CN112270144B - 一种检测轴流泵站间隙汽蚀的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种检测轴流泵站间隙汽蚀的方法，包括以下步骤：步骤1）、对轴流泵站利用绘图软件UG NX9.0绘制相应的泵站三维图像，利用CFD计算软件CFX对汽蚀工况下一系列演变过程的模型进行压力脉动与噪声耦合模拟计算，得到一系列汽蚀工况的时域图；步骤2）、将压力脉动传感器和噪声传感器布置在叶片位置处的泵壳外侧，每隔180°布置一个互为参照，得到实际的运行工况时域图；步骤3）、对CFD模拟的汽蚀工况和实际运行工况得到的时域图进行FFT变换后得到频域图，将两者进行自动比对；当泵站运行工况与汽蚀工况频谱图拟合度较高时，认为泵站发生汽蚀。通过本发明，不仅能诊断泵站运行中出现的汽蚀，也可预判泵站未来运行中可能发生的汽蚀。

Description

一种检测轴流泵站间隙汽蚀的方法

技术领域

本发明涉及一种检测轴流泵站间隙汽蚀的方法，属于水利工程领域。

背景技术

间隙汽蚀是指发生在水泵叶片外缘平面直径最大的断面上下与叶轮室间隙内的汽蚀，它是由于叶片正面与背面之间存在压差，间隙内有水流泄漏，叶轮带动水流旋转，当叶轮外圆周速度较大时，间隙内水流迅速降压并产生汽化形成的汽蚀。间隙汽蚀对水泵运行的影响是噪声、长期击蚀，包括机械性和理化性的汽蚀破坏。

近年来随着计算机技术和计算方法的不断发展，用CFD（Computational FluidDynamics）方法模拟水体流态的结果越来越精确，在水利工程中越来越广泛地被应用。传感器在检测泵站流体状态中一直发挥着重要的作用，也是很多学者分析流态的重要手段。由于间隙汽蚀产生时往往伴有噪声和振动，所以检测泵站的压力脉动和噪声状态是判断间隙汽蚀是否发生的重要依据。本发明以CFD方法为理论依据，对轴流泵站间隙汽蚀的演变过程进行压力脉动与噪声耦合模拟，以压力脉动传感器和噪声传感器捕捉泵站实际运行时的压力脉动和噪声状态，将两者进行比较判断是否发生间隙汽蚀。

发明内容

本发明目的是针对现有技术中存在的问题，为降低轴流泵站间隙汽蚀诊断成本，提高其诊断的准确率，并能对间隙汽蚀提前进行预防，提供一种检测轴流泵站间隙汽蚀的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种检测轴流泵站间隙汽蚀的方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1）、对轴流泵站利用绘图软件UG NX9.0绘制相应的泵站三维图像，根据不同的汽蚀状态建立相应泵站计算模型，利用CFD计算软件CFX对汽蚀工况下一系列演变过程的模型进行压力脉动与噪声耦合模拟计算，得到一系列汽蚀工况的时域图；

步骤2）、泵站运行之前，将压力脉动传感器和噪声传感器布置在叶片位置处的泵壳外侧，每隔180°布置一个互为参照，以保证测量结果的准确性，用于捕捉泵站水泵实际运行的工况，得到实际的运行工况时域图；

步骤3）、对CFD模拟的汽蚀工况和实际运行工况得到的时域图进行FFT变换后得到频域图，将两者进行自动比对；当泵站运行工况与汽蚀工况频谱图拟合度较高时，认为泵站发生汽蚀。

步骤1）中，不同的汽蚀状态包括间隙汽蚀的第一特征阶段、第二特征阶段、第三特征阶段。

步骤1）中，第一特征阶段，汽蚀刚发生时往往不会对水泵及泵站造成损害，此时叶片与泵壳表面完整，此时产生的汽蚀为无害汽蚀；第二特征阶段，由于气泡溃灭、射流冲击的强度提升，叶片或泵壳表面产生一定的损伤，形成一些小的凹槽；第三特征阶段，随着汽蚀的进一步发展，射流持续冲击叶片和泵壳，形成较为明显的孔桩凹槽。

本发明方法先进科学，间隙汽蚀的发生是一个不断演变的过程，可概括为三个阶段。第一阶段，汽蚀刚发生时往往不会对水泵及泵站造成损害，此时叶片与泵壳表面完整，此时产生的汽蚀为无害汽蚀；第二阶段，由于气泡溃灭、射流冲击的强度提升，叶片或泵壳表面产生一定的损伤，形成一些小的凹槽；第三阶段，随着汽蚀的进一步发展，射流持续冲击叶片和泵壳，形成较为明显的孔桩凹槽。但不管是哪一阶段，汽蚀发生后其附近的压力脉动和噪声已不同于水泵正常运转时。

本发明通过CFD商业软件以泵站间隙汽蚀的三个阶段为特征阶段，对三个阶段及其中间的一系列连续演变过程进行压力脉动与噪声耦合数值模拟，保证模拟足够多的汽蚀工况状态，以确保每一间隙汽蚀的状态都可以找到其数值模拟的结果。这样就可以得到间隙汽蚀发生过程的一系列压力脉动与噪声耦合频谱图，进而得到叶频、转频和它们的振幅等。另外，在水泵机组叶轮进水侧泵壳处布置压力脉动传感器、噪声传感器捕捉水泵机组的运行工况，两侧间隔180°各布置一个，相互参照，保证捕捉的压力脉动与噪声的准确性，得到其实际运行的压力脉动与噪声的频谱图。当泵站运行工况与汽蚀工况某一频谱图拟合度较高时，判定泵站发生汽蚀。

有益效果：

近年来CFD商业软件越来越成熟，计算的结果与实际越来越接近，其计算的可靠性已经过了实际工程的验证。通过CFD方法设置不同的计算方法和边界条件模拟泵站的间隙汽蚀，可以获得泵站间隙汽蚀发生时一系列工况，得到其压力脉动与噪声耦合的频谱图，与实际运行的频谱图进行比对判断泵站间隙汽蚀是否发生。该方法通过理论计算与实际运行互相参照，互相对比，弥补了单一方法可能出现的不足之处；该方法选取压力脉动和噪声两项指标，提高了诊断的准确性；该方法还从理论上分析汽蚀发生时的运行工况，不仅能诊断泵站运行中出现的汽蚀，也可预判泵站未来运行中可能发生的汽蚀。该方法克服了检测水泵的汽蚀余量值、声学方法和人工诊断等方法的缺点，而且成本低、周期短、可以模拟多种状态、应用范围广。

附图说明

图1为CFD计算流程图；

图2为间隙汽蚀发生时的实物图；

图3为间隙汽蚀发生的第一特征阶段；

图4为间隙汽蚀发生的第二特征阶段；

图5为间隙汽蚀发生的第三特征阶段；

图6为压力脉动传感器和噪声传感器布置示意图；

图中：1压力脉动传感器、2噪声传感器、3叶轮、4泵壳。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

一种检测轴流泵站间隙汽蚀的方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1）、对轴流泵站利用绘图软件UG NX9.0绘制相应的泵站三维图像，根据不同的汽蚀状态建立相应泵站计算模型，利用CFD计算软件CFX对汽蚀工况下一系列演变过程的模型进行压力脉动与噪声耦合模拟计算，得到一系列汽蚀工况的时域图；

步骤2）、泵站运行之前，将压力脉动传感器1和噪声传感器2布置在叶片位置处的泵壳外侧，每隔180°布置一个互为参照，以保证测量结果的准确性，用于捕捉水泵实际运行的工况，得到实际的运行工况时域图；

步骤3）、对CFD模拟的汽蚀工况和实际运行工况得到的时域图进行FFT变换后得到频域图，将两者进行自动比对；当泵站运行工况与汽蚀工况频谱图拟合度较高时，认为泵站发生汽蚀。

步骤1）中，不同的汽蚀状态包括间隙汽蚀的第一特征阶段、第二特征阶段、第三特征阶段。第一特征阶段，汽蚀刚发生时往往不会对水泵及泵站造成损害，此时叶片与泵壳表面完整，此时产生的汽蚀为无害汽蚀；第二特征阶段，由于气泡溃灭、射流冲击的强度提升，叶片或泵壳表面产生一定的损伤，形成一些小的凹槽；第三特征阶段，随着汽蚀的进一步发展，射流持续冲击叶片和泵壳，形成较为明显的孔桩凹槽。

应用此方法从泵站的各种汽蚀运行工况进行仿真模拟，因此模型尺寸的准确性、网格划分的合理性、边界条件的设置、计算方法的选择都会影响模拟的精确程度。模拟计算时必须严格按照泵站的运行要求进行，必要时应进行模型试验验证CFD模拟的准确性。

Claims (1)

1.一种检测轴流泵站间隙汽蚀的方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1）、对轴流泵站利用绘图软件UG NX9.0绘制相应的泵站三维图像，根据不同的汽蚀状态建立相应泵站计算模型，利用CFD计算软件CFX对汽蚀工况下演变过程的模型进行压力脉动与噪声耦合模拟计算，得到汽蚀工况的时域图；不同的汽蚀状态包括间隙汽蚀的第一特征阶段、第二特征阶段、第三特征阶段；第一特征阶段，汽蚀刚发生时往往不会对水泵及泵站造成损害，此时叶片与泵壳表面完整，此时产生的汽蚀为无害汽蚀；第二特征阶段，由于气泡溃灭、射流冲击的强度提升，叶片或泵壳表面产生一定的损伤，形成一些小的凹槽；第三特征阶段，随着汽蚀的进一步发展，射流持续冲击叶片和泵壳，形成较为明显的孔桩凹槽；

步骤2）、泵站运行之前，将压力脉动传感器（1）和噪声传感器（2）布置在叶片位置处的泵壳外侧，每隔180°布置一个互为参照，以保证测量结果的准确性，用于捕捉水泵实际运行的工况，得到实际的运行工况时域图；

步骤3）、对CFD模拟的汽蚀工况和实际运行工况得到的时域图进行FFT变换后得到频域图，将两者进行自动比对；当泵站运行工况与汽蚀工况频谱图拟合度较高时，认为泵站发生汽蚀。

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