JP5185064B2 - キャビテーション壊食予測方法およびキャビテーション壊食予測装置 - Google Patents
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Description
以下、図面を参照して、本発明の第1の実施の形態について説明する。図1乃至図8は、本発明の第1の実施の形態におけるキャビテーション壊食予測方法およびキャビテーション壊食予測装置を示す図である。このうち図1は、本発明の第1の実施の形態におけるフランシス水車を示す図であり、図2は、本発明の第1の実施の形態における水車ランナを示す斜視図である。図3(a)は、本発明の第1の実施の形態におけるランナベーンとガイドベーンとを示す図であり、図3(b)は、図3(a)のランナベーンとガイドベーンとをA−A方向から見た断面図である。図4は、図3(b)のガイドベーンをB−B方向から見た断面図であり、図5は、本発明の第1の実施の形態におけるキャビテーション壊食予測装置を示す図である。図6(a)は、本発明の第1の実施の形態において、撮影装置により撮影された複数の画像を示す図であり、図6(b)は、本発明の第1の実施の形態において、複数の画像をディジタル処理して得られた平均画像を示す図である。図7は、本発明の第1の実施の形態において、キャビテーション壊食予測工程を示す図である。図8は、本発明の第1の実施の形態の変形例を示す図である。
標準偏差σ(i、j)はキャビテーションの体積変動速度と相関があることが知られており、このことにより、先に得られた標準偏差σ(i、j)に、実験から求められている比例定数k1を乗じることで、キャビテーションの体積変動速度(dV/dt)を求める。
音響工学理論に基づき、ランナベーン15の壁面到達時の圧力波の強さPを以下の〔数8〕により算出することができる。
ω:圧力周波数
ρ:密度、c:音速、μ:粘性係数(ρ、c、μはボイド率の関数)
x:クラウドキャビティ破裂位置と壁面間の距離
このうちxについては、CCDカメラ25により求める。具体的には、キャビテーションのフォーカス点と、水車ランナ12のランナベーン15壁面のフォーカス点との差をCCDカメラ25のレンズ距離情報から求めることにより、xを求める。
ランナベーン15の壁面に到達した圧力波により、キャビテーションにより発生した気泡(図示せず)のうち壁面近くに存在する気泡がマイクロジェット現象を起こす。このマイクロジェット現象におけるマイクロジェットの流速は、Plesset and Chapmannの理論に基づき、以下の〔数9〕により算出される。
水車ランナ12のランナベーン15の材料表面が塑性変形するマイクロジェットの流速Vcritは、以下の〔数10〕により導出されることが知られている。この式に基づき、ランナベーン15の材料表面が塑性変形するマイクロジェットの流速Vcritを算出する。
Py:降伏応力、ρ:水の密度
B:定数(本実施例では301Mpa)、n:定数(本実施例では7.15)
まず、マイクロジェットによる壁面の損傷深さd pitを次の〔数11〕により求める。
以下、図9および図10を参照して、本発明の第2の実施の形態について説明する。ここで、図9(a)(b)は、本発明の第2の実施の形態において、ランナベーンを撮影する様子を示す図であり、図10(a)(b)は、本発明の第2の実施の形態において、挿入管内に取付けられたLEDおよびCCDカメラを示す図である。
11 ケーシング
12 水車ランナ
13 主軸
13a 発電機
14 吸出管
14a 挿入口
15 ランナベーン
15a ランナベーンの圧力面
15b ランナベーンの負圧面
15c ランナベーンの入口部
16 ガイドベーン
16a ガイドベーンステム
18 中空部
19 上カバー
20 下カバー
21 ステーベーン
22 クラウン
23 バンド
24 LED
25 CCDカメラ
26 ガラス窓
27 押さえ
28 挿入管
29 プリズム
30 キャビテーション壊食予測装置
31 撮影装置
32 センサ
33 画像データ処理手段
34 第1算出手段
35 第2算出手段
36 第3算出手段
37 算出手段
40 制御装置
41 画像
41a 画像の(1,1)画素
41b 画像の(2,1)画素
41c 画像の(1,2)画素
41d 画像の(l,m)画素
42 平均画像
42a 平均画像の(1,1)画素
42b 平均画像の(2,1)画素
42c 平均画像の(1,2)画素
42d 平均画像の(l,m)画素
45 挿入管
Claims (6)
- 複数のランナベーンを有する回転する水車ランナのうち任意のランナベーンを、水車ランナの回転と同期しながら複数回撮影して複数の画像を得る撮影工程と、
当該撮影工程で得られた複数の画像をディジタル処理し、前記複数の画像の各画素における画素値の平均値および標準偏差値を算出する画像データ処理工程と、
当該画像データ処理工程で算出された各画素における画素値の平均値および標準偏差値に基づいて、当該ランナベーンにおけるキャビテーションによる壊食の予測量を算出する算出工程と、を備え、
前記算出工程は、前記複数の画像の各画素における画素値の平均値および標準偏差値に基づいて、キャビテーションが当該ランナベーンに及ぼす圧力波の強さを算出する第1算出工程と、第1算出工程により算出された圧力波の強さに基づいて、マイクロジェット理論によりキャビテーションによる壊食の理論値を算出する第2算出工程と、を有することを特徴とするキャビテーション壊食予測方法。 - 前記算出工程は、第2算出工程により算出されたキャビテーションによる壊食の理論値と、予め蓄積されたキャビテーションによる壊食の実測値とに基づいて、キャビテーションによる壊食の予測量を算出する第3算出工程をさらに有することを特徴とする請求項1に記載のキャビテーション壊食予測方法。
- 前記撮影工程は、ランナベーンの上流側に設けられ、水車ランナへ供給される水量を調整するガイドベーンに取付けられた撮影装置を用い、この撮影装置によって、ランナベーンの入口部を、水車ランナの回転と同期しながら撮影する工程からなることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のキャビテーション壊食予測方法。
- 前記撮影工程は、ランナベーンの下流側に設けられ、水車ランナを通った後の水を吸引する吸出管に取付けられた撮影装置を用い、この撮影装置によって、ランナベーンの出口部を、水車ランナの回転と同期しながら撮影する工程からなることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のキャビテーション壊食予測方法。
- 複数のランナベーンを有する回転する水車ランナのうち任意のランナベーンを、水車ランナの回転と同期しながら複数回撮影して複数の画像を得る撮影装置と、
当該撮影装置により得られた複数の画像をディジタル処理し、前記複数の画像の各画素における画素値の平均値および標準偏差値を算出する画像データ処理手段と、
当該画像データ処理手段により算出された各画素における画素値の平均値および標準偏差値に基づいて、当該ランナベーンにおけるキャビテーションによる壊食の予測量を算出する算出手段と、を備え、
前記算出手段は、前記複数の画像の各画素における画素値の平均値および標準偏差値に基づいて、キャビテーションが当該ランナベーンに及ぼす圧力波の強さを算出する第1算出手段と、第1算出手段により算出された圧力波の強さに基づいて、マイクロジェット理論によりキャビテーションによる壊食の理論値を算出する第2算出手段と、を有することを特徴とするキャビテーション壊食予測装置。 - 前記算出手段は、第2算出手段により算出されたキャビテーションによる壊食の理論値と、予め蓄積されたキャビテーションによる壊食の実測値とに基づいて、キャビテーションによる壊食の予測量を算出する第3算出手段をさらに有することを特徴とする請求項5に記載のキャビテーション壊食予測装置。
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