CN109190166A - 一种叶片泵空化判定及状态评估方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种叶片泵空化判定及状态评估方法及其系统，包括以下步骤：采集水泵进出口压力、液载噪声、固载振动和流量数据，根据流量工况选择空化判定的方式，在恒定流量工况，通过试验方法确定固载振动及液载噪声空化信号总级值阈值，提出采用总级值法进行空化判定的方法，相比传统空化判定方法具有更高的可靠性及精度；在变流量工况，获得对空化灵敏度较高的频率范围，确定空化频段级值阈值，采用频段宽频级值法进行空化判定。本发明具有抗干扰性强、可靠性高、评估标准准确，空化灵敏度高、适用性强、操作方便等优点，能够有效提高泵运行可靠性，降低空化对泵的破坏，提高泵的工作寿命。

Description

一种叶片泵空化判定及状态评估方法及其系统

技术领域

本发明属于泵空化研究领域，具体涉及一种叶片泵空化判定及状态评估方法及其系统。

背景技术

泵作为一种通用机械，主要用于把原动机的机械能转换为液体的能量，其种类繁多，广泛应用于排水灌溉、石油化工、航空航天、消防安全、水利工程等国民经济的各个领域。可以说凡是有液体流动的地方都有泵在工作。但其作为比较成熟的通用机械，空化问题已成为限制其发展的主要因素之一。空化的产生不仅造成泵的水力性能下降，还会对过流部件造成空蚀，影响泵运行稳定性及可靠性。传统的检修均为事故后检修或按工作时间计划进行检修，由于在某些特殊场合，发生空化后继续运行会严重影响设备安全性，而定期检修不仅浪费大量的人力物力还增加了拆装费用。因此，对泵空化进行状态判定是非常有必要的。

空化故障一直是泵较难解决的问题之一。当泵在运行时，过流部件的某一局部区域压力下降到当时介质在对应温度下的饱和蒸气压以下时就会发生空化。目前，还没有实用有效的检测诊断技术能够实现对泵空化故障初生的在线诊断，通常仅是通过工作人员凭借自身经验或通过辅助仪器显示参数来判断，因此结果不准确、灵敏度低、操作繁琐。此外，经检索与本发明相关的专利有：《基于声发射检测的水泵空化故障诊断装置》，公开号：CN202402268U中采用声发射技术对水泵空化状态进行监测，通过构建5个不同频段的5维矢量，判断空化程度。《基于混沌理论实现水轮机状态监测和故障诊断的方法》，公开号：CN105240187A中利用小波变换对压力脉动信号降噪处理，并利用混沌动力学方法判断水轮机运行中的空化程度。

目前泵空化判定方法中存在的问题和不足：没有根据不同工况下空化发生情况采用不同方式进行空化判定及状态评估，对空化状态划分不清楚，评估的标准单一，可靠性低，造成空化判定的准确性及灵敏度不高。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题提供一种叶片泵空化判定及状态评估方法及其系统，该方法通过高性能数据采集系统实时采集泵运行过程中流量、进出口压力、液载噪声信号及固载振动信号，根据不同工况下空化发生情况采用不同方式进行空化判定及状态评估。本发明具有抗干扰性强、可靠性高、评估标准准确，空化灵敏度高、适用性强、操作方便等优点，能够有效提高泵运行可靠性，降低空化对泵的破坏，提高泵的工作寿命。

本发明的技术方案是：一种叶片泵空化判定及状态评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、数据采集：采集水泵进出口压力、液载噪声、固载振动和流量数据；

步骤S2、根据流量工况选择空化判定的方式：当流量变化率ΔQ小于x为恒定流量工况，采用总声压级变化率进行空化判定，进入步骤S3；当流量变化率ΔQ大于或等于x为变流量工况，采用频段宽频级值进行空化判定，进入步骤S4；

步骤S3、恒定流量工况下的空化判定：当液载噪声总声压级变化率ΔL大于y时，开始空化报警并进入恒定流量工况下的空化状态评估，进入步骤S5，

其中，总声压级变化率ΔL的计算公式为：

ΔL＝(L_pi-L_p0)/L_p0

式中，L_pi为第i个采样时间内液载噪声总声压级，其计算公式为：

式中，Δf_i为频谱分辨率；f_min、f_max为采集频率上下限；p_i、p_a为有效声压，单位pa；p₀为水中参考声压，取值为p₀＝10^-6pa。式中，参照基准声压级L_p0计算公式为：

L_p0＝(L_p1+L_p2+L_p3)/3

式中，L_p1、L_p2、L_p3为未空化时前三组液载噪声总声压级；经过多组实验以及CFD数值计算得到前三组采样时间实验数据比较稳定，所以选择前三组液载噪声总声压级的均值作为参照基准声压级比较准确。

步骤S4、变流量工况下的空化判定：当液载噪声在一定的频带内宽频声压级变化率ΔF_L和固载振动在一定的频带内宽频振级变化率ΔF_V均大于s时，开始空化报警并进入变流量工况下的空化状态评估，进入步骤S6，

其中，宽频级值F计算公式为：

式中，f(x)为滤波函数，

F_L0及F_V0的计算公式为：

F_L0＝(F_L1+F_L2+F_L3)/3

F_V0＝(F_V1+F_V2+F_V3)/3

F_L1、F_L2、F_L3为以扬程变化前所采集到的前三组液载噪声在一定频段内宽频平均声压级，F_V1、F_V2、F_V3为以扬程变化前所采集到的前三组固载振动在在一定频段内宽频平均振级，

ΔF_L和ΔF_V的计算公式如下：

式中，F_Li为第i个采样时间内液载噪在一定频段内宽频平均声压级，F_Vi为第i个采样时间固载振动在一定频段内宽频平均振级，ΔF_L为液载噪声在一定频带内宽频声压级变化率，ΔF_V为固载振动在一定频带内宽频振级变化率；

步骤S5、恒定流量工况下的空化状态评估：当液载噪声总声压级变化率ΔL小于y时，为未空化状态；当液载噪声总声压级变化率ΔL大于y时，扬程变化率ΔH小于z时，为空化初生状态；当液载噪声总声压级变化率ΔL大于y，扬程变化率ΔH大于z，固载振动总振级连续变化率ΔV’为正时，为严重空化状态；当液载噪声总声压级变化率ΔL大于y，扬程变化率ΔH大于z，固载振动总振级连续变化率ΔV’为负时，为过严重空化状态；

步骤S6、变流量工况下的空化状态评估：当液载噪声在一定的频带内宽频声压级变化率ΔF_L和固载振动在一定的频带内宽频振级变化率ΔF_V均小于s时，为未空化状态；当液载噪声宽频声压级变化率ΔF_L和固载振动宽频振级变化率ΔF_V均大于s，扬程变化率ΔH小于z时，为空化初生状态；当液载噪声宽频声压级变化率ΔF_L和固载振动宽频振级变化率ΔF_V均大于s，扬程变化率ΔH大于z，固载振动宽频振级连续变化率ΔF_V’为正时，为严重空化状态；当液载噪声宽频声压级变化率ΔF_L和固载振动宽频振级变化率ΔF_V均大于s，扬程变化率ΔH大于z，固载振动宽频振级连续变化率ΔF_V’为负时，为过严重空化状态。

上述方案中，所述步骤S2中，x为10％；

当流量变化率ΔQ小于10％为恒定流量工况，采用总声压级变化率进行空化判定；当流量变化率ΔQ大于或等于10％为变流量工况，采用频段宽频级值进行空化判定。

上述方案中，所述步骤S3中，y为0.5％；当液载噪声总声压级变化率ΔL大于0.5％时，开始空化报警并进入恒定流量工况下的空化状态评估。

上述方案中，所述步骤S4中，液载噪声宽频带声压级为2000Hz～3000Hz，固载振动宽频带振级为10～50Hz。

上述方案中，所述步骤S4中，所述s为1％；

当液载噪声在2000～3000Hz的频带内宽频声压级变化率ΔF_L和固载振动在10～50Hz的频带内宽频振级变化率ΔF_V均大于1％时，开始空化报警并进入变流量工况下的空化状态评估。

上述方案中，所述步骤S5中，当液载噪声总声压级变化率ΔL小于0.5％时，为未空化状态；当液载噪声总声压级变化率ΔL大于0.5％时，扬程变化率ΔH小于3％时，为空化初生状态；当液载噪声总声压级变化率ΔL大于0.5％，扬程变化率ΔH大于3％，固载振动总振级连续变化率ΔV’为正时，为严重空化状态；当液载噪声总声压级变化率ΔL大于0.5％，扬程变化率ΔH大于3％，固载振动总振级连续变化率ΔV’为负时，为过严重空化状态。

上述方案中，所述步骤S6中，当液载噪声在2000～3000Hz的频带内宽频声压级变化率ΔF_L和固载振动在10～50Hz的频带内宽频振级变化率ΔF_V均小于1％时，为未空化状态；当液载噪声宽频声压级变化率ΔF_L和固载振动宽频振级变化率ΔF_V均大于1％，扬程变化率ΔH小于3％时，为空化初生状态；当液载噪声宽频声压级变化率ΔF_L和固载振动宽频振级变化率ΔF_V均大于1％，扬程变化率ΔH大于3％，固载振动宽频振级连续变化率ΔF_V’为正时，为严重空化状态；当液载噪声宽频声压级变化率ΔF_L和固载振动宽频振级变化率ΔF_V均大于1％，扬程变化率ΔH大于3％，固载振动宽频振级连续变化率ΔF_V’为负时，为过严重空化状态。

一种实现所述叶片泵空化判定及状态评估方法的系统，包括数据采集单元、数据处理单元、空化警报单元和显示单元；

所述数据采集单元包括流量计、压力变送器、水听器、振动加速度传感器和摄像设备；所述流量计用于采集流量信号；所述压力变送器用于采集泵进出口压力信号；所述水听器用于采集液载噪声信号；所述振动加速度传感器用于采集固载振动信号；所述摄像设备采集用于叶轮进口空泡形态信号；

所述数据采集单元与数据处理单元连接，将采集的信号传送到数据处理单元，所述数据处理单元根据数据采集单元的信号，确定流量工况，并根据流量工况选择不同的空化判定方式，当发生空化时，空化警报单元报警并将信号反馈到数据处理单元，进入空化状态评估；

所述显示单元分别与数据采集单元、数据处理单元和空化警报单元连接，用于数据的显示。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明通过将每一个空化数对应点试验所得泵扬程、流量、固载振动及液载噪声信号与高速摄影结果相对比，获得合理的空化判定指标和准则，并提出了合适判断阈值，实现了对叶片泵空化状态的判定。

2.本发明提出一种以改变流量及流量恒定的分工况空化判定方法，对于流量恒定及流量突变工况下的空化采用不同检测方式以提高空化判定的准确性及灵敏度。流量恒定条件下的空化采用总级值结合的方式判定空化并对空化状态进行评估；对于变流量工况，找到了空化对液载噪声及固载振动在不同频段的最高灵敏度频段，即液载噪声宽频带声压级2000Hz～3000Hz，固载振动宽频带振级10～50Hz，并提出频带宽频滤波后的宽频级值进行变流量下的空化判定，相比传统空化判定方法具有更高的灵敏度及可靠性。

3.本发明优势之处在于，首先通过对泵的水力性能、液载噪声及固载振动信号量进行采集分析的方式将整个空化过程划分为四个状态，相比传统空化状态划分具有更高的准确度。根据固载振动及液载噪声实时信号对空化状态进行评估，相比单一标准具有更高的可靠性。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明实施例中试验台示意图；

图3为本发明以10％作为流量变化的判断依据分析；

图4为本发明实施例中空化系数下液载噪声总声压级变化曲线；

图5为本发明实施例中不同空化数下高速摄影结果。

图中，1.流量计；2.压力变送器；3.水听器；4.振动加速度传感器；5.第一闸阀；6.第二闸阀；7.第三闸阀；8.第四闸阀；9.模型泵；10.电机稳压罐；11.第一球阀；12.第二球阀；13.第三球阀；14.真空泵；15.空蚀罐。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。

图1所示为本发明所述叶片泵空化判定及状态评估方法的流程图，对传感器选择合适的测量位置及采样频率，通过信号采集系统对液载噪声、振动、进出口压力、流量及叶轮进口空泡分布等进行同步采集，并对液载噪声及固载振动信号进行时频转化和宽频滤波处理，根据流量工况选择空化判定的方式以及空化状态评估，进而将整个空化过程划分为四个状态。对比高速摄影试验结果，在流量恒定的情况下，通过试验方法确定固载振动及液载噪声空化信号总级值阈值，提出采用总级值法进行空化判定的方法，相比传统空化判定方法具有更高的可靠性及精度；在变流量情况下，通过对试验结果的频谱分析获得对空化灵敏度较高的频率范围，并对频域信号的宽频进行滤波处理，确定空化频段级值阈值，采用频段宽频级值法进行空化判定。最后通过信号反馈系统实现空化报警。本发明具有抗干扰性强、可靠性高、评估标准准确，空化灵敏度高、适用性强、操作方便等优点，能够有效提高泵运行可靠性，降低空化对泵的破坏，提高泵的工作寿命。

实现所述叶片泵空化判定及状态评估方法的系统，包括数据采集单元、数据处理单元、空化警报单元和显示单元。所述数据采集单元包括流量计1、压力变送器2、水听器3、振动加速度传感器4和摄像设备；所述流量计1用于采集流量信号；所述压力变送器2用于采集泵进出口压力信号；所述水听器3用于采集液载噪声信号；所述振动加速度传感器4用于采集固载振动信号；所述摄像设备采集用于叶轮进口空泡形态信号。所述数据采集单元与数据处理单元连接，将采集的信号传送到数据处理单元，所述数据处理单元根据数据采集单元的信号，确定流量工况，并根据流量工况选择不同的空化判定方式，当发生空化时，空化警报单元报警并将信号反馈到数据处理单元，进入空化状态评估。所述显示单元分别与数据采集单元、数据处理单元和空化警报单元连接，用于数据的显示。

本实施例，以一台比转速n_s＝117.3的单级单吸离心泵为研究对象，泵体及叶轮采用透明有机玻璃材料铸造。泵设计参数为流量Q_d＝40m³/h，扬程H＝8m，转速n＝1450r/min。叶轮进口直径90mm，叶轮出口直径170mm，叶片数6，叶片包角120°，叶轮出口宽度13.1mm，蜗壳基圆直径180mm，蜗壳进口宽度32mm，蜗壳出口直径80mm。

本实施例采用的试验台如图2所示，所述试验装置包括流量计1、压力变送器2、水听器3、振动加速度传感器4、闸阀5、6、7、8、模型泵9、电机10、稳压罐11、球阀12、13、真空泵14和空蚀罐15。流体由进水管进入模型泵9，其中模型泵9与电机10相连，电机10转动带动模型泵9叶轮转动做工，流体经过模型泵9后由出水管流出进入稳压罐11，流体再由稳压罐11流出后进入连接稳压罐11与空蚀罐15的水管，再从水管流出继而流进空蚀罐15，最后流体再由空蚀罐15流进模型泵9进水管从而形成一个闭式回路。

根据待试验泵具体尺寸及工作情况安装传感器等部件：

测量泵进、出口管径，分别在进口管路距离泵进口法兰四倍管径处、出口管路距离泵出口法兰四倍管径处开孔，安装进、出口压力变送器2作为水泵扬程采集单元，输出端与数据处理单元相连；在泵出口管路距离泵出口法兰八倍管径处开孔，安装水听器3作为液载噪声信号采集单元，水听器前端添加信号放大器，拾取0～12.8kHz液载噪声数据，输出端连接数据处理单元；在泵出口法兰泵轴方向安装振动加速度传感器4作为固载振动数据处理单元，拾取0～12.8kHz振动数据，输出端与数据处理单元相连；在泵出口距离出口法兰或出口弯管十倍管径处安装流量计1作为流量采集单元，输出端与数据处理单元相连。设置相应间隔采样时间30s，对进出口压力、流量、液载噪声、固载振动进行同步采集。

本实施例分别在进口管路距离泵进口法兰360mm处、出口管路距离泵出口法兰320mm处开孔，安装压力变送器2，所述压力变送器2为HM90型压力变送器作为水泵扬程采集单元，输出端与数据处理单元相连；在泵出口管路距离泵出口法兰640mm处开孔，安装水听器3，所述水听器3为RHSA-10型水听器作为液载噪声信号采集单元，水听器3前端添加信号放大器，拾取0～12.8kHz液载噪声数据，输出端连接数据处理单元，所述数据处理单元为DASP数据采集卡；在泵出口法兰轴向处安装振动加速度传感器4作为固载振动数据采集单元，拾取0～12.8kHz振动数据，输出端与数据处理单元相连；在距离稳压罐出口800mm处安装流量计1作为流量采集单元，输出端与数据处理单元相连。设置相应间隔采样时间，对进出口压力、流量、液载噪声、固载振动进行同步采集。在叶轮进口位置放置摄像设备，优选为高速摄影相机同步采集叶轮进口空泡形态。

本实施例所述叶片泵空化判定及状态评估方法，具体包括以下步骤：

步骤S1、数据采集：采集水泵进出口压力、液载噪声、固载振动和流量数据；

单位采样时间内，数据采集单元对流量、水泵进出口压力、液载噪声及固载振动的时频信号进行采集，并传送到数据处理单元；

步骤S2、根据流量工况选择空化判定的方式：

利用数据处理单元对流量变化率ΔQ进行计算，并判断其是否大于10％；图3所示为以10％作为流量变化的判断依据分析，图3a为液载噪声及气载噪声随流量的变化规律，图3b为固载振动随流量的变化规律。从图3可以看出，随着流量的增加，液载噪声、固载振动及气载噪声总级值均呈现先降低后增加的变化趋势，不同测量量总级值最大值均出现在小流量工况，在额定工况点各测量量级值均处于较低水平。对于液载噪声和固载振动，不同流量系数下试验误差量很小，而对于气载噪声，声压级误差量的变化甚至高于流量变化对声压级的影响。因此以气载噪声作为空化判断依据的可靠性不足。

此外，由于流量变化或空化数减小导致空化产生，均会造成测量量级值的变化。故仅依靠液载噪声总声压级判定空化，相比传统方法虽然在灵敏度上有一定提高，但仍然具有一定局限性。考虑到由流量变化和由空化的产生而引起的噪声或振动频谱变化频段可能不同，因此可以对信号频谱进行分析研究，找到对空化灵敏度较高而对流量变化灵敏度低的频段。与以总级值判定空化的方法相同，针对空化对不同测量量不同频段的影响，设定一定的空化判定阈值，采用频谱分析的方法对空化进行判定。

当流量变化率ΔQ小于10％为恒定流量工况，利用数据处理单元进行单位采样时间内总声压级计算，并采用逐级判断方式进行总声压级变化率进行空化判定；当流量变化率ΔQ大于等于10％为变流量工况，利用数据处理单元对各单位采样时间内，液载噪声及固载振动信号进行频域统计，采用频段宽频级值进行空化状态判定。

其中，流量变化率ΔQ的计算公式为：

ΔQ＝|Q_i-Q₁|/Q₁×100％(i＝2…n)

Q₁为第一个采样时间内流量，Q_i为第i个采样时间内流量，单位m³/h。

对于本实施例，设置单位采样时间T＝30s，设置工作流量为40m³/h。数据采集系统对液载噪声及固载振动的时频信号进行采集，利用数据处理单元对流量变化进行计算，并判断其是否大于4m³/h。当流量变化小于4m³/h时，利用数据处理单元进行单位采样时间内总声压级计算，并采用逐级判断方式进行总声压级变化率进行空化判定。当流量变化大于等于4m³/h时，利用数据处理单元对各单位采样时间内，液载噪声及固载振动信号进行频域统计，采用频段宽频级值进行空化判定及状态评估。

步骤S3、恒定流量工况下的空化判定：

当流量变化小于4m³/h时，利用数据处理单元进行单位采样时间内总声压级计算，并采用逐级判断方式计算总声压级变化率。以液载噪声总声压级相比参照基准声压级的0.5％作为空化初生的判断依据。当液载噪声总声压级变化率ΔL小于0.5％时，认为泵内没有空化产生。当液载噪声总声压级变化率ΔL大于0.5％时，认为泵开始发生空化，此时发送信号至空化警报单元。空化警报单元接收到警报信号后，反馈信号至数据处理单元进行恒定流量工况下的空化状态评估。

其中，总声压级变化率ΔL的计算公式为：

ΔL＝(L_pi-L_p0)/L_p0

式中，L_pi为第i个采样时间内液载噪声总声压级，其计算公式为：

式中，Δf_i为频谱分辨率；f_min、f_max为采集频率上下限；p_i、p_a为有效声压，单位pa；p₀为水中参考声压，取值为p₀＝10^-6pa。式中，参照基准声压级L_p0计算公式为：

L_p0＝(L_p1+L_p2+L_p3)/3

式中，L_p1、L_p2、L_p3为未空化时前三组液载噪声总声压级。

对于本实施例，通过数据采集处理分析得到参照基准声压级L_p0＝158.6dB。当液载噪声总声压级变化率ΔL大于0.5％时，即液载噪声总声压级L_p大于159.5dB时认为此时泵开始发生空化，则发送信号至空化警报单元，并进入空化状态评估状态。不同空化系数下液载噪声总声压级变化曲线如图4所示，载不同流量系数下对应的空化初生点是不同的，在流量系数情况下，液载噪声初生点σ_io＝0.282，在流量系数情况下，液载噪声初生点σ_io＝0.318，而在流量系数情况下，液载噪声初生点σ_io＝0.357，由此可以得到在大流量情况下，模型泵更易发生空化。不同空化数下高速摄影结果如图5所示。可以看出，当液载噪声总声压级上升0.5％时，从高速摄影结果看出此空化数为0.321的情况下刚开始有空泡产生，采用液载噪声总声压级上升0.5％为作为判定空化初生点精度更高。

步骤S4、变流量工况下的空化判定：

当流量变化大于等于4m³/h时，对液载噪声及固载振动的频域信号进行处理，计算液载噪声在2000～3000Hz频段及固载振动在10～50Hz频段内带宽为1Hz的宽频级值F。以扬程变化前所采集到的前三组液载噪声及固载振动在该频段内宽频平均声压级F_L0及宽频平均振级F_V0作为参照基准，并逐一判断随时间变化的各单位时间内采集到的相应频段内宽频级值相比基准级变化率ΔF_L和ΔF_V。以液载噪声宽频声压级变化率ΔF_L和固载振动宽频振级变化率ΔF_V均以1％作为空化初生的判断依据。当液载噪声宽频声压级变化率ΔF_L和固载振动宽频振级变化率ΔF_V均大于1％时，认为此时达到空化初生状态，发送信号至空化警报单元。空化警报单元接收到警报信号后，反馈一信号至数据处理单元进行变流量下的空化状态评估。

其中，宽频级值F计算公式为：

式中，f(x)为滤波函数，

F_L0及F_V0的计算公式为：

F_L0＝(F_L1+F_L2+F_L3)/3

F_V0＝(F_V1+F_V2+F_V3)/3

F_L1、F_L2、F_L3为以扬程变化前所采集到的前三组液载噪声在2000Hz～3000Hz频段内宽频平均声压级，F_V1、F_V2、F_V3为以扬程变化前所采集到的前三组固载振动在在10Hz～50Hz频段内宽频平均振级，选取前三个三样时间内的数据作为宽频平均声压级F_L0及宽频平均振级F_V0作为参照基准，通过多组实验以及数值模拟，发现前三组液载噪声在2000Hz～3000Hz频段内宽频声压级曲线大致一致，且前三个采样时间内固载振动在在10Hz～50Hz频段内宽频振级曲线基本一致，而三个采样时间过后频谱曲线有所偏差，所以为了得到准确的基准值，故采用以扬程变化前所采集到的前三组液载噪声及固载振动在该频段内宽频平均声压级F_L0及宽频平均振级F_V0作为参照基准，

ΔF_L和ΔF_V的计算公式如下：

式中，F_Li为第i个采样时间内液载噪在2000Hz～3000Hz频段内宽频平均声压级，F_Vi为第i个采样时间固载振动在10Hz～50Hz频段内宽频平均振级。ΔF_L为液载噪声在2000Hz～3000Hz频带内宽频声压级变化率。ΔF_V为固载振动在10Hz～50Hz频带内宽频振级变化率；

对于本实施例，通过数据采集处理分析得到参照宽频基准声压级F_L0＝120.1dB，固载振动基准宽频振级F_V0＝122.4dB。当液载噪声在2000～3000Hz频段内宽频级值F_L>121.3dB，且固载振动在10～50Hz频段内宽频振级F_L>123.6dB时，认为此时泵开始发生空化，发送信号至空化警报单元，并进入空化状态评估状态。

步骤S5、恒定流量工况下的空化状态评估：

恒定流量工况空化状态评估时，同步计算液载噪声总声压级变化率ΔL、扬程变化率ΔH、固载振动总振级连续变化率ΔV’的值。当液载噪声总声压级变化率ΔL<0.5％，此时空化状态为未空化状态；当液载噪声总声压级变化率ΔL>0.5％，但扬程变化率ΔH<3％时，此时空化状态为空化初生状态；当液载噪声总声压级变化率ΔL>0.5％，扬程变化率ΔH>3％，固载振动总振级连续变化率ΔV’>0时，此时为严重空化状态；当液载噪声总声压级变化率ΔL>0.5％，扬程变化率ΔH>3％，但固载振动总振级连续变化率ΔV’<0时，此时为过严重空化状态。

其中，计算扬程H公式如下：

式中，P_out及P_in为压力变送器采集到的进、出口压力，单位pa；ρ为输送液体密度，单位kg/m³；g为重力加速度。

扬程变化率ΔH计算公式为：

ΔH＝|H_i-H_(i-1)|×100％(i＝2，3...n)

其中，Hi和H_i-1为第i及第i-1个采样时间扬程值，单位m。

固载振动总振级V_a计算公式为：

式中，f(t)为单位采样频率下振动加速度有效值，单位m/s²；T为单位采样时间，单位s；f_e为总有效振动加速度，单位m/s²。

固载振动总振级连续变化率ΔV’计算公式为：

其中，V_ai、V_a(i-1)为第i和第i-1个采样时间的总振动加速度级，单位dB。

对于本实施例，液载噪声总声压级L_p<159.5dB，则认为此时空化状态为未空化状态；当液载噪声总声压级L_p>159.5dB，但扬程H_i>7.86m时，此时空化状态为空化初生状态；当液载噪声总声压级L_p>159.5dB，扬程H_i<7.86m，固载振动总振级V_a>125.5dB时，固载振动总振级连续变化率大于0时，此时为严重空化状态；当液载噪声总声压级L_p≥159.5dB，扬程H_i<7.86m，但固载振动总振级连续变化率小于0时，此时为过严重空化状态。

步骤S6、变流量工况下的空化状态评估：

变流量工况空化状态评估时，同步计算判断液载噪声2000～3000Hz频带宽频声压级变化率ΔF_L、扬程变化率ΔH、固载振动10～50Hz频段宽频振级变化率ΔF_V的及固载振动10～50Hz频段宽频振级连续变化率ΔF_V’的值。

其中，ΔF_V'的计算公式如下：

式中，F_Vi和F_V(i-1)为第i和第i-1采样时间内固载振动宽频级值；

当液载噪声2000～3000Hz频带宽频声压级变化率ΔF_L<1％，且固载振动10～50Hz频段宽频振级变化率ΔF_V<1％时，认为此时空化状态为未空化状态。当液载噪声2000～3000Hz频带宽频声压级变化率ΔF_L>1％，且固载振动10～50Hz频段宽频振级变化率ΔF_V≥1％，但扬程变化率ΔH<3％时，认为此时空化状态为空化初生状态；当液载噪声2000～3000Hz频带宽频声压级变化率ΔF_L>1％，固载振动10～50Hz频段宽频振级变化率ΔF_V>1％，扬程变化率ΔH>3％，但固载振动10～50Hz频段宽频振级连续变化率ΔF_V’>0时，认为此时为严重空化状态；当液载噪声2000～3000Hz频带宽频声压级变化率ΔF_L>1％，固载振动10～50Hz频段宽频振级变化率ΔF_V>1％，扬程变化率ΔH>3％，但固载振动10～50Hz频段宽频振级连续变化率ΔF_V’<0时认为此时为过严重空化状态。

对于本实施例，通过数据采集处理分析得到参照宽频基准声压级F_L0＝120.1dB，固载振动基准宽频振级F_V0＝121.3dB，初始扬程H₀＝8.1m。当液载噪声2000～3000Hz内宽频声压级F_L<121.3dB时，且固载振动在0～50Hz频带内宽频振级F_V<122.4dB，认为此时空化状态为未空化状态；当液载噪声2000～3000Hz内宽频声压级F_L>121.3dB，且固载振动在0～50Hz频带内宽频振级F_V>122.4dB，扬程H_i>7.86m时，此时空化状态为空化初生状态；当液载噪声2000～3000Hz内宽频声压级F_L>121.3dB，且固载振动在0～50Hz频带内宽频振级F_V>121.3dB，但扬程H_i<7.86m，固载振动在10～50Hz频段内宽频振级连续变化率ΔF_V’为正时，此时为严重空化状态；当液载噪声2000～3000Hz内宽频声压级F_L>121.3dB，扬程H_i<7.86m，固载振动在10～50Hz频段内宽频振级连续变化率ΔF_V’为负时，此时为过严重空化状态。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种叶片泵空化判定及状态评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、数据采集：采集水泵进出口压力、液载噪声、固载振动和流量数据；

步骤S2、根据流量工况选择空化判定的方式：当流量变化率ΔQ小于x为恒定流量工况，采用总声压级变化率进行空化判定，进入步骤S3；当流量变化率ΔQ大于或等于x为变流量工况，采用频段宽频级值进行空化判定，进入步骤S4；

步骤S3、恒定流量工况下的空化判定：当液载噪声总声压级变化率ΔL大于y时，开始空化报警并进入恒定流量工况下的空化状态评估，进入步骤S5，

其中，总声压级变化率ΔL的计算公式为：

ΔL＝(L_pi-L_p0)/L_p0

式中，L_pi为第i个采样时间内液载噪声总声压级，其计算公式为：

式中，Δf_i为频谱分辨率；f_min为采集频率上限，f_max为采集频率下限；p_i、p_a为有效声压，单位pa；p₀为水中参考声压，取值为p₀＝10^-6pa，其中，参照基准声压级L_p0计算公式为：

L_p0＝(L_p1+L_p2+L_p3)/3

式中，L_p1、L_p2、L_p3为未空化时前三组液载噪声总声压级；

步骤S4、变流量工况下的空化判定：当液载噪声在一定的频带内宽频声压级变化率ΔF_L和固载振动在一定的频带内宽频振级变化率ΔF_V均大于s时，开始空化报警并进入变流量工况下的空化状态评估，进入步骤S6，

其中，宽频级值F计算公式为：

式中，f(x)为滤波函数，

F_L0及F_V0的计算公式为：

F_L0＝(F_L1+F_L2+F_L3)/3

F_V0＝(F_V1+F_V2+F_V3)/3

F_L1、F_L2、F_L3为以扬程变化前所采集到的前三组液载噪声在一定频段内宽频平均声压级，F_V1、F_V2、F_V3为以扬程变化前所采集到的前三组固载振动在在一定频段内宽频平均振级，

ΔF_L和ΔF_V的计算公式如下：

式中，F_Li为第i个采样时间内液载噪在一定频段内宽频平均声压级，F_Vi为第i个采样时间固载振动在一定频段内宽频平均振级，ΔF_L为液载噪声在一定频带内宽频声压级变化率，ΔF_V为固载振动在一定频带内宽频振级变化率；

步骤S5、恒定流量工况下的空化状态评估：当液载噪声总声压级变化率ΔL小于y时，为未空化状态；当液载噪声总声压级变化率ΔL大于y时，扬程变化率ΔH小于z时，为空化初生状态；当液载噪声总声压级变化率ΔL大于y，扬程变化率ΔH大于z，固载振动总振级连续变化率ΔV’为正时，为严重空化状态；当液载噪声总声压级变化率ΔL大于y，扬程变化率ΔH大于z，固载振动总振级连续变化率ΔV’为负时，为过严重空化状态；

步骤S6、变流量工况下的空化状态评估：当液载噪声在一定的频带内宽频声压级变化率ΔF_L和固载振动在一定的频带内宽频振级变化率ΔF_V均小于s时，为未空化状态；当液载噪声宽频声压级变化率ΔF_L和固载振动宽频振级变化率ΔF_V均大于s，扬程变化率ΔH小于z时，为空化初生状态；当液载噪声宽频声压级变化率ΔF_L和固载振动宽频振级变化率ΔF_V均大于s，扬程变化率ΔH大于z，固载振动宽频振级连续变化率ΔF_V’为正时，为严重空化状态；当液载噪声宽频声压级变化率ΔF_L和固载振动宽频振级变化率ΔF_V均大于s，扬程变化率ΔH大于z，固载振动宽频振级连续变化率ΔF_V’为负时，为过严重空化状态。

2.根据权利要求1所述的叶片泵空化判定及状态评估方法，其特征在于，所述步骤S2中，x为10％；

当流量变化率ΔQ小于10％为恒定流量工况，采用总声压级变化率进行空化判定；当流量变化率ΔQ大于或等于10％为变流量工况，采用频段宽频级值进行空化判定。

3.根据权利要求2所述的叶片泵空化判定及状态评估方法，其特征在于，所述步骤S3中，y为0.5％；当液载噪声总声压级变化率ΔL大于0.5％时，开始空化报警并进入恒定流量工况下的空化状态评估。

4.根据权利要求2所述的叶片泵空化判定及状态评估方法，其特征在于，所述步骤S4中，液载噪声宽频带声压级为2000Hz～3000Hz，固载振动宽频带振级为10～50Hz。

5.根据权利要求4所述的叶片泵空化判定及状态评估方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述s为1％；

当液载噪声在2000～3000Hz的频带内宽频声压级变化率ΔF_L和固载振动在10～50Hz的频带内宽频振级变化率ΔF_V均大于1％时，开始空化报警并进入变流量工况下的空化状态评估。

6.根据权利要求3所述的叶片泵空化判定及状态评估方法，其特征在于，所述步骤S5中，当液载噪声总声压级变化率ΔL小于5％时，为未空化状态；当液载噪声总声压级变化率ΔL大于0.5％时，扬程变化率ΔH小于3％时，为空化初生状态；当液载噪声总声压级变化率ΔL大于0.5％，扬程变化率ΔH大于3％，固载振动总振级连续变化率ΔV’为正时，为严重空化状态；当液载噪声总声压级变化率ΔL大于0.5％，扬程变化率ΔH大于3％，固载振动总振级连续变化率ΔV’为负时，为过严重空化状态。

7.根据权利要求5所述的叶片泵空化判定及状态评估方法，其特征在于，所述步骤S6中，当液载噪声在2000～3000Hz的频带内宽频声压级变化率ΔF_L和固载振动在10～50Hz的频带内宽频振级变化率ΔF_V均小于1％时，为未空化状态；当液载噪声宽频声压级变化率ΔF_L和固载振动宽频振级变化率ΔF_V均大于1％，扬程变化率ΔH小于3％时，为空化初生状态；当液载噪声宽频声压级变化率ΔF_L和固载振动宽频振级变化率ΔF_V均大于1％，扬程变化率ΔH大于3％，固载振动宽频振级连续变化率ΔF_V’为正时，为严重空化状态；当液载噪声宽频声压级变化率ΔF_L和固载振动宽频振级变化率ΔF_V均大于1％，扬程变化率ΔH大于3％，固载振动宽频振级连续变化率ΔF_V’为负时，为过严重空化状态。

8.一种实现权利要求1所述叶片泵空化判定及状态评估方法的系统，其特征在于，包括数据采集单元、数据处理单元、空化警报单元和显示单元；

所述数据采集单元包括流量计(1)、压力变送器(2)、水听器(3)、振动加速度传感器(4)和摄像设备；所述流量计(1)用于采集流量信号；所述压力变送器(2)用于采集泵进出口压力信号；所述水听器(3)用于采集液载噪声信号；所述振动加速度传感器(4)用于采集固载振动信号；所述摄像设备采集用于叶轮进口空泡形态信号；

所述数据采集单元与数据处理单元连接，将采集的信号传送到数据处理单元，所述数据处理单元根据数据采集单元的信号，确定流量工况，并根据流量工况选择不同的空化判定方式，当发生空化时，空化警报单元报警并将信号反馈到数据处理单元，进入空化状态评估；

所述显示单元分别与数据采集单元、数据处理单元和空化警报单元连接，用于数据的显示。