一种精确识别水力机械含气漩涡的方法及装置

本发明涉及水力机械运行监测领域，尤其涉及一种精确识别水力机械含气漩涡的方法及装置。

背景技术：

1、近年来，我国水利水电事业发展迅猛，以泵站、常规水电站及抽水蓄能电站为代表的水力机械装备，其总装机规模均已位居世界第一。

2、然而，在大型调水泵站进水池、水电站压力前池及抽水蓄能电站进出水口等工程场景中，由于来流条件复杂、设计不合理及运行淹没深度较低等因素，进水流道内极易诱发表面涡和水下涡等难以观测的含气漩涡。这些含气漩涡一旦被卷吸进入机组叶轮等核心过流部件，不仅会降低机组运行效率、导致叶轮叶片空蚀破坏，还会引发机组强烈的压力脉动与噪声，当脉动频率与机组固有频率一致时，甚至会诱发机组共振，严重威胁机组的安全稳定运行。

3、当前，针对水力机械内部含气漩涡的精确识别与监测方法较为匮乏，工程上主要采取被动的物理消涡措施来改善进水流态。例如，在进水管下方加装消涡锥或消涡板等装置，但此类方法难以适配水平布置的进水口；或通过改造进水池几何结构，如增设导流台、导流墩等设施，但该方法对进水池结构要求较高，且施工复杂，维护成本高昂。

4、综上所述，在本领域缺少一种操作简单、成本低廉且易于推广的水力机械含气漩涡精确识别方法，以实现对含气漩涡的主动监测。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有技术中操作困难，结构复杂，缺少主动识别能力的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种精确识别水力机械含气漩涡的方法，包括以下步骤：

3、步骤1、在水力机械进水管路上布置压力脉动测点，采集压力脉动时域信号；

4、步骤2、对时域信号进行连续小波变换，获取压力脉动时频图；

5、步骤3、提取压力脉动时频图中的特征频带能量幅值并与预设阈值进行比对，判断是否出现含气漩涡；

6、步骤4、基于特征频带能量的时空分布特性，分析含气漩涡特征。

7、优选的是，在步骤1中，对采集到的压力脉动时域信号进行无量纲处理，无量纲处理的公式为：

8、；

9、式中，为无量纲压力脉动系数；为测点处的瞬时压力；为测点的平均压力；为液体的密度；为水力机械叶轮出口的圆周速度。

10、优选的是，在步骤3中，引入无量纲强度因子对特征频带进行定量定义，强度因子计算公式为：

11、；

12、式中，为频率f在t时刻的无量纲强度因子；为频率f在t时刻的幅值大小；为监测时段内频率f的平均幅值。特征频带为：在压力脉动时频图中，满足的频率f所构成的频率集合，其中为预设的含气漩涡识别阈值，取1.8。

13、优选的是，提取特征频带内强度因子满足条件的数据点，统计由数据点所组成的包络区域，计包络区域数量为，当时，则判定流场中出现含气漩涡。

14、优选的是，还提供了一种精确识别水力机械含气漩涡的装置，用于实现上述识别方法，包括盛有液体的进水池，进水池中设有进水管路，进水管路包括进水管路水平段和进水管路竖直段，进水管路水平段的截面中心线上开设有测压孔，测压孔内设有压力脉动传感器，压力脉动传感器通讯连接有含气漩涡识别系统。本装置结构简单，便于实际测试识别工作。

15、优选的是，进水管路竖直段的下端设有进水喇叭口，进水喇叭口有助于抑制因进水口形状突变诱发的小尺度、非含气类涡旋扰动。

16、优选的是，进水管路水平段与进水管路竖直段通过法兰连接，法兰连接避免了焊接引起的结构变形，还提高了装置整体的模块化程度。

17、优选的是，含气漩涡识别系统包括相互通讯连接的数据采集设备和计算机，数据采集设备和计算机用于处理并输出识别数据。

18、优选的是，液体具有自由液面，自由液面高于进水喇叭口，使液体可以平顺进入进水管路。

19、优选的是，液体包括但不限于水、盐水、含有沙子的水等液体，本装置适配于多种测试条件。

20、与现有技术相比，本发明的有益之处在于：1、本发明实现了对水力机械流场的非接触式实时监测，避免了传统测试手段对流场的干扰。本发明仅需分析压力脉动时频特征即可判断是否出现含气漩涡，为改善进水流态提供了可靠的实时预警手段，有效提高了水力机械的运行效率及稳定性；2、本发明的环境适应性强，即使在水质浑浊、含沙量大等恶劣的来流条件下，本发明对含气漩涡依然具有较高的识别精度；3、本发明成本较低，易于推广。与现有的非接触式流场测量技术相比（如激光多普勒测速、粒子图像测速技术），本发明极大降低了工程应用成本，且测点布置简便、易于操作，具有广阔的工程应用前景。

1.一种精确识别水力机械含气漩涡的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种精确识别水力机械含气漩涡的方法，其特征在于，在所述步骤1中，对采集到的压力脉动时域信号进行无量纲处理，所述无量纲处理的公式为：

3.根据权利要求1所述的一种精确识别水力机械含气漩涡的方法，其特征在于，在所述步骤3中，引入无量纲强度因子对所述特征频带进行定量定义，所述强度因子计算公式为：

4.根据权利要求3所述的一种精确识别水力机械含气漩涡的方法，其特征在于，提取所述特征频带内强度因子满足条件的数据点，统计由所述数据点所组成的包络区域，计所述包络区域数量为，当时，则判定流场中出现含气漩涡。

5.一种精确识别水力机械含气漩涡的装置，用于实现如权利要求1~4中任一项所述的一种精确识别水力机械含气漩涡的方法，其特征在于，包括盛有液体的进水池，所述进水池中设有进水管路，所述进水管路包括进水管路水平段和进水管路竖直段，所述进水管路水平段的截面中心线上开设有测压孔，所述测压孔内设有压力脉动传感器，所述压力脉动传感器通讯连接有含气漩涡识别系统。

6.根据权利要求5所述的一种精确识别水力机械含气漩涡的装置，其特征在于，所述进水管路竖直段的下端设有进水喇叭口。

7.根据权利要求5所述的一种精确识别水力机械含气漩涡的装置，其特征在于，所述进水管路水平段与所述进水管路竖直段通过法兰连接。

8.根据权利要求5所述的一种精确识别水力机械含气漩涡的装置，其特征在于，所述含气漩涡识别系统包括相互通讯连接的数据采集设备和计算机。

9.根据权利要求5所述的一种精确识别水力机械含气漩涡的装置，其特征在于，所述液体具有自由液面，所述自由液面高于所述进水喇叭口。

10.根据权利要求5所述的一种精确识别水力机械含气漩涡的装置，其特征在于，所述液体为水、盐水或含有沙子的水。