CN1851304A - 降低套筒调节阀由流体诱发振动与噪音的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低套筒调节阀由流体诱发振动与噪音的方法。按套筒调节阀额定流量系数所需的流通面积A，用概率计算确定作为阀流体流道的i种孔径与n个孔数流道，在阀全行程范围内对阀流体流道的i种不同孔径的n个孔，采用不同的组合排列，并使所得流通面积按上式分布；在套筒上钻i种不同孔径的n个孔，得到阀的n个流通通道。具有n个流通通道的套筒，配以套筒调节阀的其它组件，构成了新套筒调节阀。h——阀相对行程；ΔP_R——阀的压降比；A(h)——阀对应于h时的流通面积；F(h)——阀的线性或等百分比工作流量特性。本发明能显著降低由流体诱发套筒调节阀所产生振动与噪音，按此设计计算获得的套筒开窗流道加工方便，整阀制造成本低，运行效果好。

Description

降低套筒调节阀由流体诱发振动与噪音的方法

技术领域

本发明涉及一种降低套筒调节阀由流体诱发振动与噪音的方法。

背景技术

传统的套筒调节阀，它由阀体1、塞子2、套筒3、阀杆4等组成，如图1所示。生产使用现场该阀常有振动与噪音并有阀杆转动，甚至阀杆振断等情况发生，危及生产安全，噪音污染环境。除阀产生振动与噪音的机械因素外，其振动与噪音是由流体诱发。流体诱发振动，振动伴随噪音的机理简述：

流体通过非良好绕流体时，按流体力学性质会形成旋涡，并脱落，如图2所示，流体旋涡脱落具有显著的周期性，并随继续前流的流体尾流形成脱落频率f。图2是通过圆柱体流体旋涡发展与Re(雷诺数)关系图。旋涡脱落频率具有随机性，但客观存在一个主导频率f_s。当主导频率f_s与装置的固有频率为f_c接近或锁定，即共振发生，装置发生振动与噪音，同时，流体通过装置表面时会在其上产生随机波动的压力场，它将波动流体的能量传递给装置，亦使装置振动，其振动是以宽广的众多的频率均值出现。若每一振动分量在方向与频率上越一致时，其振动强度也就越大；反之就越小。流体旋涡脱落频率与流体的波动频率，其影响因素十分复杂，并且具有随机性，作定量描述极其冗长繁琐，但可用统计特性描述。

套筒调节阀是非良好绕流体。当流体通过它时，如果产生的流体脱落频率f_s与调节阀的固有频率f_c接近或锁定，即发生共振，并伴随噪音；若流体波动的各个压力场能量传递给套筒调节阀在方向一致时，亦即共振发生，振动伴随噪音。

显然，降低或克服由流体诱发套筒调节阀振动的根本是使流体旋涡主导脱落频率f_s的形成概率与流体波动的各个压力场能量的分量在方向与频率等为一致的概率，皆为极小或者不发生，即可避免流体诱发套筒调节阀的振动。

发明内容

本发明的目的在于提供一种降低套筒调节阀由流体诱发振动与噪音的方法，降低由流体诱发的套筒调节阀的振动与噪音，可通过设计其共振概率极小的套筒开窗新流道来实现。

本发明所采用的技术方案是：

按套筒调节阀额定流量系数所需的流通面积A，用概率计算确定作为阀流体流道的i种孔径与n个孔数流道，在阀全行程范围内对阀流体流道的i种不同孔径的n个孔，采用不同的组合排列，并使所得流通面积按：

$A\left(h\right)=\mathrm{AF}\left(h\right)\sqrt{\frac{\mathrm{\Δ}{P}_R}{1-(1-\mathrm{\Δ}{P}_R)F{\left(h\right)}^2}}$

分布；其结果，在套筒上钻i种不同孔径的n个孔，得到阀的n个流通通道；具有n个流通通道的套筒，配以套筒调节阀的其它组件，构成了新套筒调节阀；

式中：h——阀相对行程；

      ΔP_R——阀的压降比；

      A(h)——阀对应于h时的流通面积；

      F(h)——阀的线性或等百分比工作流量特性。

本发明具有的有益效果是：由于采用新的流道设计方法，本发明能显著降低由流体诱发套筒调节阀所产生振动与噪音，按此设计计算获得的套筒开窗流道加工方便，整阀制造成本低，运行效果好。

附图说明

图1是套筒调节阀结构示意图；

图2是通过圆柱体流体旋涡发展与Re(雷诺数)关系图；

图3是本发明的流体旋涡脱落频率正态分布示意图；

图4是本发明的套筒调节阀(D_N40)流道面积展开示意图；

图5是本发明在制氢生产中应用工艺流程图；

图6是本发明与传统的套筒调节阀实测工作流量特性对比图。

图中：1-阀体，2-塞子，3-套筒，4-阀杆。

具体实施方式

传统套筒调节阀的结构是按承受载荷与输送流体的要求设计，避免流体诱发振动的因素未作考虑。这使得传统套筒调节阀在使用中潜伏着流体诱发的振动；实际是传统套筒调节阀在使用中存在振动，只是振动的严重程度不一而已。大多数传统套筒调节阀的振动未对其造成严重问题，它所处的流程工艺仍能正常运行。只有那些因传统套筒调节阀的振动造成不能正常操作，严重的噪声污染，甚至出现阀杆振断、阀芯脱落等情况，影响生产，危及安全，才会实施维修，更换套筒调节阀。研究克服套筒调节阀在运行中的振动成为一个实际需要的问题。

现设：某一套筒调节阀与装置的固有频率为f_c，流体在某种流动状态下通过阀产生的旋涡脱落频率为f_n，潜在存在的主导脱落频率f_s。由流体力学所知，主导脱落频率f_s是在旋涡脱落频率f_n基础上形成(n＝1，2，…i)。当n＝1，f_s就是f₁，f_s的形成概率就等于1.0；当n＞1.0，f_n间就不会一致，f_s的形成概率就小于1.0；n越大，f_s的形成概率就越小。可初略地推理：形成主导脱落频率f_s的概率大小与流通通道数n成反比。同理也可得出：流道频率不同的多股流体波动振幅的总和就不是每股流体波动振幅的叠加，而很多却是它们相互间的抵消；这是其随机性所确定。只有其主导脱落频率f_s与阀的固有频率f_c接近或相等，则阀发生共振。这如同100只小鸟在不同时间啄鼓时，鼓只能发出低沉的声音；当这100只小鸟按相同时间间隔啄鼓时，鼓就会发出洪亮的声音。若流体流过套筒调节阀时不能形成旋涡主导脱落频率，即可以克服流体诱发套筒调节阀振动。同样，克服多股流道流体波动压力场致使套筒调节阀振动的方法也在情理中了。多少流体流道数n能使流体旋涡主导脱落频率f_s形成的概率极小。

如套筒调节阀额定流量系数所需的流通面积A，套筒调节阀的固有频率为f_c，考察在阀体质量、流体流速与物理性质等因素在确定条件下，出现流体诱发套筒调节阀振动的可能性与克服的办法。

设单流道的流道孔直径为d，流过单流道流体形成的旋涡脱落频率f₁为一个随机变量，且f₁～N(μ，σ²)，其中μ＝c₁/d，σ²＝c₂d²，c₁、c₂是与影响流体旋涡脱落频率有关因素的常数。当f₁接近f_c(设 $|f_1-f_c|<\frac{\mathrm{\&sigma;}}{a}$ )，即发生共振。这里的a取为10。调查单流道调节阀发生振动的情况得到概率为：

$p\left\{\right|f_1-f_c|<\frac{\mathrm{\&sigma;}}{10}\}=\mathrm{\&alpha;},$ (如α为0.05)。

由f₁～N(μ，σ²)的正态分布表查得：

P{f₁＝μ+2σ}＝0.977，

P{f₁＞μ+2σ}＝0.023。比较 $P\{f_c-\frac{\mathrm{\&sigma;}}{10}<f_1<f_c+\frac{\mathrm{\&sigma;}}{10}\}=0.05,$ 必然有：

f_c＜μ+2σ。

多流道流体发生共振概率的计算

设n个流道直径分别为d_i，i＝1，2....n，则有 $(\mathrm{\&pi;}{d}^2/4)=\mathrm{\&pi;}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(d_i^2/4)=A.$ 流体流过多流道时形成了i束流与旋涡脱落频率f_i。按上述，有f_i～N(μ_i，σ² _i)的正态分布。其中μ＝c₁/d_i， ${\mathrm{\&sigma;}}_i^2=c_2{d}_i^2,$ 并且它们相互独立。现用 $f_s=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{f}_i$ 表示多束流的旋涡主导脱落频率，则 $f_s~N(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&mu;}}_i,\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&sigma;}}_i^2).$ 记 ${\mathrm{\&mu;}}_0=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&mu;}}_i=c_1\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}1/d_i,$ ${\mathrm{\&sigma;}}_0^2=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&sigma;}}_i^2=c_2\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{d}_i^2={\mathrm{\&sigma;}}^2,$ 所以f_s与f₁有相同的方差。由于d_i＜d，所以 ${\mathrm{\&mu;}}_0=c_1\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}1/d_i>c_1\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}1/d=\frac{c_1\&CenterDot;n}{d}\mathrm{n\&mu;}.$ 只要取适当的n，并满足μ₀＞nμ＞μ₀-3σ＞μ+2σ，则有f_c＜μ+2σ＜μ-3σ。这时有 $P\left\{\right|f_s-f_c|<\frac{\mathrm{\&sigma;}}{10}\}<P\{f_s<{\mathrm{\&mu;}}_0-3\mathrm{\&sigma;}\}=0.001$ (由正态分布表查得)，则表示主导脱落频率f_s的形成概率小于千分之一，f_s几乎不能发生。因其形成概率为小于或等于0.001，表示按该设计计算获得的套筒调节阀由流体诱发的振动几乎不会发生。实际是已知μ₀＞nμ，f_c＜μ+2σ，现在使：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{n\&mu;}>{\mathrm{\&mu;}}_0-3\mathrm{\&sigma;}\\ {\mathrm{\&mu;}}_0-3\mathrm{\&sigma;}>\mathrm{\&mu;}+2\mathrm{\&sigma;}\end{array}\right.$ 成立，则有：

$n>\frac{{\mathrm{\&mu;}}_0-3\mathrm{\&sigma;}}{\mathrm{\&mu;}}>\frac{\mathrm{\&mu;}+3\mathrm{\&sigma;}}{\mathrm{\&mu;}}=1+\frac{2\mathrm{\&sigma;}}{\mathrm{\&mu;}}$ 即可。

由于μ＝c₁/d， $2\mathrm{\&sigma;}=2\sqrt{c_{2}d},$

所以 $n>1+\frac{2\sqrt{c_{2}d}}{c_1},$ 满足流体旋涡主导脱落频率形成概率极小的条件，则套筒调节阀由流体诱发而发生振动的可能性也越小。实际研制的新套筒调节阀具有 i＞3。图3(a)(b)分别为f₁，f的正态分布示意图。

μ——随机变量的均值；       

——发生共振的阈值；

σ²——随机变量的均方差；    α——阈值常数。

具体实施方法：

按套筒调节阀额定流量系数所需的流通面积A，用概率计算确定作为阀流体流道的i种孔径与n个孔数流道，在阀全行程范围内对阀流体流道的i种不同孔径的n个孔，采用不同的组合排列，并使所得流通面积按：

$A\left(h\right)=\mathrm{AF}\left(h\right)\sqrt{\frac{\mathrm{\&Delta;}{P}_R}{1-(1-\mathrm{\&Delta;}{P}_R)F{\left(h\right)}^2}}$

分布；其结果，在套筒上钻孔，得到调节阀的n个流通通道孔；具有n个流通通道孔的套筒，配以套筒调节阀的其它组件，构成了新套筒调节阀；图4是本发明的套筒调节阀(D_N40)流道面积展开示意图。

式中：h——阀相对行程；

      ΔP_R——阀的压降比；

      A(h)——阀对应于h时的流通面积；

      F(h)——阀的线性或等百分比工作流量特性。

本发明的使用效果：

一大型炼油厂制氢装置中的脱CO₂吸收塔，原采用某调节阀制造厂的传统套筒调节阀(二台)。一台用于塔半贫液流量控制，一台用于富液液位控制。因工艺特殊性(其中压差大)，该二处调节阀运行时常出现振动，伴随噪音与阀杆转动，并发生过因阀振动而造成阀杆断裂，有时一个月内连续发生几次，给生产造成很大影响。1996年5月，用所述方法设计的新套筒调节阀更换了原有的二台调节阀。该二新阀运行后，原调节阀存在的问题消失，工作一直正常，效果显著：控制质量和生产效率提高，阀的振动不再发生，噪音消除，维修工作量极大减少，工作环境改善。图5是新套筒调节阀所使用的工艺流程图，图6a是该工艺流程图使用传统套筒调节阀实测工作流量特性；图6b是新套筒调节阀实测工作流量特性。此外，该厂的重油加氢裂化305塔液位控制系统，同样采用了本方法设计计算的新套筒调节阀后，获得了预期的结果。

Claims (1)

1.降低套筒调节阀由流体诱发振动与噪音的方法，其特征在于：

按套筒调节阀额定流量系数所需的流通面积A，用概率计算确定作为阀流体流道的i种孔径与n个孔数流道，在阀全行程范围内对阀流体流道的i种不同孔径的n个孔，采用不同的组合排列，并使所得流通面积按：

$A\left(h\right)=\mathrm{AF}\left(h\right)\sqrt{\frac{{\mathrm{\&Delta;P}}_R}{1-(1-{\mathrm{\&Delta;P}}_R)F{\left(h\right)}^2}}$

分布；其结果，在套筒上钻i种不同孔径的n个孔，得到阀的n个流通通道；具有n个流通通道的套筒，配以套筒调节阀的其它组件，构成了新套筒调节阀；

式中：h——阀相对行程；

      ΔP_R——阀的压降比；

      A(h)——阀对应于h时的流通面积；

      F(h)——阀的线性或等百分比工作流量特性。

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