轴流式水轮机空化

轴流式水轮机关于声发射、振动、噪声、和空化结构之间关系的调查研究这个研究的目的是解释关于空化现象不同的声学信号和视觉图像之间的关系。

以只有两个叶片的轴流式水轮机（模型机）在空化条件下运行，进行测量声发射、振动、和噪声的试验。

由于模型机只有两个叶片，大部分附加边缘影响被取消，可得出结论认为这就是空化本身记录信号的来源。

结果表明，空化的程度和从传感器上记录的数据之间的关系是有趣的。

当空泡数量减少时，从测量元件上记录的振幅首次出现增大，经过一个极大值，再经过一个极小值，最后又重复上升。

空化空蚀现象也可从视觉上进行显像观测。

从测量结果上推断出声音的发射、振动、噪声和空泡结构的构成、大小、类型之间有不同的相互关系。

对于这种现象，从物理方面得到的解释是处于半经验主义的，由于空化空蚀的出现使水轮机的叶片产生噪声和振动。

1.序言用空泡、水泡的形成与聚合来描述的空化空蚀现象频繁发生在水力机械上。

它引起振动，增加流动损失，改变水流形态，加剧磨损，影响光热（冷光）以及产生噪声和声发射。

目前鉴别水力机械空化空蚀最常用的方法是基于对效率下降的监测。

必须注意的是空化通常是在关键点之前开始产生的，即在水轮机模型试验效率下降1%时。

通常人们认为空化开始时压力是不稳定的，随着实际的流动而变化，而且与水力机械表面的粗糙度有关。

其他技术，像振动分析、水听器观测和高频声发射技术的应用，近几年来在监测旋转机械方面得到了很大发展。

应用在这些技术上的典型频域分析范围是5KHz—1MHz。

在另一方面，在进行模型试验时，空化现象的直观性成为空化研究的重要方面。

那个有趣的趋势，当空泡的数量减少时，测量信号首先上升，经过一个极大值，再经过一个极小值，最后又重复上升，实际上是众所周知的。

它是由研究离心式泵空化噪音和振动的Pearsall首次提出的。

在导流泵上进行试验也得到相似的趋势。

然而，到目前为止仍没有完整系统的解释。

这篇文章讨论的是在只有两个叶片的轴流式水轮机上测量声发射、振动和噪音。

与常规的测量方法相似，需要记录空化结构的图像。

本文证明声发射，振动，噪声与空化结构的构成、大小及类型之间确实存在相互关系，并发现声信号与空化结构这种确定性的关系有助于水力机械的监测和控制。

对于噪声产生的过程此文给出了物理上的解释.为了肯定我们的观察，这些结论是从包含有空泡云团溃灭理论和细小的压力波动的半经验主义的实验中得到的。

以前一个相似的模型实验成功应用于预测不同尺寸的空蚀。

当前的实验将用来预测空化噪声和出现在水轮机上的空化类型。

2.实验装置实验是在低水头的轴流式水轮机循环测试台上进行的（如图1所示），模型实验根据IEC60193标准进行。

水流流速测量绝对精确，有±0.16%的误差(文丘里流量计校准体积的方法)或者±0.20%的误差（用电磁流量计）。

变化水头的测量要使误差小于±0.1%。

此实验首先是在有四个叶片的轴流式水轮机模型上进行的，该水轮机比转速Nq=3.21，标称直径为350mm。

在实验中要保持雷诺数为2.6×10（以叶片进口流速和叶片翼型长度为基础）。

由于来源于噪声的信号失真，所测得的四叶式转轮产生的声信号，显示多个叶片相互作用引起的不清楚的空化趋势。

这种不清楚的空化趋势也可用成像仪器观察。

为了提取空化的特征，我们将原来的转轮移去两个叶片而组成一个两叶的轴流式转轮。

当然，这个两叶片的转轮的比转数高于前者。

其效率特性曲线必然偏离原来的设计曲线。

但是，在保证与原型机有相同旋转速度、导叶开度、流体流速、空化数和降低水头的前提下，两叶片转轮将会得到相似的空化条件和环境。

根据空化的物理特性，将采用宽频率范围的传感器。

声发射传感器和加速度传感器水平安装在转轮室进口的轮缘处。

水听器则被安装在转轮室靠近叶片处。

传感器，高速闪光灯和电荷耦合摄像头实际的安装位置可参考图2：实验设置:1、加速度传感器;2、水听器;3、声发射传感器;4, 高速闪光灯;5、CCD相机;6、触发器;7、频闪主要单元;8、PC视频捕获器卡;9、PC和数据采集2.1 声发射传感器我们采用了Kistler 8152AI型声发射传感器探测高频噪声。

它里面有一种压电元件，能测到固体里的声波，测频范围为50KHz —400KHz 。

传感器的安装是根据ASTM（美国实验与材料学会） E 650--85标准，它与信号调理器Kistler AE--Piezotron coupler5152A连接。

这个信号调理器给传感器提供直流电流，并拥有放大器，一个两通滤波器（高截止频率为1MHz，低截止频率为50KHz）。

2.2 水听器采用B&K型type8103高频水听器进行测量，它的测频范围从0.1Hz到180kHz，与电容放大器 B&K 型2635连接。

水听器装在冲满水的小容器中并且与尾水管外表面连接。

声信号是通过透明材料和流场传播给水听器。

为了提高振幅处理高频的组成成分，在A/D 转换之前，采用了低通滤波器KEMO VBF42将2kHz以下成分滤去。

2.3 加速度传感器采用B&K（阿布吕尔和替补科加尔型）4393型加速装置，它有一个平坦的频率响应范围：0.1Hz -15kHz 。

它典型的安装共振频率为55KHz。

为了使在共振频率区域（30—50KHZ）的振动也能被测量考虑了校准标定曲线。

尽管这种方式存在缺陷，但所得结果仍然类似于声发射器和水下听音器所测得的结果。

加速器被连接在放大器B&K-type 2635上.2.4 数据信息采集声发射器、水听器、加速度传感器和触发信号由12位分辨率，采样频率为1MHz的传感器采集，并且保留每个传感器的频率全波20秒以供进一步分析为了避免可能出现的失真现象。

采样频率必须至少是采样对象频率的五倍。

使用美国国家仪器公司的PCI - 6110E A / D转换协商器卡的PC 机同时以四个通道进行采样。

数据信息采样和后期处理通过LabVIEW软件完成，将采集各个传感器采集的完整信号。

2.5叶片调整仪（叶片通道调制水平）幅值解调（或包络分析法）一种分析信号的方法，它包括对信号进行时域和频域分析。

在水利机械中主轴转动是基本的运动，它影响着其他所有的现象。

转轮叶片在入口处遇到的流场是不均匀和不稳定的。

空化信号的主频是叶片通道频率。

空化信号是经过叶片信号调制的。

为了调制信号，带通滤波器过滤了其它频率信号。

经过滤波的信号然后由希尔伯特转换或者通过全波整流使其包含特定信号。

经过傅里叶变换的特定信号将取代调制光谱GM (f).调制强度IM是下面的曲线图显示叶片调制仪（BPML）可以用来作为测量叶片空化强度的方法。

这种方法揭示了高频噪音信号幅值调整的存在。

虽然有时侯很难区别流体基本流动噪音和空化噪音，但应用这种技术去发送非空话流动信号是用用的。

2.6 模型水轮机试验条件当前的研究主要集中在最严峻的空化条件。

再在最大开度和原型水轮机最小水头上运行。

空化监测在一个固定水头为5.4m，流量为0.44 m3/s ，旋转速度为900rpm的模型水轮机上进行。

空化系数将随着水轮机尾水管的绝对压力而改变。

在水轮机试验中空化系数的定义为：H b 为大气压力，Hs为吸出高度，Hv为水的汽化压力，H为净水头。

首先，由于尾水管产中压力过高产生一个负的吸出高度（引入管水头），随后启用一台真空泵使其变为正的吸出高度。

用这种方法，可以测量全部范围的空化条件。

3. 测试的结果前面的研究表明，水声信号的发射，噪声和振动将随着空化系数的减小而增大，达到最大值，然后在低空话系数区域下降。

随着空化流动的增强，高度压缩的两相流动减轻了压力波使信号下降，从而引起了测量信号的下降。

另一个普遍发现的声学信号随空化系数的变化趋势，首先观测到信号上升，经过一个极大值，再经过一个极小值，最后又重复上升。

关于这个现象，一个明确和似乎有利的解释从未给过，目前的测试方法有着相似的趋势，但这个研究报告注重对这个现象的解释。

下图有三个传感器测量信号，声发射传感器的显示图为图4 ，水听器显示图为图5 ，和加速度传感器如图6所示，在不同的频率范围进行介绍。

获得的数据由声发射传感器，水听器和加速度传感器是归其最大值BPML / BPMLmax。

3.1声发射的测量结果对声发射的测量结果，在高空化系数的范围内，频率对其无影响。

两个信号（一个60—120KHZ，一个180—300KHZ）都是在空化系数大于3.4是空化初生。

在1.9时达到最大值。

在此之后信号幅值明显下降，直到空化系数为1.5。

频率为180—300KHZ的信号幅值在这个地带下降相对缓慢。

可能是因为位于这个范围的空泡团溃灭时发射了脉动压力波的主要特征频率。

甚至在空化系数低于1.5时两个信号都开始上升。

3.2水听器的测试结果对于水听器的测试结果，其信号幅值受频率范围的影响更大。

和声发射测量结果相似的是，当空化刚刚开始发生（空化系数为3.5）时，信号开始上升。

信号的频率从200千赫至280千赫上升最快的，因为它是最接近空泡团溃灭过程中发射的压力脉动波的特征频率这三个信号的幅值不是在同一个空化系数下达到最大值，对频率范围在20—90KHZ的信号和100—140KHZ的信号在空化系数大约为2.1时达到最大。

当空化系数下降时信号幅值也下降，值得注意的是，频率范围在200—280KHZ的信号下降的最快。

所有频率范围的信号大约在空化系数为1.5时达到最小值，类似的信号在空化系数小于1.5时也可以看到。

看起来那个频率范围在水听器中发挥了重要作用。

当频率范围接近测量压力波的特征频率时该传感器的反应相对快些（在低信号强度）。

水轮机和其他组件的结构相应可能会影响测量结果，但是我们相信这些影响与空化信号相比可以忽略不计。

在无空化条件下这个来自于噪声的测量结果低于40db。

3.3振动测试的结果如图6所示，加速度传感器的测量信号受频率范围的影响较小。

即使在30 —50KHZ的频率范围内也没有任何重大的影响可以看出，在那传感器的共振频率可能会对其产生效应。

在空化刚刚开始发生时信号就开始上升。

在空化系数为 1.9时达到最大值，在空化系数为1.5时达到最小值。

在空化系数进一步下降时信号又开始上升。

很清楚，在这个阶段对于信号的趋势还没有充分的解释。

最小值可能与空化流动的发展增加的压缩性相类似。

空化的形象化、可视化被用来分析在低空化系数下信号幅值增加的原因。

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频闪观测器的频闪光和相机在水轮机轴某一特定的转角使用感应传感器触发。