潛艇均衡系統自流注水調節閥穩態噪聲試驗研究

金 榮，黃 政，胡華兵，朱愛華，伍來智

(中國船舶集團公司第七〇七研究所九江分部，江西 九江 332007)

0 引 言

在潛艇均衡系統中，由自流注水和均衡泵排水完成浮力調整。其中，自流注水是利用艙外壓力經流量調節閥向艙內注水，由流量調節閥控制管路系統的流量。隨著潛艇下潛深度的不斷加深，自流注水時系統的振動噪聲也不斷惡化，主要由調節閥在調節流量時節流產生的湍流、空化等現象引起。因此，為了降低潛艇在自流注水過程中對系統產生的振動噪聲，有必要開展自流注水時流量調節閥穩態振動噪聲的試驗研究工作[1-3]。

國內外學者在流量調節閥減振降噪理論方面開展了大量的研究，梁向東[4]通過理論與試驗相結合的方法分析了節流導致管路振動噪聲異常的現象，提出建議采用串聯降壓或并聯小通徑閥的方法調節管路背壓，緩解氣蝕現象；方超等[5]采用數值模擬的方法建立了通過調整水艙背壓的低噪聲改進設計方案，背壓點為0 MPa，0.6 MPa，1.2 MPa。同時，也有一些學者開展了相關的試驗研究，Y Liu等[6]建立了單級節流孔、二級節流孔以及三級節流孔試驗模型，通過試驗研究了在不同入口壓力，相同背壓試驗條件下的空化特性。結果表明，空化程度與節流孔級數和工況壓力都密切相關；蔡標華等[7]通過對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機理，提出多級節流降壓的技術改進方案，并通過試驗驗證減振降噪效果。目前，結合潛艇均衡系統開展調節閥水動力噪聲的試驗研究方面很少有相關文獻報道。

本文在試驗室中建立模擬潛艇均衡自流注水管路系統，開展各影響因素（不同假海壓力、不同系統流量、不同出口背壓及串聯兩臺調節閥）下，自流注水穩定后空氣噪聲、振動加速度及水動力噪聲分布規律的試驗研究工作，提出了自流注水減振降噪的有效措施，對潛艇聲隱身設計具有重要的指導意義。

1 試驗方法

模擬潛艇均衡系統自流注水管路試驗原理如圖1所示。其主要由空壓機、水艙、手動球閥、管路、被試調節閥等組成，水艙容積為20 m3，系統管路通徑為80 mm，注水管路總長約15 m，管路采用剛性支撐。通過向水艙1加入氣壓模擬不同假海深度，水艙2通大氣，控制流量調節閥開度調節注水流量，實現模擬均衡系統自流注水過程。系統管路節點A和B處各布置1個0～4 MPa量程的壓力傳感器采集流量調節閥前、后兩端壓力值，采樣頻率2 kHz輸出信號4～20 mA；在流量調節閥進出口法蘭各布置2個振動加速度傳感器，分別采集自流注水過程中進出口法蘭R方向（法蘭徑向）、Z向（管路水流方向）的振動加速度級值，振動加速度基準值為10-6m/s2；在距離流量調節閥出口中心線水平面下游1 m并距管壁1 m處布置了傳聲器測量自流注水過程中的空氣噪聲值，空氣噪聲基準值為2×10-5Pa，并對其進行A計權計算；在距流量調節閥進出口法蘭100 mm處各布置了一個水聽器測量自流注水過程的水動力噪聲，水動力噪聲基準值為10-6Pa。

圖1 模擬潛艇均衡自流注水試驗系統Fig.1 Simulation experiment system of the submarine trimming self flow water injection

模擬潛艇均衡系統自流注水的試驗過程主要包括：水艙1充壓→調節流量調節閥至預定開度→開啟管路中手動球閥→關閉管路中手動球閥。自流注水過程的穩態噪聲研究工況見表1。

表1 自流注水過程穩態噪聲試驗研究工況表Tab.1 Steady noise test condition for self flow water injection

2 試驗結果與分析

2.1 假海壓力

圖2為系統流量為72 m3/h，出口背壓為0，單臺調節閥時不同假海壓力下自流注水穩態振動噪聲的變化曲線。由圖可知，隨著假海壓力從0.5 MPa增加至3 MPa，空氣噪聲、振動加速度級及水動力噪聲均呈逐漸增大趨勢?？諝庠肼曈?2.4 dB（A）增大至80.5 dB（A），其中在0.5～1 MPa假海壓力下，增大幅度尤其明顯；振動加速度由154 dB增大至169 dB，其中在1.5 MPa假海壓力以下，流量調節閥進出口法蘭振動級比較接近。隨著假海壓力的增大，入口法蘭的振動加速度級增幅明顯增大；水動力噪聲由198 dB增大至209 dB，其中在1.0 MPa假海壓力以下，水動力噪聲比較接近。隨著假海壓力的增大，入口水動力噪聲明顯高于出口水動力噪聲。試驗結果表明：隨著假海壓力的增大，空氣噪聲、振動加速度級、水動力噪聲均隨著假海壓力的增大而增大，在流量調節閥入口的振動噪聲級增幅明顯大于出口。

2.2 系統流量（開度）

圖3為在1.5 MPa假海壓力，出口背壓為0 MPa，單臺調節閥時不同流量下自流注水穩態振動噪聲的變化曲線。通過調節流量調節閥開度實現均衡系統自流注水流量的調節，間隔為10°。由圖可以看出，隨著流量調節閥開度的增大，空氣噪聲呈增大趨勢，由64.7 dB（A）增大至94.7 dB（A），增大30 dB。在30°以下，空氣噪聲增大趨勢較為明顯；流量調節閥進出口法蘭的振動加速度級隨著開度的增大呈現先增大后減小的趨勢。在60°以下，進出口法蘭振動加速度級隨著開度增大而增大，在30°以下增大幅度較為明顯。在60°以上，進出口法蘭振動加速度級隨著開度增大出現了下降趨勢；流量調節閥進出口水動力噪聲隨著開度的增大也呈現先增大后減小的趨勢。在60°以下，進出口水動力噪聲隨著開度增大而增大，在30°以下增大幅度較為明顯。在60°以上，進出口水動力噪聲隨著開度增大出現了下降趨勢。試驗結果表明：隨著開度的增大，空氣噪聲呈現逐漸增大的趨勢；振動加速度級及水動力噪聲隨著開度的增大呈現先增大再減小的趨勢，峰值處于 60°～70°之間。

圖2 不同假海壓力下自流注水穩態振動噪聲變化曲線Fig.2 Steady vibration and noise curve under different simulation ocean pressure

2.3 出口背壓

圖3 不同開度下自流注水穩態振動噪聲變化曲線Fig.3 Steady vibration and noise curve under different opening degree

圖4為系統流量為72 m3/h，假海壓力為2 MPa，單臺調節閥時不同出口背壓下自流注水穩態振動噪聲的變化曲線。由圖可知，空氣噪聲隨著出口背壓的增大出現先增大再減小的趨勢。從無背壓增大至0.3 MPa的出口背壓的過程中，空氣噪聲增大了5.8 dB，接著由0.3 MPa增大至0.5 MPa時，空氣噪聲下降了4.8 dB；入口振動加速度級隨著出口背壓的變化不大，出口振動加速度級呈現先增大再減小的趨勢，在0.2 MPa出現了峰值。入口水動力噪聲隨著出口背壓的增大總體出現下降的趨勢，出口水動力噪聲呈現先增大再減小的趨勢，在0.2 MPa處出現明顯峰值。試驗結果表明：出口背壓對均衡系統自流注水穩態振動噪聲有明顯的影響，在自流注水過程中，應避免出現0.5 MPa以下的出口背壓。

2.4 串聯調節閥

表2為假海壓力為3 MPa，出口背壓為0，系統流量為72m3/h，串聯2臺調節閥與單臺調節閥時自流注水穩態振動噪聲的試驗對比數據。從表中可以看出，串聯2臺調節閥時，振動噪聲值明顯下降?？諝庠肼曄陆盗?.9 dB，入口法蘭振動加速度級下降了18～22 dB，出口法蘭振動加速度級下降了4～6 dB，入口水動力噪聲下降了16 dB，出口水動力噪聲下降了9 dB。試驗結果表明：串聯兩臺調節閥可以大幅降低振動噪聲，尤其是入口法蘭振動加速度級和水動力噪聲。

圖4 不同出口背壓下自流注水穩態振動噪聲變化曲線Fig.4 Steady vibration and noise curve under different back pressure in outlet

3 結 語

1）潛艇均衡自流注水過程中隨著假海深度的增大，空氣噪聲、振動加速度級、水動力噪聲均增大，且流量調節閥入口的振動噪聲明顯大于出口；

2）潛艇均衡自流注水過程中隨著假海深度的增大，空氣噪聲呈現逐漸增大的趨勢，振動加速度級及水動力噪聲隨著開度的增大呈現先增大再減小的趨勢，峰值處于60°～70°之間。因此，在調節閥選型時，應避免調節閥運行在60°～70°之間，有利于降低振動噪聲；

表2 串聯調節閥與單臺調節閥穩態噪聲試驗研究工況表Tab.2 Steady noise test condition for series control valve

3）潛艇均衡自流注水過程中，出口背壓對均衡系統自流注水穩態振動噪聲有明顯的影響，在自流注水過程中，應避免出現0.5 MPa以下的出口背壓；

4）在潛艇均衡自流注水管路中，串聯2臺調節閥可以大幅降低振動噪聲，尤其是入口振動加速度級和水動力噪聲。