離心泵空化超聲信號頻譜特征研究*

周云龍 郭 柯

(東北電力大學)

空化空蝕現象是造成水泵及水輪機等流體機械運行性能下降、運行不穩定和使用壽命縮短的主要原因之一，也是影響水泵高速化發展的一個突出障礙[1]。眾多研究人員通過數值計算、統計及實驗觀測等方法研究空化空蝕的產生機理與外部表現[2]：空化時會產生較寬頻譜的空化噪聲，這些噪聲包括20kHz以下的可聽頻段噪聲和20kHz以上的超聲波頻段空化噪聲[3]；黃景泉等在高速水洞試驗中利用水聽器對液載超聲信號進行了測量[4]；田浩和于石生應用水聽器對水輪機空化超聲信號進行了研究[5]；張俊華等運用寬頻超聲傳感器對不同工況下的水輪機空化超聲信號進行了頻譜特征分析，并取得了一定的成果[6]。

影響離心泵產生空化的原因比較復雜，運行過程中夾雜著較多非空化工況的超聲信號，因此，如何有效地利用超聲信號區分判定空化程度，依舊需要進一步的研究。選擇閉式離心泵空化試驗臺進行試驗測試，選用寬頻帶的超聲傳感器對空化超聲波進行收集測量，分析試驗結果，重點研究不同空化程度下超聲波信號的頻譜特性。

1 試驗裝置及試驗方法

試驗在如圖1所示的閉式離心泵空化試驗臺上進行[7]，離心泵型號為ISW40-100單級離心泵，葉輪為閉式，直徑100mm。額定工況下轉速為2 900r/min，流量為5.6m3/h，揚程為10m，泵的入口和出口直徑均為40mm。在離心泵入口管段處有長為0.5m、內徑為40mm的透明有機玻璃管，以便觀察和確認入口的空化狀況。

圖1 閉式離心泵空化試驗臺簡圖

超聲信號的采集選用響應頻率為60～400kHz的寬頻超聲傳感器，使用兩個傳感器分別安裝在離心泵出口與進口蝸殼處。試驗時測量4種工況段下的超聲信號，由高速采集卡采集，為保證采樣精度采樣率設置為5Mbit/s。

試驗通過運行真空泵降低儲水罐內壓力誘導空化的產生，控制儲水罐內的壓力大小以達到不同的空化程度。選取4個典型空化工況：正常運行、初生空化、輕微空化和嚴重空化。每個空化程度都有相應的運行工況段，可由進口段透明管觀察來確定。正常運行時完全看不到氣泡，視為無空化狀態；運行真空泵一段時間后，由透明管段可見輕度且細小的空化氣泡，經計算可判定此時揚程下降了2.2%，在具體實驗過程中，揚程下降3.0%～4.9%時，可觀察到空化氣泡數量增加且體積微小，而其他方面無明顯變化，可認為處于初生空化狀態；隨著真空泵的運行，當氣泡數量增多、體積有所增加，泵開始出現輕微振動與噪聲時，把此時的狀態定為輕微空化；真空度進一步增加，觀察段內氣泡突然增多體積明顯變大泵體產生明顯的振動和噪聲，流量揚程都急劇下降，認為此時的狀態為嚴重空化。通過計算可以確定各個狀態下不同的有效汽蝕余量NPSHa值，具體參數見表1。

表1 試驗工況數據

2 空化超聲信號分析

2.1空化原始信號

圖2a～d依次為離心泵進口處采集到的正常運行、初生空化、輕微空化和嚴重空化時原始超聲時域信號。觀察各工況下的時域信號，除正常運行工況下原始時域信號與其他工況下的有明顯不同外，空化產生后原始時域信號變化并不明顯，區分度不高，因此，只依據時域信號并不足以判別空化程度。將進口與出口處采集的各工況點原始數據進行求均方根值計算，確定各空化工況點信號能量與有效汽蝕余量之間的關系(圖3)，兩位置傳感器接收的信號能量均隨空化程度的變化先增強后減弱，進口處信號能量明顯強于出口處的信號能量。

圖2 進口處超聲空化原始時域信號

2.2超聲空化信號頻譜分析

超聲傳感器所測得的信號為時域信號，通過信號均方根值只能整體上反映信號能量與空化程度的關系，但通過信號的頻譜信息可以更好地表現不同空化狀態下的信號特征，因此，對信號的分析通常需要頻域信息。將時域信號變換至頻域上加以分析的方法被稱為頻譜分析。頻譜分析就是把復雜的時域信號經傅里葉變換分解為若干個單一的諧波分量，獲取信號的頻率結構和對應各諧波幅值信息。頻譜分析在設備的故障診斷中應用廣泛，且超聲信號的處理中應用頻譜分析方法簡單易行。

圖3 各空化工況點信號能量與有效汽蝕余量的關系曲線

超聲傳感器測得的信號為大量離散點，屬于離散信號。原始信號中可能存在噪聲干擾，因此，在頻譜分析前對信號進行降噪處理，應用離散小波對原始信號進行分解重構消除白噪聲。降噪后的離散信號不能直接按傅里葉級數展開，但可在頻域上用功率譜密度進行描述。功率譜密度函數是在頻域中對信號能量或功率分布情況的描述，本實驗中功率譜密度由原始信號小波降噪后的自相關函數快速傅里葉變換算法求得。

圖4所示為進口處不同空化工況下空化超聲信號的功率譜，從圖4可以看出進口處傳感器測量的空化超聲信號在各空化程度下變化明顯。觀察各空化工況頻譜圖，在160～200kHz處存在固有頻率，各個工況下密度譜幅度變化不大，強度一直保持在較高水平。在正常運行時各頻段除相對平坦，只在固有頻率處有明顯的波峰。空化初生時整個測量頻段上波動加強，在250kHz處有較小的峰值，更高頻段的340、390kHz處有明顯的波峰。輕微空化時超聲信號最為復雜，整個測量頻段內都出現了較大幅度的波動，尤其在80kHz以下頻段存在劇烈波動，160kHz出現明顯的波峰，高頻段250kHz處出現較為明顯的峰值，340、390kHz處的波峰依舊明顯高頻信號幅度有減弱趨勢。嚴重空化階段空化超聲信號波動減緩，250kHz以上頻段部分有明顯的減弱，且頻率越高密度譜幅值越小，低頻段信號幅值相對增大。

圖4 進口傳感器各工況空化超聲信號功率譜

圖5為離心泵出口處傳感器各空化狀態下的空化超聲信號功率譜，圖5中也存在固有頻段，出口處信號頻譜變化與進口處信號變化相似，但信號頻譜變化不如進口處信號頻譜變化明顯，說明不同位置測量效果差異較大，因此，傳感器安裝位置的選擇十分重要。

圖5中坐標采用對數顯示，密度譜幅度相差3dB時功率值已經相差一倍，超聲信號變化明顯。觀察發現離心泵進口處信號可以更好地反應空化發展過程空化超聲信號頻譜的變化特征。伴隨空化的發展，空化超聲信號在整個測量頻段內有明顯的變化，不同工況下各頻段的相對變化率有所不同，正常運行至初生空化低頻部分變化為主，隨著空化發展高頻變化越明顯，嚴重空化時高頻信號能量出現明顯的衰減。空化超聲信號變化復雜，每個空化狀態整個頻段都有較大變化，因此并不能通過單一的頻率變化確定空化狀態。

圖5 出口傳感器各工況空化超聲信號功率譜

2.3超聲信號變化原因探討

通過觀察不同位置傳感器測得信號頻譜，發現離心泵運行中本身會產生較強的固有超聲，這種超聲信號頻段比較固定，伴隨空化發展一直存在。空化發展過程中，各頻段信號功率譜密度幅度均有變化但變化率有所差異，這些差異與泵內部空化泡變化有關，由文獻[8～11]可知：不同空化程度時不同直徑的空泡所占比例不同，不同直徑的空泡破裂又產生相異的固有頻率。大量空化泡破滅產生不同頻率的超聲信號，很好地解釋了空化超聲信號的寬頻性，實驗結果也驗證了這一點。

不同頻段信號的變化率各有差異，還與超聲信號的傳播通道有關。嚴重空化時兩個傳感器測得高頻信號能量都有明顯的減弱，可能的原因是嚴重空化時大量的氣泡阻礙了聲波的傳播，且聲學上高頻率聲波的傳播具有很強的衰減性，傳感器可以收集到的高頻超聲信號能量相應減小。但只要傳感器位置安裝適宜，存在空化引起離心泵內部流動的變化，引起不同空化程度下超聲信號有所差異，就可以作為判斷空化程度的依據。

3 結論

3.1正常運行狀態下，水泵內部已有超聲信號產生且頻段比較固定，并伴隨著整個空化發展過程。

3.2空化超聲信號具有寬頻特性，不同頻段信號能量大小不同，信號采集效果受到傳感器采集位置和超聲信號傳播通道的影響。

3.3空化發展過程中超聲信號頻譜特征變化明顯，尤其在水泵進口處的傳感器測量的信號中，各不同頻段的變化率有明顯差異，為通過觀察空化超聲頻譜變化檢測空化程度提供了依據。

參考文獻

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