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水轮机空化的多维监测革新
B．巴吉克[卢森堡];马小俊（译）;刘忆瑛（校）
【期刊名称】《水利水电快报》
【年(卷),期】2005(026)018
【摘要】空化监测的内容比读取总空化强度多得多.以2台48 MW混流式水轮机为实例,说明了用多维技术提供的诊断信息,将其与较简单的方法作比较,对模型试验的作用和厂内空化监测进行了对比.
【总页数】3页(P13-14,17)
【作者】B．巴吉克[卢森堡];马小俊（译）;刘忆瑛（校）
【作者单位】无
【正文语种】中文
【中图分类】TV131.32;TV730.1
【相关文献】
1.水轮机空化的超声监测技术研究 [J], 田浩;于石生
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3.基于振动技术的水轮机空化监测系统开发 [J], 熊妍;屈波;霍志红;邓力
4.水泵与水轮机空化状态监测与诊断的研究进展 [J], 徐朝晖;徐东海;吴玉林;陈乃祥;陈仁
5.轴流转桨式水轮机空化振动监测的试验研究 [J], 占梁梁;张勇传;周建中;彭玉成;张克危
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浅谈水轮机的空化和空蚀技术报告——浅谈水轮机的空化和空蚀水轮机在运行中存在四大问题：动能指标（流量、出力、转速）、效率、空化性能、稳定性。
在上述问题中，空化、空蚀被喻为水轮机的“癌症”。
所以在水电厂水轮机运行生产过程中空化、空蚀是一个必须注意和避免的问题，我们必须了解其物理性质，然后找到避免和处理的方法。
空化是一种液体现象，固体或气体都不会发生空化。
当液体温度一定时，降低压力到某一临界压力时，液体也会汽化或溶解于液体中的空气发育成空穴，这种现象称为空化。
沸腾也是一种汽化，但沸腾是液体在衡定压力下加热，液体温度高于某一温度时发生的汽化，与空化不同之处就在于沸腾主要是热能交换的过程，而空化可近似看作是一个冷过程。
空化包括了空穴的出生、发育和溃灭。
当液体的压力降到某一临界值时，液体中便会产生空穴，这些空穴进入压力较低区域时，就开始发育成较大的气泡，气泡被流体带到高于压力临界值的区域时就会溃灭。
在空化区，空泡的不断产生又不断溃灭过程中，将产生高频高压的微观水击，由于高频高压的水击直接作用于过流表面，形成机械破坏，长期反复作用形成疲劳破坏。
同时空泡在溃灭时产生高温（可达到300—500摄氏度），与周围介质形成温差，产生温差电势，造成电化学腐蚀，而高温作用下产生氧，并增加其他有害气体的活性，产生腐蚀。
由于以上几种因素的联合作用，加快了过流表面的腐蚀破坏，这就是空蚀。
空蚀是空化的直接结果，空蚀只发生在固体表面。
由以上分析我们知道空化、空蚀的根本原因是水轮机自身产生的低压造成的。
而液体在混流式机组过流管道中低压的形成主要有：1)、翼型绕流：当水流绕流水轮机翼型叶片时，叶片背面的压力往往为负压，当叶片背面压力降低到环境汽化压力以下时，将会出现空化区空蚀水轮机叶片，对水轮机叶片造成破坏，即翼型空蚀。
2）、狭小空隙：当水流流过混流式机组导叶上下断面、立面密封、迷宫环等狭小通道或间隙时，将会导致局部流速升高，压力降低，当压力降低到环境汽化压力以下时，同样会产生空化区，空蚀导叶、叶片等，即间隙空蚀。
水轮发电机空气间隙状态监测系统的研究和应用重庆大学工程硕士学位论文学生姓名：吴洪飞指导教师：熊兰教授专业：电气工程学科门类：工学重庆大学电气工程学院二〇一三年九月Research and Practical Application for Air Gap On-line Monitoring System ofHydro-GeneratorA Thesis for Master of Engineering Dissertationof Chongqing UniversitybyWu HongfeiSupervised by Prof. Xiong LanSpecialty: Electrical EngineeringCollege of Electrical Engineering of Chongqing University,Chongqing, ChinaSem. 2013摘要随着水电事业的发展，水轮发电机组的容量和尺寸不断增大，其运行稳定性倍受关注，水轮发电机组的状态监测与诊断也成为当今世界普遍关注的研究课题。
同时，为适应市场要求，发电企业对设备可靠性和检修质量及成本等方面提出了更高要求。
虽然随着设计、制造、安装技术的进步和发展，设备的可靠性得到了进一步提高，但也增加了故障判断、检修的难度。
因此，自然要求由原有“定期检修”的模式向基于设备状态监测和诊断分析的最优周期性检修模式（诊断检修，PDEM）转变。
鉴于三峡电站在我国水电行业的特殊地位，有必要建设三峡电站的状态监测与故障诊断系统，为推行新的检修管理模式进行有益的尝试和探索。
本文正是针对这样的一个实际需要，结合三峡电站主设备状态监测与故障诊断系统项目，着重介绍三峡电站水轮发电机气隙监测分析系统的现状及应用，为探索由基于时间的计划维修策略即“定期检修”的模式，向基于设备状态监测和诊断分析的诊断检修模式(PDEM)逐步过渡提供设备和技术保障。
水轮发动机的自动化监测与诊断系统引言水轮发动机是一种重要的机械设备，广泛应用于水力发电领域。
然而，由于长期运行和环境因素等原因，水轮发动机容易出现各种故障，这些故障可能会导致设备损坏、生产能力下降甚至造成安全事故。
因此，建立一套自动化监测与诊断系统对于维护水轮发动机的稳定运行至关重要。
一、自动化监测系统的设计与构成自动化监测系统由数据采集模块、数据传输模块、数据处理模块和故障诊断模块组成。
数据采集模块通过传感器实时采集水轮发动机运行参数，如转速、温度、压力等。
数据传输模块将采集的数据传输至数据处理模块，数据处理模块利用先进的算法对数据进行处理和分析。
故障诊断模块通过对数据的监测和分析，实现对水轮发动机状态的实时监测及故障的自动诊断。
二、自动化监测系统的功能与优势1. 实时监测功能：监测系统能够实时采集水轮发动机运行数据，实现对设备状态的全方位监测，及时发现异常情况。
2. 故障预警功能：监测系统能够通过数据分析，实现对水轮发动机未来可能发生故障的预判，并进行预警提示，帮助维护人员预防性地采取措施。
3. 自动诊断功能：监测系统能够基于数据分析，自动诊断出水轮发动机故障的类型及位置，提供维修人员更为具体的故障信息，有助于快速、准确地进行故障排除。
4. 故障历史记录功能：监测系统能够记录水轮发动机的运行数据和故障发生情况，形成完整的故障历史记录，为设备维护提供重要依据。
三、自动化监测系统在实际应用中的效果多家水电站在运用自动化监测系统后，取得了显著的效果。
通过实时监测、预警和自动诊断功能，成功避免了许多潜在故障，提高了水轮发动机的可靠性和运行效率。
在故障发生时，监测系统的自动诊断能力极大地减少了维护人员的排查时间，迅速定位和解决问题，减少了设备维护的成本和时间。
结论水轮发动机的自动化监测与诊断系统是提升水力发电设备运行可靠性和安全性的关键手段。
随着科技的不断发展，基于大数据和人工智能技术的自动化监测与诊断系统将迎来更广阔的应用前景，为水轮发动机的安全稳定运行提供更为有力的支持。
石泉水电站机组在线监测系统技术方案目录1 总则说明 (1)2 测点配置 (1)2.1 振动摆度测点 (1)2.2 压力脉动测点 (1)2.3 发电机空气间隙测点 (2)2.4 能量效率测点 (2)2.5 机组工况参数监测 (2)2.6 其他参数监测 (3)2.7 建议配置参数列表 (3)3 系统构成 (5)4 设备配置 (1)4.1 传感器 (1)4.1.1 传感器选型总表 (1)4.1.2 键相和摆度传感器 (1)4.1.3振动传感器 (1)4.1.4 轴向位移传感器 (3)4.1.5 绝对压力变送器 (3)4.2 数据采集站 (4)4.2.1 数据采集站设备配置 (4)4.2.2 TN8000数据采集箱 (4)4.2.4 TN8016传感器供电电源 (7)4.2.5 工业液晶显示器 (7)4.3 上位机设备及其它外设 (9)4.3.1 状态数据服务器 (9)4.3.2 WEB服务器 (10)4.3.3 打印机 (10)4.3.4 网络设备 (10)4.3.5 时钟接收和时钟同步系统 (10)5 系统功能 (11)5.1 振动摆度监测分析 (11)5.1.1 实时监测 (11)5.1.2 稳态数据分析 (11)5.1.3 过渡过程数据分析 (11)5.2 压力脉动监测分析 (12)5.3 能量特性监测分析 (12)5.4 基于工况的报警和预警功能 (12)5.5 数据管理和事故追忆 (13)5.6 故障诊断专家系统 (15)5.7 性能试验 (16)5.7.1 甩负荷试验 (16)5.7.2 启停机试验 (16)5.7.3 变负荷试验 (16)5.7.4 动平衡试验 (17)5.7.5 盘车试验 (17)5.7.6 效率试验 (17)5.7.7 不稳定负荷区试验 (17)5.8 性能评估 (18)5.9 运行支持系统 (19)5.9.1实时报警信息 (19)5.9.2 事件处理平台 (19)5.9.3 优化运行 (19)5.9.4 运行工况统计与累计运行时间 (19)5.10 检修支持系统 (19)5.10.1 检修评价与量化分析 (20)5.10.2 定期状态评价与故障巡检 (21)5.10.3 故障分析诊断 (21)5.11 状态报告自动制作 (21)5.12 远程分析与诊断 (23)5.13 Web化方式监测 (23)5.14 数据通讯功能 (23)5.15 GPS对时功能 (23)5.16 系统其他功能 (24)6 机组在线监测系统和其他系统的连接方式 (24)6.1 机组在线监测系统与计算机监控系统的连接 (24)6.2 机组在线监测系统与时钟同步系统的连接 (24)6.3 机组在线监测系统与MIS系统的连接 (25)7 设备配置清单 (26)8 费用概算 (29)石泉水电站机组在线监测系统技术方案1 总则说明本技术方案是专为石泉水电站所作，涉及机组在线监测系统的测点选择、传感器选型、设备配置、系统结构、系统功能等等。
水轮机的空化与空蚀作者：李欣来源：《科技创新与应用》2016年第14期摘要：空化与空蚀现象在水轮机中非常常见，会造成水轮机的叶片磨蚀损坏，导致水轮机的性能与经济效益下降，改善空化与空蚀现象需要制造工艺水平的提升与设计的改善，超空化水轮机的空化、空蚀大大降低，但是它的实用化仍旧有很长的路要走。
关键词：空化；空蚀；原理；种类；危害；降低空蚀的措施；超空化水轮机中存在的空化、空蚀现象会对水轮机的性能产生不利的影响，因此在设计运行时要尽可能地避免，并将空化、空蚀对水轮机的性能的不利影响降到最低。
空化现象指的是水轮机流道中局部压力降至临界压力时，水中气核慢慢成长为气泡，气泡将液体中的蒸气和溶液中析出的气体包裹起来。
当进入压力较低的区域时，气泡则会逐渐长大，当气泡随水流运动到压力较高的区域时，在高压的作用下会迅速凝缩溃灭。
因此，空化是指气泡从集聚、流动、分裂到溃灭的这一过程。
空化现象不仅发生在液体内部，也会出现在固体边界上。
空蚀指的是由于空泡的溃灭所引发的过流表面金属材料的损坏。
空泡在溃灭的过程中伴随着机械、电化、热力、化学等过程的作用。
空化、空蚀会导致水轮机的性能下降，水轮机的过流部件表面会遭到损坏，甚至会使金属材料的局部发生脱落。
发生空蚀的主要原因是空泡溃灭所产生的机械作用，包括冲击波模式和射流模式两种。
通过对空蚀现象的观察，我们会发现空蚀在边界上分布并不均匀，而是集中在某些位置。
当第一个蚀坑形成后，在一定的条件下，它的发展速度要比其它的地方快，蚀坑越来越大、越来越深，最后将导致材料破碎而被水冲走。
除此之外，也可以用热力学和电化作用来解释空蚀现象。
空蚀产生的原因十分复杂，它在多重作用下发生，并且与化学腐蚀、泥沙磨损等相互促进，使得材料被进一步破坏。
水轮机按空化与空蚀发生的部位不同可以分为翼型空蚀、间隙空蚀、局部空蚀和空腔空蚀。
翼型空蚀是反击式水轮机的主要空蚀类型，在叶片的不同部位都有可能会出现空蚀区，转轮型号及运行工况都会影响到空蚀区的发展。
1.空化机理
“气核理论”——液体中存在着微笑的汽泡（称为核子），这些核子使液体的抗拉强度降低；当液体的压强低于汽化压强时，这些核子迅速膨胀形成气泡，从而导致空化发生。
空化过程——空化是一种物理变化过程，涉及汽泡的产生、生长、破裂、反弹的全过程；在水温不变的条件下，当液体内部压力降低到某一限度时，即该温度下液体的汽化压力时，液体本体将发生破坏，在局部以气核为中心形成汽泡，这些汽泡随着液体向前流动，至某高压处时，汽泡周围的高压液体压缩汽泡，使汽泡急剧缩小以致破裂。
空化机理——在水轮机中，当水流过过流部件时，由于绕流叶片局部脱落、水流急剧拐弯等原因，在相应的部位都会引起流速过大而使压力降低。
如果压力降低到该温度下的汽化压力时，一方面由于水的汽化产生了水蒸气的汽泡；另一方面水中溶解的一部分空气也会随着压力降低而被释放出来，这样就形成了水蒸气和空气混合的膨胀空泡。
这些膨胀的空泡如果被带到高压区，空泡中的水蒸气会凝结成水珠，体积突然缩小，于是周围的高压水流质点就高速的向汽泡中心冲击，产生巨大的微观水锤压力（有时可以达到几百个大气压）。
在微观水锤的作用下，空泡中的空气被压缩（或者直接溃灭破裂为数个小气泡），直到空泡的大气弹性压力大于水锤压力时，才停止压缩，紧接着空泡由于反作用力而瞬间膨胀，又会发育成新的空泡。
2.空蚀机理
空蚀是一种微观、瞬时、随机、多相、缓慢而连续的复杂现象，由多种因素共同造成，主要是空泡溃灭时产生巨大压力冲击的结果。
空蚀机理——包括：机械破坏、热力学损坏、电化学损坏。
机械破坏：空化过程中，空泡形成和压缩（或溃灭）的过程，每秒近千万次。
发生在固体边壁附近空泡溃灭，会形成指向边壁的高速射水流。
此外，空化过程中北压缩的空泡反向膨胀时，会产生冲击波，反向膨胀越大冲击波越强，这也是是边壁产生塑性变形的一种作用力。
长期连续的机械冲击作用便会导致金属剥蚀。
热力学损坏：当高速运动的空泡受压后，空泡迅速被压缩而辐射出大量的热量，产生高温，以使金属融化，造成损坏。
电化学损坏：空泡溃灭的冲击力是金属表面形成热电偶，致使金属电解，使金属材料受到侵蚀。
2.空化过程产生声信号
水轮机空化引起的声信号属于水动力学声信号，既有可闻听（20KHz以下）的噪声部分，也有超声（20KHz以上）部分，属于宽带信号。
产生声信号的声源主要有两种：
●空泡溃灭产生冲击、辐射声信号。
空泡溃灭时会产生类似鹅卵石的击打声，形成冲
击波，课件空化信号声信号为许多爆发的离散脉冲综合，表现为连续宽带谱特性。
●空泡按其固有频率进行脉动辐射声信号。
由于空泡大小不一，其固有频率也不同，
其频率范围决定于空泡的半径大小的概率分布，因此辐射源包括的频率范围很宽。
空化在不同的发展阶段，其辐射声信号强度和频谱特征是不同的，主要分布在0~400KHz 的频率范围内。
整个过程中均伴有超声波信号，尤其是在空化初生阶段，空泡体积较小，空化超声波信号占主导地位；而当大规模空化空蚀发生时，空泡体积变大，信号频率下降，以致于人耳觉察到空泡溃灭的噼啪声，并对水轮机过流部件产生较大的冲击，使机组伴有强烈的振动。
在实际问题中，空泡总是以群体的形式出现，对于空泡群的溃灭主要有以下几种模型：（1）单个空泡溃灭的冲击波叠加成一个单个的高强度的破坏性冲击波；
（2）多个空泡同时发生可以咩构成一个巨大的冲击波；
（3）基于能量传递的观点，溃灭的空泡将能量传递给未破灭的，外部空泡的破灭导致其周围局部压力增加，这个压力使其内部空泡破灭，因此，单个空泡的潜在
破坏性或溃灭压力沿空化群中心逐渐增加。
第三种模型能够更好的描述空泡群的溃灭，随着空化的发展，空化数量的增加，溃灭速度加快，冲击强度增大，空化声信号的强度也随之增强，因此，空化程度与声波压强存在内在联系。
4.空化在线监测方法
目前的空化监测方法主要是基于空化的外部表征展开的，如尾水压力脉动、机组振动、噪声监测、超声波监测等。
空化噪声监测法：水轮机空化是由水中空气核子在低于汽化压力的条件下膨胀直至破灭所致，在这个过程中，空穴周围的介质必然要填充空穴溃灭后的空间而形成高速的微射水流。
这种微射水流作用到金属表面，较大的冲击力，使其产生疲劳破坏，形成空蚀，同时会使机组振动增强，并产生类似于鹅卵石击打壁面的声音。
目前，空化噪声通常采用振动加速度计
或身压计进行监测，主要检测20Hz~20KHz之间可听闻空化噪声进行现场监测。
考虑到电厂的特殊工作环境，传感器附近的随机背景噪声、设备运转的声音、水电机组因叶片转动、等均会对声压计产生较大的影响，是的用空化噪声法判断水轮机空化发展状态就变得十分困难；水听器测量法中，存在传感器安装不方便，对设备运行噪声安全隐患等问题。
从而采用加速度计进行水轮机空化在线监测，加速度计抗干扰能力强，安装方便，对高频空化信号的频率响应特性好，有关研究表明，水轮机空化信号在这一段内的特征频谱一般在4KHz~10KHz之间，可见，加速度计更适合于水轮机空化在线监测。
空化超声波监测法：它是根据空蚀空泡溃灭所产生的超声波强度来判断起始发展的程度。
有关研究表明，空泡在固体表面溃灭时，像在弹性物体上溃灭一样，产生振动，其脉冲持续时间很短，而频谱很宽，可达数兆赫兹，同样的空泡在液流中溃灭时，脉冲持续时间显著增长，而频谱变窄，此时，空化辐射出的超声波信号主要分布在90KHz -140KHz 的频率范围内。
为了对空化过程中辐射的超声波信号进行监测，可采用声发射传感器或称超声波传感器，该传感器的监测频带较宽，30 KHz-500 KHz，这个频段很难有机械振动等低频声源产生，可以说是主要由空化产生，避免了背景噪声的干扰。
并且该传感器的安装及更换方便，不会对设备的运行造成任何影响。
由于空化初生阶段空泡半径很小，主要产生超声波信号，因此超声波监测能够及早的发现空化现像的产生。
综上所述，这种机遇声波探测的水轮机空化在线加测方法具有以下优点：
●监测频带宽：有利于及早发现空化，能够反映空化发展程度；
●可靠性高：包括两方面——一是传感器抗干扰能力强，信号可靠性高；二是传感器
安装采用无损安装方式，不会给机组运行带来安全隐患。
●实时性好：在机组运行状态下，便可进行传感器安装于更换，避免因传感器更换不
及时噪声监测中断现象，从而导致监测实时性降低。
5.水轮机超声波信号检测及标定实验
隔河岩电厂与10月27、28号进行3#机组开始实验，借此机会对3#水轮机空化超声波信号进行检测与标定。
超声波信号的检测，目的在于检查是否能检测到超声波信号。
现场实验电路如下图所示：
图1 现场实验示意图
探头 前置放大器
信号调理板 线性电源 示波器。
