空化對軸流式水輪機(jī)尾水管壓力脈動和轉(zhuǎn)輪振動的影響
摘要:研究空化對軸流式水輪機(jī)尾水管壓力脈動和轉(zhuǎn)輪振動的影響規(guī)律,可為改善軸流式水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性提供理論依據(jù)。該研究構(gòu)建了包含高速攝像、激光測振儀(LaserDopplerVibrometer,LDV)及高頻壓力脈動傳感器的同步測試系統(tǒng),并通過該系統(tǒng)獲得了變空化系數(shù)下軸流式水輪機(jī)壓力脈動數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)輪徑向振動數(shù)據(jù)及空化圖像資料。綜合變分模態(tài)分解(VariationalModeDecomposition,VMD)、頻譜分析以及互相關(guān)分析法,揭示了空化對軸流式轉(zhuǎn)輪振動和尾水管壓力脈動的影響規(guī)律。結(jié)果表明:進(jìn)入空化發(fā)展階段后,尾水管錐管上的壓力脈動幅值與轉(zhuǎn)輪徑向振動幅值會隨空化程度的增加而提高;針對該研究的軸流式水輪機(jī)模型,轉(zhuǎn)輪完全空化后,壓力脈動峰峰值和轉(zhuǎn)輪徑向振動速度峰峰值是無空化時的9.16和10.12倍;空化所導(dǎo)致的轉(zhuǎn)輪徑向振動速度信號的中高頻幅值提升局限于12.0~200.0倍轉(zhuǎn)頻的頻率范圍內(nèi);空化程度的增加還會導(dǎo)致壓力脈動出現(xiàn)高頻能量局部極值遷移現(xiàn)象,增加了其誘發(fā)機(jī)組共振的可能性。該研究對提升農(nóng)業(yè)水利工程中軸流式水電站的經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行穩(wěn)定性有重要意義。
關(guān)鍵詞:水力發(fā)電;軸流式水輪機(jī);空化;壓力脈動;轉(zhuǎn)輪徑向振動;信號處理;頻域分析
0引言
目前,經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)良、可開發(fā)性好的中高水頭水能資源已基本開發(fā)完畢,低水頭水能資源是未來水電開發(fā)的重點(diǎn)方向之一。軸流式水輪機(jī)是進(jìn)行低水頭水能資源開發(fā)的兩大主力機(jī)型之一,其性能的優(yōu)劣直接影響著水能資源的轉(zhuǎn)換效率[1-2]。軸流式水輪機(jī)的主要應(yīng)用限制在于空化造成的轉(zhuǎn)輪空蝕破壞及水輪機(jī)穩(wěn)定性劣變。振動和壓力脈動是反映水輪機(jī)穩(wěn)定性的常用指標(biāo),空化通過惡化壓力脈動和振動來影響軸流式水輪機(jī)的穩(wěn)定性,所以開展空化對軸流式水輪機(jī)壓力脈動和轉(zhuǎn)輪振動的影響規(guī)律研究對軸流式水輪機(jī)穩(wěn)定性的優(yōu)化有重要意義。
1材料與方法
1.1試驗(yàn)裝置和測試方法
構(gòu)建包含高速攝像組件、LDV及高頻壓力脈動傳感器的同步測試系統(tǒng),并采用該同步測試系統(tǒng)對某4葉片軸流式水輪機(jī)模型進(jìn)行測試。該軸流式水輪機(jī)模型對應(yīng)的真機(jī)額定水頭為14.83m,參數(shù)如表1所示。
本文中的軸流式水輪機(jī)模型試驗(yàn)于浙江富安水力機(jī)械研究所滿足IEC60193測試要求的高精度水力機(jī)械試驗(yàn)臺上完成。根據(jù)水輪機(jī)試驗(yàn)臺流量計(jì)的誤差為±0.150%FS,差壓變送器測量水頭的誤差為±0.080%FS,測功機(jī)測力矩的誤差為±0.075%FS,轉(zhuǎn)速傳感器的誤差為±0.003‰FS,可得效率測試的系統(tǒng)誤差為±0.191%。由系統(tǒng)誤差與效率測試的隨機(jī)誤差±0.035%可得水輪機(jī)模型效率最終測試的綜合誤差為±0.194%。水輪機(jī)模型試驗(yàn)系統(tǒng)圖如圖1所示。
1.2變分模態(tài)分解算法理論
獲取非平穩(wěn)時序信號不同成分的分解方法較多,如小波分解、經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EmpiricalModeDecomposition,EMD)以及EMD的改進(jìn)型算法等。其中,EMD及其改進(jìn)型算法是使用較多的分解算法,但它們?nèi)栽谝欢ǔ潭壬洗嬖谀B(tài)混疊、邊界效應(yīng)等問題。為解決上述問題,本文采用變分模態(tài)分解算法(VMD)對采集到的信號數(shù)據(jù)進(jìn)行分解。VMD算法將信號數(shù)據(jù)的分解約束到變分框架內(nèi),通過構(gòu)造并求解約束變分問題實(shí)現(xiàn)原始信號的分解[21-22]。這種方法的優(yōu)勢在于其采用了完全非遞歸的處理策略,相比于EMD類算法的遞歸模式分解策略,能有效抑制或完全避免模態(tài)混疊、邊界效應(yīng)等問題。
2結(jié)果與分析
2.1壓力脈動與徑向振動的時域特性
2.1.1壓力脈動數(shù)據(jù)的時域分析通過高速攝影圖像分析,轉(zhuǎn)輪的空化過程可分為無空化、空化初生、空化發(fā)展和完全空化4個階段。限于篇幅,在圖5中針對轉(zhuǎn)輪空化的4個階段分別給出對應(yīng)的空化圖像,圖6中則給出了代表性σ下的壓力脈動時域信號波形圖(單個傳感器)。
2.1.2轉(zhuǎn)輪徑向振動數(shù)據(jù)的時域分析不同空化階段下軸流式轉(zhuǎn)輪的徑向振動速度信號如圖7所示。從圖中可以看出,隨著空化系數(shù)的降低,振動速度信號的幅值隨之增大,當(dāng)空化系數(shù)σ達(dá)到0.63時,振動速度幅值的均方根值達(dá)到最大值1.36mm/s。將圖6與圖7進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn),壓力脈動與振動速度信號的幅值變化趨勢基本一致。將壓力脈動峰峰值?Cp與轉(zhuǎn)輪徑向振動速度的峰峰值隨σ的變化曲線進(jìn)行比較,如圖8所示。
2.2壓力脈動與徑向振動的頻域特性
基于VMD算法和去趨勢互相關(guān)分析技術(shù),本文將測得的壓力脈動信號和轉(zhuǎn)輪徑向振動速度信號進(jìn)行降噪并提取主成分,然后再進(jìn)行頻譜分析。VMD算法中的K值經(jīng)對比篩選后取7。限于篇幅,下面只以完全空化工況(σ=0.63)下的壓力脈動信號為例展示主成分提取過程的中間結(jié)果。圖10為分解該工況下壓力脈動信號得到的固有模態(tài)函數(shù)(IntrinsicModeFunction,IMF)分量圖。由圖10可知,信號分解后得到的各固有模態(tài)分量的振幅差異表明各固有模態(tài)分量的能量也存在區(qū)別。為了獲取信號中的主要成分,采用本文第1.3節(jié)中的去趨勢互相關(guān)分析技術(shù)計(jì)算各IMF分量與原始信號的互相關(guān)系數(shù)ρDCCA,ρDCCA值最高的IMF分量即被選擇作為主成分。在圖10中,經(jīng)計(jì)算得到ρDCCA值最大的分量為IMF1,所以選擇IMF1作為該信號的主分量。采用同樣方法獲得圖6中不同σ下的壓力脈動信號主成分時域波形圖,并分別進(jìn)行快速傅里葉變換,最終得到不同σ下的壓力脈動信號主成分頻域圖如圖11所示。
2.3壓力脈動與徑向振動的能量分布
為了詳細(xì)分析原始壓力脈動和轉(zhuǎn)輪徑向振動速度信號在整個頻段的能量,通過巴塞伐爾(Parseval)定理計(jì)算獲得了2種信號在不同σ下的能量譜。由于不同頻率成分的信號能量差異大,所以縱坐標(biāo)采用對數(shù)坐標(biāo)。此外,為了便于表示壓力脈動信號的能量,計(jì)算能量譜時壓力脈動的幅值不做無量綱化處理,采用實(shí)測脈動壓力幅值進(jìn)行計(jì)算。壓力脈動和轉(zhuǎn)輪徑向振動速度測試數(shù)據(jù)的能量譜如圖13所示。綜觀圖13可知,不管是壓力脈動還是轉(zhuǎn)輪的徑向振動,隨著σ的下降,高頻段(f/fn>50)能量提高。此外,在壓力脈動信號能量譜圖(圖13a)中可以發(fā)現(xiàn),隨著σ的降低,高頻段的局部能量極值發(fā)生了朝低頻區(qū)域遷移的現(xiàn)象,從而導(dǎo)致空化以后的壓力脈動低頻區(qū)域能量明顯提高。聯(lián)合圖5中不同σ下的轉(zhuǎn)輪空化形態(tài)圖像以及陳廣豪[31]揭示的空化形態(tài)演變與壁面壓力脈動頻幅特性間關(guān)聯(lián)關(guān)系可知,σ的下降使得轉(zhuǎn)輪上的空化形態(tài)由小尺度稀疏泡狀空化(空化初生)向云狀空化與大尺度空泡混合的復(fù)雜形態(tài)(完全空化)進(jìn)行演變,空化形態(tài)的演變不斷導(dǎo)致壁面壓力脈動的低頻能量成分增強(qiáng),進(jìn)而使不同σ下的壓力脈動信號在能量譜圖上表現(xiàn)出高頻段的局部能量極值向低頻區(qū)域遷移的現(xiàn)象。大型水輪發(fā)電機(jī)組的共振頻率都是低頻,尾水管壓力脈動的這種高頻能量局部極值遷移現(xiàn)象提高了誘發(fā)機(jī)組共振的可能性,增加了機(jī)組運(yùn)行的不確定性。而根據(jù)圖13b可知,轉(zhuǎn)輪的徑向振動速度信號則沒有這種現(xiàn)象。
3結(jié)論
本文采集了不同空化工況下的軸流式水輪機(jī)尾水管壓力脈動和轉(zhuǎn)輪徑向振動數(shù)據(jù),并對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,主要結(jié)論如下:1)轉(zhuǎn)輪空化發(fā)生后,隨著空化系數(shù)的下降,尾水管錐管上的壓力脈動與轉(zhuǎn)輪徑向振動速度峰峰值的增長率呈明顯的非線性變化規(guī)律??栈浞职l(fā)展以后,錐管上的壓力脈動與轉(zhuǎn)輪徑向振動速度峰峰值會出現(xiàn)陡增,分別達(dá)到了無空化時的9.16和10.12倍。
2)轉(zhuǎn)輪空化程度的增加使得尾水管錐管上的壓力脈動主頻發(fā)展為葉片通頻,但對轉(zhuǎn)輪徑向振動速度的主頻影響較小。空化程度的增加會致使轉(zhuǎn)輪徑向振動信號中12~200倍轉(zhuǎn)頻范圍內(nèi)的振動幅值明顯增加。
3)空化系數(shù)的降低會導(dǎo)致尾水管錐管壓力脈動產(chǎn)生高頻能量局部極值遷移現(xiàn)象,從而提升壓力脈動低頻區(qū)域的能量,增加引發(fā)機(jī)組共振的可能性,而轉(zhuǎn)輪的徑向振動速度則無此特性。
[參考文獻(xiàn)]
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朱國俊1,李康1,馮建軍1,2※,羅興锜1,2
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