发明内容
本发明的目的是提供一种水力机械空化空蚀破坏的在线监测方法及诊断装置，旨在全面
监测流体机械中的空化空蚀现象，并分析诊断空化空蚀发生的强度以及对流体机械本身造成
的破坏，以提高流体机械的安全性和使用寿命。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：一种水力机械空化空蚀破坏的在线监测方法，
该方法包括如下步骤：
(1)利用计算机连续采集流体机械进出口的压力脉动信号Pre、上游水位hu、下游水位
E、流体机械的功率N及空化信号Cav
(2)计算流体机械的工作水头H、空化系数和引水管水力损失；
(3)将实测空化信号Cav与临界空化信号Cav临界比较，若Cav＜Cav临界，则返回第(2)
步，继续采集数据，若Cav＞Cav临界，则继续进行下一步骤；
(4)计算水轮机叶片背面的金属失重量；
(5)将金属失重量与设定值比较，若金属失重量没有超过设定值，则发出预警提示，
建议改变运行工况，若金属失重量超过设定值，即刻发出预警提示，建议进行大修。
本发明还提出了一种实施上述方法的诊断装置，该装置包括采集信号的传感器、滤波
器、A/D转换器、数据采集器以及对数据进行处理和显示结果的计算机，所述的传感器包括
压力脉动传感器、功率变送器、水位传感器、空化加速度传感器以及空化噪声传感器，其中
压力脉动传感器、功率变送器和水位传感器并列连接到低通滤波器上，空化加速度传感器和
空化噪声传感器并列连接到高通滤波器上，所述的高通滤波器和低通滤波器分别通过低速
A/D转换器连接和高速A/D转换器与数据采集器，该数据采集器与计算机的输入端相连接。
本发明通过测试流体机械的空化系数、流道中的压力脉动、流体机械的能量特性、工作
水头以及空化冲击振动信号，可以达到全面反映流体机械中空化空蚀发生，发展的程度，并
通过计算流体机械中金属失重量的大小确定检修的时间计划，从而有效的提高了设备运行的
安全性和使用寿命。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的具体实施，以进一步理解本发明。
图1是空化空蚀诊断软件程序流程框图，开始后，计算机连续自动采集流体机械进出口
的压力脉动信号Pre、上游水位hu、下游水位E、流体机械的功率N及空化信号Cav；然后计
算流体机械的工作水头H、空化系数和引水管水力损失；将实测空化信号Cav与临界空化信
号Cav临界比较，如果Cav＜Cav临界，则返回，程序继续采集数据。反之，则计算流体机械的金
属失重量；将计算金属失重量与设定值比较，如果流体机械金属失重量没有超过设定值，则
发出预警提示，建议改变运行工况。反之，发出警示，建议进行大修。然后循环进行，直至
人为停机，计算机退出工作状态。
具体实施方法如下：
1)在流体机械的进口和出口用压力传感器测量流体压力脉动Pre；
2)在线实时监测流体机械工作的上游水位hu、下游水位E，计算测量流体机械的工作
水头H；
H＝H＝hu-E
3)测量流体机械的功率N；
4)计算流体机械的装置空化系数σy；
计算水轮机的装置空化系数σy：
σ y = B - H s - H v H ]]>
式中：B--大气压，近似为B＝10.3米
H--水轮机工作水头
Hs--水轮机吸出高度Hs＝E-水轮机安装高程
Hv--当地水的汽化压力.
5)用高频加速度传感器和高频声压计(两者工作范围皆大于20kHz)测量流体机械进
出口的空化信号Cav
6)警示发生空化现象；
流体机械的装置空化系数、流体压力脉动、流体机械的功率和工作水头决定了空化冲击
振动信号Cav的大小，即：
Cav＝Cav(σy、Pre、N、H)
当Cav＞Cav临界时，流体机械中就会出现较重的空化现象，此时本发明即刻发出预警提
示，建议改变流体机械的运行工况。
临界空化信号Cav临界是在设计装置空蚀系数σy、允许压力脉动Pre、额定功率及额定水头
下测得的。
7)计算水轮机水轮机叶片背面金属失重量；
国际电工委员会和我国国标规定，考核水轮机的空蚀特性按运行8000小时水轮机金属
剥蚀量为基础。因此，机组运行8000小时，叶片背面金属失重量W为：
W＝k1d2 (1)
d：为转轮喉径(米)；
k1＝2.718m (2)
k1：空化强度系数
联立(1)、(2)得：
W＝2.718md2 (3)
(3)式中，m＝0.45V2b-0.56+2.3Cf-Sa-B-R1 (4)
(4)式中：
R1：是转轮材料系数(取自《Journal of Engineering》，Vol.118，No.3，Dec.1992)
碳钢转轮R1＝2.8
铜转轮R1＝3.3
不锈钢转轮R1＝4.5
碳钢表面有不锈钢堆焊层的转轮R1＝3.8
b：转轮叶片数；
Cf：负荷利用系数；
Sa：下水轮机淹没深度(米)；
B＝10.3-0.002E0.92-0.01T (5)
(5)式中：
E：下游水位的海拔高程；
T：下游水温；
V = N 9.81 × 0.785 × d 2 × H × η - - - ( 6 ) ]]>
(6)式中：
N为水轮机出力或机组出力
H为机组工作水头
η为水轮机效率或机组效率
IEC(国际电工委员会)规程规定了空化保证范围：0.47＜k1＜1.9。无空化发生
时k1＝0.0025
表1.在方程(2)中建议的lnk1值
空化程度
K1
置信度及对应的lnk1值
|
置信度75％
置信度95％
无空化
0.0025
-5.15
-5.85
IEC下限
0.47
-2.21
-2.91
IEC上限
1.9
-0.87
-1.57
8)提出检修建议
当Cav＞Cav临界，且水轮机叶片金属失重量W超过设定值后，本发明发出警示，建议进行
大修。
水轮机叶片金属失重量的设定值是根据每次大修所消耗的金属焊条量确定的。
值得说明的是，本发明所称得流体机械不仅包含水轮机，而且包括泵在内；上述1)～
8)步只适用于对水轮机的空化空蚀破坏的在线监测方法，对于泵，无须计算金属失重，因
此第7)、8)步可以省略。
另外，泵的装置空化余量Δha与水轮机的装置空化系数σy的物理意义相同。因此，对于
泵，用装置空化余量Δha代替水轮机的装置空化系数σy。
对泵装置空化余量的监测：
在线实时监测泵的上游水位hu计算泵的装置空化余量Δha
Δha＝B-HsZ-Δhs-Hv
式中：B--大气压，近似为B＝10.3米
HsZ--泵的安装高程，HsZ＝hu-泵的中心线高程。
Δhs--引水管水力损失，查表求得。
图2为本发明提供的诊断装置的硬件布置图。该装置包括采集信号的传感器、滤波器、
A/D转换器、数据采集器以及对数据进行处理和显示结果的计算机，所述的传感器包括压力
脉动传感器1、功率变送器2、水位传感器3、空化加速度传感器4以及空化噪声传感器5，
其中压力脉动传感器1、功率变送器2和水位传感器3并列连接到低通滤波器6上，空化加
速度传感器4和空化噪声传感器5并列连接到高通滤波器7上，所述的高通滤波器7和低通
滤波器6分别通过低速A/D转换器8和高速A/D转换器9与数据采集器10连接，该数据采
集器与计算机11的输入端相连接。