[发明专利]一种水力机械空化与气液两相流监测方法和装置

说明书

技术领域

本发明是一种流态监测方法和装置，适用于水力机械内气泡的诊断，特指采用主动超声技术对水力机械发生空化或存在气液两相流时的监测方法和装置。

背景技术

水力机械是关系国计民生以及国家安全的战略装备，作为重要的能量转换装置，水力机械广泛应用于国民经济的各个部门，不仅是水电站和泵站的核心设备，也是火电和核电的关键设备，同时也在潜艇、舰船、航空航天等尖端技术领域有广泛应用。为了满足国家安全和国民经济建设发展的需求，水力机械向大型化、高速化、大功率和高性能方向发展，对水力机械的节能减排和安全稳定运行提出了越来越高的要求。空化是指液体内局部压力降低时，液体内部或液固交界面上蒸气或气体的空穴(空泡)的形成、发展和溃灭的过程，随着水力机械向高速化方向发展，其空化问题显得尤为突出。流体输送过程中管路破损会造成水力机械在气液两相流条件下运行。空化和气液两相流条件下均会存在气泡，导致水力机械流量和压力的振荡，并影响管路系统的运行稳定性甚至造成结构破坏，同时产生较大的振动噪声。因此，对水力机械空化和气液两相流状态进行及时监测至关重要。常用的检测方法有能量法、高速摄影法、闪频观测法以及基于压力、振动和声学信号进行状态识别法。能量法是通过测量水力机械性能，但该方法不能直接确切监测到空化和气液两相流的出现，当性能恶化时，空化或者液体含气率程度已经很严重了。高速摄影法、闪频观测法是指采用可视化的手段观测叶片表面是否有气泡附着的方法，但是由于结构的限制，该种方法很难在工程中应用。申请号为201610144665.9的发明专利公布了一种带压力传感器及安装基座的加力离心泵，采用监测压力脉动的方法对空化状态进行识别，但该方法对离心泵流道结构进行了破坏，其它偶然因素也可能引起脉动信号的变化，造成误报。其它使用传感器的方法均存在一定程度的安装和信号干扰问题，并且各空化发展阶段和不同含气率条件下引起的流态特性并非线性变化，流态识别较难。因此，如何快速、便利、可靠的利用各种物理变量对水力机械空化和气液两相流状态进行识别，是亟待解决的问题。

经检索，关于水力机械空化与气液两相流监测时本发明所采用的基于主动超声技术和支持向量机流态识别监测方法和装置没有相关报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水力机械空化与气液两相流监测方法和装置，为水力机械空化与存在气液两相流时提供一种非接触式监测技术，以解决传统监测方法和装置易受干扰以及较难安装等难题，为水力机械系统的可靠运行提供保障。

为了解决以上技术问题，本发明基于主动超声技术、数字信号解调技术和支持向量机识别技术的非接触式测量技术方法和装置，具体技术方案如下：

一种水力机械空化与气液两相流监测方法，其特征在于：采用发射超声载波的方法完成对流场的实时监测，当发生空化或存在气液两相流时流场必然存在气泡而影响流体的流动，该信息将调制到超声载波上；通过对信号峭度的解调，进而进行特征分析、特征提取和特征选择，最终基于支持向量机识别技术建立流态分类器完成流态的实时监测，具体包括以下步骤：

步骤一，放置超声换能器：采用非介入方式将超声换能器安装在水力机械的出口，换能器与出口管道两接触面保持平行，目的是为了采用发射超声载波，而空化或存在气液两相流时流场必然存在气泡，同时会对流体运动产生影响，该信息可反映在超声载波上；

步骤二，建立分类器：基于数据处理软件平台采用支持向量机(SVM)方法对无空化、空化发展的不同阶段、不同进口含气率时流场反应出的超声载波信号进行解调，通过分类器的训练过程建立各种存在空化或气液两相流现象的流态分类器；

步骤三，进行信号的采集：利用数据采集卡和相应的数据采集软件编写程序对不同流态下的超声载波信号进行高速连续采集，目的是为了利用水力机械不同运行工况下超声载波信号进行分析分析；

步骤四，数据分析：通过数据处理软件平台编写程序完成对采集信号的幅度解调，并根据建立的不同空化或气液两相流现象时的流态分类器对实时采集的数据样本进行分类，完成对其流动状态的判断，输出监测结果。

所述数据处理软件是指Matlab、Mathmatica或Fortran，可通过编程语言对信号数据进行处理的软件。

所述数据采集卡和相应的数据采集软件是指NI的声学采集卡和Labview软件、LMS数据采集前端和终端以及其他厂家生产的能对超声载波数字信号进行采集的任何一种设备。