一种基于声发射信号的水轮机组空蚀空化状态诊断方法与流程

本发明涉及一种基于声发射信号的水轮机组空蚀空化状态诊断方法，属于水轮机故障检测技术领域。

背景技术：

空化是液体在一定温度下降低压力使液体汽化的现象。液体发生空化的过程是在极短的时间内突然发生，它使液体的连续性遭到破坏，在液体中形成充满蒸汽或气体的空泡。如果液体是流动的，这些空泡将随液体一起运动，空泡的尺寸将随液体内部压力的降低而涨大。当气泡进入高压区时，泡内的水蒸气将凝聚，气体将被溶解，气泡很快溃灭消失。空泡溃灭时产生极高的压力并伴随有高温、放电、化学反应产生。溃灭的时间以毫秒计，甚至以微秒计的时间内完成。在这一瞬间，气泡周围液体温度可达1000度，温升可达500－800度，辐射出的合成冲击波的压力差可高达4000大气压。如此的高温高压使机械表面的材料迅速屈服，并从表面剥落下来，这种现象称为空蚀。

水轮机运行过程中发生的空化空蚀现象对水轮机的运行安全和运行效率产生极大的影响。首先，由于空化的产生和发展，使流动系统的特性发生变化。当空化发展到一定程度时，由于空泡体的排挤作用，使流道的有效面积减少、阻力增加，水轮机的运行效率下降。同时在空化的产生和压缩、膨胀过程中，将产生高频噪声和压力脉动。水轮机中的高频噪声将危及运行人员的身心健康，压力脉动将引起机组的不稳定运行。其次，由于空泡溃灭时产生的压力冲击对固体边壁的剥蚀破坏，即空蚀对水轮机叶片和壳体的破坏作用已成为水轮机损伤的主要原因，空蚀损伤程度已成为水轮机是否进行大修的关键参数。当空蚀到一定程度，设备就必须检修或更换，如果不能及时处理，机组就会出现故障甚至发生事故，给企业造成巨大的损失。另外，因为直接关系到电力系统的运行，水轮机空蚀的潜在危害和影响会更为严重，而传统的用于水轮机组的振动检测系统无法有效检测空化空蚀现象。

根据空化空蚀现象的产生机理可以推断，空泡的瞬间形成和溃灭而产生的冲击波作用于叶片和管壁，这种冲击振动的信号必含有高频的振动成分(声发射信号)，通过将声发射传感器分别固定于尾水管和蜗壳处测定声发射信号。在水轮机正常运行没有空化现象产生时，由于水的冲击和水轮机转动产生的高频振动信号很少，声发射传感器几乎没有响应。在水轮机工况变化发生空化现象时，空化产生的高频振动冲击作用于水轮机壳体，通过声发射传感器拾取的高频信号可以分析空化现象的严重程度。通过选择传感器的安装位置和安装数量，可以诊断出水轮机空化产生的位置以及水轮机叶片和壳壁空蚀的位置和严重程度等信息，为机组维护人员提供准确、可靠的运行资料，从而实现设备高效、安全的运行及最经济合理的维护。

技术实现要素：

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于声发射信号的水轮机组空蚀空化状态诊断方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于声发射信号的水轮机组空蚀空化状态诊断方法，包括如下步骤：

步骤一：设备安装；

步骤二：信号采集；

步骤三：计算脉冲重复率；

步骤四：计算声强烈度；

步骤五：绘制工况变化与空化状态关系曲线图。

作为优选方案，所述步骤一包括：分别在水轮机组的转轮外壁、尾水管位置安装声发射传感器、水位传感器、振动加速度传感器和拉绳式导叶位移传感器，并通过信号采集系统统一监控，其中信号采集系统由计算机、隔离器、功率变送器、带通滤波器和低通滤波器构成。

作为优选方案，所述步骤二包括：通过传感器收集水轮机组相同工况下的连续频谱信号，通过多尺度混合形态滤波器滤除信号中无关的谐波成分，然后再对滤波后的信号采用形态闭开的差值滤波处理，得到明显的周期性冲击特征。

所述多尺度混合形态滤波器公式为F_OC(f(n))为开－闭滤波器，F_CO(f(n))为开－闭滤波器，f(n)输入信号序列f(n)为定义在F＝(0,1,…,N-1)上的离散函数。

所述闭开的差值滤波器为f·g(n)为关于g(n)的闭运算，为关于g(n)的开运算，g(n)为结构元素序列g(n)为G＝(0,1…,M-1)上的离散函数。

作为优选方案，所述步骤三包括：对同一稳定工况下的声发射信号的时域波形图进行分析，将每周期内声发射信号根据相位分成36段，计算每段信号内脉冲超过门槛电压值的次数Ni，如果此次数Ni大于某一设定值N0，则认为这一段信号内有声发射脉冲事件，记为E(i)＝1，否则E(i)＝0；在一段时间内，即M个周期内，定义脉冲重复率P(i)为：

其中j表示第j个周期，i表示一个周期内第i个段，i＝1，2，...,36；如果P(i)>0.7，则认为声发射信号是必然出现的，否则认为是随机出现的。

作为优选方案，所述步骤四包括：对应电性的裂纹故障，声发射频率在150KHz左右，因此可以利用如下公式进行重构：

其中：c_j-1,k表示为尺度系数，m表示序列数，k表示序列数，n表示序列数，d_j,n表示为小波系数，h()表示与g()表示正交镜像滤波器，c_j,m表示尺度系数；

具体为：对波形进行5层小波分解，把波域分0～15.625K，15.625K～31.25K，31.25K～62.5K，62.5K～125K，125K～250K，250K～500KHz 6段，然后对31.25K～62.5K和125K～250K段信号进行重构；

其中125K～250K段重构信号作为空化空蚀发射强度，对此频段信号进行声强烈度计算，具体为：首先计算出采样点中超过门槛值的所有峰值点，计算出所有峰值点的平方的值连线，就得到一条检波包络线，然后利用如下公式计算该线和X轴之间的面积就得到一段时间内的总能量：

式中f(n)表示包络线的函数，自变量n的范围是0～N，其中N是一次采集的总采样点个数，T表示采样周期。

作为优选方案，所述步骤五包括：通过改变水轮机组的工作状态，所述工作状态包括：水头、有功和导叶开度，分别测定不同工况下的空化状态，并绘制工况变化与空化状态关系曲线图。

有益效果：本发明提供的一种基于声发射信号的水轮机组空蚀空化状态诊断方法，采用生发射传感器和振动加速度传感器相结合的方式，对20KHz以上和20KHz以下的声波进行检测，从而能够系统的评估不同工况下水轮机组的空化状态和空蚀状态，而且能够保障数据采集的连续性和完整性，实用的设备结构简单，布置方便，检测精准度高，因此具有很高的实用价值。

附图说明

图1为声发射信号消噪前后比较图；

图2为空蚀声发射的典型时域波形图；

图3为空蚀声发射的典型声发射频谱图；

图4为本发明检测装置的组成结构图。

图中：1声发射传感器、2功率变送器、3水位传感器、4拉绳式导叶位移传感器、5振动加速度传感器、6低通滤波器、7隔离器、8计算机、9带通滤波器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

请参阅图1-4，本发明提供一种基于声发射信号的水轮机组空蚀空化状态诊断方法，包括如下步骤：

S1：设备安装：分别在水轮机组的转轮外壁、尾水管位置安装声发射传感器、水位传感器、振动加速度传感器和拉绳式导叶位移传感器，并通过信号采集系统统一监控，其中信号采集系统由计算机、隔离器、功率变送器、带通滤波器和低通滤波器构成；

S2：信号采集：通过传感器收集水轮机组相同工况下的连续频谱信号，通过多尺度混合形态滤波器滤除信号中无关的谐波成分，然后再对滤波后的信号采用形态闭开的差值滤波处理，得到明显的周期性冲击特征，其中采用的滤波公式推导如下：

假设输入序列f(n)为定义在F＝(0,1,…,N-1)上的离散函数，定义结构元素序列g(n)为G＝(0,1…,M-1)上的离散函数，且N≥M，则f(n)关于g(n)的腐蚀和膨胀分别定义为：

(fΘg)(n)＝min[f(n+m)-g(m)] (1)

m∈0,1,…,M-1

f(n)关于g(n)的开运算和闭运算分别定义为：

为了同时去除信号中的正、负两种噪声，通常采用开、闭运算的级联形式。通过不同顺序级联开、闭运算，得到如下形态开－闭和形

态闭－开滤波器：

对故障信号的降噪处理采用如下的多尺度混合形态滤波器：

为了提取故障信号中的冲击成分，对降噪后的信号采用形态闭开的差值滤波处理，形态闭开的差值变换具有良好的提取信号冲击特征的特点，闭开的差值滤波器为：

S3：计算脉冲重复率：对同一稳定工况下的声发射信号的时域波形图进行分析，将每周期内声发射信号根据相位分成36段，计算每段信号内脉冲超过门槛电压值的次数Ni，如果此次数Ni大于某一设定值N0，则认为这一段信号内有声发射脉冲事件，记为E(i)＝1，否则E(i)＝0；在一段时间内，即M个周期内，我们定义脉冲重复率P(i)为：

其中j表示第j个周期，i表示一个周期内第i个段，i＝1,2,...,36

如果P(i)>0.7，则认为声发射信号是必然出现的，否则认为是随机出现的；

S4：计算声强烈度：对应电性的裂纹故障，声发射频率在150KHz左右，因此可以利用如下公式进行重构：

其中：c_j-1,k表示为尺度系数，m表示序列数，k表示序列数，n表示序列数，d_j,n表示为小波系数，h()表示与g()表示正交镜像滤波器，c_j,m表示尺度系数；

具体为：对波形进行5层小波分解，把波域分0～15.625K，15.625K～31.25K，31.25K～62.5K，62.5K～125K，125K～250K，250K～500KHz 6段，然后对31.25K～62.5K和125K～250K段信号进行重构。

其中125K～250K段重构信号作为空化空蚀发射强度，对此频段信号进行声强烈度计算，具体为：首先计算出采样点中超过门槛值的所有峰值点，计算出所有峰值点的平方的值连线，就得到一条检波包络线，然后利用如下公式计算该线和X轴之间的面积就得到一段时间内的总能量：

式中f(n)表示包络线的函数，自变量n的范围是0～N，其中N是一次采集的总采样点个数，T表示采样周期；

S5：绘制：通过改变水轮机组的工作状态，水头、有功和导叶开度等参数，分别测定不同工况下的空化状态，并绘制工况变化与空化状态关系曲线图。

本发明采用生发射传感器和振动加速度传感器相结合的方式，对20KHz以上和20KHz以下的声波进行检测，从而能够系统的评估不同工况下水轮机组的空化状态和空蚀状态，而且能够保障数据采集的连续性和完整性，实用的设备结构简单，布置方便，检测精准度高，因此具有很高的实用价值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。