确定模型水轮机转轮叶片空蚀起始点的方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局*CN103149276A*(12)发明专利申请(10)申请公布号(10)申请公布号CNCN103149276103149276A(43)申请公布日2013.06.12(21)申请号201310066715.2(22)申请日2013.03.04(71)申请人哈尔滨电机厂有限责任公司地址150040黑龙江省哈尔滨市香坊区三大动力路99号哈尔滨电机厂有限责任公司技术管理部(72)发明人赵越刘智良郭全宝陈金霞刘登峰郭彦峰(51)Int.Cl.G01N29/04(2006.01)权权利要求书3页利要求书3页说明书7页说明书7页附图3页附图3页(54)发明名称确定模型水轮机转轮叶片空蚀起始点的方法(57)摘要一种根据空化噪声能量分布梯度比例确定模型水轮机转轮叶片初生空化的自动化方法，涉及模型水轮机转轮叶片初生空化自动化甄别与自动化测试领域。其特征在于，通过分析空化噪声高低频能量分布梯度比随空化系数的变化趋势从而客观、准确地判断模型水轮机转轮叶片初生空化合何时发生。在采集到水轮机转轮的空化噪声信号后，通过分段函数曲线拟合定量划分空化噪声低频能量与高频能量，根据能量分布趋势，令拟合曲线斜率近似代替高、低频能量变化的梯度，当该比值出现局部最小值时，此最小值对应的水轮机空化系数即为初生空化系数。该发明首次提出了一种全新的模型水轮机空化试验方法，完成了水轮机初生空化从人工甄别到自动化测试的质的飞越。CN103149276ACN10349276ACN103149276A权利要求书1/3页1.一种确定模型水轮机转轮叶片空蚀起始点的方法，其特征是：1）启动计算机系统；2）使模型水轮机处于尚未发生空蚀的状态；3）保持模型水轮机运行工况稳定，对水声信号进行采集；4）计算水轮机水声信号的功率谱，具体方法如下：首先，对水声信号进行采样量化与编码，形成采样后的时间序列，采用汉宁（Hanning）窗函数W(n)对采样序列s(n)进行截取，那么加窗后的时间序列x(n)为：x(n)=s(n)W(n)其中x(n)进行截取后的主值序列s(n)进行采样后的时间序列W(n)汉宁（Hanning）窗函数经截取处理的时间序列再经过傅立叶变换得到频谱：式中X(k)对x(n)进行傅立叶变换后的频谱函数其共轭为X*(k)X(k)的共轭频谱函数则时间序列s(n)的功率谱离散值为Sxx功率谱的离散值Δt等时采样时间间隔由于功率谱计算具有对称性的特点，输出功率谱线正负谐波关于奈奎斯特（Nyquist）采样频率对称。因此，在计算完功率谱之后，采用单边输出的方式，去掉负谐波；5）确定水声功率谱中高低频能量交界处的频率值，具体方法如下：在水轮机水声信号的功率谱中，幅值的变化趋势是连续的，且低频区域呈现出随着水声频率的升高幅值陡降的趋势，而在高频区域幅值随着水声频率的升高而降低的幅度则要小得多，低频区域与高频区域之间存在着一个明显的交界点，将水轮机水声信号的功率谱中高低频区域幅值随水声频率的变化趋势用采用最小二乘法拟合的一次分段函数来拟合，则偏差平方和最小的一次分段函数的交点xm即为水声功率谱中一次分段函数的交界点；一次分段函数可表示为：式中：一次分段函数2CN103149276A权利要求书2/3页xm一次分段函数的交点k0、k1一次分段函数中一次项的系数；b0、b1一次分段函数中常数项；令每一测量数据(xi，yi)对拟合曲线的偏差为Vi，则有即：假设xi≤xm时有n1个测量数据，xi>xm时有n2个测量数据，即n1+n2=N，则偏差的平方和Qi为：令即可确定一次分段函数和偏差的平方和Qi；在区间(x0,xn-1)内，以xm=x0+ih递增方式计算不同xm时的Qi值（i＝1，2，…，N-1。h为频率分辨率），其中最小Qi值所对应的xm值即为水声功率谱中一次分段函数的交界点频率；6）确定水声功率谱中低频区域和高频区域能量梯度及及其比例关系，具体方法如下：水声功率谱中低频能量梯度值水声功率谱中高频能量梯度值则水声功率谱中低频能量与高频能量梯度比例:7）确定模型水轮机转轮叶片空蚀起始点的空化系数，在发生空蚀之前，随着空化系数的减小，水声功率谱高低频能量梯度比呈现出单调下降的趋势；空化发生后，随着空化系数的减小，水声功率谱高低频能量梯度比呈现出单调上升的规律性；仅仅在空蚀起始点附近,水声功率谱高低频能量梯度比随空化系数的变化曲线出现了局部最小值，且该邻域U(σi)内梯度比值最小值所对应的位置即为空蚀起始点的位置，具体判定方法如下:假定改变空化系数m次，空化系数及其对应的低频能量与高频能量梯度比例k0/k1按空3CN103149276A权利要求书3/3页化系数由小到大的顺序分别记为(σ1,(k0/k1)1)，(σ2,(k0/k1)2)，…，(σm,(k0/k1)m)，对相邻