為了適應(yīng)注水時(shí)間要求和管路材料流速限制，系統(tǒng)流量設(shè)定為3 t/h。系統(tǒng)注水的必需水力功率僅占系統(tǒng)可供的總水力功率的1/5，這是注水均壓節(jié)流噪聲過(guò)高的主要原因。系統(tǒng)的能量分布可用下式表征：

式中：Ne為系統(tǒng)輸出功率，主要由系統(tǒng)注水背壓H、系統(tǒng)流量Q確定；NT為系統(tǒng)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(guān)；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(tǒng)的仿真模型（見圖1），采用局部接頭替代原系統(tǒng)管路中的多個(gè)水力彎頭及系統(tǒng)中的常開閥門。計(jì)算模型分為單級(jí)節(jié)流和多級(jí)節(jié)流 2 種型式，件號(hào)J4，J40，J41，J42的開度可調(diào)，可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)流，注水均壓系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制流量設(shè)定為3 t/h。

計(jì)算表明，對(duì)于單節(jié)節(jié)流工況，調(diào)節(jié)閥件4是系統(tǒng)的主要功耗部件，閥門開度為7%，其阻力系數(shù)達(dá)393.8。對(duì)于多級(jí)節(jié)流工況，調(diào)節(jié)閥件J40，J41，J42的閥門開度均為12%，單個(gè)阻力系數(shù)33.8。可見，單級(jí)節(jié)流閥門局部損失是單個(gè)多級(jí)閥門的局部損失的10倍以上，從統(tǒng)計(jì)能量法角度看[1]，導(dǎo)致單閥門壓差過(guò)大，節(jié)流噪聲與空化問(wèn)題突出，是系統(tǒng)振動(dòng)和噪聲的主要貢獻(xiàn)源。

在系統(tǒng)均壓過(guò)程中，當(dāng)流體流經(jīng)閥門節(jié)流時(shí)，由于閥芯與閥座的節(jié)流，流體的流通面積縮小。閥門局部流場(chǎng)流體靜壓能與動(dòng)壓能相互轉(zhuǎn)換，閥芯處會(huì)出現(xiàn)局部高流速，最高可達(dá)37.88 m/s，并形成局部低壓。當(dāng)最小節(jié)流口壓力Pvc小于該流體在入口溫度下汽化壓力Pv時(shí)，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(dāng)壓力回升至高于Pv時(shí)，汽泡破裂，恢復(fù)液相，這一過(guò)程即是空化過(guò)程[2–3]。空化過(guò)程中會(huì)釋放較大的能量，發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)和噪聲。

通過(guò)上述理論分析可知，大壓差注水均壓系統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)控制閥門是系統(tǒng)的主要能耗部件，也是系統(tǒng)的主要振動(dòng)和噪聲源。由于系統(tǒng)的大壓差、注水流量等屬于系統(tǒng)性能的固有特性，宜采用多級(jí)節(jié)流的技術(shù)方案對(duì)振動(dòng)和噪聲問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)，提高流量調(diào)控閥門的下游壓力，減小單級(jí)閥門壓差，防止系統(tǒng)強(qiáng)烈的汽蝕噪聲的產(chǎn)生。

2 注水均壓系統(tǒng)多級(jí)節(jié)流改進(jìn)設(shè)計(jì)

根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)閥門水動(dòng)力噪聲聲強(qiáng)計(jì)算公式可知，閥門的噪聲與空化程度直接相關(guān)，閥門空化后，其水動(dòng)力噪聲量級(jí)顯著增加?？刂乒?jié)流空化噪聲產(chǎn)生的關(guān)鍵就是避免空化現(xiàn)象的產(chǎn)生。閥門空化及空化噪聲主要是由節(jié)流閥門前后的高壓差降引起的，采用多級(jí)節(jié)流的方式逐步降低海水背壓，以降低系統(tǒng)產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲。閥門產(chǎn)生汽蝕的條件為[4]：

式中：FL為壓力恢復(fù)系數(shù)，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(shù)，；Pv為飽和蒸汽壓力，MPa，30 ℃水溫時(shí)，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(jí)的節(jié)流壓差均應(yīng)小于汽蝕發(fā)生的臨界壓差。一般設(shè)計(jì)第一級(jí)設(shè)計(jì)壓差應(yīng)小于阻塞壓差，多級(jí)節(jié)流壓降按幾何級(jí)數(shù)遞減，即

計(jì)算已知條件為，閥門入口的絕對(duì)壓力為1.6 MPa，最后一級(jí)閥門出口的絕對(duì)壓力為0.18 MPa，壓力恢復(fù)系數(shù)取0.8。據(jù)此多級(jí)節(jié)流方案對(duì)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表1所示。

表1 多級(jí)節(jié)流防汽蝕方案計(jì)算結(jié)果Tab.1 Calcuation results of cavitation protection on multistage throttling

通過(guò)上述計(jì)算可知，采用1級(jí)節(jié)流、2級(jí)節(jié)流的系統(tǒng)流量控制方案均會(huì)產(chǎn)生汽蝕問(wèn)題，通過(guò)3級(jí)節(jié)流的系統(tǒng)流量控制方案，可以使每一級(jí)的，避免產(chǎn)生汽蝕噪聲的出現(xiàn)。根據(jù)上述多級(jí)節(jié)流壓力的計(jì)算結(jié)果，采用組合型調(diào)節(jié)閥，對(duì)高壓差注水均壓系統(tǒng)的各級(jí)壓力進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)閥門大壓差節(jié)流的降噪。

3 注水均壓系統(tǒng)降噪改進(jìn)對(duì)比試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)原理

試驗(yàn)系統(tǒng)采用單閥門節(jié)流和3級(jí)閥門組節(jié)流 2 種注水方案，如圖4所示。系統(tǒng)注水壓差采用加氣背壓水罐模擬，最高加氣壓力可達(dá)2.0 MPa。試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量系統(tǒng)的流速、壓力等水力參數(shù)，測(cè)量系統(tǒng)管路、裝置筒體等測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度，測(cè)量筒體內(nèi)部的流體噪聲。分析閥門節(jié)流的壓差系數(shù)與振動(dòng)噪聲特性的關(guān)系影響。試驗(yàn)初始背壓設(shè)定為1.5 MPa，以調(diào)節(jié)流量3 t/h為目標(biāo)，單級(jí)節(jié)流試驗(yàn)調(diào)節(jié)2閥門2的開度，3級(jí)節(jié)流試驗(yàn)調(diào)節(jié)閥組4的開度。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

注水均壓模擬系統(tǒng)共布置9個(gè)B&K公司的4534型加速度傳感器和1個(gè)8 105型球形水聽器，用于測(cè)量船舶裝置筒體位置、近端管路、遠(yuǎn)端管路的三向振動(dòng)和筒體內(nèi)部的流體噪聲。系統(tǒng)試驗(yàn)的測(cè)試數(shù)據(jù)見表2，流噪聲對(duì)比見圖5。

通過(guò)分析 2 種典型方案的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得出幾點(diǎn)結(jié)論：

1）高壓差注水均壓系統(tǒng)的單級(jí)節(jié)流的壓降模式為1.5 MPa→0.01 MPa，3級(jí)節(jié)流的壓降模式為1.5 MPa→0.688 MPa→0.283 MPa→0.01 MPa，單級(jí)壓降通過(guò)多級(jí)節(jié)流可得到有效控制。

2）高壓差注水均壓系統(tǒng)通過(guò)多級(jí)節(jié)流的技術(shù)方案改進(jìn)，系統(tǒng)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)和噪聲均有明顯降低，振動(dòng)加速度最大降低10.4 dB。

3）多級(jí)節(jié)流的方式可有效控制系統(tǒng)節(jié)流和湍流產(chǎn)生的系統(tǒng)流噪聲，試驗(yàn)測(cè)試的降低幅值為7 dB。

表2 單級(jí)-多級(jí)節(jié)流方案的降噪效果對(duì)比試數(shù)據(jù)Tab.2 Comparing test data of noise between single stage and multistage throttling

4 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)于高壓差注水均壓系統(tǒng)而言，流量調(diào)節(jié)控制的閥門消耗系統(tǒng)的大部分水力動(dòng)能。單級(jí)節(jié)流閥門壓差高于阻塞壓差時(shí)，閥門局部流場(chǎng)流體靜、動(dòng)壓能相互轉(zhuǎn)換，容易在閥芯與閥座的節(jié)流孔附近產(chǎn)生空化現(xiàn)象誘發(fā)噪聲。運(yùn)用多級(jí)節(jié)流降壓原理，合理逐級(jí)分配系統(tǒng)壓降，控制單級(jí)閥門的大壓差，可有效控制系統(tǒng)產(chǎn)生的振動(dòng)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(biāo)華(1980 – )，男，碩士研究生，高級(jí)工程師，主要從事船舶系統(tǒng)工程技術(shù)和海水系統(tǒng)減振降噪方面的研究工作。