CN113094839A - 一种判定水力机械转轮叶片重度空化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种判定水力机械转轮叶片重度空化的方法，根据水力机械转轮叶片发生重度空化前水力机械模型尾水管压力脉动信号基本不随空化系数的变化而变化到发生重度空化现象后水力机械模型尾水管压力脉动信号呈现出随空化系数的降低而急剧升高的特点，对水力机械模型尾水管压力脉动信号进行数理统计分析，通过计算水力机械模型尾水管压力脉动信号离散系数的方法评价不同空化系数下水力机械模型尾水管压力脉动信号序列的离散度变化并加之以水力机械模型尾水管压力脉动的单调性变化，利用本发明给出的对应判据就可以判定水力机械转轮叶片重度空化现象的发生与否。

Description

一种判定水力机械转轮叶片重度空化的方法

技术领域

本发明涉及一种判定水力机械转轮叶片重度空化的方法。

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空化状态，特别是无重度空化状态，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。

对于水力机械而言，从基本原理上讲，是不希望在机组运行过程中发生任何程度的空化现象。但是，鉴于目前设计制造技术水平的限制和用户对水力机械运行范围不断扩大的要求，水力机械不可避免地会在空化状态下运行。随着水力机械转轮叶片材料和防护技术的进步，轻度空化现象对水力机械转轮叶片材料的破坏程度已经被控制在可接受的范围内。但是，重度空化现象对水力机械转轮叶片材料的破坏程度仍然是制约水力机械宽范围安全稳定运行的重要因素。

目前，对于水力机械转轮叶片空化程度的判定一般是按照如下规则进行的：若水力机械转轮叶片上的空化气泡全部附着在叶片表面上，没有任何一个空化气泡从叶片表面上脱离而进入水力机械尾水管的，则定义为轻度空化；若除了水力机械转轮叶片上附着了大量的空化气泡外，空化气泡还从叶片表面附着处脱离而进入水力机械尾水管的，则定义为重度空化。

在目前的技术水平下，无法在原型机上观察和确认转轮叶片上是否存在空化气泡和空化气泡是否已从叶片表面附着处脱离，仅能通过模型试验的方法由人工在高强度频闪光源下通过透明的尾水管段观察转轮叶片上空化气泡的情况，以此为依据推断同等空化系数条件下原型机的空化情况。由于模型试验过程中对空化气泡状态完全由人工目测进行，没有一个统一的可以量化的标准，致使转轮叶片上空化气泡是否已从叶片表面附着处脱离的确定随着观测者及观测位置的不同而产生很大的差异，从而影响到转轮叶片空化程度评价的准确性，进而极有可能对水力机械的安全稳定运行造成不可预知的负面影响。

因此，有必要开发一种通过不依赖于人工观测的利用外特性指标确定转轮叶片是否发生重度空化的方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是在提供一种判定水力机械转轮叶片重度空化的方法。具体步骤如下：

1)启动水力机械模型试验系统；

2)水力机械模型处于非空化状态运行；

3)保持水力机械模型稳定运行；

4)对水力机械模型空化系数进行采集；

5)对水力机械模型尾水管压力脉动信号进行采集；

6)计算水力机械模型尾水管压力脉动相对值：

按下式计算水力机械模型尾水管压力脉动相对值：

式中：

δ：水力机械模型尾水管压力脉动相对值；

ΔH：水力机械模型尾水管压力脉动绝对值；

H：水力机械模型试验水头；

7)降低水力机械模型空化系数σ；

8)重复执行步骤3)至步骤7)，直至水力机械模型发生重度空化现象为止；

9)构建基于水力机械模型空化系数σ变化的水力机械模型尾水管压力脉动相对值变化序列：

假定共依次改变空化系数m次，空化系数及其对应的水力机械模型尾水管压力脉动相对值按空化系数由大到小的顺序分别记为{(σ₁，δ₁)，(σ₂，δ₂)，……，(σ_m，δ_m)}；

10)顺序计算水力机械模型尾水管压力脉动相对值序列的标准差：

按照空化系数由大到小的顺序对水力机械模型尾水管压力脉动相对值序列{δ₁，δ₂，……，δ_m}逐次按下式计算水力机械模型尾水管压力脉动相对值序列的标准差：

式中：

为水力机械模型尾水管压力脉动相对值序列{δ₁，δ₂，……，δ_n}的标准差；

n：为空化系数的改变次数，n∈{2，3，…，m}；

δ_i：为第i次改变空化系数时对应的水力机械模型尾水管压力脉动相对值；

为n次改变空化系数的水力机械模型尾水管压力脉动相对值的算术平均值；

由此可得按照空化系数由大到小的顺序获得的水力机械模型尾水管压力脉动相对值序列及其所对应的标准差序列如下：

11)顺序计算水力机械模型尾水管压力脉动相对值序列的离散系数：

水力机械模型尾水管压力脉动相对值序列的离散系数按下式计算：

式中：

e_n：水力机械模型尾水管压力脉动相对值序列的离散系数；

t：基于水力机械模型尾水管压力脉动相对值序列自由度的学生分布系数值，

12)计算水力机械模型转轮叶片重度空化检测指数1：

按下式计算水力机械模型转轮叶片重度空化检测指数1：

式中：

α_n：为水力机械模型转轮叶片重度空化检测指数1；

13)计算水力机械模型转轮叶片重度空化检测指数2：

按下式计算水力机械模型转轮叶片重度空化检测指数2：

β_n＝τ_n+1-τ_n

式中：

β_n：为第n次改变空化系数时对应的水力机械模型转轮重度空化检测指数2；

14)确定模型水轮机转轮叶片发生重度空化：

当在空化系数的改变序列区间{σ_n，σ_n+1，…，σ_m}中，水力机械模型转轮叶片重度空化检测指数1和水力机械模型转轮叶片重度空化检测指数2同时满足下列条件时，则可判定在第n次改变空化系数时就发生了模型水轮机转轮叶片的重度空化现象：

否则，则未发生模型水轮机转轮叶片的重度空化现象。

技术效果

本发明公开的一种判定水力机械转轮叶片重度空化的方法。如图1所示，随着水力机械模型装置空化系数的降低，转轮叶片由没有空化发展为轻度空化，进而发展为重度空化。对应的水力机械模型尾水管压力脉动相对值也随着空化系数的降低，也就是空化程度的增加，由区域2的相对平稳变为区域3的陡升，区域2和区域3的交接点即为点1。

水力机械模型尾水管压力脉动相对值变化相对平稳的区域2对应着水力机械模型装置转轮叶片未发生空化和轻度空化状态，而水力机械模型尾水管压力脉动相对值陡升的的区域3对应着水力机械模型装置转轮叶片发生重度空化的状态，点1则位于区域2所对应的未发生空化和轻度空化发生区域与区域3所对应的重度空化发生区域的分界点。

水力机械模型尾水管压力脉动相对值在不同的空化程度下所呈现出的随空化系数的变化趋势是不同的。在水力机械模型装置转轮叶片未发生空化和仅发生轻度空化的区域2，水力机械模型尾水管压力脉动相对值基本不随空化系数的变化而变化，水力机械模型尾水管压力脉动相对值呈现出在整个区域内基本不变的趋势；而在水力机械模型装置转轮叶片发生重度空化的区域3，水力机械模型尾水管压力脉动相对值随空化系数的变化而急剧变化，水力机械模型尾水管压力脉动相对值呈现出在整个区域内陡升的趋势。点1则位于无空化和轻度空化发生的区域2和发生重度空化的区域3的分界处。

为了能够准确表征水力机械模型尾水管压力脉动相对值在无空化和轻度空化发生的区域2和发生重度空化的区域3的变化规律，采用计算相应水力机械模型尾水管压力脉动相对值序列离散系数的方法对不同空化系数下对应的水力机械模型尾水管压力脉动相对值序列的离散程度进行分析。离散系数描述的是一组数据相对于其数学期望的分散程度。离散系数越大，则代表该组数据与其数学期望之间的差异较大；而离散系数越小，则表明该组数据越接近其数学期望。

水力机械模型尾水管压力脉动相对值随着空化系数的变化呈现出两种不同的变化趋势：第一种变化趋势，当空化系数较高，处于无空化和轻度空化发生的区域2中时，随着空化系数的降低，也就是空化程度的加剧，水力机械模型尾水管压力脉动相对值均在其数学期望附近呈现随机小幅波动的态势，其数据序列的离散程度较小，对应数据序列的离散系数也很小；第二种变化趋势，当空化系数持续降低，进入到重度空化发生的区域3中时，随着空化系数的降低，也就是空化程度的进一步加剧，水力机械模型尾水管压力脉动相对值呈现出持续陡升的态势，其数据序列的离散程度也随之增大，对应数据序列的离散系数也明显增大。点1则位于随着空化系数的降低，也就是空化程度的增大，水力机械模型尾水管压力脉动相对值对应数据序列的离散系数由相对较小到发生明显增大现象的临界点。

同时，在发生重度空化的区域3中，随着空化程度的加剧，也就是空化系数的进一步降低，水力机械模型尾水管压力脉动相对值呈现出单调上升的趋势。

综上所述，通过分析水力机械模型尾水管压力脉动相对值对应数据序列的离散程度即可区分水力机械模型转轮叶片是否发生了严重空化现象，即水力机械模型尾水管压力脉动相对值数据序列的离散程度小，则表明水力机械模型装置转轮叶片未发生空化或仅发生轻度空化；反之，则表明水力机械模型转轮叶片已发生严重空化现象。

根据水力机械模型尾水管压力脉动相对值对应数据序列的离散程度在不同的空化状态下的变化规律，通过比较相邻空化系数下对应水力机械模型尾水管压力脉动相对值数据序列的离散程度的异同，最终按照本专利提出的方法计算出水力机械模型转轮叶片重度空化检测指数1；同时，通过比较相邻空化系数下对应水力机械模型尾水管压力脉动相对值的大小，按照本专利提出的方法计算出水力机械模型转轮叶片重度空化检测指数2。最终根据得到的水力机械模型转轮叶片重度空化检测指数1和水力机械模型转轮叶片重度空化检测指数1，按照本专利提出的判定方法，就可判断出是否发生水力机械模型转轮叶片重度空化现象。

附图说明

图1为水力机械模型尾水管压力脉动相对值随空化系数的变化趋势。

具体实施方式

一种判定水力机械转轮叶片重度空化的方法，操作步骤如下：

1)启动水力机械模型试验系统；

2)水力机械模型处于非空化状态运行；

3)保持水力机械模型稳定运行；

4)对水力机械模型空化系数进行采集；

5)对水力机械模型尾水管压力脉动信号进行采集；

6)计算水力机械模型尾水管压力脉动相对值：

按下式计算水力机械模型尾水管压力脉动相对值：

式中：

δ：水力机械模型尾水管压力脉动相对值；

ΔH：水力机械模型尾水管压力脉动绝对值；

H：水力机械模型试验水头；

7)降低水力机械模型空化系数σ；

8)重复执行步骤3)至步骤7)，直至水力机械模型发生重度空化现象为止；

9)构建基于水力机械模型空化系数6变化的水力机械模型尾水管压力脉动相对值变化序列：

假定共依次改变空化系数m次，空化系数及其对应的水力机械模型尾水管压力脉动相对值按空化系数由大到小的顺序分别记为{(σ₁，δ₁)，(σ₂，δ₂)，……，(σ_m，δ_m)}；

10)顺序计算水力机械模型尾水管压力脉动相对值序列的标准差

按照空化系数由大到小的顺序对水力机械模型尾水管压力脉动相对值序列{δ₁，，δ₂，，……，δ_m}逐次按下式计算水力机械模型尾水管压力脉动相对值序列的标准差：

式中：

为水力机械模型尾水管压力脉动相对值序列{δ₁，δ₂，……，δ_n}的标准差；

n：为空化系数的改变次数，n∈{2，3，…，m}；

δ_i：为第i次改变空化系数时对应的水力机械模型尾水管压力脉动相对值；

为n次改变空化系数的水力机械模型尾水管压力脉动相对值的算术平均值；

由此可得按照空化系数由大到小的顺序获得的水力机械模型尾水管压力脉动相对值序列及其所对应的标准差序列如下：

11)顺序计算水力机械模型尾水管压力脉动相对值序列的离散系数：

水力机械模型尾水管压力脉动相对值序列的离散系数按下式计算：

式中：

e_n：水力机械模型尾水管压力脉动相对值序列的离散系数；

t：基于水力机械模型尾水管压力脉动相对值序列自由度的学生分布系数值，

12)计算水力机械模型转轮叶片重度空化检测指数1

按下式计算水力机械模型转轮叶片重度空化检测指数1：

式中：

α_n：为水力机械模型转轮叶片重度空化检测指数1；

13)计算水力机械模型转轮叶片重度空化检测指数2

按下式计算水力机械模型转轮叶片重度空化检测指数2：

β_n＝τ_n+1-τ_n

式中：

β_n：为第n次改变空化系数时对应的水力机械模型转轮重度空化检测指数2；

14)确定模型水轮机转轮叶片发生重度空化

当在空化系数的改变序列区间{σ_n，σ_n+1，…，σ_m}中，水力机械模型转轮叶片重度空化检测指数1和水力机械模型转轮叶片重度空化检测指数2同时满足下列条件时，则可判定在第n次改变空化系数时就发生了模型水轮机转轮叶片的重度空化现象：

否则，则未发生模型水轮机转轮叶片的重度空化现象。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种判定水力机械转轮叶片重度空化的方法，其特征包括如下步骤：.

1)启动水力机械模型试验系统；

2)水力机械模型处于非空化状态运行；

3)保持水力机械模型稳定运行；

4)对水力机械模型空化系数进行采集；

5)对水力机械模型尾水管压力脉动信号进行采集；

6)计算水力机械模型尾水管压力脉动相对值：

按下式计算水力机械模型尾水管压力脉动相对值：

式中：

δ：水力机械模型尾水管压力脉动相对值；

ΔH：水力机械模型尾水管压力脉动绝对值；

H：水力机械模型试验水头；

7)降低水力机械模型空化系数σ；

8)重复执行步骤3)至步骤7)，直至水力机械模型发生重度空化现象为止；

9)构建基于水力机械模型空化系数σ变化的水力机械模型尾水管压力脉动相对值变化序列：

假定共依次改变空化系数m次，空化系数及其对应的水力机械模型尾水管压力脉动相对值按空化系数由大到小的顺序分别记为{(σ₁，δ₁)，(σ₁，δ₂)，……，(σ_m，δ_m)}；

10)顺序计算水力机械模型尾水管压力脉动相对值序列的标准差：

按照空化系数由大到小的顺序对水力机械模型尾水管压力脉动相对值序列[δ₁，δ₂，……，δ_m}逐次按下式计算水力机械模型尾水管压力脉动相对值序列的标准差：

式中：

为水力机械模型尾水管压力脉动相对值序列[δ₁，δ₂，……，δ_n}的标准差；

n：为空化系数的改变次数，n∈{2，3，…，m}；

δ_i：为第i次改变空化系数时对应的水力机械模型尾水管压力脉动相对值；

为n次改变空化系数的水力机械模型尾水管压力脉动相对值的算术平均值；

由此可得按照空化系数由大到小的顺序获得的水力机械模型尾水管压力脉动相对值序列及其所对应的标准差序列如下：

11)顺序计算水力机械模型尾水管压力脉动相对值序列的离散系数：

水力机械模型尾水管压力脉动相对值序列的离散系数按下式计算：

式中：

e_n：水力机械模型尾水管压力脉动相对值序列的离散系数；

t：基于水力机械模型尾水管压力脉动相对值序列自由度的学生分布系数值，

12)计算水力机械模型转轮叶片重度空化检测指数1：

按下式计算水力机械模型转轮叶片重度空化检测指数1：

式中：

α_n：为水力机械模型转轮叶片重度空化检测指数1；

13)计算水力机械模型转轮叶片重度空化检测指数2：

按下式计算水力机械模型转轮叶片重度空化检测指数2：

β_n＝τ_n+1-τ_n

式中：

β_n：为第n次改变空化系数时对应的水力机械模型转轮重度空化检测指数2；

14)确定模型水轮机转轮叶片发生重度空化：

当在空化系数的改变序列区间{σ_n，σ_n+1，…，σ_m}中，水力机械模型转轮叶片重度空化检测指数1和水力机械模型转轮叶片重度空化检测指数2同时满足下列条件时，则可判定在第n次改变空化系数时就发生了模型水轮机转轮叶片的重度空化现象：

否则，则未发生模型水轮机转轮叶片的重度空化现象。

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