潛艇均衡系統(tǒng)自流注水調(diào)節(jié)閥穩(wěn)態(tài)噪聲試驗(yàn)研究

金 榮，黃 政，胡華兵，朱愛華，伍來智

(中國(guó)船舶集團(tuán)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(tǒng)中，由自流注水和均衡泵排水完成浮力調(diào)整。其中，自流注水是利用艙外壓力經(jīng)流量調(diào)節(jié)閥向艙內(nèi)注水，由流量調(diào)節(jié)閥控制管路系統(tǒng)的流量。隨著潛艇下潛深度的不斷加深，自流注水時(shí)系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲也不斷惡化，主要由調(diào)節(jié)閥在調(diào)節(jié)流量時(shí)節(jié)流產(chǎn)生的湍流、空化等現(xiàn)象引起。因此，為了降低潛艇在自流注水過程中對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲，有必要開展自流注水時(shí)流量調(diào)節(jié)閥穩(wěn)態(tài)振動(dòng)噪聲的試驗(yàn)研究工作[1-3]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在流量調(diào)節(jié)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(yàn)相結(jié)合的方法分析了節(jié)流導(dǎo)致管路振動(dòng)噪聲異常的現(xiàn)象，提出建議采用串聯(lián)降壓或并聯(lián)小通徑閥的方法調(diào)節(jié)管路背壓，緩解氣蝕現(xiàn)象；方超等[5]采用數(shù)值模擬的方法建立了通過調(diào)整水艙背壓的低噪聲改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，背壓點(diǎn)為0 MPa，0.6 MPa，1.2 MPa。同時(shí)，也有一些學(xué)者開展了相關(guān)的試驗(yàn)研究，Y Liu等[6]建立了單級(jí)節(jié)流孔、二級(jí)節(jié)流孔以及三級(jí)節(jié)流孔試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，通過試驗(yàn)研究了在不同入口壓力，相同背壓試驗(yàn)條件下的空化特性。結(jié)果表明，空化程度與節(jié)流孔級(jí)數(shù)和工況壓力都密切相關(guān)；蔡標(biāo)華等[7]通過對(duì)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，基于閥門節(jié)流空化噪聲形成機(jī)理，提出多級(jí)節(jié)流降壓的技術(shù)改進(jìn)方案，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證減振降噪效果。目前，結(jié)合潛艇均衡系統(tǒng)開展調(diào)節(jié)閥水動(dòng)力噪聲的試驗(yàn)研究方面很少有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。

本文在試驗(yàn)室中建立模擬潛艇均衡自流注水管路系統(tǒng)，開展各影響因素（不同假海壓力、不同系統(tǒng)流量、不同出口背壓及串聯(lián)兩臺(tái)調(diào)節(jié)閥）下，自流注水穩(wěn)定后空氣噪聲、振動(dòng)加速度及水動(dòng)力噪聲分布規(guī)律的試驗(yàn)研究工作，提出了自流注水減振降噪的有效措施，對(duì)潛艇聲隱身設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)方法

模擬潛艇均衡系統(tǒng)自流注水管路試驗(yàn)原理如圖1所示。其主要由空壓機(jī)、水艙、手動(dòng)球閥、管路、被試調(diào)節(jié)閥等組成，水艙容積為20 m3，系統(tǒng)管路通徑為80 mm，注水管路總長(zhǎng)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(diào)節(jié)閥開度調(diào)節(jié)注水流量，實(shí)現(xiàn)模擬均衡系統(tǒng)自流注水過程。系統(tǒng)管路節(jié)點(diǎn)A和B處各布置1個(gè)0～4 MPa量程的壓力傳感器采集流量調(diào)節(jié)閥前、后兩端壓力值，采樣頻率2 kHz輸出信號(hào)4～20 mA；在流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)出口法蘭各布置2個(gè)振動(dòng)加速度傳感器，分別采集自流注水過程中進(jìn)出口法蘭R方向（法蘭徑向）、Z向（管路水流方向）的振動(dòng)加速度級(jí)值，振動(dòng)加速度基準(zhǔn)值為10-6m/s2；在距離流量調(diào)節(jié)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(cè)量自流注水過程中的空氣噪聲值，空氣噪聲基準(zhǔn)值為2×10-5Pa，并對(duì)其進(jìn)行A計(jì)權(quán)計(jì)算；在距流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)出口法蘭100 mm處各布置了一個(gè)水聽器測(cè)量自流注水過程的水動(dòng)力噪聲，水動(dòng)力噪聲基準(zhǔn)值為10-6Pa。

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

模擬潛艇均衡系統(tǒng)自流注水的試驗(yàn)過程主要包括：水艙1充壓→調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥至預(yù)定開度→開啟管路中手動(dòng)球閥→關(guān)閉管路中手動(dòng)球閥。自流注水過程的穩(wěn)態(tài)噪聲研究工況見表1。

表1 自流注水過程穩(wěn)態(tài)噪聲試驗(yàn)研究工況表Tab.1 Steady noise test condition for self flow water injection

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 假海壓力

圖2為系統(tǒng)流量為72 m3/h，出口背壓為0，單臺(tái)調(diào)節(jié)閥時(shí)不同假海壓力下自流注水穩(wěn)態(tài)振動(dòng)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(dòng)加速度級(jí)及水動(dòng)力噪聲均呈逐漸增大趨勢(shì)?？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(dòng)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(diào)節(jié)閥進(jìn)出口法蘭振動(dòng)級(jí)比較接近。隨著假海壓力的增大，入口法蘭的振動(dòng)加速度級(jí)增幅明顯增大；水動(dòng)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(dòng)力噪聲比較接近。隨著假海壓力的增大，入口水動(dòng)力噪聲明顯高于出口水動(dòng)力噪聲。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著假海壓力的增大，空氣噪聲、振動(dòng)加速度級(jí)、水動(dòng)力噪聲均隨著假海壓力的增大而增大，在流量調(diào)節(jié)閥入口的振動(dòng)噪聲級(jí)增幅明顯大于出口。

2.2 系統(tǒng)流量（開度）

圖3為在1.5 MPa假海壓力，出口背壓為0 MPa，單臺(tái)調(diào)節(jié)閥時(shí)不同流量下自流注水穩(wěn)態(tài)振動(dòng)噪聲的變化曲線。通過調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥開度實(shí)現(xiàn)均衡系統(tǒng)自流注水流量的調(diào)節(jié)，間隔為10°。由圖可以看出，隨著流量調(diào)節(jié)閥開度的增大，空氣噪聲呈增大趨勢(shì)，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(shì)較為明顯；流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)出口法蘭的振動(dòng)加速度級(jí)隨著開度的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。在60°以下，進(jìn)出口法蘭振動(dòng)加速度級(jí)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(jìn)出口法蘭振動(dòng)加速度級(jí)隨著開度增大出現(xiàn)了下降趨勢(shì)；流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)出口水動(dòng)力噪聲隨著開度的增大也呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。在60°以下，進(jìn)出口水動(dòng)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(jìn)出口水動(dòng)力噪聲隨著開度增大出現(xiàn)了下降趨勢(shì)。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著開度的增大，空氣噪聲呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)；振動(dòng)加速度級(jí)及水動(dòng)力噪聲隨著開度的增大呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢(shì)，峰值處于 60°～70°之間。

圖2 不同假海壓力下自流注水穩(wěn)態(tài)振動(dòng)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(wěn)態(tài)振動(dòng)噪聲變化曲線Fig.3 Steady vibration and noise curve under different opening degree

圖4為系統(tǒng)流量為72 m3/h，假海壓力為2 MPa，單臺(tái)調(diào)節(jié)閥時(shí)不同出口背壓下自流注水穩(wěn)態(tài)振動(dòng)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(xiàn)先增大再減小的趨勢(shì)。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(shí)，空氣噪聲下降了4.8 dB；入口振動(dòng)加速度級(jí)隨著出口背壓的變化不大，出口振動(dòng)加速度級(jí)呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢(shì)，在0.2 MPa出現(xiàn)了峰值。入口水動(dòng)力噪聲隨著出口背壓的增大總體出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，出口水動(dòng)力噪聲呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢(shì)，在0.2 MPa處出現(xiàn)明顯峰值。試驗(yàn)結(jié)果表明：出口背壓對(duì)均衡系統(tǒng)自流注水穩(wěn)態(tài)振動(dòng)噪聲有明顯的影響，在自流注水過程中，應(yīng)避免出現(xiàn)0.5 MPa以下的出口背壓。

2.4 串聯(lián)調(diào)節(jié)閥

表2為假海壓力為3 MPa，出口背壓為0，系統(tǒng)流量為72m3/h，串聯(lián)2臺(tái)調(diào)節(jié)閥與單臺(tái)調(diào)節(jié)閥時(shí)自流注水穩(wěn)態(tài)振動(dòng)噪聲的試驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)。從表中可以看出，串聯(lián)2臺(tái)調(diào)節(jié)閥時(shí)，振動(dòng)噪聲值明顯下降。空氣噪聲下降了2.9 dB，入口法蘭振動(dòng)加速度級(jí)下降了18～22 dB，出口法蘭振動(dòng)加速度級(jí)下降了4～6 dB，入口水動(dòng)力噪聲下降了16 dB，出口水動(dòng)力噪聲下降了9 dB。試驗(yàn)結(jié)果表明：串聯(lián)兩臺(tái)調(diào)節(jié)閥可以大幅降低振動(dòng)噪聲，尤其是入口法蘭振動(dòng)加速度級(jí)和水動(dòng)力噪聲。

圖4 不同出口背壓下自流注水穩(wěn)態(tài)振動(dòng)噪聲變化曲線Fig.4 Steady vibration and noise curve under different back pressure in outlet

3 結(jié) 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(dòng)加速度級(jí)、水動(dòng)力噪聲均增大，且流量調(diào)節(jié)閥入口的振動(dòng)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(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，振動(dòng)加速度級(jí)及水動(dòng)力噪聲隨著開度的增大呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢(shì)，峰值處于60°～70°之間。因此，在調(diào)節(jié)閥選型時(shí)，應(yīng)避免調(diào)節(jié)閥運(yùn)行在60°～70°之間，有利于降低振動(dòng)噪聲；

表2 串聯(lián)調(diào)節(jié)閥與單臺(tái)調(diào)節(jié)閥穩(wěn)態(tài)噪聲試驗(yàn)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(duì)均衡系統(tǒng)自流注水穩(wěn)態(tài)振動(dòng)噪聲有明顯的影響，在自流注水過程中，應(yīng)避免出現(xiàn)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(lián)2臺(tái)調(diào)節(jié)閥可以大幅降低振動(dòng)噪聲，尤其是入口振動(dòng)加速度級(jí)和水動(dòng)力噪聲。