轴流式水轮机空化

轴流式水轮机关于轴流式水轮机关于 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 12 1 声发射传感器声发射传感器 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 22 2 水听器水听器 采用 B因此 括号中的表达式定义了空化地带边界压力波的振幅 变量和 x 对应两相 液体流动 指数 2P 那个增加型的指数函数定义了额外的又单一流动摩擦引起的压 力波振幅的衰减 变量和 x 对应两相液体流动 指数 2P 最后 压力波的 振幅可以被定义为压力的总和 具体的地点如遮罩图 12 确定 声学的方法在方程 20 中考虑 没有完全反映来自不同固体表面压力波波动的 复杂的物理情况 简化的是 然而 合理的 因为可能反映压力波的一个数量级较小 因为高频率和更多的粘性衰减和能量损失被反映 6 5 压力波振幅和声压之间的关系压力波振幅和声压之间的关系 声压力用平均压力周围的空化压力定义 我们假设声压力的振幅与压力波 P 的振 幅成比例 声压力的振幅随着压力波振幅的增加而增加 我们做这样的假设 因为压力波引起空化效应 例如空蚀 因此产生了噪音 这 些效应 当然产生噪音 的侵害与压力波 P 的振幅成比例 6 6 从图像得到的数据信息从图像得到的数据信息 从方程 13 和 15 可以看出 我们需要获取由均值和标注差的灰度组成的数据 通 过测量蒸汽气体分数和在特定区域 轮毂 叶片 端部 的空化强度等参数 为此 我们使用面罩以便使来自特定区域的灰度等级被认为是后期的处理过程 当振动波经过空化云团时另一个问起就出现了 在方程 20 中空化云团的厚度用 和定义 其作用近似与平均值灰度水平的作用相同 表达式如 下 再次使用正常化的值 K1 K2 K3 为价值系数 在特定的空化区域和传感器之 间的距离和在下表中给出了 为了确定方程 13 15 和 21 中的价值 系数 K1 K2 K3 需要一些文献资料和迭代 冲击波的原始振幅还没有在实验中测得 因为衰减的影响 但 Brennen 和 Shimada 等理论学家给出了 6 兆帕 我们从霍夫曼类 似尺寸的关于冲击波的实验测量中的到了一些帮助 据报道 目前也有学者用 6 兆帕 的工作压力来预测压力波的振幅 我们用系数 K1 修正实际和试验中的差别 考虑冲击 波的值 因此 最大压力波的振幅为 6 兆帕 k1 6 兆帕 从一个区域到另一区域系数 K2 的之差别比较大 因为不同的空化类型蒸汽的体积 分不同 考虑到物理背景 其值通过迭代得出 这可以从单一的图像中看出 例如在 轮毂和端部的空化最大的体积分数没有达到接近统一的值 这是因为水蒸气体积分数 相对与空泡云团较低 例如 据 Stutz and Reboud 的报告测量结果的无效成分 其中最 大值达到了 在这种情况下出现了空化云团 因此 蒸汽积分数 系数 k2 的 最大值 在这两个区域被汽相预计也发现 另一方面 这个区域的叶片空化 几 乎被近似为单一的汽相 因此这种情况下存在超空化相 系数 K2 的最终值是通过迭代 测得的 直到最佳关联性试验和模型预测被发现 次值与从过去在空泡流动中测量水 蒸气体积分数的实验数据是一致的 K2 值的变化对于每个迭代步长在图 13 中表示 我们可以看到和的值不论初值如何最后都收敛到一个值 下面 介绍初值为 0 1 和 0 9 系数 K3 定义为空化的最大厚度 值由图像直接测量 水和水 蒸气的密度和粘度 声速度和水蒸气的压力的值是环境温度为 20 摄氏 度时的值 这个系统周围的压力时 22 5 千帕 Shimada 和 Lohrberget 等人的基础研关于 A 值选择了压力波的频率为 0 5HZ Hofmann 类似尺寸的关于压力波的测量实验也是以它为基础 为了明确的展现 此模型 图 14 显示了图像采集的整个通道 来预测每个运行工况的压力波振幅 1 获得 500 张空化结构的图像 图 8 2 通过统计评价测得图像的平均值和标准偏差 图 9 3 用面罩法测得空化发生的位置 图 12 4 参数表一是根据参考资料 迭代法和现在的试验获得的 5 是通过方程 13 计算得到的 其中矩阵的标准差是 用来作为输入 面罩和参数表 1 也被用于这一步骤 6 每个区域的无效分数 轮毂 叶片 端部 通过方程 15 进行计算 其中矩阵 的标准差是用来作为输入 面罩和参数表 1 也被用于这一步骤 7 物理性能和无效的分数是用来检测在声波传递时两相流地区的比例 8 空腔的厚度通过方程 21 进行计算 其中矩阵的标准 差是用来作为输入 面罩和参数表 1 也被用于这一步骤 9 通过引入单一流动 纯液体 的参数 空化和传感器之间的位移 衰减率 以及最后的总和压力波振幅的计算是通过方程 20 进行的 7 预测的结果预测的结果 如前所述 我们提出了假设声压力振幅与压力波振幅 P 成正比而且声压振幅随着 压力波振幅上升而增加 因此 声发射在 60 120KHZ 频率范围内的测量结果和模型 预测的压力波振幅的比较结果如图 15 所示 人们可以明显看到两条相似的曲线 那个模型预测 空化第一次出现 空化系数 为 3 4 时压力波振幅开始上升 预测压力波振幅随着空化数下降呈指数上升 最后达 到最大值 并在同一运行工况条件下 声发射的测量值 空化系数 1 9 也达到最大 之后 该模型正确的预测压力波振幅的下降和稍后随着运行压力的下降而增加 预测 的最大振幅的压力波为 2 4 兆帕 与 Hoffman 的测量值狠吻合 为了更好的理解模型的作用 把每个空化区域分成各自的小块是方便的 增加了 压力波振幅的总和 该模型预测 叶片端部的空化压力波随着空化系数的的减小成指 数增长 在空化系数大约为 1 9 时达到最大值 然后突然出现下降 预测当空化系数为 1 5 时振幅降为 0 之后 发生超空化和预测出现较大振幅信号 同样地可以预期 叶 片端部的空化组成预测压力波振幅总和的最大部分 这是因为它最接近传感器的位置 因此衰减的最小 在轮毂出的空化 该模型预测 在空化系数达到 2 之前空化强度单调增加 预测 压力波在这一区域几乎不变 直到空化系数为 1 8 然后下降到可以忽略不计的值 同 样的情况 对于叶片端部压力波被预测这一区域的空化将以超空化的形式出现 与轮毂处和叶片端部的空化相比 叶片的空化发生的晚一些 在低空化系数下 他首先影响在空化系数为 2 3 时的预测 但压力波的振幅不会大幅度的增加直到空化系 数为 1 8 之后 它的强度几乎下降到零 当空化系数为 1 5 是就出现超空化 预测到 压力波振幅的增加 8 结论结论 关于两叶片轴流式水轮机 在各种情况下空化的声学测量的研究报告已经做了介 绍 以前获得的有趣的结果不能被揭去面纱 由于空化系数的下降 所有的实验信号 先经过最大值 在经过最小值 之后又增加 甚至在低空化系数下 应用空化的可视 图