JP2011157894A - Method and device for predicting cavitation erosion quantity - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、流体機械のキャビテーション壊食量予測方法及び予測装置に係り、特にポンプや水車などの流体機械におけるキャビテーション壊食量の予測方法及びその予測システムに好適なものである。 The present invention relates to a cavitation erosion amount prediction method and a prediction apparatus for a fluid machine, and is particularly suitable for a prediction method and a prediction system for a cavitation erosion amount in a fluid machine such as a pump or a water turbine.
近年の流体機械の小型・軽量化に伴い、液体用ターボポンプ(以下、ポンプと称する)の運転条件はますます過酷になってきている。これは、ポンプをより高速度で運転することによって、低コストな小型のポンプで大流量を発生させることができるからである。 With the recent reduction in size and weight of fluid machines, the operating conditions of liquid turbo pumps (hereinafter referred to as pumps) have become increasingly severe. This is because a large flow rate can be generated by a low-cost small pump by operating the pump at a higher speed.
ところが、ポンプを高速で運転した場合、ポンプ内部の液体には下に説明するキャビテーションと呼ばれる現象が生じ、それに伴って発生するキャビテーション壊食によってポンプ内部が損傷を受ける場合がある。 However, when the pump is operated at a high speed, a phenomenon called cavitation described below occurs in the liquid inside the pump, and the inside of the pump may be damaged by cavitation erosion that occurs accordingly.
キャビテーションとは、液体中にその液体の蒸気圧よりも低圧の部分が生じた際に、その部分に蒸気の気泡が発生する現象である。キャビテーションによる気泡が高圧部分で急激に液体に戻る場合、その箇所に局部的に衝撃的な圧力が生じ、その圧力がポンプの内壁や翼面に作用してその箇所の表面を侵食する場合がある。これがキャビテーション壊食である。ポンプ内に生じるキャビテーションの強度はポンプ羽根の周速の3乗に比例するとも言われているため、前述の通りポンプを高速運転する場合のキャビテーション壊食は、ポンプの性能維持や寿命管理などの観点から非常に重要な問題となる。 Cavitation is a phenomenon in which, when a portion having a pressure lower than the vapor pressure of the liquid is generated in the liquid, vapor bubbles are generated in the portion. When bubbles due to cavitation suddenly return to liquid at the high pressure part, shock pressure is locally generated at the part, and the pressure may act on the inner wall or blade surface of the pump and erode the surface of the part. . This is cavitation erosion. It is said that the strength of cavitation generated in the pump is proportional to the cube of the peripheral speed of the pump blades. Therefore, as described above, cavitation erosion when the pump is operated at high speed is related to maintenance of pump performance and life management. It becomes a very important problem from the viewpoint.
従来の流体機械のキャビテーション壊食量を予測する方法としては、特開2003−269313号公報(特許文献1)に示された方法がある。このキャビテーション壊食量の推定法は、水車及びポンプ水車の実機、相似模型あるいは類似模型のランナ、または流水部表面に運転時に加わる衝撃圧の大きさを、ランナまたは流水部表面に設置される衝撃圧力センサ、水中マイクロフォンまたはAEセンサーで検出し、その衝撃圧の大きさからキャビテーション壊食量を推定する方法が用いられてきた。 As a conventional method for predicting the amount of cavitation erosion of a fluid machine, there is a method disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2003-269313 (Patent Document 1). This method of estimating the amount of cavitation erosion is based on the impact pressure applied to the runner or the surface of the running water, and the magnitude of the impact pressure applied to the actual surface of the water turbine and pump turbine, the runner of the similar model or similar model, or the surface of the running water. A method of detecting the amount of cavitation erosion from the magnitude of the impact pressure detected by a sensor, an underwater microphone or an AE sensor has been used.
また、他のキャビテーション壊食量の予測方法として、特開2007−327455号公報(特許文献2)に示されるものがある。このキャビテーション壊食量の予測法は、予測したキャビテーション壊食位置を軟質金属で構成し、模型流体機械を運転することによって軟質金属の表面にキャビテーション崩壊圧力による窪み状変形を生じさせ、計測手段により窪み状変形量を定量的に測定し、計測した窪み状変形量に基いてキャビテーション壊食量を予測するものである。 Another method for predicting the amount of cavitation erosion is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-327455 (Patent Document 2). This method of predicting the amount of cavitation erosion consists of a soft metal at the predicted cavitation erosion position, and by operating a model fluid machine, the surface of the soft metal is dented due to the cavitation collapse pressure. The amount of deformation is quantitatively measured, and the amount of cavitation erosion is predicted based on the measured amount of deformation of the depression.
さらに、振動加速度センサを用いてキャビテーションの気泡崩壊による衝撃圧を算出する従来の方法としては、特開2007−170981号公報(特許文献3)に示された方法がある。この方法は、作動流体中でキャビテーションが生じる機器に複数の振動加速度センサを取りつけ、キャビテーション発生位置から各振動加速度センサ位置まで伝播する圧力波の減衰率や異種媒質界面での透過率、センサ設置部の壁厚さと密度等を考慮して算出される所定の抵抗係数を用い、計測された複数の振動加速度の値を最小自乗近似処理してキャビテーションの気泡崩壊による衝撃圧を抽出するものである。 Furthermore, as a conventional method for calculating an impact pressure due to bubble collapse of cavitation using a vibration acceleration sensor, there is a method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-170981 (Patent Document 3). In this method, a plurality of vibration acceleration sensors are attached to a device in which cavitation occurs in the working fluid, the attenuation rate of pressure waves propagating from the cavitation generation position to each vibration acceleration sensor position, the transmittance at the interface of different media, the sensor installation part Using a predetermined resistance coefficient calculated in consideration of the wall thickness, density, and the like, a plurality of measured vibration acceleration values are subjected to least square approximation processing to extract the impact pressure due to bubble collapse of cavitation.
上記の特許文献1に開示された従来技術は、実機、相似模型または類似模型の運転時に検出した衝撃圧の大きさに基づいてキャビテーション壊食量を推定する方法であるために、短時間に且つ簡便に壊食量を求めることが困難であるという課題があった。即ち、実機、相似模型または類似模型の運転時に衝撃圧力センサ、水中マイクロフォンまたはAEセンサなどで衝撃圧を検出する作業は一般的に面倒である。
The conventional technique disclosed in
また、上記の特許文献2に開示された従来技術は、模型流体機械に軟質金属を設けて、軟質金属の表面の窪み状変形量を計測し、その窪み状変形量に基いてキャビテーション壊食量を予測するものであるため、軟質金属の設置や窪み状変形量の計測の作業は面倒である。
In the prior art disclosed in
また、上記特許文献3に開示された従来技術は、振動加速度センサを用いてキャビテーションの気泡崩壊による衝撃圧を算出するのみであり、流体機械におけるキャビテーションによる壊食量を予測することができない。
The prior art disclosed in
本発明の目的は短時間に、簡単にキャビテーション壊食量を予測することが可能な流体機械のキャビテーション壊食量の予測方法及び予測装置を構築することにある。 An object of the present invention is to construct a prediction method and a prediction device for a cavitation erosion amount of a fluid machine that can easily predict the cavitation erosion amount in a short time.
前述の目的を達成するための本発明の第一の態様は、キャビテーションによる壊食量を予測する対象となる流体機械に、振動加速度センサを取りつけ、前記振動加速度センサにより計測された振動加速度の値から、特定の周波数領域を除去し、
キャビテーション発生位置から振動加速度センサ取付け位置まで伝播する圧力波の減衰率や異種媒質界面での透過率及びセンサ取付け部の壁厚さと密度を考慮して算出される所定の抵抗係数を用い、キャビテーションの気泡崩壊による衝撃圧を算出し、
前記キャビテーションの気泡崩壊による衝撃圧から前記流体機械に生じているキャビテーション強さを算出し、
前記算出した流体機械に生じているキャビテーション強さからキャビテーション衝撃力をパラメータにしたキャビテーションエネルギー分布を推定し、
前記キャビテーションエネルギー分布の中で前記流体機械の材料に壊食を生じさせるしきい値以上のキャビテーションエネルギーの総和を算出し、
前記材料に壊食を生じさせるしきい値以上のキャビテーションエネルギーの総和と、予め求めた最大壊食速度の関係から前記流体機械における最大壊食速度を算出し、
前記最大壊食速度と前記流体機械の運転時間とから前記流体機械におけるキャビテーションによる最大壊食量を予測することを特徴とする。
According to a first aspect of the present invention for achieving the above-described object, a vibration acceleration sensor is attached to a fluid machine that is a target for predicting the amount of erosion due to cavitation, and the vibration acceleration value measured by the vibration acceleration sensor is used. Remove certain frequency regions,
Using a predetermined resistance coefficient calculated in consideration of the attenuation rate of the pressure wave propagating from the cavitation generation position to the vibration acceleration sensor mounting position, the transmissivity at the interface between different media, and the wall thickness and density of the sensor mounting part, Calculate the impact pressure due to bubble collapse,
Calculate the cavitation strength generated in the fluid machine from the impact pressure due to bubble collapse of the cavitation,
Estimating the cavitation energy distribution using the cavitation impact force as a parameter from the calculated cavitation strength generated in the fluid machine,
In the cavitation energy distribution, the sum of cavitation energy above a threshold value causing erosion to the material of the fluid machine is calculated,
Calculate the maximum erosion rate in the fluid machine from the relationship between the sum of cavitation energy above a threshold value causing erosion to the material and the maximum erosion rate obtained in advance,
The maximum erosion amount due to cavitation in the fluid machine is predicted from the maximum erosion speed and the operation time of the fluid machine.
また、上記記載のキャビテーション壊食量の予測法において、
材料毎のしきい値のデータベースに基づいて、前記キャビテーションエネルギー分布の中で前記流体機械の材料に壊食を生じさせるしきい値以上のキャビテーションエネルギーの総和を算出し、材料毎のキャビテーションエネルギーの総和と最大壊食速度の関係のデータベースに基づいて前記流体機械における最大壊食速度を求めることを特徴とする。
Moreover, in the prediction method of the amount of cavitation erosion described above,
Based on the threshold database for each material, calculate the sum of cavitation energy above the threshold that causes erosion of the material of the fluid machine in the cavitation energy distribution, and sum the cavitation energy for each material. The maximum erosion rate in the fluid machine is obtained based on a database of the relationship between the maximum erosion rate and the maximum erosion rate.
また、本発明の第二の態様は、振動加速度センサと、
前記振動加速度センサの出力信号を増幅するアンプと、
前記アンプの出力信号を高速サンプリングするAD変換器と、
このAD変換器から出力される振動加速度の波形を高速フーリエ変換して特定の周波数域を除去した振動加速度値を算出する高速フーリエ変換器と、
この高速フーリエ変換器から出力される振動加速度値を記録するコンピュータを備え、
前記コンピュータは、記録された振動加速度の値からキャビテーション気泡衝撃圧を抽出する抽出手段と、前記キャビテーション気泡衝撃圧からキャビテーション強さを求める強さ算出手段と、このキャビテーション強さからキャビテーション衝撃力をパラメータにしたキャビテーションエネルギー分布を推定する推定手段と、このキャビテーションエネルギー分布の中で材料に壊食を生じさせるしきい値以上のキャビテーションエネルギーの総和を算出する総和算出手段と、この材料に壊食を生じさせるしきい値以上のキャビテーションエネルギーの総和と予め求めた最大壊食速度の関係から最大壊食速度を求める壊食速度算出手段と、流体機械の運転時間を入力することにより前記最大壊食速度から最大壊食量を求める壊食量算出手段からなるデータ処理手段を有することを特徴とする。
A second aspect of the present invention is a vibration acceleration sensor,
An amplifier for amplifying the output signal of the vibration acceleration sensor;
An AD converter that samples the output signal of the amplifier at a high speed;
A fast Fourier transformer that calculates a vibration acceleration value obtained by removing a specific frequency range by performing a fast Fourier transform on the vibration acceleration waveform output from the AD converter;
A computer that records the vibration acceleration value output from the fast Fourier transformer;
The computer includes an extraction means for extracting a cavitation bubble impact pressure from the recorded vibration acceleration value, a strength calculation means for obtaining a cavitation strength from the cavitation bubble impact pressure, and a cavitation impact force as a parameter from the cavitation strength. The estimation means for estimating the cavitation energy distribution, the total calculation means for calculating the sum of the cavitation energy above the threshold value that causes erosion in the material in the cavitation energy distribution, and the erosion in the material. The erosion rate calculating means for obtaining the maximum erosion rate from the relationship between the sum of the cavitation energy above the threshold value to be obtained and the maximum erosion rate obtained in advance, and the maximum erosion rate by inputting the operating time of the fluid machine. Is the erosion amount calculation means to find the maximum erosion amount? And having a comprising data processing means.
また、上記記載の上記キャビテーション壊食量の予測装置において、
更に、材料毎のしきい値のデータベースと材料毎のキャビテーションエネルギーの総和と最大壊食速度の関係のデータベースを備え、上記総和算出手段は、上記材料毎のしきい値のデータベースに基いて前記キャビテーションエネルギー分布の中で前記流体機械の材料に壊食を生じさせるしきい値以上のキャビテーションエネルギーの総和を算出し、上記壊食速度算出手段は、上記材料毎のキャビテーションエネルギーの総和と最大壊食速度の関係のデータベースに基づいて、前記流体機械における最大壊食速度を求めることを特徴とする。
Moreover, in the prediction apparatus for the cavitation erosion amount described above,
Furthermore, a database of threshold values for each material and a database of the relationship between the sum of cavitation energy for each material and the maximum erosion rate are provided, and the total calculation means includes the cavitation based on the threshold database for each material. The sum of the cavitation energy above a threshold value causing erosion to the material of the fluid machine in the energy distribution is calculated, and the erosion rate calculation means includes the sum of the cavitation energy for each material and the maximum erosion rate. The maximum erosion speed in the fluid machine is obtained on the basis of the database of the relationship.
本発明による流体機械のキャビテーション壊食量の予測方法によれば、予測の対象となる流体機械を分解することなく、流体機械に対しては、その外面に振動加速度センサを取りつけるだけで、キャビテーション気泡衝撃圧から直接キャビテーション強さを算出することができるので、簡単にキャビテーション壊食量を予測することが可能である。 According to the method for predicting the amount of cavitation erosion of a fluid machine according to the present invention, a cavitation bubble impact can be obtained by simply attaching a vibration acceleration sensor to the outer surface of the fluid machine without disassembling the fluid machine to be predicted. Since the cavitation strength can be calculated directly from the pressure, it is possible to easily predict the amount of cavitation erosion.
本発明におけるキャビテーション壊食量の予測装置によれば、測定した流体機械の振動加速度値から、コンピュータに内蔵された、振動加速度値からキャビテーション気泡衝撃圧を抽出するデータ処理手段、前記キャビテーション気泡衝撃圧とキャビテーション強さを求めるデータ処理手段、キャビテーション強さからキャビテーション衝撃力をパラメータにしたキャビテーションエネルギー分布を推定するデータ処理手段、このキャビテーションエネルギー分布の中で材料に壊食を生じさせるしきい値以上のキャビテーションエネルギーの総和を算出するデータ処理手段、この材料に壊食を生じさせるしきい値以上のキャビテーションエネルギーの総和と予め求めた最大壊食速度の関係から最大壊食速度を求めるデータ処理手段により、キャビテーションによる最大壊食速度を予測することが可能となり、当該流体機械の運転時間と、この最大壊食速度によりキャビテーションの最大壊食量が予測できる装置が提供できる。 According to the cavitation erosion prediction apparatus of the present invention, the data processing means for extracting the cavitation bubble impact pressure from the vibration acceleration value built in the computer from the measured vibration acceleration value of the fluid machine, the cavitation bubble impact pressure and Data processing means for obtaining cavitation strength, data processing means for estimating cavitation energy distribution from cavitation strength using cavitation impact force as a parameter, and cavitation exceeding the threshold value that causes erosion of material in this cavitation energy distribution Data processing means for calculating the sum of energy, data processing means for obtaining the maximum erosion rate from the relationship between the sum of cavitation energy exceeding the threshold value causing erosion to the material and the maximum erosion rate obtained in advance, Bi station by it is possible to predict the maximum erosion rate, the operating time of the fluid machine, the maximum erosion rate makes predicting the maximum erosion amount of cavitation device can be provided.
以下、本発明の具体的な実施例を、図を用いて説明する。 Specific embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、本発明実施例の適用対象の一例である、水を作動流体とするポンプ5の断面図であり、気泡衝撃圧の圧力伝播経路の一例を示す図でもある。図1では、羽根車1は主軸2によって回転し、吸込管3から水を吸い込んで吐出ケーシング4に吐出して揚水し、振動加速度センサ4個を取付けた場合の例を示す。炭素鋼製の吸込管3や鋳鉄製の吐出ケーシング4の外面には4個の振動加速度センサ10a〜10dが設置されている。ポンプ5のある運転条件においては、羽根車1の前縁付近において図示しないキャビテーションが発生し、羽根車1の羽根面上でキャビテーション気泡が崩壊して衝撃圧を生じる。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a
ここで気泡衝撃圧の発生位置を1点Pとし、点Pから各振動加速度センサ10a〜10dまでの圧力伝播経路を点線で示す1次元の直線的な経路で仮定する。例えば振動加速度センサ10cの場合、経路途中における吐出ケーシング4の流水面上の点をQ、振動加速度センサ10cの吐出ケーシング4表面での設置位置をRとすると、圧力波は水中伝播経路PQ、固体伝播経路QRを経て振動加速度センサ10cに到達する。
Here, the generation position of the bubble impact pressure is assumed to be one point P, and the pressure propagation path from the point P to each of the
図2は本発明実施例の信号処理の系統を示すブロック図である。なお、取り付ける振動加速度センサは1つでも評価可能である。図1におけるポンプ5の吸込管3や吐出ケーシング4の外面に設置された振動加速度センサ10a〜10dの出力信号は、それぞれアンプ11a〜11dに取り込まれて増幅される。この振動加速度センサ10a〜10dの共振周波数は20 kHz以上である。アンプ11a〜11dからの出力信号はA/D変換器20により、 40 kHz以上のサンプリング周波数で高速サンプリングされる。A/D変換器20からの出力信号は高速フーリエ変換器21に取り込まれ、高速フーリエ変換処理が行われる。また、フーリエ変換後の20 kHz以下の周波数成分に対し、特定の周波数帯域がフィルタリングされる。このフィルタリングには 1 kHzのハイパスフィルターと 10 kHzのローパスフィルターを用いているが、キャビテーションの様相に応じて別の周波数帯域に対応したフィルターに変更することも可能である。さらに高速フーリエ変換器21では、フィルタリングした信号のオーバーオール値が算出され、振動加速度の計測値として出力される。この振動加速度はコンピュータ22に記録される。
FIG. 2 is a block diagram showing a signal processing system according to the embodiment of the present invention. Note that even one vibration acceleration sensor to be attached can be evaluated. Output signals from the
コンピュータ22は、図3に示す各種プログラム31〜36、及び各種のデータベース41〜42からなるデータ処理手段23を搭載している。データ処理手段23には、上記した各種プログラム31〜36をそれぞれ実行する各手段31a〜36a(詳細は後述)を内蔵している。
The
上記各種プログラムは、『振動加速度計測値からキャビテーション気泡衝撃圧を抽出するプログラム31』、『キャビテーション気泡衝撃圧からキャビテーション強さを算出するプログラム32』、『キャビテーション強さからキャビテーション衝撃力をパラメータにしたキャビテーションエネルギー分布を推定するプログラム33』、『しきい値以上のキャビテーションエネルギーの総和を求めるプログラム34』、『最大壊食速度の計算プログラム35』、および『壊食量の計算プログラム36』からなる。
The above-mentioned various programs are “
上記各種データベースは『材料毎のしきい値のデータベース41』、『材料毎のキャビテーションエネルギーの総和と最大壊食速度の関係のデータベース42』からなっている。
The various databases are composed of a “
以下では、本発明のデータ処理手段23の基本的な考え方について説明する。はじめに、図3に示すステップS31の『振動加速度計測値からキャビテーション気泡衝撃圧を抽出するプログラム31』を用いて、説明する。図4は、図1、2で説明した本発明の適用対象、信号処理方法から得られた振動加速度分布の例である。吸込管3や吐出ケーシング4の構造や材質の影響を受け、振動加速度センサ10a〜10dから得られた振動加速度の値は大きくばらついている。また、各振動加速度の計測誤差も大きい。振動加速度センサ10bの振動加速度α2は振動加速度センサ10cの振動加速度α3の約4倍であり、1つのセンサの振動加速度を元にキャビテーション気泡衝撃圧を評価するのは不適当である。そこで、以下の考えに基づいてキャビテーション気泡衝撃圧を抽出する。図1に示したように、1点Pにおいて気泡衝撃圧 pc が生じ、初期振幅 pc 、 周波数 f (一定)の平面圧力波として伝播すると仮定する。この圧力波が経路長 Li の媒質 i (水や固体)の中を音速 Ci で伝播する際、経路長 Li の中に含まれる波数は Li fi / Ci となる。この媒質の減衰係数をδiとすると、経路長 Li を伝播した後に圧力波の振幅
Hereinafter, the basic concept of the data processing means 23 of the present invention will be described. First, a description will be given using the “
倍に減衰する。一方、図5に示すように異なる媒質 i、 i+1 の界面を平面圧力波が透過する際、その振幅は Attenuates twice. On the other hand, when a plane pressure wave passes through the interface between different media i and i + 1 as shown in FIG.
倍になる。ここでτpは透過率であり、Zi=ρiCiは音響インピーダンスである。従って、複数(n 種類)の媒質の中を伝播する場合、加速度センサに到達する圧力波の振幅は、 Double. Here, τ p is the transmittance, and Z i = ρ i C i is the acoustic impedance. Therefore, when propagating through multiple (n types) media, the amplitude of the pressure wave reaching the acceleration sensor is
で表される。図1の場合、n= 2、 i=1 (水中伝播経路PQ)、i=2 (固体伝播経路QR)である。また、図6に示すような図1とは異なる圧力伝播経路を考えると、点Pから点Rまで複数の異なる経路をそれぞれ伝播してきた圧力波の振幅の最大値は、 It is represented by In the case of FIG. 1, n = 2, i = 1 (underwater propagation path PQ), and i = 2 (solid propagation path QR). Further, when considering a pressure propagation path different from FIG. 1 as shown in FIG. 6, the maximum value of the amplitude of the pressure wave propagating through a plurality of different paths from point P to point R is
で表せる。圧力伝播経路は多数仮定することが可能であるため j=1、2、… であるが、図1、6で示した圧力伝播経路のみを仮定する場合、j=1 は図1、j=2 は、図6の場合に対応する。 It can be expressed as Since it is possible to assume many pressure propagation paths, j = 1, 2,..., But when only the pressure propagation paths shown in FIGS. Corresponds to the case of FIG.
一方、センサを設置した固体部(n 番目の媒質)密度および経路長をρm、Lm(図1のPQ間距離)、計測された振動加速度をαm (m=1、2、…)とすると、本模型ポンプではセンサを設置した固体部内でほとんど圧力波が減衰しないため、その固体部はρm×Lm×Gm の圧力を受けて振動する。この圧力は式(4)で表される圧力と等価であるため、 On the other hand, the density and path length of the solid part (nth medium) where the sensor is installed are ρ m and L m (distance between PQs in FIG. 1), and the measured vibration acceleration is α m (m = 1, 2,...) Then, in this model pump, since the pressure wave hardly attenuates in the solid part where the sensor is installed, the solid part vibrates under the pressure of ρ m × L m × G m . Since this pressure is equivalent to the pressure represented by equation (4),
と表せる。ここで、圧力伝播係数 Rt を次式で定義すると、 It can be expressed. Here, if the pressure propagation coefficient R t is defined by the following equation,
となる。式(6)が示すように、圧力伝播係数 Rt は材料の物性や形状に依存する抵抗係数である。気泡衝撃圧 pc はある運転条件において一定であると仮定すると、本理論上では式(7)より、Rt の値に応じて比例的な αm が計測されることになる。 It becomes. As equation (6) shows, the pressure propagation coefficient R t is a resistance coefficient that depends on the physical properties and shape of the material. Assuming that the bubble impact pressure pc is constant under certain operating conditions, in this theory, proportional α m is measured according to the value of R t from equation (7).
本模型ポンプではモータの振動やキャビテーション以外の流動現象等に起因する振動加速度βも加わるため、式(7)は In this model pump, since vibration acceleration β caused by flow phenomena other than motor vibration and cavitation is also added, equation (7) is
の形に修正される。これを図7に示すように横軸に Rt 、縦軸に αm を取ってプロットすると、理論上では各計測点は切片βを通る直線上に位置し、その傾きが pc に相当する。 It is corrected to the shape of If this is plotted by taking the alpha m R t, the vertical axis to the horizontal axis as shown in FIG. 7, each measurement point in theory is located on a straight line passing through the sections beta, the slope is equivalent to p c .
次に、図3のステップS32で、『キャビテーション気泡衝撃圧からキャビテーション強さを算出するプログラム32』を用いてキャビテーション気泡衝撃圧をキャビテーション強さに換算する。ここでキャビテーション強さとは、単位時間・単位面積当たりのキャビテーションエネルギーを言う。キャビテーション強さ I (W/m2)は、キャビテーション気泡の崩壊の崩壊に伴い発生する単位面積、単位時間あたりのエネルギーであり、(8)式で得られた気泡衝撃圧 pc の値から、次式を用いて算出できる。 Next, in step S32 in FIG. 3, the cavitation bubble impact pressure is converted into the cavitation strength using the “program 32 for calculating the cavitation strength from the cavitation bubble impact pressure”. Here, cavitation strength refers to cavitation energy per unit time / unit area. Cavitation intensity I (W / m 2), the unit area generated with the collapse of the cavitation bubble collapse, the energy per unit time, from the value of the bubble impact pressure p c obtained in (8), It can be calculated using the following formula.
ここで、ρw (kg/m3)は水の密度、cw (m/s)は水中音速である。 Here, ρ w (kg / m 3 ) is the density of water, and c w (m / s) is the underwater sound speed.
このように、図3のステップS32では、プログラム32によってキャビテーション気泡衝撃圧から直接キャビテーション強さを算出することができるので、流体機械の外面に振動加速度センサを取りつけるだけで簡単にキャビテーション強さが得られる。 In this way, in step S32 of FIG. 3, the cavitation strength can be calculated directly from the cavitation bubble impact pressure by the program 32. Therefore, the cavitation strength can be obtained simply by attaching the vibration acceleration sensor to the outer surface of the fluid machine. It is done.
次に、図3のステップS33で、『キャビテーション強さからキャビテーション衝撃力をパラメータにしたキャビテーションエネルギー分布を推定するプログラム33』を用いてキャビテーション強さから流体機械に発生しているキャビテーション衝撃力のエネルギー分布を推定する。 Next, in step S33 of FIG. 3, the energy of the cavitation impact force generated in the fluid machine from the cavitation strength using the “program 33 for estimating the cavitation energy distribution using the cavitation impact force as a parameter from the cavitation strength”. Estimate the distribution.
本プログラムを構築するには、キャビテーション試験機などにより、流体中にて強さの異なるキャビテーションを発生させ、キャビテーション強さとキャビテーション衝撃力をパラメータにしたキャビテーションエネルギー分布の近似式を求める必要がある。この目的に合致する試験機としては、例えばASTM(American Society for Testing and Materials)のG134−95に規定されている噴流試験装置やASTMのG32−03に規定されている磁わい振動装置などが挙げられる(図示しない)。本装置において、図示しないセンサにキャビテーション衝撃力を負荷することにより、キャビテーション衝撃力をパラメータにしたキャビテーションエネルギー分布を測定する。この測定結果の例を図8に示す。図8に示すキャビテーション衝撃力をパラメータにしたキャビテーションエネルギー分布を種々のキャビテーション強さに関して取得することにより、キャビテーション強さからキャビテーション衝撃力をパラメータにしたキャビテーションエネルギー分布の関係を推定するプログラム33を構築する。 To construct this program, it is necessary to generate cavitations with different strengths in the fluid using a cavitation tester, etc., and obtain an approximate expression for the cavitation energy distribution using the cavitation strength and cavitation impact force as parameters. Examples of testing machines that meet this purpose include jet testing devices defined in ASTM (American Society for Testing and Materials) G134-95 and magnetostrictive vibration devices defined in ASTM G32-03. (Not shown). In this apparatus, a cavitation energy distribution using the cavitation impact force as a parameter is measured by applying a cavitation impact force to a sensor (not shown). An example of the measurement result is shown in FIG. The program 33 for estimating the relationship of the cavitation energy distribution using the cavitation impact force as a parameter from the cavitation strength is obtained by acquiring the cavitation energy distribution using the cavitation impact force as a parameter shown in FIG. 8 for various cavitation strengths. .
以上で流体機械に作用するキャビテーションエネルギーが推定できるが、このキャビテーションエネルギーのすべてがキャビテーション壊食に関与するわけではない。これは、それぞれの材質に対してキャビテーション壊食を発生する最低限のキャビテーション衝撃力が存在するためであり、その衝撃力を『しきい値』と呼称する。これを図9中に例示する。この『しきい値』は前述の噴流試験等で測定することができ、材料毎の値が図3の『しきい値データベース41』に蓄積されている。上記のデータベース41から、流体機械の材質における『しきい値』を確定する。すなわち、図3のステップS34で、『しきい値以上のキャビテーションエネルギーの総和を求めるプログラム34』を用いて前記プログラム33で推定されたエネルギー分布のうち、この『しきい値』以上のキャビテーションエネルギーの総和を算出する。
Although the cavitation energy acting on the fluid machine can be estimated as described above, not all of this cavitation energy is involved in cavitation erosion. This is because there is a minimum cavitation impact force that causes cavitation erosion for each material, and the impact force is referred to as a “threshold value”. This is illustrated in FIG. This "threshold value" can be measured by the above-described jet test or the like, and the value for each material is stored in the "
なお、図8は測定したキャビテーション衝撃力と頻度の関係の説明図であり、図9は同じくキャビテーション衝撃力と頻度の関係でキャビテーション壊食に関与するエネルギーを示す説明図である。 FIG. 8 is an explanatory diagram of the relationship between the measured cavitation impact force and frequency, and FIG. 9 is an explanatory diagram showing the energy involved in cavitation erosion in the same relationship between the cavitation impact force and frequency.
次に、図3のステップS35で、『しきい値以上のキャビテーションエネルギーの総和と最大壊食速度の関係のデータベース42』と『最大壊食速度の計算プログラム35』により、キャビテーション衝撃力のエネルギー分布の中で流体機械の材料に壊食を生じさせるしきい値以上のキャビテーションエネルギーの総和から最大壊食速度を求める。
Next, in step S35 of FIG. 3, the energy distribution of the cavitation impact force is calculated by the “
更に、図3のステップS36で、『壊食量の計算プログラム36』を用いて流体機械の運転時間を入力すると、壊食量の予測値が計算される。 Furthermore, when the operating time of the fluid machine is input using the “erosion amount calculation program 36” in step S36 of FIG. 3, a predicted value of the erosion amount is calculated.
このように実施例の本予測法を用いることにより、設計した流体機械の寿命を正確に予測することが可能である。またポンプの点検時期や補修または交換時期を容易かつ正確に決定することも可能となる。しかも、予測の対象となる流体機械を分解することなく、流体機械の外面に振動加速度センサを取りつけるだけで簡単にキャビテーション壊食量を予測することができる。 In this way, by using the present prediction method of the embodiment, it is possible to accurately predict the life of the designed fluid machine. It is also possible to easily and accurately determine the pump inspection time, repair time or replacement time. Moreover, the amount of cavitation erosion can be easily predicted by simply attaching a vibration acceleration sensor to the outer surface of the fluid machine without disassembling the fluid machine to be predicted.
実施例2は、図2に示す本発明の信号処理方法ブロック図の一例において、振動加速度センサ10a〜10dと、その信号を増幅するアンプ11a〜11dと、増幅された出力信号をサンプリングするためのA/D変換器20と、A/D変換器20からの出力信号を高速フーリエ変換処理及びフィルタリング処理したオーバーオール値(振動加速度値)を算出するための高速フーリエ変換器21と、高速フーリエ変換器21から出力される振動加速度計測値を記録するコンピュータ22を組合わせて、キャビテーション壊食量の予測装置を構築したものである。そして、上記コンピュータ22は図2に示すように、データ処理手段23を内蔵し、このデータ処理手段23は次の各手段を備えている。
The second embodiment is an example of the block diagram of the signal processing method of the present invention shown in FIG. 2. The
すなわち、図3のステップS31で『振動加速度計測値からキャビテーション気泡衝撃圧を抽出するプログラム31』を実行する、振動加速度計測値からキャビテーション気泡衝撃圧を抽出する抽出手段31aと、ステップS32で『キャビテーション気泡衝撃圧からキャビテーション強さを算出するプログラム32』を実行するキャビテーション気泡衝撃圧からキャビテーション強さを算出する強さ算出手段32aと、ステップS33で『キャビテーション強さからキャビテーション衝撃力をパラメータにしたキャビテーションエネルギー分布を推定するプログラム33』を実行するキャビテーション強さからキャビテーション衝撃力をパラメータにしたキャビテーションエネルギー分布を推定する推定手段33aと、ステップS34で『材料毎のしきい値のデータベース41』と『しきい値以上のキャビテーションエネルギーの総和を求めるプログラム34』により、しきい値以上のキャビテーションエネルギーの総和を求める総和算出手段34aと、ステップ35で『材料毎のキャビテーションエネルギーの総和と最大壊食速度の関係のデータベース42』と『最大壊食速度の計算プログラム35』によって最大壊食速度を求める壊食速度算出手段35aと、ステップ36で『壊食量の計算プログラム36』を用いて流体機械の運転時間を入力することにより前記最大壊食速度から最大壊食量を求める壊食量算出手段36aからなっている。
That is, the “
本実施例によれば、予測の対象となる流体機械を分解することなく、流体機械の外面に振動加速度センサを取りつけるだけで、振動加速度センサからの振動加速度計測値に基いて簡単にキャビテーション壊食量を予測することが可能である。 According to the present embodiment, the amount of cavitation erosion can be easily determined based on the vibration acceleration measurement value from the vibration acceleration sensor by simply attaching the vibration acceleration sensor to the outer surface of the fluid machine without disassembling the fluid machine to be predicted. Can be predicted.
また、本計測装置は持ち運び可能であるため、ポンプ機場など実際にポンプを使用している場所に持ち込み、稼動中のポンプの壊食量を計測することが可能となる。 Moreover, since this measuring device is portable, it can be brought into a place where the pump is actually used, such as a pump station, and the amount of erosion of the pump in operation can be measured.
1…羽根車、2…主軸、3…吸込管、4…吐出ケーシング、10a〜10d…振動加速度センサ、11a〜11d…アンプ、20…A/D変換器、21…高速フーリエ変換器、22…コンピュータ、23…データ処理手段、31…振動加速度計測値からキャビテーション気泡衝撃圧を抽出するプログラム、32…キャビテーション気泡衝撃圧からキャビテーション強さを求めるプログラム、33・・・キャビテーション強さからキャビテーション衝撃力をパラメータにしたキャビテーションエネルギー分布を推定するプログラム、34…しきい値以上のキャビテーションエネルギーの総和を求めるプログラム、35・・・最大壊食速度の計算プログラム、36…壊食量の計算プログラム、41…材料毎のしきい値データベース、42…材料毎のキャビテーションエネルギーの総和と最大壊食速度の関係のデータベース、31a…抽出手段、32a…強さ算出手段、33a…推定手段、34a…総和算出手段、35a…壊食速度算出手段、36a…壊食量算出手段。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
キャビテーション発生位置から振動加速度センサ取付け位置まで伝播する圧力波の減衰率や異種媒質界面での透過率及びセンサ取付け部の壁厚さと密度を考慮して算出される所定の抵抗係数を用い、振動加速度の値からキャビテーションの気泡崩壊による衝撃圧を算出し、
前記キャビテーションの気泡崩壊による衝撃圧から前記流体機械に生じているキャビテーション強さを算出し、
前記算出した流体機械に生じているキャビテーション強さからキャビテーション衝撃力をパラメータにしたキャビテーションエネルギー分布を推定し、
前記キャビテーションエネルギー分布の中で前記流体機械の材料に壊食を生じさせるしきい値以上のキャビテーションエネルギーの総和を算出し、
前記材料に壊食を生じさせるしきい値以上のキャビテーションエネルギーの総和と、予め求めた最大壊食速度の関係から前記流体機械における最大壊食速度を算出し、
前記最大壊食速度と前記流体機械の運転時間とから前記流体機械におけるキャビテーションによる最大壊食量を予測することを特徴としたキャビテーション壊食量の予測方法。 A vibration acceleration sensor is attached to a fluid machine that is a target for predicting the amount of erosion due to cavitation, and a specific frequency region is removed from the value of vibration acceleration measured by the vibration acceleration sensor.
Vibration acceleration using a predetermined resistance coefficient calculated in consideration of the attenuation rate of pressure waves propagating from the cavitation generation position to the vibration acceleration sensor mounting position, the transmissivity at the interface of different media, and the wall thickness and density of the sensor mounting part Calculate the impact pressure due to cavitation bubble collapse from the value of
Calculate the cavitation strength generated in the fluid machine from the impact pressure due to bubble collapse of the cavitation,
Estimating the cavitation energy distribution using the cavitation impact force as a parameter from the calculated cavitation strength generated in the fluid machine,
In the cavitation energy distribution, the sum of cavitation energy above a threshold value causing erosion to the material of the fluid machine is calculated,
Calculate the maximum erosion rate in the fluid machine from the relationship between the sum of cavitation energy above a threshold value causing erosion to the material and the maximum erosion rate obtained in advance,
A method for predicting the amount of cavitation erosion characterized by predicting the maximum amount of erosion due to cavitation in the fluid machine from the maximum erosion speed and the operation time of the fluid machine.
材料毎のしきい値のデータベースに基づいて、前記キャビテーションエネルギー分布の中で前記流体機械の材料に壊食を生じさせるしきい値以上のキャビテーションエネルギーの総和を算出し、材料毎のキャビテーションエネルギーの総和と最大壊食速度の関係のデータベースに基づいて前記流体機械における最大壊食速度を求めることを特徴としたキャビテーション壊食量の予測方法。 In the prediction method of the amount of cavitation erosion according to claim 1,
Based on the threshold database for each material, calculate the sum of cavitation energy above the threshold that causes erosion of the material of the fluid machine in the cavitation energy distribution, and sum the cavitation energy for each material. A method for predicting the amount of cavitation erosion characterized by obtaining a maximum erosion rate in the fluid machine based on a database of a relationship between a maximum erosion rate and a maximum erosion rate.
前記振動加速度センサの出力信号を増幅するアンプと、
前記アンプの出力信号を高速サンプリングするAD変換器と、
このAD変換器から出力される振動加速度の波形を高速フーリエ変換して特定の周波数域を除去した振動加速度値を算出する高速フーリエ変換器と、
この高速フーリエ変換器から出力される振動加速度値を記録するコンピュータを備え、
前記コンピュータは、記録された振動加速度の値からキャビテーション気泡衝撃圧を抽出する抽出手段と、前記キャビテーション気泡衝撃圧からキャビテーション強さを求める強さ算出手段と、このキャビテーション強さからキャビテーション衝撃力をパラメータにしたキャビテーションエネルギー分布を推定する推定手段と、このキャビテーションエネルギー分布の中で材料に壊食を生じさせるしきい値以上のキャビテーションエネルギーの総和を算出する総和算出手段と、この材料に壊食を生じさせるしきい値以上のキャビテーションエネルギーの総和と予め求めた最大壊食速度の関係から最大壊食速度を求める壊食速度算出手段と、流体機械の運転時間を入力することにより前記最大壊食速度から最大壊食量を求める壊食量算出手段からなるデータ処理手段を有することを特徴としたキャビテーション壊食量の予測装置。 A vibration acceleration sensor;
An amplifier for amplifying the output signal of the vibration acceleration sensor;
An AD converter that samples the output signal of the amplifier at a high speed;
A fast Fourier transformer that calculates a vibration acceleration value obtained by removing a specific frequency range by performing a fast Fourier transform on the vibration acceleration waveform output from the AD converter;
A computer that records the vibration acceleration value output from the fast Fourier transformer;
The computer includes an extraction means for extracting a cavitation bubble impact pressure from the recorded vibration acceleration value, a strength calculation means for obtaining a cavitation strength from the cavitation bubble impact pressure, and a cavitation impact force as a parameter from the cavitation strength. The estimation means for estimating the cavitation energy distribution, the total calculation means for calculating the sum of the cavitation energy above the threshold value that causes erosion in the material in the cavitation energy distribution, and the erosion in the material. The erosion rate calculating means for obtaining the maximum erosion rate from the relationship between the sum of the cavitation energy above the threshold value to be obtained and the maximum erosion rate obtained in advance, and the maximum erosion rate by inputting the operating time of the fluid machine. Is the erosion amount calculation means to find the maximum erosion amount? Cavitation Erosion amount prediction apparatus further comprising a data processing means comprising.
更に、材料毎のしきい値のデータベースと材料毎のキャビテーションエネルギーの総和と最大壊食速度の関係のデータベースを備え、上記総和算出手段は、上記材料毎のしきい値のデータベースに基いて前記キャビテーションエネルギー分布の中で前記流体機械の材料に壊食を生じさせるしきい値以上のキャビテーションエネルギーの総和を算出し、上記壊食速度算出手段は、上記材料毎のキャビテーションエネルギーの総和と最大壊食速度の関係のデータベースに基づいて、前記流体機械における最大壊食速度を求めることを特徴としたキャビテーション壊食量の予測装置。 In the prediction apparatus of the said cavitation erosion amount of Claim 3,
Furthermore, a database of threshold values for each material and a database of the relationship between the sum of cavitation energy for each material and the maximum erosion rate are provided, and the total calculation means includes the cavitation based on the threshold database for each material. The sum of the cavitation energy above a threshold value causing erosion to the material of the fluid machine in the energy distribution is calculated, and the erosion rate calculation means includes the sum of the cavitation energy for each material and the maximum erosion rate. A cavitation erosion amount predicting apparatus characterized in that a maximum erosion speed in the fluid machine is obtained based on a relational database.
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