劉 忠， 鄒淑云， 陳 瑩， 李志鵬

(1．長沙理工大學 能源與動力工程學院，長沙 410114； 2．中國水利水電科學研究院，北京 100038)

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混流式水輪機模型空化狀態(tài)與聲發(fā)射信號特征關系試驗

劉 忠1， 鄒淑云1， 陳 瑩2， 李志鵬1

(1．長沙理工大學 能源與動力工程學院，長沙 410114； 2．中國水利水電科學研究院，北京 100038)

為了獲取水輪機空化狀態(tài)下聲發(fā)射信號的特征參數及其變化規(guī)律，在混流式水輪機模型空化試驗基礎上，采集了不同空化狀態(tài)時典型測點的聲發(fā)射信號，基于傳統(tǒng)分析方法提取了聲發(fā)射信號的事件計數、振鈴計數、頻率中心和電壓有效值等特征參數，分析了這些參數隨水輪機空化系數的變化關系.結果表明：隨著水輪機空化系數的逐漸減小，從無空化、空化初生到完全空化狀態(tài)，聲發(fā)射信號的各特征參數發(fā)生了較為明顯的規(guī)律性變化，整體上，事件計數不斷減小，振鈴計數、頻率中心和電壓有效值等不斷增大，變化幅度隨空化狀態(tài)所處階段有所不同.

混流式水輪機； 聲發(fā)射信號； 特征提??； 空化試驗

水輪機內發(fā)生空化時，容易產生高頻脈沖和輻射噪聲，引起水體壓力波動，并誘發(fā)水輪機能量特性下降、穩(wěn)定性惡化，嚴重時會造成流道表面破壞、部件壽命縮短[1].微型射流或沖擊波作用于葉片和流道內壁，會使表面原子晶格產生錯位變形，發(fā)出0.02～1 MHz頻率范圍的聲發(fā)射(Acoustic Emission，AE)信號[2-3].對伴隨空化而生的聲發(fā)射信號進行采集和分析，已被證實是一種可行的水輪機空化性能監(jiān)測方式[4].

在原型水輪機空化監(jiān)測研究方面，國內外學者研究了不同空化狀態(tài)下聲發(fā)射信號特征與水輪機工作參數之間的關系.Escaler 等[5]對比了單機容量為11 MW的混流式水輪機在不同導葉開度下聲發(fā)射信號的頻譜特征，以及單機容量為65 MW的混流式水輪機在不同負荷下聲發(fā)射信號均方根的變化曲線.王輝斌等[6]提出了“脈沖重復率”和“聲強烈度” 2種聲發(fā)射信號的特征指標，研究了東江水電站2號混流式水輪機的空化聲強烈度隨負荷變化的趨勢.Cencc 等[7]研究了抽水蓄能機組工作在水泵狀態(tài)時不同流量系數下聲發(fā)射信號均方根和空化系數之間的關系.Queiroz 等[8]分析了單機容量為175 MW的水輪機在空蝕修復前后的聲發(fā)射信號特征，建立了初步的判斷標準.然而，原型水輪機的空化性能受水力設計參數、安裝條件和工作參數等的綜合影響，加上原型水輪機的真實空化狀態(tài)在現場無法準確判斷，上述研究結果在水輪機空化監(jiān)測方面的適用性還有待商榷.

基于模型試驗研究水輪機空化的聲發(fā)射監(jiān)測技術越來越受到關注.Rus等[9]研究了某軸流式水輪機模型的空化系數與聲發(fā)射信號均方根的變化關系.張俊華等[10]研究了某軸流式水輪機模型的空化系數與聲發(fā)射信號頻譜特征的變化關系.田浩等[11]研究了空化噪聲強度和噪聲脈沖計數與空化系數的關系.Schmidt 等[12]基于聲發(fā)射技術監(jiān)測模型水泵水輪機的前緣空化，分析了聲發(fā)射信號特征與圖像觀察結果之間的關系.薛延剛等[13]提出了基于希爾伯特-黃變換(HHT)的空化信號分析方法，并通過水輪機模型空化試驗進行了檢驗.但上述研究或多或少地存在選定的試驗工況過于單一、空化類型與聲發(fā)射信號特征對應關系過于籠統(tǒng)等問題.

因此，筆者在混流式水輪機模型空化試驗基礎上，針對特定空化類型選擇試驗工況，采集并提取聲發(fā)射信號的典型特征，分析混流式水輪機模型空化狀態(tài)變化過程中聲發(fā)射信號特征的變化規(guī)律.

1 試驗過程

混流式水輪機模型空化試驗在國內某具有國際先進水平、綜合精度<±0.2%的閉式水輪機模型試驗臺[14]上進行.試驗過程中，采用與試驗臺配套的水輪機性能測試系統(tǒng)采集、保存并計算得到反映水輪機模型能量特性及空化性能的參數，如流量、壓差、轉速和力矩等.采用閃頻儀觀測水輪機流態(tài).采用自行開發(fā)的聲發(fā)射信號采集與分析系統(tǒng)[15]采集來自不同測點的聲發(fā)射信號.其中，2個聲發(fā)射傳感器分別布置在導葉拐臂上和轉輪下環(huán)底部附近(如圖1所示)，以保證傳感器距離空化發(fā)生部位盡可能近，且與聲源之間的金屬厚度盡可能小.聲發(fā)射信號采集裝置的A/D轉換器分辨率為16 位，采樣頻率設置為2.0 MHz，帶通濾波頻率范圍為20～500 kHz，閾值電壓取0.05 V，所得信號分別用AE1和AE2表示.

圖1 聲發(fā)射傳感器布置

為了避免不同空化類型之間的相互干擾，在該混流式水輪機模型綜合試驗基礎上，選取偏離設計工況且對應于不同導葉開度a0和單位轉速n11的6組試驗工況點(如圖2所示)，以便集中研究間隙空化過程中聲發(fā)射信號的變化規(guī)律.

每組工況點確定后，在試驗中保持水頭和單位轉速不變，通過逐步抽真空改變尾水箱的壓力來實現水輪機空化狀態(tài)的調整.不同的單位流量、單位轉速和空化系數構成一個測試工況，每個測試工況重復采集10組空化聲發(fā)射信號.將水輪機模型效率降低1%時的空化系數定義為臨界空化系數σ1，三個轉輪葉片上出現空泡判斷為空化初生，相應的空化系數為初生空化系數σi.將空化試驗結果與聲發(fā)射信號特征提取結果進行對比分析.

圖2 試驗工況示意圖

2 試驗數據分析

2.1 各試驗工況下的空化特性曲線

根據試驗數據計算及閃頻儀觀測，得到各試驗工況點的空化特性曲線和特征空化系數，分別如圖3和表1所示.

圖3 各試驗工況點的空化特性曲線

工況點(σi，σ1)工況點(σi，σ1)n111?a01(0．1082，0．0554)n111?a02(0．1482，0．0753)n112?a01(0．1251，0．0582)n111?a02(0．1590，0．0691)n113?a01(0．1170，0．0685)n111?a02(0．1248，0．0848)

2.2 聲發(fā)射信號參數提取

針對空化試驗中產生的連續(xù)型聲發(fā)射信號，采用傳統(tǒng)分析方法提取了其基本特征參數[16].

(1)事件計數. 當脈沖衰減波的包絡線超過閾值電壓時，產生一個矩形脈沖，此脈沖即稱為一次事件.它反映了聲發(fā)射事件的總量頻度.

(2)振鈴計數. 聲發(fā)射信號超過閾值電壓而產生振蕩脈沖的個數稱為振鈴計數.它反映聲發(fā)射信號的強度和頻度.一個事件可以包含若干個振鈴計數.

(3)頻率中心. 在基于快速傅里葉變換得到的信號幅頻特性曲線上取上限頻率和下限頻率的幾何平均值，稱為頻率中心.它反映聲發(fā)射信號的主要頻率范圍.

(4)電壓有效值. 該值反映聲發(fā)射信號的能量，與頻率中心一樣，不受閾值電壓的影響，其表達式為：

(1)

式中：xrms為電壓有效值；n為信號電壓時間序列x的采樣個數.

2.3 聲發(fā)射信號特征參數隨空化系數的變化關系

提取各試驗工況點采集到的聲發(fā)射信號的事件計數、振鈴計數、頻率中心和電壓有效值等特征參數.按相同n11、不同a0的工況點分類繪制特征參數隨水輪機空化系數變化的曲線，如圖4～圖6所示.

由圖4～圖6可以看出，隨著空化系數的逐漸減小， 2路聲發(fā)射信號AE1和AE2的各特征參數均發(fā)生了較明顯的變化，且具有一定的規(guī)律性.整體上，事件計數不斷減小，振鈴計數、頻率中心和電壓有效值均不斷增大，變化幅度隨空化狀態(tài)演變有所不同.這期間水輪機經歷了從無空化到空化初生、再到臨界空化(已完全形成)的過程.

以圖4中單位轉速n111、導葉開度a01的工況點為例，隨著空化系數的減小，聲發(fā)射信號AE2的事件計數從1 281逐漸減小到47，振鈴計數從13 404逐漸增大到18 046，頻率中心從144 kHz增大到179 kHz，電壓有效值從0.125 V增大到2.492 V.

聲發(fā)射信號主要是由水體流動、設備旋轉以及水流與流道內壁和水輪機轉輪葉片的相互作用產生的.在不斷減小尾水真空壓力但還未發(fā)生空化時，水流流態(tài)相對穩(wěn)定，聲發(fā)射信號的能量和頻度不斷增大，表現為事件計數減小，振鈴計數、頻率中心和電壓有效值增大.但就電壓有效值而言，增幅很小.

在空化初生(σ=0.108 2)時，由圖像觀測到水體中出現少許空泡.空泡的出現破壞了水流的平穩(wěn)性，局部出現氣液兩相流，水流內部以及水流與流道邊壁和轉輪葉片之間的作用變得復雜.聲發(fā)射信號的能量和頻度快速增大，表現為事件計數繼續(xù)減小，振鈴計數、頻率中心和電壓有效值繼續(xù)增大.電壓有效值的增幅較之前明顯(從0.557 V增大到1.138 V).

隨著工況條件的繼續(xù)變化，水中空泡的數量不斷增加，伴隨著空泡的產生、成長、相互擠壓以及潰滅等，氣液兩相流程度加劇.聲發(fā)射信號的能量和頻度繼續(xù)增大，表現為事件計數繼續(xù)減小，頻率中心繼續(xù)向高頻方向移動，振鈴計數和電壓有效值繼續(xù)增大.就電壓有效值而言，增幅尤為明顯.到臨界空化(σ=0.055 4)時，空化已完全形成，電壓有效值達到最大(2.492 V).

(a) 事件計數-σ

(b) 振鈴計數-σ

(c) 頻率中心-σ

(d) 電壓有效值-σ

(a) 事件計數-σ

(b) 振鈴計數-σ

(c) 頻率中心-σ

(d) 電壓有效值-σ

(a) 事件計數-σ

(b) 振鈴計數-σ

(c) 頻率中心-σ

(d) 電壓有效值-σ

此后，隨著空化進一步加劇，水中空泡的存在及其相互作用對聲發(fā)射信號的傳播產生了一定程度的衰減作用，表現為振鈴計數、頻率中心和電壓有效值均有小幅下降的趨勢.

盡管水輪機不同部位的聲發(fā)射信號特征參數的變化規(guī)律基本一致，但在相同工況下其數值還是存在一定差異的.其原因在于聲發(fā)射源發(fā)出的信號會經過水體、流道固體邊壁、水輪機金屬部件等到達聲發(fā)射傳感器安裝位置，其傳播路徑不同，傳播過程中聲發(fā)射波的折射、散射和衰減程度也不同，從而造成不同測點處聲發(fā)射信號的差異.因此，聲發(fā)射傳感器位置和數量對空化狀態(tài)監(jiān)測結果的影響不容忽視.

3 結 論

(1)在混流式水輪機模型空化試驗的基礎上，采集并提取了試驗工況下的聲發(fā)射信號特征參數，分析了聲發(fā)射信號特征參數隨空化狀態(tài)演變的變化關系，進一步促進了水輪機空化監(jiān)測技術的研究.

(2)隨著水輪機空化系數的逐漸減小，聲發(fā)射信號的各特征參數均發(fā)生了較為明顯的變化，且具有一定的規(guī)律性.整體上，事件計數不斷減小，振鈴計數、頻率中心和電壓有效值均不斷增大，變化幅度隨空化狀態(tài)所處階段有所不同.

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Experiments on the Relationship Between Cavitation Status and Acoustic Emission Signal Features for a Francis Turbine Model

LIU Zhong1, ZOU Shuyun1, CHEN Ying2, LI Zhipeng1

(1.School of Energy and Power Engineering, Changsha University of Science and Technology,Changsha410114,China;2.ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,Beijing100038,China)

To obtain the features of acoustic emission signals and their variation laws under the condition of hydraulic turbine cavitation, a series of cavitation experiments were conducted for a Francis turbine model, during which the acoustic emission signals were collected at typical measuring points under different cavitation conditions, while following features were extracted in a conventional analysis way, such as the event count, hit count, frequency center and the root mean square value of voltages, etc., so as to analyze the effects of cavitation coefficient on above features. Results show that with the decrease of turbine cavitation coefficient, the cavitation state changes from none to incipient, and further to fully-developed status; correspondingly, the features of acoustic emission signals vary in an obvious regularity; as a whole, the event count decreases gradually, while other three features increase, and their variation amplitudes depend on the stage in a cavitation process.

Francis turbine; acoustic emission signal; feature extraction; cavitation experiment

2016-01-25

2016-03-21

國家自然科學基金資助項目(51309034)；湖南省教育廳科學研究優(yōu)秀青年資助項目(14B004)；可再生能源電力技術湖南省重點實驗室(長沙理工大學)開放基金資助項目(2015ZNDL008)

劉 忠(1978-)，男，湖北漢川人，副教授，博士，研究方向為水力機械狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷. 電話(Tel．)：0731-85258410；E-mail：drliu20003@126.com．

1674-7607(2016)12-1017-06

TK73

A 學科分類號：470.30