Cavitation erosion monitoring by acoustic emission

par Markku Ylonen

Thèse de doctorat en Mécanique des fluides Energétique, Procédés

Sous la direction de Marc Fivel et de Kari T. Koskinen.

Le président du jury était Romuald Skoda.

Les rapporteurs étaient Riita Keiski, Rickard Bensow.

  • Titre traduit

    Le monitoring de l'érosion de cavitation par l'émission acoustique


  • Résumé

    La cavitation est la formation de bulles de vapeur dans un liquide statique ou en écoulement. L’érosion de cavitation se produit quand ces bulles collapsent à cause de la récupération de pression. Ce phénomène peut endommager les parois à proximité desquelles les bulles collapsent. Il s’agit d’un problème majeur dans les machines hydrauliques. Par exemple, les turbines hydrauliques fonctionnent aujourd’hui souvent dans des régions défavorables du point de vue de la cavitation, pour réguler le réseau électrique. Mesurer la cavitation et le taux d’érosion est souvent très difficile voire impossible. L’émission acoustique (EA) est une méthode qui permet la mesure de cavitation sans accès direct à l’écoulement ; toutefois, les données sont difficiles à interpréter. Cette thèse présente quelques possibilités de traitement des données de l’EA pour quantifier les diamètres des indentations créées par impacts individuels de la cavitation et aussi pour évaluer l’érosion de cavitation. De plus, les taux d’érosion de trois matériaux d’aubes de turbine Francis ont été caractérisés. Les raisons pour les différences dans le taux d’érosion de deux aciers inoxydables et martensitiques sont analysées. Tous les essais de cavitation ont été réalisés dans le même tunnel de cavitation haute vitesse. Un premier résultat majeur de cette thèse est le développement d’une méthode pour compter les pics d’EA par une technique d’enveloppe du signal. Les distributions cumulées des pics d’EA sont comparées à celles des diamètres d’indentations. Une relation est proposée entre l’amplitude des pics d’EA et le diamètre des indentations. Le deuxième résultat majeur est le lien entre l’évolution de l’érosion de cavitation et la fréquence de lâcher des nuages de cavitation. Bien que les signaux d’EA soient mesurés en haute fréquence, un processus de démodulation a été mis en œuvre qui permet de mettre en évidence la basse fréquence de lâcher. Cette fréquence augmente avec la rugosité et la déformation de surface au fur et à mesure de la progression de l’endommagement. Par ailleurs, les raisons entre les différences de taux d’érosion des aciers inoxydables et martensitiques ont été identifiées : la taille des grains d’austénite initiale, les tailles des plaques et plaquettes et la quantité d’austénite résiduelle sont les principaux facteurs influants. Cette thèse propose plusieurs résultats directement utilisables, comme la classification entre les aciers inoxydables martensitiques, ainsi que des méthodes pour surveiller la cavitation mises au point en laboratoire dans un tunnel de cavitation et potentiellement applicables aux machines hydrauliques. Le résultat majeur est que l’EA a un fort potentiel pour surveiller la cavitation et l’érosion de cavitation avec l’avantage important qu’elle ne nécessite pas d’accès direct à l’écoulement.


  • Résumé

    Cavitation is the formation of vapor bubbles either in a static liquid or in a liquid flow due to a drop in static pressure. When these bubbles collapse, as a result of pressure recovery, they may damage adjacent surfaces. These events are major causes of damage and nuisance in hydro machines. Modern hydro turbines are often used to regulate power grids; therefore, they may be operated out of their designed range. The flow-related optimal operation is different from the economic optimal usage. Detecting and characterizing cavitation and assessing damage during operation can be difficult or even impossible. Acoustic emission (AE) measurements provide a way to measure cavitation without access to the flow, but interpreting the data is challenging. This thesis presents insights in the ways of treating the AE data both in characterizing individual pits created by cavitation impacts and in tracking the evolution of cavitation erosion. Additionally, the erosion rates of three turbine materials were compared, and the main reasons behind the differing erosion rates of two martensitic turbine steels were discovered. The same high-speed cavitation tunnel was used in all cavitation experiments. This thesis firstly presents a method for enveloping an AE waveform signal and for counting the peak voltage values. The resulting cumulative distributions were compared to those of cavitation pit diameters, and from this comparison, a connection was proposed between AE peak voltage value and pit diameter. The second result was the connection between cavitation cloud shedding frequency and erosion evolution. The process of demodulating high frequency AE signals effectively promotes the low frequency shedding. The shedding frequency increased with accumulating material loss, and it was concluded that this increase is due to geometry effects, namely surface roughness. In addition to the two proposed methods, it was found that the decisive factors in the differing erosion rates of the martensitic stainless steels are the prior austenite grain size, packet and block sizes and the retained austenite fraction. This thesis provides guidelines directly applicable, such as the martensitic steel classifying, and methods that require further development, if one wishes to utilize them in hydro machine cavitation monitoring instead of laboratory measurements in a cavitation tunnel. The main outcome is that AE is a potential way to monitor cavitation, with the important benefit of not requiring any access to the flow.


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