本發明涉及一種基于聲發射信號的水輪機組空蝕空化狀態診斷方法，屬于水輪機故障檢測技術領域。

背景技術：

空化是液體在一定溫度下降低壓力使液體汽化的現象。液體發生空化的過程是在極短的時間內突然發生，它使液體的連續性遭到破壞，在液體中形成充滿蒸汽或氣體的空泡。如果液體是流動的，這些空泡將隨液體一起運動，空泡的尺寸將隨液體內部壓力的降低而漲大。當氣泡進入高壓區時，泡內的水蒸氣將凝聚，氣體將被溶解，氣泡很快潰滅消失。空泡潰滅時產生極高的壓力并伴隨有高溫、放電、化學反應產生。潰滅的時間以毫秒計，甚至以微秒計的時間內完成。在這一瞬間，氣泡周圍液體溫度可達1000度，溫升可達500－800度，輻射出的合成沖擊波的壓力差可高達4000大氣壓。如此的高溫高壓使機械表面的材料迅速屈服，并從表面剝落下來，這種現象稱為空蝕。

水輪機運行過程中發生的空化空蝕現象對水輪機的運行安全和運行效率產生極大的影響。首先，由于空化的產生和發展，使流動系統的特性發生變化。當空化發展到一定程度時，由于空泡體的排擠作用，使流道的有效面積減少、阻力增加，水輪機的運行效率下降。同時在空化的產生和壓縮、膨脹過程中，將產生高頻噪聲和壓力脈動。水輪機中的高頻噪聲將危及運行人員的身心健康，壓力脈動將引起機組的不穩定運行。其次，由于空泡潰滅時產生的壓力沖擊對固體邊壁的剝蝕破壞，即空蝕對水輪機葉片和殼體的破壞作用已成為水輪機損傷的主要原因，空蝕損傷程度已成為水輪機是否進行大修的關鍵參數。當空蝕到一定程度，設備就必須檢修或更換，如果不能及時處理，機組就會出現故障甚至發生事故，給企業造成巨大的損失。另外，因為直接關系到電力系統的運行，水輪機空蝕的潛在危害和影響會更為嚴重，而傳統的用于水輪機組的振動檢測系統無法有效檢測空化空蝕現象。

根據空化空蝕現象的產生機理可以推斷，空泡的瞬間形成和潰滅而產生的沖擊波作用于葉片和管壁，這種沖擊振動的信號必含有高頻的振動成分(聲發射信號)，通過將聲發射傳感器分別固定于尾水管和蝸殼處測定聲發射信號。在水輪機正常運行沒有空化現象產生時，由于水的沖擊和水輪機轉動產生的高頻振動信號很少，聲發射傳感器幾乎沒有響應。在水輪機工況變化發生空化現象時，空化產生的高頻振動沖擊作用于水輪機殼體，通過聲發射傳感器拾取的高頻信號可以分析空化現象的嚴重程度。通過選擇傳感器的安裝位置和安裝數量，可以診斷出水輪機空化產生的位置以及水輪機葉片和殼壁空蝕的位置和嚴重程度等信息，為機組維護人員提供準確、可靠的運行資料，從而實現設備高效、安全的運行及最經濟合理的維護。

技術實現要素：

目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種基于聲發射信號的水輪機組空蝕空化狀態診斷方法。

技術方案：為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為：

一種基于聲發射信號的水輪機組空蝕空化狀態診斷方法，包括如下步驟：

步驟一：設備安裝；

步驟二：信號采集；

步驟三：計算脈沖重復率；

步驟四：計算聲強烈度；

步驟五：繪制工況變化與空化狀態關系曲線圖。

作為優選方案，所述步驟一包括：分別在水輪機組的轉輪外壁、尾水管位置安裝聲發射傳感器、水位傳感器、振動加速度傳感器和拉繩式導葉位移傳感器，并通過信號采集系統統一監控，其中信號采集系統由計算機、隔離器、功率變送器、帶通濾波器和低通濾波器構成。

作為優選方案，所述步驟二包括：通過傳感器收集水輪機組相同工況下的連續頻譜信號，通過多尺度混合形態濾波器濾除信號中無關的諧波成分，然后再對濾波后的信號采用形態閉開的差值濾波處理，得到明顯的周期性沖擊特征。

所述多尺度混合形態濾波器公式為F_OC(f(n))為開－閉濾波器，F_CO(f(n))為開－閉濾波器，f(n)輸入信號序列f(n)為定義在F＝(0,1,…,N-1)上的離散函數。

所述閉開的差值濾波器為f·g(n)為關于g(n)的閉運算，為關于g(n)的開運算，g(n)為結構元素序列g(n)為G＝(0,1…,M-1)上的離散函數。

作為優選方案，所述步驟三包括：對同一穩定工況下的聲發射信號的時域波形圖進行分析，將每周期內聲發射信號根據相位分成36段，計算每段信號內脈沖超過門檻電壓值的次數Ni，如果此次數Ni大于某一設定值N0，則認為這一段信號內有聲發射脈沖事件，記為E(i)＝1，否則E(i)＝0；在一段時間內，即M個周期內，定義脈沖重復率P(i)為：

其中j表示第j個周期，i表示一個周期內第i個段，i＝1，2，...,36；如果P(i)>0.7，則認為聲發射信號是必然出現的，否則認為是隨機出現的。

作為優選方案，所述步驟四包括：對應電性的裂紋故障，聲發射頻率在150KHz左右，因此可以利用如下公式進行重構：

其中：c_j-1,k表示為尺度系數，m表示序列數，k表示序列數，n表示序列數，d_j,n表示為小波系數，h()表示與g()表示正交鏡像濾波器，c_j,m表示尺度系數；

具體為：對波形進行5層小波分解，把波域分0～15.625K，15.625K～31.25K，31.25K～62.5K，62.5K～125K，125K～250K，250K～500KHz 6段，然后對31.25K～62.5K和125K～250K段信號進行重構；

其中125K～250K段重構信號作為空化空蝕發射強度，對此頻段信號進行聲強烈度計算，具體為：首先計算出采樣點中超過門檻值的所有峰值點，計算出所有峰值點的平方的值連線，就得到一條檢波包絡線，然后利用如下公式計算該線和X軸之間的面積就得到一段時間內的總能量：

式中f(n)表示包絡線的函數，自變量n的范圍是0～N，其中N是一次采集的總采樣點個數，T表示采樣周期。

作為優選方案，所述步驟五包括：通過改變水輪機組的工作狀態，所述工作狀態包括：水頭、有功和導葉開度，分別測定不同工況下的空化狀態，并繪制工況變化與空化狀態關系曲線圖。

有益效果：本發明提供的一種基于聲發射信號的水輪機組空蝕空化狀態診斷方法，采用生發射傳感器和振動加速度傳感器相結合的方式，對20KHz以上和20KHz以下的聲波進行檢測，從而能夠系統的評估不同工況下水輪機組的空化狀態和空蝕狀態，而且能夠保障數據采集的連續性和完整性，實用的設備結構簡單，布置方便，檢測精準度高，因此具有很高的實用價值。

附圖說明

圖1為聲發射信號消噪前后比較圖；

圖2為空蝕聲發射的典型時域波形圖；

圖3為空蝕聲發射的典型聲發射頻譜圖；

圖4為本發明檢測裝置的組成結構圖。

圖中：1聲發射傳感器、2功率變送器、3水位傳感器、4拉繩式導葉位移傳感器、5振動加速度傳感器、6低通濾波器、7隔離器、8計算機、9帶通濾波器。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。

請參閱圖1-4，本發明提供一種基于聲發射信號的水輪機組空蝕空化狀態診斷方法，包括如下步驟：

S1：設備安裝：分別在水輪機組的轉輪外壁、尾水管位置安裝聲發射傳感器、水位傳感器、振動加速度傳感器和拉繩式導葉位移傳感器，并通過信號采集系統統一監控，其中信號采集系統由計算機、隔離器、功率變送器、帶通濾波器和低通濾波器構成；

S2：信號采集：通過傳感器收集水輪機組相同工況下的連續頻譜信號，通過多尺度混合形態濾波器濾除信號中無關的諧波成分，然后再對濾波后的信號采用形態閉開的差值濾波處理，得到明顯的周期性沖擊特征，其中采用的濾波公式推導如下：

假設輸入序列f(n)為定義在F＝(0,1,…,N-1)上的離散函數，定義結構元素序列g(n)為G＝(0,1…,M-1)上的離散函數，且N≥M，則f(n)關于g(n)的腐蝕和膨脹分別定義為：

(fΘg)(n)＝min[f(n+m)-g(m)] (1)

m∈0,1,…,M-1

f(n)關于g(n)的開運算和閉運算分別定義為：

為了同時去除信號中的正、負兩種噪聲，通常采用開、閉運算的級聯形式。通過不同順序級聯開、閉運算，得到如下形態開－閉和形

態閉－開濾波器：

對故障信號的降噪處理采用如下的多尺度混合形態濾波器：

為了提取故障信號中的沖擊成分，對降噪后的信號采用形態閉開的差值濾波處理，形態閉開的差值變換具有良好的提取信號沖擊特征的特點，閉開的差值濾波器為：

S3：計算脈沖重復率：對同一穩定工況下的聲發射信號的時域波形圖進行分析，將每周期內聲發射信號根據相位分成36段，計算每段信號內脈沖超過門檻電壓值的次數Ni，如果此次數Ni大于某一設定值N0，則認為這一段信號內有聲發射脈沖事件，記為E(i)＝1，否則E(i)＝0；在一段時間內，即M個周期內，我們定義脈沖重復率P(i)為：

其中j表示第j個周期，i表示一個周期內第i個段，i＝1,2,...,36

如果P(i)>0.7，則認為聲發射信號是必然出現的，否則認為是隨機出現的；

S4：計算聲強烈度：對應電性的裂紋故障，聲發射頻率在150KHz左右，因此可以利用如下公式進行重構：

其中：c_j-1,k表示為尺度系數，m表示序列數，k表示序列數，n表示序列數，d_j,n表示為小波系數，h()表示與g()表示正交鏡像濾波器，c_j,m表示尺度系數；

具體為：對波形進行5層小波分解，把波域分0～15.625K，15.625K～31.25K，31.25K～62.5K，62.5K～125K，125K～250K，250K～500KHz 6段，然后對31.25K～62.5K和125K～250K段信號進行重構。

其中125K～250K段重構信號作為空化空蝕發射強度，對此頻段信號進行聲強烈度計算，具體為：首先計算出采樣點中超過門檻值的所有峰值點，計算出所有峰值點的平方的值連線，就得到一條檢波包絡線，然后利用如下公式計算該線和X軸之間的面積就得到一段時間內的總能量：

式中f(n)表示包絡線的函數，自變量n的范圍是0～N，其中N是一次采集的總采樣點個數，T表示采樣周期；

S5：繪制：通過改變水輪機組的工作狀態，水頭、有功和導葉開度等參數，分別測定不同工況下的空化狀態，并繪制工況變化與空化狀態關系曲線圖。

本發明采用生發射傳感器和振動加速度傳感器相結合的方式，對20KHz以上和20KHz以下的聲波進行檢測，從而能夠系統的評估不同工況下水輪機組的空化狀態和空蝕狀態，而且能夠保障數據采集的連續性和完整性，實用的設備結構簡單，布置方便，檢測精準度高，因此具有很高的實用價值。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。