CN111022813B - 多孔限流降噪孔板及其构成的限流降噪器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多孔限流降噪孔板以及由其构成的限流降噪器，多孔限流降噪孔板的构成，在孔板中心设有一限流孔，其余的限流孔呈一组同心圆环形排布，位于不同半径同心圆上的限流孔数量从内向外逐渐增加，位于同一个同心圆周上相邻限流孔的中心距相同，相邻同心圆的半径差从孔板中心至边缘呈等差数列排布。限流降噪器由管段和在管段内设置的至少一个多孔限流降噪孔板构成，管段的两端设置有连接法兰。本发明较常规的多孔限流降噪孔板，降噪能力有所提升且压力损失有明显的降低。

Description

多孔限流降噪孔板及其构成的限流降噪器

技术领域

本发明涉及减小管路介质压力与噪声技术领域，特别涉及限流孔板技术，具体涉及一种在大压降管路中需要同时降低压力和噪声的多孔限流降噪孔板以及由其构成的限流降噪器。

背景技术

流体在管路中流经截面突然缩小的多孔孔板，流体局部受阻，会导致板后流体压力降低，流速增加的现象。孔板前后存在一定的压差，对于一定的孔径，流经孔板的流量随着孔板前后压差的增大而增大，但当压差超过临界压差时流体流经孔板的缩孔处的流速达到音速，这时，无论压差如何增加，只要孔板上游压力一定，流经孔板的流量将维持在某一定值而不再增加，常利用限流孔板这一原理来限制流量和降低管路压力，加之其具备结构简单，易加工，制造成本低且安装方便等特点，在工业生产中被广泛应用。

当前常规多孔限流孔板普遍选用在圆形薄板上开设若干等径的限流孔，限流孔常采用环形、三角形、矩形阵列等多种均匀排布方式。对于常规多孔限流孔板，一方面流体流经多孔限流孔板后，流速产生突变，先骤增后又迅速降低至一稳定值，中心孔处流体受阻最小，流速最大，根据伯努利方程阐述的静压能和动能的关系得到板后孔板中心处静压能最小，使得流束整体向孔板中心汇聚，导致板后速度分布不均加剧；另一方面由于板后各股射流间隙中的回流区中存在大量涡旋，产生了较大的压力损失。压力和速度的大幅变化且分布不均以及大量涡旋的存在使得板后介质整体流动稳定性较差。

除此之外，常规多孔限流孔板还存在板后会产生高分贝噪声的缺陷。高分贝噪声主要是由于流体流经多孔孔板后在管道中形成受限性多股射流，射流自孔口出射后射流核心区与周围静止流体间形成不连续的速度波动，根据双股射流理论，流体流经多孔孔板后多股射流间形成会聚区，在会聚区内形成射流间回流区，各股射流与壁面之间产生近壁面回流区，在两种回流区内有大量涡旋存在，板后各个中心孔后高速射流区与两种回流区的速度差异大，在两个区域的交界处存在极大的流动剪切力，由此产生较强烈的流致噪声及管道振动，进而导致管路设备疲劳损坏以及环境噪声污染。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的多孔限流孔板存在的问题，提出了一种新型结构的多孔限流降噪孔板和由其构成的限流降噪器，以降低环境噪声污染和管道设备疲劳损坏。

本发明提供的多孔限流降噪孔板，其结构为：在孔板中心设有一限流孔，其余的限流孔呈一组同心圆环形排布，位于不同半径同心圆上的限流孔数量从内向外逐渐增加，位于同一个同心圆周上相邻限流孔的中心距相同，相邻同心圆的半径差从孔板中心至边缘呈等差数列排布，且满足以下方程：

r₁＝a

r_n+1-r_n＝a-nδ

d₀＜r_n-r_n-1

0.03＜d₀/D＜0.1

其中r_n表示从孔板中心至边缘第n个同心圆的半径，d₀为限流孔孔径，D为孔板直径，a、δ分别选定等差数列的首项和公差。

在本发明的上述技术方案中，所述方程的含义是，相邻同心圆半径差构成一个等差数列，选择r₁为等差数列的首项a，末项为r_n-r_n-1，项数为n，公差δ为负数。为避免相邻中心孔分布重合，该数列最后一项即最外缘两个同心圆半径差必须大于限流孔直径d₀。为了保证所有限流孔均能排布在孔板上，该数列的前n项和必须小于孔板半径。

本发明的上述技术方案中同心圆半径差成等差数列排布的方式，由于公差为负数，使得孔板上限流孔分布整体呈现出中间稀疏边缘密集的形态。对于常规多孔限流孔板则是各限流孔在半径方向呈均匀排布，同心圆半径差为一定值。

限流孔的孔数与孔径的选取，在满足上述技术方案中的排布方式要求的情况下，若出现多个满足要求的孔径和孔数选择，可通过数值模拟，从压力损失、流动稳定性和降噪效果三个方面综合考虑得到较优的一组孔径和孔数组合。

对于孔板上的限流孔排布，由于孔板沿径向限流孔可排布面积与同心圆所在半径的平方成正比，所以越靠近孔板边缘，总体布孔面积越大。为了更好地体现本发明限流孔中间稀疏边缘密集的思想，本发明优选同心圆上限流孔的数目从孔板中心至边缘依次增加，增加的数量差可为1～10个；增加的数量差最好是从内向外逐渐增多。

考虑到近壁面回流区处存在大量涡流，流动紊乱，加之湍流边界层应力主要是基于时均速度的牛顿切应力，其噪声产生机理极为复杂，且无权威定论，为了避免问题的不可分析量度，本发明优先考虑将所有的限流孔排布在湍流核心区。

本发明提供的多孔限流降噪孔板结构可以单个使用，在大压降管路中也可以多个多孔限流降噪孔板组合使用，形成多级多孔限流降噪结构。

本发明提供的多孔限流降噪孔板可以单独使用，也可设计成限流降噪器使用。对于单独使用，多孔限流降噪孔板可以直接焊接在管路中，形成内嵌式结构，也可以采用法兰连接使用，将其夹紧在两连接法兰之间。将多孔限流降噪孔板设计成限流降噪器，即在管段内设置至少一个多孔限流降噪孔板，管段的两端可设有连接法兰。所述管段可以是直柱管段、锥柱管段或直柱管段和锥柱管段构成的直锥柱管段。

本发明的提出是发明人基于对牛顿剪切定率所阐述的速度梯度与流体层间内摩擦力关系，管道内流动截面上充分发展的湍流速度分布(如图1所示)，管道中心处速度明显大于近壁面处的速度，且沿半径方向逐渐减小理论的深刻理解，认识到可通过改变限流孔的排布使速度分布均匀化，实现更稳定地流动状态，开发出了一种在基本满足限流降压要求的同时，又能适当减小压力损失，提高流动稳定性且具有一定降噪效果的新型结构的多孔限流降噪孔板。

本发明提供的多孔限流降噪孔板结构同时适用于液体和气体介质，也可结合单相或多相流体使用。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

1.图3A是根据本发明公开内容给出的一种示例性多孔限流降噪孔板的结构示意图，图3B是板后流动截面速度分布图；图4A是与图3A所示多孔限流降噪孔板除同心圆半径差不同外其他结构均相同的常规结构的多孔限流孔板，图4B是图4A所示常规结构多孔限流孔板板后流动截面速度分布图。由图3B和图4B所示，本发明的多孔限流降噪孔板与常规多孔限流孔板的板后速度和压力分布趋势基本一致，两种结构板后每个限流孔中心处都存在一个速度的极大值，相邻两限流孔的连接处存在一个极小值，对于常规多孔限流孔板，其速度的极大值沿径向逐渐减小。相比于常规多孔限流孔板，本发明的多孔限流降噪孔板由于其节流孔的排布从孔板中心至边缘是先稀疏后密集，带来一方面适当增加了靠近中心孔处流体的流动阻力，另一方面减小了靠近孔板边缘的流体的流动阻力，使得板后压力和速度的各个极值差异减小，整体分布较为均匀。图3B为沿流动方向中心线速度分布图，由图3B可见，本发明轴向速度会更快恢复至稳定范围，流动相对更稳定。特别是多个多孔限流降噪孔板串联使用时，由于本发明板后速度恢复较快，两孔板之间内的流体发展相对充分，介质与孔板碰撞造成的能量耗散相对较小，限流降噪效果更佳。

2.本发明限流降噪孔板后各射流区与回流区交界处的流动剪切力相对较小，最大湍动能较小，故由于流动剪切力产生的流动噪声较常规多孔限流孔板更小。此外由于本发明板后流动状态相对稳定，各个回流区范围更窄，一方面降低了流体流经孔板前后的永久压损，另一方面也降低了在回流区中由于涡流脉动产生的噪声。整体来看，本发明有效地降低了板后流体的湍流激振、涡旋噪声以及管路中由于流体和孔板相互作用产生的噪声。

3.现有的管路降噪，有的采用新的孔板结构，还有的在常规孔板基础上添加其他元件实现降噪。对于一般的降噪孔板，人们更关注其消音效果，在满足这一目的时往往会伴随着一定限流降压能力的损失。本发明在常规多孔限流孔板的基础上仅改变了各限流孔的排布方式，其余结构参数，例如等效直径比等并未改变，在满足限流降压需求的同时，由于限流孔位置的改进，导致了流场细节的变化，使得本发明附加了一定的降噪效果，不仅可以减少板后涡流，缓解管路振动，延长孔板的使用寿命，还能将限流和降噪设备合二为一，大幅节约工程应用成本。

本发明提供的多孔限流降噪孔板，是在常规多孔限流孔板结构基础上，仅通过改变限流孔的排布方式，由于改变了板后流场细节，其声源及其声辐射发生了相应变化，使得孔板后最大分贝数和压力恢复后管路分贝数都相应降低。本发明提供的多孔限流降噪孔板较常规的多孔限流孔板，降噪能力有所提升且压力损失有明显的降低，如实施例1所述，本发明多孔限流降噪孔板板后最大声压级值约为110dB，最大压损系数为62.2，较常规多孔限流孔板板后最大声压级值约为115dB，最大压损系数为64.3，最大噪声分贝值降低了4.3％，最大压损系数降低了3.3％。

附图说明

图1为管道内流动截面上充分发展的湍流速度分布图

图2A为本发明的示例性多孔限流降噪孔板的示意图。

图2B是图2A所示多孔限流降噪孔板的A-A向剖视结构示意图。

图3A为本发明的另一示例性多孔限流降噪孔板的示意图。

图3B为图3A所述多孔限流降噪孔板后流动截面速度分布图。

图4A为常规多孔限流孔板，其结构与图3A所示结构板相比，除同心圆半径差不同外，其余参数均相同。

图4B为图4A所述常规多孔限流孔板后流动截面速度分布图。

图5为图3A和图4A两种结构上流动方向中心线速度变化曲线图。

图6为图3A和图4A两种结构的压损系数变化曲线图。

图7为图2所示多孔限流降噪孔板对称面速度流线图。

图8为图4所示常规多孔限流孔板对称面速度流线图。

图9为图3A所示多孔限流降噪孔板结构的三维剖面图。

图10为根据本公开内容的一种示例性限流降噪器三维剖面图。

具体实施方案

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，下面结合具体的实施例和附图对本发明做进一步的详细说明，所述内容是对本发明的解释而不是限定。

在一些实施方式中，限流孔不限于圆形孔，还可采用锥形孔、半圆角形孔、缩放形孔等多种孔结构，孔型可以进一步优化。

在一些实施方式中，多孔限流降噪孔板不限于圆形孔板，对于某些特殊的管道，例如矩形管道等可采用与之对应的孔板形状。

实施例1：

本实施例公开的多孔限流降噪孔板，其结构如图3A，安装方式如图9所示。本实施例的多孔限流降噪孔板，其孔板直径为203mm，孔板厚度为12mm，限流孔半径为16mm，限流孔数目为25个，从孔板中心至边缘限流孔数目依次为：1、6、8、10，限流孔所在的相邻同心圆半径差依次为：34mm、26mm、18mm。本实施例的多孔限流降噪孔板所使用的流体介质为水蒸气进口压力为1.56MPa，质量流量为0.85kg/s。将该多孔限流降噪孔板直接焊接管路中，实现限流降噪的效果。

对比例为图4A所示常规多孔限流孔板，其与上述实施例所述多孔限流降噪孔板相比，除同心圆半径不同外，其余参数均相同，其相邻同心圆半径差均为26mm。如图7和图8所示，对比两种结构的速度流线图可看出，本发明板后速度分布更为均匀且速度恢复快，介质流动状态更稳定。本发明多孔限流降噪孔板板后最大声压级值约为110dB，最大压损系数为62.2，常规多孔限流孔板板后最大声压级值约为115dB，最大压损系数为64.，本发明公开的多孔限流降噪孔板较常规多孔限流孔板，最大噪声分贝值降低了4.3％，最大压损降低了3.3％。如图5、6所示。

实施例2：

本实施例公开的限流降噪器，其结构如图10所示，其构成包括四个多孔限流降噪孔板、两个异径管、一个直管段、两个法兰；各级孔板均采用本发明同心圆半径差呈等差数列排布方式，级间孔板与管道焊接，两端用法兰与进出口管道连接，整体构成了一个四级多孔限流降噪器。

Claims (7)

1.一种多孔限流降噪孔板，其特征在于：在孔板中心设有一限流孔，其余的限流孔呈一组同心圆环形排布，位于不同半径同心圆上的限流孔数量从内向外逐渐增加，位于同一个同心圆周上相邻限流孔的中心距相同，相邻同心圆的半径差从孔板中心至边缘呈等差数列排布，且满足方程：

其中r _n表示从孔板中心至边缘第n个同心圆的半径，d ₀为限流孔孔径，D为孔板直径，a、δ分别选定等差数列的首项和公差。

2.根据权利要求1所述的多孔限流降噪孔板，其特征在于：相邻同心圆周上的限流孔数量差为1-10个。

3.根据权利要求2所述的多孔限流降噪孔板，其特征在于：相邻同心圆周上的限流孔数量差从内向外逐渐增大。

4.根据权利要求1或2或3所述的多孔限流降噪孔板，其特征在于：所有限流孔排布在湍流核心区对应的孔板板面上。

5.根据权利要求4所述多孔限流降噪孔板构成的限流降噪器，其特征在于：由设置在管段内的至少一个多孔限流降噪孔板构成。

6.根据权利要求5所述的限流降噪器，其特征在于：设置有至少一个所述多孔限流降噪孔板的管段两端设置有连接法兰。

7.根据权利要求6所述的限流降噪器，其特征在于：所述管段为直柱管段、锥柱管段或直柱管段和锥柱管段构成的直锥柱管段。

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