水轮机空化的超声监测技术研究

　　水轮机空化现象的常用检测方法有能量法、高速摄影法、闪频观察法和检测空化噪声等方法。哈尔滨大电机研究所采用能量法在模型机上检测空化现象,该方法通过改变空化系数R,测量与R相应的效率G、流量Q和力矩T,依据G-R和T-R的变化关系和曲线的陡降情况确定水轮机临界空化系数。但该法不能直接确切反映水轮机转轮空化情况。当水轮机流道中产生气泡时,水轮机效率并非立刻下降,具体下降时刻还与流道和工况有关,当效率降低时,空化程度已很严重,而并非空化初生点。

　　采用超声波进行水轮机空化现象检测,是利用水轮机空化中气泡溃灭时产生的空化噪声中含有高频超声波分量[1,2]。国外早在20多a(年)前就通过试验方法证实了用声学法检测空化的发生和严重程度是可行的。

　　1 基本原理

　　液体空化是由于液体压强变化从而引起液体产生气泡的物理现象[1]。实践中,流动的液体在低压区携带大量的气泡,流动到高压区时气泡溃灭,所以流体空化包含气泡的发生和溃灭过程。

　　水轮机运行过程中,水中的气泡在从低压区运动到高压区时,就会在一个微秒级的时间内迅速溃灭,并从溃灭中心产生很强的冲击波,向周围辐射声波,称为空化噪声。气泡溃灭产生的冲击强度取决于气泡的尺寸、溃灭区的环境压强、溶解气体的含量和水质特性(可压缩性、粘度以及表面张力)[3]。

　　单个气泡的完全溃灭时间可表示为[4]

　　式中,P—环境压强

　　Rmax—气泡溃灭前最大半径

　　ρ—流体密度

　　从中看出,完全溃灭时间Tc与气泡最大半径Rmax成正比。由于气泡溃灭时间非常短,可以近似为一个非常尖的声压脉冲,脉冲宽度T0和幅度Pm均与气泡的最大半径成正比,即

　　对于单个气泡溃灭产生的声压振荡可用下式表示

　　式中，α—衰减指数

　　ω0—振荡频率,随气泡半径大小而变化

　　ω0=

　　φ(t)—单位阶跃函数

　　φ—初始相位角

　　在实际问题中,气泡总是以群体的形式出现。假定在一空化区域中,单位时间内有N个气泡溃灭,于是在某一观测点测量到的声压振动是N个脉冲序列的总和,即

　　假定各个气泡的溃灭完全是相互独立的事件,则根据能量叠加原理,该点的总声强为

　　气泡溃灭时间和脉冲幅度均与气泡溃灭时的最大半径有关,可见最大半径对空化噪声特性有着决定性的影响。虽然各个气泡在溃灭时都达到了各自的最大半径,但N个气泡不可能都达到同样的半径才溃灭,所以有必要定义一个平均最大半径Ravg,半径起伏量用方差σ²R表示。假定Rmax服从正态分布规律,即