用于降低空气动力噪声的组合蒸汽减压阀的设计优化

《Annals of Nuclear Energy》：Design optimization of combined steam pressure reducing valves for aerodynamic noise reduction

针对核电站蒸汽减压阀极端条件下的噪声问题，提出迷宫通道与孔板复合结构设计。通过优化几何布局和压降分布，数值模拟与实验验证表明该设计可使噪声降低4.2 dB，压降比调整至1.5时再降1.1 dB。研究揭示了复合结构对流动稳定性和噪声抑制的协同效应，为复杂工况下低噪声阀门开发提供理论支撑与实践指导。

　　

甘润林|李宝仁|刘松

绿色与智能型河海通航船舶、游艇研究中心，武汉工业大学，中国武汉430063

摘要

在高温、高压和大流速的极端条件下，蒸汽流动表现出复杂的行为，会产生显著的空气动力噪声和结构振动。这些效应会降低阀门的疲劳寿命并影响系统的可靠性。本研究探讨了一种结合了迷宫通道和孔板的设计方案，旨在提高流量调节能力和降噪性能。通过优化的结构布局和压力降分布，研究表明这种迷宫+孔板设计能够提高流动稳定性，并将空气动力噪声降低4.2分贝。当两个组件之间的压力降比调整为1.5时，噪声进一步降低了1.1分贝。研究结果突显了不同阀门组装配置带来的不同性能表现，强调了布局对整体性能的显著影响。该工作为开发紧凑型、低噪声的蒸汽减压阀提供了理论基础和实用设计指南。

引言

在核电站中，蒸汽减压阀对于在高温度、高压和大流速条件下精确控制蒸汽压力、温度和流量至关重要（Quddus等人，2022年；Du等人，2022年）。在调节过程中，蒸汽速度的显著波动会导致强烈的湍流、不均匀的速度分布和不稳定的流动结构。这些现象会产生高强度的流动诱导噪声和显著的结构振动（Wu等人，2025年；Emerson Electric公司，2021年）。研究表明，减压阀产生的噪声超过90分贝，是核电站运行中的主要噪声源（Wang等人，2020年；Go和Kim，2013年；Kentintrol Valve Group公司，Jia等人，2023年）。长期暴露在超过推荐安全阈值的噪声水平下会增加心理压力的风险，包括焦虑。此外，噪声还可能导致听力损失。世界卫生组织将噪声污染列为仅次于空气污染的第二大环境健康风险（世界卫生组织，2011年）。随着公众对噪声影响的认识不断提高，市场对蒸汽减压阀的需求也在增长。阀门需要同时满足功能可靠性和有效降噪的双重性能要求（Altosole等人，2020年；Wang等人，2025年；Geng等人，2021年）。

近年来，关于蒸汽减压阀降噪的研究主要集中在路径控制和源头控制方面（Flowserve公司控制阀产品指南）。路径控制方法包括将吸音材料、隔音材料或消声器集成到阀门中以减轻噪声传播。这些方法在实施简便性和成本方面具有优势（Ahn等人，2023年），但其效果仅限于特定的噪声传播路径。源头控制则涉及优化阀门节流结构，如孔板和迷宫通道，以减少或消除噪声源（Gan等人，2025年；Zhang等人，2023年）。孔板通过在流动路径中设置几何形状明确的开口来产生压力降并调节流量（Chinello，2025年）。缝隙型孔板设计在降噪方面表现出显著效果（Youn等人，2008年）。显然，调整孔板级数、板间距和孔径等参数可以进一步提高流量调节能力和降噪性能（Zhang等人，2023年；Qin等人，2025年；Li等人，2024年；Qian等人，2019年；Hou等人，2023年；Gan等人，2022年）。然而，这些修改会增加结构复杂性和轴向长度，可能影响系统的紧凑性。迷宫结构通过多级通道来降低压力，然后通过排列多个平行通道形成阀板来调节流量（Wang等人，2016年）。降压和降噪性能高度依赖于内部通道的几何形状（Hashem等人，2024年；Kaushal等人，2021年；Asim等人，2017年）。研究表明，三维锯齿状通道可以在各种运行条件下满足降压要求，同时抑制空气动力噪声（Wang等人，2025年）。同时，级数的适度增加可以提高压力分布的均匀性。然而，级数的增加也会引入局部阻力，从而降低整体流量能力（Chen和Jiang，2024年；Li等人，2024年）。在迷宫通道的末端附近，高压蒸汽会经历快速减速、卷吸和混合，产生强烈的湍流。这一过程会产生低频和中频噪声（Mukherjee和Seshadri，2023年）。

对减压阀发展的回顾表明，为降噪而优化的孔板设计需要在紧凑性、控制精度和声学性能之间进行仔细的权衡。相比之下，迷宫设计通常会产生较高的出口噪声。研究团队之前的研究为单个阀门组件的流动和声学特性提供了宝贵的见解。基于这些发现，并考虑到核电站的复杂运行条件，本研究提出了一种结合迷宫和孔板结构的复合配置。目标是在不牺牲阀门性能或增加空间需求的情况下实现降噪和压力降目标，从而为在复杂运行环境中优化低噪声减压阀提供理论和实践指导。

所建立的数值模型通过实验方法进行了验证，以确保其准确性和预测可靠性。该研究系统地研究了各种结构组合和压力降分布对空气动力噪声特性的影响。参数分析揭示了几何变量对流动动力学和声学性能的耦合效应。

部分摘录

几何模型

图1(a)展示了包含迷宫通道的减压阀的结构配置，由阀体、阀杆和核心内部部件组成。核心内部部件是主要的流体调节机制，通常由一系列迷宫盘组成。每个盘上都精心蚀刻有连续的流动通道网络，形成了特征性的迷宫状流动路径。这些通道的复杂几何形状有助于有效

结果与讨论

分析了阀门空气动力噪声的频谱特性，以揭示其传播行为和频率成分的分布。源信息从流场中提取，然后从流场网格插值到声场网格。随后计算空气动力噪声。为了简化模型并专注于流场对噪声的影响，忽略了阀门结构及其与远场流动的相互作用。

根据

结论

本研究的目的是提出一种结合迷宫和孔板的新型复合结构，同时保持核电站中减压阀的性能完整性。通过数值分析评估了各种结构组合的空气动力噪声特性，研究了压力降分布的影响，并探讨了几何参数对噪声生成的耦合影响。研究结果提供了宝贵的

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。