魏 琳 張 明 顏孫挺 費(fèi) 揚(yáng) 陳立龍 金志江

(1.浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所；2.杭州華惠閥門(mén)有限公司)

減溫減壓裝置由減壓系統(tǒng)、減溫系統(tǒng)、安全保護(hù)裝置和熱力調(diào)節(jié)儀表組成[1]，通過(guò)對(duì)電站鍋爐、工業(yè)鍋爐及熱電廠供熱機(jī)組的抽、排氣口等輸送一次過(guò)熱蒸汽來(lái)進(jìn)行減溫減壓，使二次蒸汽的壓力和溫度滿足用戶要求[2]，從而保證系統(tǒng)設(shè)備正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)廢熱利用。鍋爐和汽輪機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用促進(jìn)了減溫減壓裝置的發(fā)展，尤其在20世紀(jì)50年代以后，隨著控制技術(shù)、液壓技術(shù)、加工制造技術(shù)和材料科學(xué)的迅速發(fā)展，減溫減壓裝置產(chǎn)品種類(lèi)也進(jìn)一步增加，應(yīng)用越來(lái)越廣泛，在工業(yè)領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用[3]。

隨著我國(guó)大型煤化工、大容量發(fā)電機(jī)組、百萬(wàn)噸級(jí)乙烯工程、新能源工程及航空母艦等國(guó)家重點(diǎn)工程的建設(shè)和發(fā)展，企業(yè)對(duì)減溫減壓裝置的需求不斷擴(kuò)大，對(duì)大流量、高減壓比、快速調(diào)節(jié)及低噪聲等特性的要求越來(lái)越高。傳統(tǒng)減溫減壓裝置的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度已不能滿足復(fù)雜工況的要求，尤其在高溫高壓、流量變化范圍大和減溫減壓幅度大的情況下，存在安全可靠性差、噪音高、壽命短、工作效率低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜及成本高等缺點(diǎn)[4]。

目前，高參數(shù)減壓閥的設(shè)計(jì)主要為經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和引進(jìn)國(guó)外技術(shù)，對(duì)高參數(shù)減壓機(jī)理、內(nèi)部流動(dòng)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究和自主設(shè)計(jì)較少；同時(shí)，高參數(shù)減壓閥內(nèi)流動(dòng)復(fù)雜，湍流強(qiáng)度大，導(dǎo)致噪聲和振動(dòng)的原因較多，為設(shè)計(jì)提出更嚴(yán)格的要求。針對(duì)現(xiàn)有問(wèn)題，研究學(xué)者們對(duì)減壓閥流動(dòng)特性和氣動(dòng)噪聲特性進(jìn)行了研究，分析減壓機(jī)理、大范圍流量調(diào)節(jié)性能、噪聲影響因素及高溫高壓強(qiáng)度性能等。在此，筆者對(duì)國(guó)內(nèi)外已有的高參數(shù)減壓閥結(jié)構(gòu)和相關(guān)研究進(jìn)行總結(jié)，為高參數(shù)減壓閥開(kāi)展進(jìn)一步研究提供理論依據(jù)，對(duì)促進(jìn)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新性的改進(jìn)和完善，推動(dòng)我國(guó)減溫減壓技術(shù)與裝置的科技進(jìn)步，打破國(guó)外技術(shù)封鎖和產(chǎn)品壟斷具有重要的科學(xué)意義和工程價(jià)值。

1 減壓閥結(jié)構(gòu)類(lèi)型

1.1減壓閥分類(lèi)及其基本原理

減壓閥按照動(dòng)作原理可以分為直接作用式和間接作用式兩類(lèi)。

直接作用式減壓閥利用介質(zhì)本身的能量來(lái)控制所需壓力；間接作用式減壓閥利用外界動(dòng)力，如氣壓、液壓或電氣等來(lái)控制所需壓力。前者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，后者精度較高[4]。

直接作用式減壓閥按照結(jié)構(gòu)形式可分為活塞式減壓閥、薄膜式減壓閥和波紋管式減壓閥。

活塞式減壓閥[5](圖1)通過(guò)活塞來(lái)平衡壓力，帶動(dòng)閥瓣運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)減壓。其體積小、便于調(diào)節(jié)、使用范圍較廣，適用于空氣、水及蒸汽等介質(zhì)，尤其適用于介質(zhì)溫度較高的情況。但其靈敏度較薄膜式減壓閥低，制造工藝要求高。

圖1 活塞式減壓閥

薄膜式減壓閥[6](圖2)采用薄膜作為敏感元件，直接傳感下游壓力變化帶動(dòng)閥瓣運(yùn)動(dòng)。其敏感度較高，但薄膜易損壞，且使用溫度受限，常應(yīng)用在水及空氣等溫度與壓力不高的場(chǎng)合。

圖2 膜片直接作用式減壓閥

波紋管式減壓閥[7](圖3)不存在活塞摩擦力，利用波紋管傳感閥門(mén)出口壓力，驅(qū)動(dòng)閥瓣改變并控制閥門(mén)開(kāi)度，最終實(shí)現(xiàn)減壓穩(wěn)壓功能。其敏感度較高，與薄膜式減壓閥相比不易損壞，且行程較大，但制造工藝復(fù)雜、成本高。

圖3 波紋管式減壓閥

間接作用式減壓閥一般用于對(duì)高壓蒸汽壓力的控制。由于不需要介質(zhì)本身來(lái)控制壓力，因此間接作用式減壓閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要包括閥體、閥桿、閥瓣及閥座等，其控制依賴(lài)于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要有電動(dòng)、液動(dòng)、氣動(dòng)和聯(lián)動(dòng)4種驅(qū)動(dòng)方式，其中聯(lián)動(dòng)為電動(dòng)、液動(dòng)和氣動(dòng)的組合驅(qū)動(dòng)。

電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)將調(diào)節(jié)器的電信號(hào)(0～10mA或4～20mA)轉(zhuǎn)換為位移輸出信號(hào)，操縱閥門(mén)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。其特點(diǎn)是動(dòng)力源廣、操作迅速且容易滿足各種控制要求。

液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是以高壓液體為能源的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、多用于功率較大的場(chǎng)合，但其動(dòng)作緩慢、體積大、不適用于快速控制和集中控制。

氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)調(diào)節(jié)器輸出的氣壓信號(hào)(20～100kPa)產(chǎn)生相應(yīng)的推力，使推桿產(chǎn)生相應(yīng)位移[8]，進(jìn)而推動(dòng)閥門(mén)閥桿進(jìn)行調(diào)節(jié)。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是將信號(hào)壓力轉(zhuǎn)換為閥桿位移的裝置，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作可靠、性能穩(wěn)定及本質(zhì)防爆等。

減壓閥按公稱(chēng)壓力(PN)分類(lèi)，可分為真空減壓閥(工作壓力低于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)、低壓減壓閥(PN≤1.6MPa)、中壓減壓閥(PN在2.5～6.4MPa之間)、高壓減壓閥(PN在10.0～80.0MPa之間)和超高壓減壓閥(PN≥100.0MPa)。

按介質(zhì)工作溫度(T)分類(lèi)，可分為高溫減壓閥(T>450℃)、中溫減壓閥(120℃

1.2高參數(shù)減壓閥結(jié)構(gòu)類(lèi)型

為滿足極端工況對(duì)大流量、高減壓比、快速調(diào)節(jié)和低噪聲的要求，高參數(shù)減壓閥應(yīng)運(yùn)而生。目前國(guó)外采用的高溫高壓蒸汽高參數(shù)減壓閥多為帶孔板或打孔套筒的柱塞式減壓閥。

大多數(shù)緊湊型工廠需要具有直接噴水結(jié)構(gòu)的蒸汽減溫減壓裝置來(lái)滿足節(jié)省空間的要求。簡(jiǎn)潔、堅(jiān)固耐用的小流量三法蘭減壓閥[9](圖4a)適用于流量較小或壓力較低的情況，打孔套筒可以減少蒸汽對(duì)閥體的沖擊并降低噪聲。角式緊湊型減壓閥(圖4b)適用于中壓條件，閥體鑄造，焊接式連接，帶有1～4級(jí)降壓附加固定節(jié)流裝置。在高溫高壓工況下，考慮到直接噴入減溫水對(duì)材料負(fù)荷影響較大，在結(jié)構(gòu)不連續(xù)處會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，因此可采用分體式減溫減壓裝置(圖4c)，其特點(diǎn)是可以將減溫和減壓過(guò)程分開(kāi)(先減壓后減溫)，在降壓末端布置可調(diào)式噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行減溫。

文獻(xiàn)[10]提出的減壓閥使用了一種稱(chēng)為Whisperjet的結(jié)構(gòu)，每個(gè)Whisperjet截面的周?chē)加?或6個(gè)孔口，孔口向內(nèi)排放，這樣流體蒸汽就能相互碰撞、降低壓力，而不會(huì)碰撞閥門(mén)或截面本身。對(duì)于減壓較大的情況，將若干個(gè)Whisperjet組合，減小各截面的壓降，從而可以有效避免產(chǎn)生聲速流動(dòng)。該結(jié)構(gòu)減壓閥具有壓降高(壓力等級(jí)最高可達(dá)ASME 4500)、無(wú)零件侵蝕、降壓級(jí)數(shù)靈活、噪音低、部件磨損輕微、壽命長(zhǎng)及可靠性高等特點(diǎn)。

a. 小流量三法蘭減壓閥

b. 角式緊湊型減壓閥

c. 分體式減溫減壓裝置

國(guó)內(nèi)減壓閥主要適用于低溫低壓工況，而高參數(shù)減壓閥主要結(jié)構(gòu)有角式單柱塞減壓閥及籠罩式閥芯減壓閥等。

角式單柱塞減壓閥(圖5)主要應(yīng)用于工作壓力不小于10MPa、工作溫度不小于540℃的場(chǎng)合。其主要特點(diǎn)為：采用液壓或氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，啟閉時(shí)間可達(dá)到3～5s；采用先減壓后減溫的分體結(jié)構(gòu)，避免材料的交變應(yīng)力，提高安全可靠性；采用單座柱塞和孔板消音的減壓結(jié)構(gòu)形式，噪聲低，可調(diào)范圍大；閥體采用鍛焊結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)壽命達(dá)30a以上；采用大直徑閥桿，閥桿與閥瓣一體，強(qiáng)度高，抗震性強(qiáng)。

圖5 角式單柱塞高參數(shù)減壓閥

籠罩式閥芯減壓閥的閥芯與圖4a中的閥芯相同，由帶有節(jié)流孔的閥瓣和閥籠組成，蒸汽壓力和流量由控制套筒內(nèi)的閥瓣位置來(lái)決定?；\罩式閥芯減壓閥適用于流量和壓力較低的情況，具有噪音小及精度高等優(yōu)點(diǎn)。

2 減壓閥研究方法

對(duì)減壓閥的研究主要有試驗(yàn)及模擬分析等方法，其中模擬分析又包括理論模型模擬和數(shù)值模擬。

2.1試驗(yàn)方法

試驗(yàn)方法可以提供有效可靠的數(shù)據(jù)，通過(guò)測(cè)量流量及出入口壓力等分析減壓閥的流量特性、啟閉特性和壓力損失[11，12]。試驗(yàn)又分為靜態(tài)試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)：靜態(tài)試驗(yàn)可以綜合考驗(yàn)閥門(mén)的活動(dòng)靈敏性、密封性和設(shè)計(jì)的合理性；動(dòng)態(tài)試驗(yàn)是檢驗(yàn)氣體減壓閥工作穩(wěn)定性的重要環(huán)節(jié)[13]。通過(guò)試驗(yàn)還可以測(cè)量噪聲和振動(dòng)數(shù)據(jù)[14]。

Fester V G等為研究壓力損失系數(shù)和雷諾數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行了大量試驗(yàn)，結(jié)果表明，閥直徑對(duì)損失系數(shù)有一定影響，幾何和動(dòng)力相似性對(duì)閥門(mén)是不成立的，因此閥門(mén)試驗(yàn)必須采用實(shí)際比例結(jié)構(gòu)的閥門(mén)來(lái)進(jìn)行，以保證結(jié)果的準(zhǔn)確性[15]。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)直觀可靠，是減壓閥設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)必不可少的步驟之一，然而試驗(yàn)成本較高，在復(fù)雜工況下，如高溫高壓氣體減壓過(guò)程，試驗(yàn)難度較大，且優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程需要大量重復(fù)性試驗(yàn)，降低了產(chǎn)品設(shè)計(jì)速度。

2.2模擬分析

2.2.1理論模型模擬

理論模型大部分為簡(jiǎn)化的一維模型，通過(guò)描述閥芯位移與流量、壓力的關(guān)系，研究閥門(mén)管路網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)行為。網(wǎng)絡(luò)動(dòng)力學(xué)由微分代數(shù)方程或瞬態(tài)偏微分方程來(lái)描述。偏微分方程的求解較為復(fù)雜，魯棒性差，因此應(yīng)盡量使用簡(jiǎn)單模型。

(1)

(2)

式中Cv——排放容量，m2.5/s；

hin、hout、hset——入口、出口和設(shè)定壓頭，m；

q——體積流量；

x——閥芯距關(guān)閉位置的位移；

αopen、αclose——開(kāi)啟和關(guān)閉系數(shù)，由試驗(yàn)測(cè)得。

Ulanicki B等將文獻(xiàn)[16]的現(xiàn)象模型應(yīng)用于水力控制器的流動(dòng)調(diào)整過(guò)程[18]。Shin C H等引入一維可壓縮流動(dòng)理論，建立了減壓控制閥系統(tǒng)的不可逆絕熱流動(dòng)模型，闡述了瞬態(tài)壓降和其他與流體動(dòng)態(tài)特性相關(guān)的因素之間的關(guān)系[19]。利用Flow-Master II軟件，采用試錯(cuò)法求解連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程和理想氣體狀態(tài)方程。Wang X H等通過(guò)建立液壓比例調(diào)節(jié)閥閥芯的受力平衡方程，其中閥芯由比例電磁鐵推動(dòng)，分析得到閥芯位移與線圈電流的關(guān)系式，表明閥芯位移和輸入電流呈線性關(guān)系[20]。

理論模型建立過(guò)程中需對(duì)流動(dòng)或者結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行假設(shè)，其計(jì)算較為簡(jiǎn)單方便，可以用于求解規(guī)律性的問(wèn)題和流場(chǎng)變化趨勢(shì)。但其也有許多不足之處，如解析法無(wú)法應(yīng)用于變化復(fù)雜的、非線性流動(dòng)問(wèn)題，對(duì)復(fù)雜方程的求解較為困難。

2.2.2數(shù)值模擬

數(shù)值模擬方法可以觀察內(nèi)部流動(dòng)或應(yīng)力場(chǎng)分布，相對(duì)試驗(yàn)方法，其成本較低。對(duì)于高溫高壓等復(fù)雜工況，可采用數(shù)值模擬方法來(lái)進(jìn)行分析。

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)的基本思想是利用有限離散點(diǎn)上變量值的集合來(lái)代替空間域上連續(xù)的物理場(chǎng)，如速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)；然后，按照一定方式建立這些離散點(diǎn)上變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組，通過(guò)求解代數(shù)方程組獲得場(chǎng)變量的近似值[21]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，CFD的應(yīng)用已經(jīng)從摸索階段發(fā)展到廣泛應(yīng)用于研究流體內(nèi)部流動(dòng)情況，如空化現(xiàn)象、液動(dòng)力特性、流量特性及動(dòng)態(tài)特性等，其結(jié)果的可靠性也已經(jīng)得到驗(yàn)證[22，23]。

3 減壓閥流動(dòng)特性研究現(xiàn)狀

3.1流動(dòng)特性

3.1.1空化效應(yīng)

對(duì)于介質(zhì)為液體的減壓閥，當(dāng)閥內(nèi)局部壓力降至臨界壓力時(shí)，水中氣核成長(zhǎng)為氣泡，即為空化效應(yīng)。氣泡潰滅對(duì)結(jié)構(gòu)形成侵蝕，并誘發(fā)振動(dòng)與噪聲，其作用不可忽視。

單相流數(shù)值分析中，可通過(guò)觀察流體壓力是否低于飽和蒸汽壓力判斷是否發(fā)生空化[24]。而在文獻(xiàn)[25，26]的數(shù)值研究中，閥內(nèi)介質(zhì)為水和蒸汽兩相，可直觀地通過(guò)模擬結(jié)果中相分布云圖(圖6)判斷是否產(chǎn)生空化，結(jié)果表明隨著出口壓力增加，水蒸氣氣相體積分?jǐn)?shù)減小。

為減少空化的產(chǎn)生，An Y J等對(duì)傳統(tǒng)帶有楔形套筒的減壓閥進(jìn)行優(yōu)化，提出相同工況下多孔套筒減壓閥內(nèi)流體壓力的最低值高于傳統(tǒng)閥門(mén)[27]。即可以通過(guò)增加多孔結(jié)構(gòu)減少空化的產(chǎn)生，從而增加閥門(mén)的使用壽命。

a. 出口壓力0.1MPa b. 出口壓力0.2MPa

3.1.2總壓損失

由于阻力等原因，經(jīng)減壓閥后總壓降低，存在總壓損失，影響整個(gè)裝置的效率。因此，研究學(xué)者們對(duì)減壓閥的壓力損失進(jìn)行了研究。

朱松強(qiáng)等針對(duì)600MW機(jī)組主汽閥和調(diào)節(jié)閥組系統(tǒng)壓力損失偏大的問(wèn)題，分析了閥門(mén)的總壓損失、阻力系數(shù)和流速分布情況，結(jié)果表明調(diào)節(jié)閥最高流速超過(guò)許用范圍，節(jié)流損失較大，而主汽閥損失偏大是由于濾網(wǎng)流通面積過(guò)小[28]。Kerh T等分析了入口流量周期變化時(shí)，閥芯運(yùn)動(dòng)過(guò)程中壓力損失隨時(shí)間的變化曲線，壓力損失相對(duì)速度變化有一定滯后[29]。馮衛(wèi)民等對(duì)偏心蝶閥、桁架式蝶閥和龜背式蝶閥的分析表明，漩渦流動(dòng)會(huì)引起劇烈擾動(dòng)，消耗機(jī)械能，引起總壓損失[30]。

因此，在對(duì)減壓閥流道進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減少漩渦的產(chǎn)生，同時(shí)控制流速，從而減少總壓損失。

3.2液動(dòng)力特性

液動(dòng)力對(duì)閥的調(diào)節(jié)性能有一定影響，穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力是使閥趨向于閉合的作用力，而瞬態(tài)液動(dòng)力與閥芯運(yùn)動(dòng)方向相關(guān)，在小開(kāi)口大壓差工況下，瞬態(tài)液動(dòng)力值很大，因此在設(shè)計(jì)閥時(shí)必須考慮[31]。

通過(guò)壓力場(chǎng)分布可計(jì)算出閥芯受流體的作用力，分析閥芯和流體的相互作用。Mokhtanadeh-Dehghan M R等通過(guò)對(duì)閥芯面上壓力積分得到流體對(duì)閥芯的作用力，其結(jié)果與試驗(yàn)符合，并指出復(fù)雜流場(chǎng)引起的漩渦區(qū)緩和了最小流動(dòng)面積，從而影響閥芯的受力[32]。Cho T D等分別將閥出入口壓力和閥芯上下表面的壓力代入閥芯力平衡方程，得到了氣動(dòng)力、壓差力和彈簧力[33]。馮進(jìn)等指出隨閥前靜壓的增加，閥芯所受軸向力呈線性增加，但沒(méi)有考慮流體的可壓縮性[34]。李光飛等的研究結(jié)果表明，瞬態(tài)液動(dòng)力影響系統(tǒng)的阻尼，是引發(fā)閥芯周期性振動(dòng)的重要原因，若流量變化滯后于閥芯位移，則在運(yùn)動(dòng)中將產(chǎn)生正負(fù)交替變化的阻尼，引起持續(xù)的自激振動(dòng)[35]。

綜上所述，減壓閥正常工作時(shí)流體對(duì)閥芯的作用力可看作穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力，其對(duì)閥門(mén)的作用基本穩(wěn)定；閥門(mén)啟閉過(guò)程和流量變化條件下，流體的作用力為瞬態(tài)液動(dòng)力，其與流量和壓差的關(guān)系仍需進(jìn)一步研究。

3.3噪聲分析

減壓閥內(nèi)流動(dòng)復(fù)雜，湍流強(qiáng)度大，實(shí)際應(yīng)用中有很大的噪聲，為此，研究學(xué)者們對(duì)其內(nèi)部噪聲產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了研究。

Nakano M等根據(jù)滯止壓力與大氣壓的比將減壓閥內(nèi)流動(dòng)分為弱錐面流、強(qiáng)錐面流、閥座流和自由出流，研究了這4種流動(dòng)的流動(dòng)和噪聲特性，分析了超音速環(huán)形流對(duì)噪聲和振動(dòng)的影響，結(jié)果表明，沿閥芯的環(huán)形射流與壁面分離，其分離邊界層極其不穩(wěn)定，易產(chǎn)生漩渦，引起腔內(nèi)共振[36]。王煒哲等對(duì)超臨界汽輪機(jī)主調(diào)節(jié)閥進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)閥腔流動(dòng)死區(qū)的渦量較大(圖7)，在主汽閥和調(diào)節(jié)閥喉口處漩渦較明顯，渦量大的位置噪聲輻射水平必然很強(qiáng)[37]。鐘云等也指出，調(diào)節(jié)閥閥座縮口和閥芯表面渦量較大，易引起振動(dòng)和噪聲[38]。閥門(mén)快速開(kāi)啟時(shí)，氣體在節(jié)流閥后方會(huì)產(chǎn)生反漩渦線，從而形成大范圍連續(xù)的湍流，引起較大噪聲[39]。寬頻噪聲峰值是漩渦脫落所引起的音調(diào)噪聲的典型特征，文獻(xiàn)[40，41]用試驗(yàn)方法得到了閘閥結(jié)構(gòu)的聲波響應(yīng)以確定音調(diào)噪聲的頻率值。

a. 渦量

b. 噪聲源幅度

減壓閥內(nèi)流動(dòng)噪聲的主要來(lái)源為漩渦流動(dòng)和高速射流。因此，閥門(mén)降噪必須破壞漩渦的形成。由于漩渦強(qiáng)烈的隨機(jī)性，其尺度和頻率范圍分布較廣，噪聲具有寬頻特性。文獻(xiàn)[42，43]統(tǒng)計(jì)了蒸汽管路閥門(mén)聲壓級(jí)超過(guò)140dB監(jiān)測(cè)點(diǎn)的頻譜特性，結(jié)果表明噪聲主要是低頻噪聲，高頻段可作次要頻率處理。Yang Q等發(fā)現(xiàn)壓力波動(dòng)主要發(fā)生于低頻范圍，同樣證明低頻壓力波動(dòng)是閥芯的主要振動(dòng)源[44]。

針對(duì)減壓閥的噪聲和振動(dòng)問(wèn)題，Amini A和Owen I測(cè)試了不同閥芯和閥座結(jié)構(gòu)的減壓閥噪聲，試驗(yàn)結(jié)果表明，60°錐型閥芯的噪聲比其他結(jié)構(gòu)低12dB，機(jī)械振動(dòng)基本消除，且流量增加了25%[14]。適當(dāng)?shù)拈y座倒角可幫助消除漩渦脫落的音調(diào)噪聲[40]。單孔板和多孔板也可用于管路中和閥出口處的噪聲控制，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和降噪效果好的特點(diǎn)[45,46]。

3.4可壓縮性

當(dāng)減壓閥內(nèi)介質(zhì)為液體時(shí)，其密度為常數(shù)，將其看作不可壓縮流體進(jìn)行分析。而高溫高壓過(guò)熱蒸汽的密度與溫度、壓力相關(guān)，其可壓縮性不可忽略，在模擬分析時(shí)需通過(guò)狀態(tài)方程求解密度。

理想氣體狀態(tài)方程最為簡(jiǎn)單，對(duì)實(shí)際氣體可近似應(yīng)用于低壓范圍。Chattopadhyay H等采用理想氣體模型，研究了滑閥不同開(kāi)度和不同壓降條件下的可壓縮流動(dòng)，分析了湍流強(qiáng)度和流量系數(shù)的變化規(guī)律[47]。

在高壓條件下，理想氣體狀態(tài)方程應(yīng)用于實(shí)際氣體時(shí)存在偏差，可用壓縮因子Z=pv/(RgT)代替，其中，v為實(shí)際氣體在壓力p和溫度T時(shí)的比體積；Rg為氣體常數(shù)。常用的近似實(shí)際氣體狀態(tài)方程有范德瓦爾斯方程和RK方程。Beune A等結(jié)合氣體壓縮因子，采用RK方程的修正式SRK實(shí)際氣體方程，分析了高壓氮?dú)獍踩y的排放量和開(kāi)啟特征，與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的偏差小于3.6%[48]。

4 結(jié)論

4.1高參數(shù)條件下減壓閥內(nèi)流速高、壓差變化大，閥內(nèi)節(jié)流元件處有可能存在超音速流動(dòng)，此時(shí)氣體壓力會(huì)發(fā)生突變，研究其變化機(jī)理對(duì)分析減壓閥的減壓效果有重要意義。通過(guò)多級(jí)減壓可以提高減壓閥的調(diào)節(jié)范圍，因此應(yīng)加強(qiáng)對(duì)多級(jí)減壓機(jī)理的探索。

4.2減壓閥啟閉和流量大幅變化時(shí)流體對(duì)閥芯的液動(dòng)力會(huì)導(dǎo)致其發(fā)生振動(dòng)，目前的減壓閥設(shè)計(jì)未考慮該瞬態(tài)液動(dòng)力，因此可通過(guò)試驗(yàn)和動(dòng)網(wǎng)格數(shù)值方法分析不同條件下瞬態(tài)液動(dòng)力的變化過(guò)程對(duì)提高減壓閥調(diào)節(jié)性能的重要性。

4.3大量文獻(xiàn)表明，減壓閥內(nèi)高速流動(dòng)和漩渦的不斷形成與脫落是引起壓力不穩(wěn)定和噪聲的主要原因，因此，優(yōu)化減壓閥內(nèi)部流道、減少漩渦的產(chǎn)生對(duì)降低噪聲有重要的指導(dǎo)作用。同時(shí)，在管路中布置孔板可有效降低噪聲，其流動(dòng)特性和降噪特性仍需進(jìn)一步研究。

4.4高溫高壓條件下減壓閥內(nèi)氣體的可壓縮性不可忽略，應(yīng)重點(diǎn)分析減壓閥對(duì)可壓縮氣體的減壓機(jī)理和流動(dòng)特性。

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