轴流式水轮机空化

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1、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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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Kistler8152AI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）E650

8、--85标准，它与信号调理器KistlerAE--Piezotroncoupler5152A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