CN111706455A - 一种水力机械转轮叶片进口脱流的判定方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种水力机械转轮叶片进口脱流的判定方法，包括以下步骤：启动计算机系统；使水力机械处于非过渡工况稳定运行状态；步骤三、对水力机械水声信号进行采集；步骤四、对所述水力机械水声信号进行小波分析；步骤五、获得基于时间序列t_i＝{t₁,t₂,...,t_m}的水声信号频域能量分布E_f；步骤六、进行相对值计算；步骤七、计算标准差；步骤八、计算标准差的数学期望；步骤九、进行转轮叶片进口脱流发生的判定。本发明不需在转轮叶片进口脱流现象严重到足以影响水力机械外部特性时，才能检测出转轮叶片进口脱流现象，本发明更为准确。填补了现有技术的空白。

Description

一种水力机械转轮叶片进口脱流的判定方法

技术领域

本发明涉及基于一种水力机械转轮叶片进口脱流的判定方法，属于水力机械领域。

背景技术

随着用户对水力机械稳定性要求的逐步提高，保证水力机械在无转轮叶片进口脱流状态下安全稳定运行已成为考核机组运行状态的一项重要指标。

转轮叶片进口脱流是液体内局部压力降低时，液体内部或液固交界面上蒸气或气体的空穴(空泡)的形成、发展和溃灭的过程，是液体与气体的相变过程，包括空泡的发生、发展和溃灭三个阶段。空泡发生阶段会伴有噪声辐射的大幅度上升；空泡溃灭阶段能够释放出巨大的压能和热能，是造成液体与固体交界面材料破坏的主要过程。

鉴于在目前的技术水平，仅仅当转轮叶片进口脱流现象严重到足以影响水力机械外部特性，例如噪声增大时，才能够通过外部设备信号信息再依靠技术人员的经验按照概率估计出可能是发生了转轮叶片进口脱流现象。这种方法的准确率不高，而且目前转轮叶片进口脱流现象还没有一种有效的方法能够检测出来。

因此，有必要开发一种能够实时准确判定水力机械是否发生转轮叶片进口脱流的方法。

发明内容

本发明的目的是提出一种水力机械转轮叶片进口脱流的判定方法，以解决目前转轮叶片进口脱流现象还没有一种有效的方法能够检测出来的问题。

一种水力机械转轮叶片进口脱流的判定方法，所述判定方法包括以下步骤：

步骤一、启动计算机系统；

步骤二、使水力机械处于非过渡工况稳定运行状态；

步骤三、对水力机械水声信号进行采集；

步骤四、对所述水力机械水声信号进行小波分析；

步骤五、获得基于时间序列t_i＝{t₁,t₂,...,t_m}的水声信号频域能量分布E_f：

式中：E_f为水声信号频域能量；t_i为第i时刻，i＝1,2,...,m；m为自然数；F_i为第i时刻水声信号对应不同频率的能量分布，

f_ij为水声信号第i时刻第j点频率，j＝1,2,...,n；n为自然数；v_ij为对应第i时刻第j点频率的水声信号频域幅值；

步骤六、进行相对值计算：

对第i时刻水声信号频域幅值系列v_ij＝{v_i1,v_i2,...,v_in}进行相对值计算：

式中：v_ijN为频域幅值v_ij的相对值；v_imax为第i时刻水声信号频域幅值系列中的最大值；

步骤七、计算标准差：计算第i时刻频域幅值的相对值系列v_ijN＝{v_i1N,v_i2N,...,v_inN}的标准差：

式中：S_iN为第i时刻频域幅值的相对值系列v_ijN＝{v_i1N,v_i2N,...,v_inN}的标准差；

为第i时刻频域幅值的相对值系列v_ijN＝{v_i1N,v_i2N,...,v_inN}的平均值；

步骤八、计算标准差的数学期望：

计算该工况下对应时间序列t_i＝{t₁,t₂,...,t_m}的频域幅值的相对值的标准差S_iN的数学期望：

式中：

为频域幅值的相对值的标准差S_iN的数学期望；

步骤九、转轮叶片进口脱流发生的判定：

利用转轮叶片进口脱流判定系数ψ判定水力机械转轮叶片进口脱流现象的发生：

转轮叶片进口脱流判定系数ψ按下式计算：

式中：ψ为转轮叶片进口脱流判定系数；λ为转轮叶片进口脱流判定门槛值，一般取λ＝6×10⁵；

当转轮叶片进口脱流判定系数ψ大于1，即ψ＞1时，水力机械发生转轮叶片进口脱流；

当转轮叶片进口脱流判定系数ψ不大于零，即ψ≤1时，水力机械未发生转轮叶片进口脱流。

本发明的主要优点是：本发明的一种水力机械转轮叶片进口脱流的判定方法，不需在转轮叶片进口脱流现象严重到足以影响水力机械外部特性时，才能检测出转轮叶片进口脱流现象，本发明更为准确。填补了现有技术的空白。

附图说明

图1为水力机械发生转轮叶片进口脱流前后水声信号频域的能量分布图；

图2为未发生转轮叶片进口脱流时的水声信号时频特性图；

图3为发生转轮叶片进口脱流时的水声信号时频特性图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种水力机械转轮叶片进口脱流的判定方法，所述判定方法包括以下步骤：

步骤一、启动计算机系统；

步骤二、使水力机械处于非过渡工况稳定运行状态；

步骤三、对水力机械水声信号进行采集；

步骤四、对所述水力机械水声信号进行小波分析；

步骤五、获得基于时间序列t_i＝{t₁,t₂,...,t_m}的水声信号频域能量分布E_f：

式中：E_f为水声信号频域能量；t_i为第i时刻，i＝1,2,...,m；m为自然数；F_i为第i时刻水声信号对应不同频率的能量分布，

f_ij为水声信号第i时刻第j点频率，j＝1,2,...,n；n为自然数；v_ij为对应第i时刻第j点频率的水声信号频域幅值；

步骤六、进行相对值计算：

对第i时刻水声信号频域幅值系列v_ij＝{v_i1,v_i2,...,v_in}进行相对值计算：

式中：v_ijN为频域幅值v_ij的相对值；v_imax为第i时刻水声信号频域幅值系列中的最大值；

步骤七、计算标准差：计算第i时刻频域幅值的相对值系列v_ijN＝{v_i1N,v_i2N,...,v_inN}的标准差：

式中：S_iN为第i时刻频域幅值的相对值系列v_ijN＝{v_i1N,v_i2N,...,v_inN}的标准差；

为第i时刻频域幅值的相对值系列v_ijN＝{v_i1N,v_i2N,...,v_inN}的平均值；

步骤八、计算标准差的数学期望：

计算该工况下对应时间序列t_i＝{t₁,t₂,...,t_m}的频域幅值的相对值的标准差S_iN的数学期望：

式中：

为频域幅值的相对值的标准差S_iN的数学期望；

步骤九、转轮叶片进口脱流发生的判定：

利用转轮叶片进口脱流判定系数ψ判定水力机械转轮叶片进口脱流现象的发生：

转轮叶片进口脱流判定系数ψ按下式计算：

式中：ψ为转轮叶片进口脱流判定系数；λ为转轮叶片进口脱流判定门槛值，一般取λ＝6×10⁵；

当转轮叶片进口脱流判定系数ψ大于1，即ψ＞1时，水力机械发生转轮叶片进口脱流；

当转轮叶片进口脱流判定系数ψ不大于零，即ψ≤1时，水力机械未发生转轮叶片进口脱流。

具体的，本发明公开的一种水力机械空化发生的实时判定方法采用小波分析的方法对水力机械水声信号进行小波分析，获得基于时间序列的水声信号频域能量分布情况并据此对水力机械是否发生转轮叶片进口脱流进行判定。

就某一时刻而言，相对于未发生转轮叶片进口脱流的状态，水力机械在发生转轮叶片进口脱流现象后，水声信号的特性发生很大的变化：如图1所示，在整个频域范围内，未发生转轮叶片进口脱流的水力机械水声信号能量分布系列1的能量比较低且分布比较均匀、变化较小，相应的水声信号在整个频域内的能量分布离散度较小；而转轮叶片进口脱流发生后的水力机械水声信号能量分布系列2的能量比较高且分布发生剧烈变化，各频段能量均呈现增大的趋势且频率越低能量增加的绝对值越大，水声信号在整个频域内的能量分布离散度急剧增大。

比较图2和图3所示发生转轮叶片进口脱流前后的水力机械水声信号的时频特性可以发现，未发生转轮叶片进口脱流时，由于水力机械水声信号能量分布系列1的能量比较低且分布比较均匀、变化较小，故而水力机械水声信号在整个时间序列的各时刻频域主要能量的分布范围比较小，且各时刻频域主要能量的分布范围变化也比较小；而一旦发生转轮叶片进口脱流，由于水力机械水声信号能量分布系列2的能量比较高且分布发生剧烈变化，则水力机械水声信号在整个时间序列的各时刻频域主要能量的分布范围大幅度增大，且各时刻频域主要能量的分布范围也随之发生剧烈地变化。

综上所述，通过分析发生转轮叶片进口脱流前后的水力机械水声信号在整个时间序列的各时刻频域主要能量的分布范围的离散程度即可区分出转轮叶片进口脱流现象发生与否，即水力机械水声信号在整个时间序列的各时刻频域主要能量的分布范围的离散程度小，则水力机械未发生转轮叶片进口脱流；反之，转轮叶片进口脱流现象就发生了。

采用标准差对水力机械水声信号频域内能量分布离散程度和整个时间序列的各时刻频域主要能量的分布范围的离散程度进行评价，采用数学期望对上述标准差系列进行评价。标准差就是样本平均数方差的开平方，是表征样本数据离散程度的一种数学方法。当样本数据越聚集时，计算出的标准差就越小；当样本数据越离散，则计算出的标准差就越大。数学期望是一种重要的数字特征，它反映随机变量平均取值的大小。

鉴于不同安装位置也就是距离转轮叶片进口脱流发生区域不同的情况下水力机械水声信号相应频率对应的频域幅值(能量)是不同的：距离转轮叶片进口脱流发生区域越近，则水力机械水声信号相应频率对应的频域幅值越大；距离转轮叶片进口脱流发生区域越远，则水力机械水声信号相应频率对应的频域幅值越小。为保证能够采用统一的水力机械转轮叶片进口脱流发生门槛值判定水力机械转轮叶片进口脱流发生与否，采用按照水声信号频域幅值相对值，即该时刻水声信号频域幅值的最大值分别除以该时刻水声信号频域幅值系列中的各个频域幅值，用标准差来计算水力机械水声信号频域内能量分布离散程度和整个时间序列的各时刻频域主要能量的分布范围的离散程度进行评价，采用数学期望对上述标准差系列进行评价。

根据水力机械在发生转轮叶片进口脱流后水声信号在整个频域内能量分布离散程度和整个时间序列的各时刻频域主要能量的分布范围的离散程度均急剧增大的特点，通过计算数学期望的方法评价采用小波分析获得的水力机械水声信号在不同时刻下整个频域内的能量分布分布离散程度和整个时间序列的各时刻频域主要能量的分布范围的离散程度变化的总体趋势，最终依靠比较以此得到的数学期望与水力机械转轮叶片进口脱流发生门槛值的大小，即转轮叶片进口脱流判定系数ψ是否大于1来判定水力机械是否发生转轮叶片进口脱流：当转轮叶片进口脱流判定系数ψ大于1，即ψ＞1时，则表明水力机械发生转轮叶片进口脱流；当转轮叶片进口脱流判定系数ψ不大于1，即ψ≤1时，则说明水力机械未发生转轮叶片进口脱流。

Claims (1)

1.一种水力机械转轮叶片进口脱流的判定方法，其特征在于，所述判定方法包括以下步骤：

步骤一、启动计算机系统；

步骤二、使水力机械处于非过渡工况稳定运行状态；

步骤三、对水力机械水声信号进行采集；

步骤四、对所述水力机械水声信号进行小波分析；

步骤五、获得基于时间序列t_i＝{t₁,t₂,...,t_m}的水声信号频域能量分布E_f：

式中：E_f为水声信号频域能量；t_i为第i时刻，i＝1,2,...,m；m为自然数；F_i为第i时刻水声信号对应不同频率的能量分布，

f_ij为水声信号第i时刻第j点频率，j＝1,2,...,n；n为自然数；v_ij为对应第i时刻第j点频率的水声信号频域幅值；

步骤六、进行相对值计算：

对第i时刻水声信号频域幅值系列v_ij＝{v_i1,v_i2,...,v_in}进行相对值计算：

式中：v_ijN为频域幅值v_ij的相对值；v_imax为第i时刻水声信号频域幅值系列中的最大值；

步骤七、计算标准差：计算第i时刻频域幅值的相对值系列v_ijN＝{v_i1N,v_i2N,...,v_inN}的标准差：

式中：S_iN为第i时刻频域幅值的相对值系列v_ijN＝{v_i1N,v_i2N,...,v_inN}的标准差；

为第i时刻频域幅值的相对值系列v_ijN＝{v_i1N,v_i2N,...,v_inN}的平均值；

步骤八、计算标准差的数学期望：

计算该工况下对应时间序列t_i＝{t₁,t₂,...,t_m}的频域幅值的相对值的标准差S_iN的数学期望：

式中：

为频域幅值的相对值的标准差S_iN的数学期望；

步骤九、进行转轮叶片进口脱流发生的判定：

利用转轮叶片进口脱流判定系数ψ判定水力机械转轮叶片进口脱流现象的发生：

转轮叶片进口脱流判定系数ψ按下式计算：

式中：ψ为转轮叶片进口脱流判定系数；λ为转轮叶片进口脱流判定门槛值，一般取λ＝6×10⁵；

当转轮叶片进口脱流判定系数ψ大于1，即ψ＞1时，水力机械发生转轮叶片进口脱流；

当转轮叶片进口脱流判定系数ψ不大于零，即ψ≤1时，水力机械未发生转轮叶片进口脱流。

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