水轮机组空化空蚀在线监测系统简介

1.空化机理

“气核理论”——液体中存在着微笑的汽泡（称为核子），这些核子使液体的抗拉强度降低；当液体的压强低于汽化压强时，这些核子迅速膨胀形成气泡，从而导致空化发生。

空化过程——空化是一种物理变化过程，涉及汽泡的产生、生长、破裂、反弹的全过程；在水温不变的条件下，当液体内部压力降低到某一限度时，即该温度下液体的汽化压力时，液体本体将发生破坏，在局部以气核为中心形成汽泡，这些汽泡随着液体向前流动，至某高压处时，汽泡周围的高压液体压缩汽泡，使汽泡急剧缩小以致破裂。

空化机理——在水轮机中，当水流过过流部件时，由于绕流叶片局部脱落、水流急剧拐弯等原因，在相应的部位都会引起流速过大而使压力降低。如果压力降低到该温度下的汽化压力时，一方面由于水的汽化产生了水蒸气的汽泡；另一方面水中溶解的一部分空气也会随着压力降低而被释放出来，这样就形成了水蒸气和空气混合的膨胀空泡。这些膨胀的空泡如果被带到高压区，空泡中的水蒸气会凝结成水珠，体积突然缩小，于是周围的高压水流质点就高速的向汽泡中心冲击，产生巨大的微观水锤压力（有时可以达到几百个大气压）。在微观水锤的作用下，空泡中的空气被压缩（或者直接溃灭破裂为数个小气泡），直到空泡的大气弹性压力大于水锤压力时，才停止压缩，紧接着空泡由于反作用力而瞬间膨胀，又会发育成新的空泡。

2.空蚀机理

空蚀是一种微观、瞬时、随机、多相、缓慢而连续的复杂现象，由多种因素共同造成，主要是空泡溃灭时产生巨大压力冲击的结果。

空蚀机理——包括：机械破坏、热力学损坏、电化学损坏。

机械破坏：空化过程中，空泡形成和压缩（或溃灭）的过程，每秒近千万次。发生在固体边壁附近空泡溃灭，会形成指向边壁的高速射水流。此外，空化过程中北压缩的空泡反向膨胀时，会产生冲击波，反向膨胀越大冲击波越强，这也是是边壁产生塑性变形的一种作用力。长期连续的机械冲击作用便会导致金属剥蚀。

热力学损坏：当高速运动的空泡受压后，空泡迅速被压缩而辐射出大量的热量，产生高温，以使金属融化，造成损坏。

电化学损坏：空泡溃灭的冲击力是金属表面形成热电偶，致使金属电解，使金属材料受到侵蚀。

2.空化过程产生声信号

水轮机空化引起的声信号属于水动力学声信号，既有可闻听（20KHz以下）的噪声部分，也有超声（20KHz以上）部分，属于宽带信号。产生声信号的声源主要有两种：

●空泡溃灭产生冲击、辐射声信号。空泡溃灭时会产生类似鹅卵石的击打声，形成冲

击波，课件空化信号声信号为许多爆发的离散脉冲综合，表现为连续宽带谱特性。

●空泡按其固有频率进行脉动辐射声信号。由于空泡大小不一，其固有频率也不同，

其频率范围决定于空泡的半径大小的概率分布，因此辐射源包括的频率范围很宽。

空化在不同的发展阶段，其辐射声信号强度和频谱特征是不同的，主要分布在0~400KHz 的频率范围内。整个过程中均伴有超声波信号，尤其是在空化初生阶段，空泡体积较小，空化超声波信号占主导地位；而当大规模空化空蚀发生时，空泡体积变大，信号频率下降，以致于人耳觉察到空泡溃灭的噼啪声，并对水轮机过流部件产生较大的冲击，使机组伴有强烈的振动。

在实际问题中，空泡总是以群体的形式出现，对于空泡群的溃灭主要有以下几种模型：（1）单个空泡溃灭的冲击波叠加成一个单个的高强度的破坏性冲击波；

（2）多个空泡同时发生可以咩构成一个巨大的冲击波；

（3）基于能量传递的观点，溃灭的空泡将能量传递给未破灭的，外部空泡的破灭导致其周围局部压力增加，这个压力使其内部空泡破灭，因此，单个空泡的潜在

破坏性或溃灭压力沿空化群中心逐渐增加。

第三种模型能够更好的描述空泡群的溃灭，随着空化的发展，空化数量的增加，溃灭速度加快，冲击强度增大，空化声信号的强度也随之增强，因此，空化程度与声波压强存在内在联系。

4.空化在线监测方法

目前的空化监测方法主要是基于空化的外部表征展开的，如尾水压力脉动、机组振动、噪声监测、超声波监测等。

空化噪声监测法：水轮机空化是由水中空气核子在低于汽化压力的条件下膨胀直至破灭所致，在这个过程中，空穴周围的介质必然要填充空穴溃灭后的空间而形成高速的微射水流。这种微射水流作用到金属表面，较大的冲击力，使其产生疲劳破坏，形成空蚀，同时会使机组振动增强，并产生类似于鹅卵石击打壁面的声音。目前，空化噪声通常采用振动加速度计

或身压计进行监测，主要检测20Hz~20KHz之间可听闻空化噪声进行现场监测。考虑到电厂的特殊工作环境，传感器附近的随机背景噪声、设备运转的声音、水电机组因叶片转动、等均会对声压计产生较大的影响，是的用空化噪声法判断水轮机空化发展状态就变得十分困难；水听器测量法中，存在传感器安装不方便，对设备运行噪声安全隐患等问题。从而采用加速度计进行水轮机空化在线监测，加速度计抗干扰能力强，安装方便，对高频空化信号的频率响应特性好，有关研究表明，水轮机空化信号在这一段内的特征频谱一般在4KHz~10KHz之间，可见，加速度计更适合于水轮机空化在线监测。

空化超声波监测法：它是根据空蚀空泡溃灭所产生的超声波强度来判断起始发展的程度。有关研究表明，空泡在固体表面溃灭时，像在弹性物体上溃灭一样，产生振动，其脉冲持续时间很短，而频谱很宽，可达数兆赫兹，同样的空泡在液流中溃灭时，脉冲持续时间显著增长，而频谱变窄，此时，空化辐射出的超声波信号主要分布在90KHz -140KHz 的频率范围内。为了对空化过程中辐射的超声波信号进行监测，可采用声发射传感器或称超声波传感器，该传感器的监测频带较宽，30 KHz-500 KHz，这个频段很难有机械振动等低频声源产生，可以说是主要由空化产生，避免了背景噪声的干扰。并且该传感器的安装及更换方便，不会对设备的运行造成任何影响。由于空化初生阶段空泡半径很小，主要产生超声波信号，因此超声波监测能够及早的发现空化现像的产生。

综上所述，这种机遇声波探测的水轮机空化在线加测方法具有以下优点：

●监测频带宽：有利于及早发现空化，能够反映空化发展程度；

●可靠性高：包括两方面——一是传感器抗干扰能力强，信号可靠性高；二是传感器

安装采用无损安装方式，不会给机组运行带来安全隐患。

●实时性好：在机组运行状态下，便可进行传感器安装于更换，避免因传感器更换不

及时噪声监测中断现象，从而导致监测实时性降低。

5.水轮机超声波信号检测及标定实验

隔河岩电厂与10月27、28号进行3#机组开始实验，借此机会对3#水轮机空化超声波信号进行检测与标定。

超声波信号的检测，目的在于检查是否能检测到超声波信号。现场实验电路如下图所示：