高压消声降噪球阀研究.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 文章编号 1002258552010 0220017203 作者简介李金铮1974 - ,助理工程师,从事阀门设计、 制造和管理工作。 高压消声降噪球阀研究 李金铮 河北宏业永泰流体机械股份有限公司,河北 泊头062150 摘要 针对流体流经球阀时的具体工况,研究产生噪声和振动的声学原理,对球阀的结构提出 改进,有效降低高压球阀启闭时的噪声和振动。 关键词 高压球阀;消声降噪;格栅 中图分类号TH134 文献标识码A Research on ball valve of high pressure noise elim ination L I Jin2zheng Hebei Hongyeyongtai fluid m achinery Co. L td, Botou062150, China AbstractA im ed at the concrete conditions w he the fluid flow through ball valve,the p rinciple of a2 coustics w hich caused noise and vibration is researched, i mproving structure of ball valve is proposed, noise and vibration caused by high pressure ball valve w hen opening or closing are reduced, the technol2 ogy of dom estic high pressure ball valve is advanced. Key wordshigh pressure ball valve; noise eli m ination; grizzly screen 1 概述 球阀是以球体作为关闭件,用球体绕阀体中心 线作旋转来达到开启、 关闭的目的。球阀主要由阀 体、 阀盖、 阀座、 球体、 阀杆和手柄或其他驱动装 置组成。具有流体阻力小、 开关迅速方便、 密封性 好、 寿命长、 可靠性高及阀体内通道平整光滑等优 点,适用于输送粘性流体、 浆液以及固体颗粒,在航 天、 石油化工、 长输管线、 轻工食品和建筑等许多方 面得到了广泛的应用 〔1〕 。近年来随着科学技术的 迅猛发展,且由于球阀优异的性能,球阀逐渐向高 压、 高温和大口径等高参数的方向发展。当球阀在 高压场合下使用时,在启闭瞬间出现了高噪声和强 振动等问题。本文对高参数条件下球阀的启闭过程 进行深入的研究和理论分析,分析出高压流体通过 球阀时,球阀在启闭瞬间产生噪声和振动的主要原 因,并结合国内外对其的研究,提出降低噪声水平和 振动强度的方法。 2 噪声和振动原因分析 211 噪声和振动原因 球阀是藉助手柄或相关驱动装置在阀杆上端施 加一定的转矩使球体转动90 〔2〕 便完成全开或全关 动作。球阀在开启或关闭瞬间,球体随阀杆转动,其 开度是一个逐渐扩大或缩小的过程,因而球阀在启 闭瞬间阀体通道是一个收缩截面图 1 。球阀在启 闭过程当中,随着开度的扩大或缩小,使流体流经阀 门时在其两侧产生一定的压差,且压差的大小随着 开度的变化而变化。基于能量守恒,当流体接近阀 门时,为使流体通过阀门,流体速度增加,反之,相应 产生压力下降,压力和速度成反向关系,由伯努利方 程可表示为 〔3〕 ρV1 2 2 P1ρ Vvc 2 2 Pvc1 式中 ρ 介质密度, kg/m 3 V1 上游速度,m /s Vvc 收缩断面速度,m /s P1 上游压力,MPa Pvc 收缩断面压力,MPa 712010年第2期 阀 门 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 图1 球阀内流体流动简化模型 通过变换可得速度与压力差的关系为 VvcV1 2 2 ρ P 1-P2 2 式中 P2 下游压力, MPa 由式2可知,在球阀上游流体速度一定的情 况下,速度随着压差的增大而增大,最高流速和最低 压力发生在最狭窄缩颈处的下游,即收缩断面处 图 2 。图2 a表示在球阀启闭瞬间,流体流经阀 门时相当于通过收缩截面,且收缩断面不在截面处, 而是在收缩截面下游的一段距离,这一距离随着压 力大小变化。图 2 b 表示的是流体速度与压差的 关系,流体速度在收缩断面达到最大,此时物流层的 流动面积则是其最小值,流体压力最小 〔4〕 。 a启闭瞬间收缩断面的变化 b流体速度与压差的关系 图2 流体通过阀门时压力、 速度分布示意图 在高压球阀的启闭操作过程中,特别是在开启 初期和关闭后期,由于阀口开度较小,从而在阀两侧 产生很大的压力差,而大的压力差给流体带来了很 高的流速,当流体以高的速度通过阀门时,使流体产 生湍流、 闪蒸和气穴等问题。 在液体操作过程当中,当高压流体以湍流形式 通过阀门时,由于受到阀瓣、 阀板或其他闭合元件等 阻碍物的影响便会产生压力波动,从而使阀门产生 振动。当流体高速通过收缩断面的狭窄区域,流体 压力下降到低于液体蒸汽压力时,便会使流体产生 气穴,这就导致了气泡的产生。当物流继续通过收 缩断面,流动面积膨胀时,流体流速下降,物流压力 开始回升,压力恢复到高于蒸汽压力时,导致气泡内 向爆炸。当气泡接近阀门表面时,内爆之力直接指 向阀壁表面,对阀门及下游管线造成极强的冲击,使 阀体及管线产生振动。当振动强度过度时,也会产 生噪声 〔5〕 。在气体操作过程当中,流体通过收缩断 面后使其速度极大的提高,甚至可能达到声速。当 气体流速低于声速时,湍流会产生噪声,若高于声速 还会有冲击波射流、 旋涡流等乱流,乱流的动能在缩 颈下游转成热能,同时产生气体动力噪声。如压力 曲线指明的那样,当收缩断面处压力下降时,速度按 比例增加,噪声也随之而升高。 212 噪声和振动影响 通过分析,在高压球阀的操作过程当中,由于受 到收缩截面的影响,使流体压力下降,在阀门两侧产 生高的压差,从而使流体速度增大,产生高噪声和强 振动等问题。由此产生的一系列问题造成了对阀体 和球体的磨损及气穴损伤,阀门本身的失灵或性能 变差,附属仪表的校准漂移及管线的疲劳,当流体是 气体时,噪声的频率在1 000～8 000Hz范围之间。 在许多情况下,气体噪声水平高达100dB,在某些极 端情况下甚至达到150dB 〔6〕,严重影响附近工作人 员的健康。通常情况下,高压力降下操作的阀门要 求使用较贵的球体、 更为频繁的维护、 大量备件库存 和管线支架等,在这种情况下,极大地增加了维护和 工程造价。对使用者来说,高噪声水平和振动增大 了工艺系统的能量损失,降低了工艺系统的生产效 率。 3 解决方法 通过对高压球阀启闭瞬间产生噪声及振动原因 的分析,得出了噪声和振动是由于球阀两侧存在的 压力差导致流体高速度引起的,因此,只要使压力差 分阶段降低,增大球阀启闭过程中流体的阻力和流 体的摩擦损失,从而减小流体通过阀门的速度,就可 81 阀 门 2010年第2期 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 以减少甚至消除气穴的产生,降低流体的动力噪声 和振动。对此,在对球阀全开状态下的流体阻力影 响较小的基础上,结合国内外的相关阀门消声降噪 的研究,对球阀结构做出改进,即在高压球阀进出口 端设置格栅。当高压球阀在全开状态时,格栅对流 体产生的阻力极小,当球阀开启和关闭时,格栅随着 球体旋转而进入工作状态,球阀进口端格栅增大对 流体的阻力降低流体的速度,出口端的格栅则能有 效的增大阀腔内的压力,即可增大阀门的背压 〔7〕, 减小阀门两侧的压差,进一步阻止流体流速的增大 图 3 。 a全开 b开始关闭 c格栅重叠 图3 带格栅球阀在不同开度时内部状态 如图3 a所示,球阀处于全开状态,此时阀门 两侧的格栅靠近管道表面,格栅未进入工作状态,对 高压流体产生的阻力较小。 如图 3 b 所示,此时球阀进入关闭过程,格栅 随着球体的转动而进入工作状态,随着球阀开度的 逐渐缩小,球体上的格栅与阀体上的格栅对流体产 生一定的阻力,进口端格栅使流体产生一级压降,并 通过流体与格栅的摩擦损失而降低流体的速度,而 出口端格栅再次对流体形成一定的阻力,增大阀腔 内压力,对流体产生二级压降,使流体压力分级下 降,减少甚至消除气穴的产生,同时,流体速度降低, 从而降低流体动力噪声和振动强度。 如图 3 c 所示,随着球阀开度的进一步减小, 球体上的格栅随着旋转而逐渐与阀体上的格栅重 叠,从而分别在阀门的进出口端产生两级压降,对流 体产生的阻力也得到极大地提高,通过流体与格栅 的摩擦,增大了流体能量的损失,有效的降低流体的 速度,减少或消除气穴的形成,降低流体动力噪声水 平及振动。 4 结语 通过分析表明,高压球阀启闭过程中的噪声及 振动主要是由于流体压力下降及流速过高引起的, 在液体操作中主要影响就是导致阀体及管路振动, 而在气体操作中则会产生极高的噪声水平。 经过在球阀进出口端设置格栅,使球阀处于全 开状态时对流体产生的阻力较小,随着球体的转动 格栅逐渐进入工作状态,从而有效的增大球阀启闭 过程中流体的阻力,对其压降进行分级下降,增大摩 擦损失,减少甚至消除气穴的产生,极大地降低流体 通过阀门的流速,从而有效的抑制球阀在高参数工 况下启闭瞬间产生的噪声水平及振动强度,同时降 低工艺生产成本和改善操作人员的工作环境。 参考文献 〔1〕 沈阳阀门研究所.阀门设计〔Z〕.沈阳沈阳阀门研究所, 1976. 〔2〕 杨源泉.阀门设计手册〔M〕.北京机械工业出版社, 1992. 〔3〕 李富成.流体力学及流体机械〔M〕.北京冶金工业出版社, 1981. 〔4〕 何衍庆,邱宣振,等.控制阀工程设计与应用〔M〕.北京化学 工业出版, 2005. 〔5〕 高红,傅新,杨华勇,等.球阀阀口气穴流场的数值模拟与实验 研究〔J〕.中国机械工程,2003,14 4. 〔6〕 美 Philip L. Skousen著,孙家孔译.阀门手册〔M〕.北京中国 石化出版社, 2005. 〔7〕 贺小峰,黄国勤,杨友胜,等.球阀阀口流量特性的试验研究 〔J〕.机械工程学报, 2008. 收稿日期 20101011 26 欢迎投稿欢迎订阅欢迎刊登广告 912010年第2期 阀 门