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喷水推进器空化监测技术研究
【关键词】 喷水推进;空化特征;空化监测
【出   处】 2018年 1期
【收   录】 中国学术期刊网
【作   者】 段向阳,王永生,苏永生,刘承江
【项   目】 暂不属于基金项目
【单   位】
【摘   要】   摘要:由于喷水推进船良好的快速性、机动性、高效率和低噪声,喷水推进技术在现代舰船上的应用越来越广泛。但喷水推进器在运行过程中容易进入空化区,影响其推进性能和使用寿
正文

  摘要:由于喷水推进船良好的快速性、机动性、高效率和低噪声,喷水推进技术在现代舰船上的应用越来越广泛。但喷水推进器在运行过程中容易进入空化区,影响其推进性能和使用寿命。建立空化监测系统是目前解决这一问题最有效的方法。喷水推进器的空化特性同螺旋桨的有较大差异,目前尚未进行深入的研究。本文分析了喷水推进器的空化特性,阐述了其空化监测的机理,建立了空化监测系统,对喷水推进器空化监测技术进行了研究。空化监测的关键在于选择合适的空化监测参数,选取适当的测量位置,以及采用有效的信号分析处理方法来进行空化特征的提取。

  关键词:喷水推进;空化特征;空化监测

  中图分类号:TK730.7 文献标识码:A

  Abstract:The waterjet propulsion is widely used in modern ships as its virtues such as excellent speedability, maneuverability, high efficiency and low noise, are well known. But the waterjet propulsion is apt to enter cavitation condition when running, which reduces the propulsion efficiency and service life. The most effective method to resolve the problems is to set up a cavitation monitoring system. The cavitation characteristics of waterjet propulsion are different from the propeller’s, which is not researched in depth. In order to explore the cavitation monitoring techniques of the waterjet propulsion, the cavitation characteristics of the waterjet propulsion was analyzed in this article, and the mechanism of cavitation monitoring was expounded according to the foregoing analysis, then a project of cavitation monitoring for waterjet propulsion was put forward, and the cavitation monitoring techniques is researched on . The key of cavitation monitoring are choosing an appropriate monitoring parameters, selecting right monitoring positions and using proper signal processing techniques to extract the cavitation characteristics.

  Keywords:waterjet;cavitation characteristics;cavitation monitoring; 1 引言

  由于喷水推进船具有快速性优、机动性高、操纵性好、抗空化能力强、高速时推进效率高、船外附体少而阻力小、振动与噪声低、浅水航行适应性强等优点,在世界各国的高速客渡船及军用高性能舰船上均有广泛的应用。

  尽管喷水推进具有抗空化能力强的优点,但在启航、加速、转弯、倒车、拖带、平移和部分泵工作时,喷水推进泵很容易进入空化工作区。空化发生后,不仅使得泵的推力减小,效率降低,振动和噪声加剧,还会导致叶轮和壳体的空蚀,降低泵的使用寿命。研究和实践都表明,对于给定的泵,在特定运行条件下其空化是无法避免的。为了降低空化空蚀的破坏,目前最有效的方法就是采取相应的技术手段对泵的空化状态进行监测[1, 2],提醒操纵人员通过改变泵的运行工况以尽快脱离空化区。

  国内外学者对空化的监测进行了大量的研究。Farhat M和Bourdo P等人在瑞士的IMHEF试验台上对大型的轴向辐流式水轮机样机的空化进行了监测[3]。监测结果表明:在叶轮导边附近出现严重空蚀,其振动级随着空化的发展而增加。Kaye M运用了几种不同的分析方法来研究轴向辐流式水轮机模型和原型中的空化特性,证实了用振动分析的方法检测水轮机中的空化的适宜性[4]。Grekula M和Bark G在空泡水洞中对卡普兰水轮机中的空化进行了实验观测。借助频闪灯,通过高速摄影机跟踪记录流动的不均匀性[5]。Lohrberg H等人对离心泵中的空化进行了测量,研究了空化破坏程度与空化噪声的关系。他们提出用声传感器直接检测空化诱导的结构噪声,该方法可以通过空化噪声更准确的监测空化的破坏程度[6]。哈尔滨工业大学的田浩等人对水轮机空化的超声监测技术进行了研究[7]。与传统的能量法相比,采用超声波方法能及早发现空化,是一种比较灵敏和准确的监测方法,适于确定空化初生点和空化的相对强度。Escaler X等人[2]对卡普兰水轮机、轴向辐流式水轮机和水泵水轮机中的空化进行了实验观测。Escaler指出对不同的空化必须选用适合的传感器、适当的测量位置和适宜的信号处理方法。为了建立空化监测设备,对水轮机的空蚀进行实时监测,加拿大的魁北克水力研究所开展了广泛的研究[8]。盛鹏[9]等人开发了一种基于空化特征信号的空化状态间接监测技术的水轮机空化在线监测系统。

  尽管有关空化监测的研究取得了很大的进展,但研究的对象还主要集中在螺旋桨、水轮机等水利机械上,且大多以实验室模型研究为主,实际应用较少。由于喷水推进在国内应用较晚,有关喷水推进器的空化研究工作相对螺旋桨来说尚在起步阶段,目前国内还没有建立相应的监测装置,有关喷水推进器空化监测的研究还处于探索阶段。何杰等[10]对喷水推进泵空化预测原理和方法进行了研究,提出了喷水推进泵空化监测的方法和步骤,为开展相关的研究提供了很好的参考。本文在前人研究的基础上,分析了喷水推进器的空化特性,提出了喷水推进器空化监测的原理和方法,构建了喷水推进器空化监测系统,对喷水推进空化监测技术进行了探讨。

  2 喷水推进器空化监测机理

  喷水推进器种类较多,最常见的是尾板式喷水推进器,它主要由进水管道、喷水推进泵、和转向倒航装置组成[11]。喷水推进泵在叶轮进口前采用船底部弯道进水,进水管道内水流紊乱,而船底部的流场内流动方向与泵进口水流方向并不完全一致,因此在进水段中可能产生回流和撞击。不均匀水流到达叶轮时,可能诱发空化及其噪声。叶轮内流场较螺旋桨复杂得多,水流经过空间曲面复杂的进水流道进入喷水推进泵的叶轮进口,叶轮进口断面流速分布极不均匀,压力脉动显著,可能出现的局部回流会诱发空化及相应噪声。在喷水推进中,最薄弱的环节是喷水推进泵,其叶轮容易因空化而损伤,从而影响整个推进器的性能。CFD计算结果也表明,在叶轮进口容易出现空化。下图1中,叶轮进口面导边及叶根附近为低压区,即易产生空化的区域。

  图1 喷水推进泵空化部位

  喷水推进泵发生空化时,会产生大量的气泡,气泡随着周围流体运动到高压区时会溃灭。伴随着空泡的溃灭,会产生高频脉冲波,辐射空化噪声,引起介质压力波动,并诱发机械结构振动。空化信号的监测就是测量空泡溃灭时产生的高频冲击波、微射流及由此导致的高频噪声信号、介质的压力脉动和机械结构的振动等包含空化信息的信号[4, 7, 12],从测量信号中提取表征空化的特征值,建立空化特征值与空化强度的对应关系,通过监测测量信号中各特征值的变化来判断空化的初生及其发展程度,从而避免喷水推进泵长期在空化条件下运行。

  3 喷水推进器空化监测方法

  常用的空化监测方法有噪声测量法、高速摄影法、压力测量法、振动测量法以及超声监测法等。由于目前有关喷水推进器空化监测还处于探索阶段,为了尽可能地捕捉喷水推进空化信号,本文综合运用了噪声测量和振动测量方法。通过安装在叶轮进口附近的水听器捕捉空泡溃灭的声信号,用布置在泵外的声传感器监测空化引起的环境噪声的变化,同时利用安装在泵壳上的加速度传感器获取空化诱导的振动信号。另外,为了研究喷泵不同工况下的空化情况,对泵的转速和扭矩也进行同步监测。

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