一种模型混流式水轮机转轮内部叶道涡测试的系统的制作方法

本发明属于流体机械工程技术领域，特别是涉及一种模型混流式水轮机转轮内部叶道涡测试的系统。

背景技术：

在混流式水轮机工作时，进口水流对叶片冲击脱流和转轮内部二次流，会导致转轮内部叶道涡的形成。当混流式水轮机从最优工况水头向高水头变化时，若导叶开度一定，水头增加必然导致叶片出口流速增大，从而增大转轮进口水流的冲角，并在叶片背面引起脱流形成旋涡，进而引起高频或中频水压脉动，这是诱发水电机组振动的水力振源之一。

粒子图像速度场仪(PIV)作为一种观察叶道涡的工具，在定性和定量地研究旋转叶轮内大尺度湍流结构方面具有独特的优势。PIV技术是利用流体中的示踪粒子对光的散射作用，通过光学方法记录下不同时刻粒子在流场中的位置，然后通过数字图像处理得到粒子的位移，从而得到粒子所在场的速度及其它瞬态运动参数，也就是叶道里的绝对速度分布数据。

水流质点进入转轮后，一面沿叶片流动，一面随着转轮的转动而旋转，构成一种复合运动。由理论力学可知，水流质点随同转轮的转动是牵连运动，水流质点相对于旋转着的叶槽的流动是相对运动，而水流质点对静止的蜗壳(地球)的运动是绝对运动，它是牵连运动和相对运动的矢量合成运动，即水流质点的绝对速度矢量是其相对速度和牵连速度的矢量和，如图1所示，图1为各个速度之间的关系示意图，满足如下矢量关系：

$\stackrel{\→}{V}=\stackrel{\→}{U}+\stackrel{\→}{W}$

式中，—绝对速度；

—牵连速度：

—相对速度。

然而，由于现有的PIV系统是静止地固定在水轮机机架上拍摄的图像，因此PIV系统的直接测试结果为水流质点在旋转的转轮叶道里的绝对速度矢量分布图像，而转轮内部水流质点的运动为相对速度和牵连速度的矢量和，因此为了测试出转轮叶道内部叶道涡的形成过程及其分布情况，就需要获知水流质点在转轮叶道里的相对速度的矢量分布，这是一个亟待解决的问题。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种模型混流式水轮机转轮内部叶道涡测试的系统，能够获知水流质点的相对速度的矢量分布，从而得到转轮叶道内部叶道涡的形成过程及其分布情况。

本发明提供的一种模型混流式水轮机转轮内部叶道涡测试的系统，包括模型混流式水轮机，所述模型混流式水轮机的蜗壳上开设有第一窗口，且与所述第一窗口沿径向相对的固定导叶和活动导叶为透明导叶，所述模型混流式水轮机的转轮上冠开设有第二观察窗口，且所述转轮的上方与上盖板的两层金属壁面上开设有第三观察窗口；

还包括与所述模型混流式水轮机通过闭式管道系统连接的PIV粒子成像测速装置，以及与所述PIV粒子成像测速装置连接的图像处理装置；

其中，所述PIV粒子成像测速装置具有图像采集部件，且所述图像采集部件固定于所述转轮的上方，用于记录流场中粒子的原始图像数据；

所述图像处理装置用于利用所述原始图像数据得到水流质点的绝对速度矢量，并对水流质点的所述绝对速度矢量进行分解得到水流质点的相对速度矢量，根据水流质点的所述相对速度矢量判断叶道涡的分布情况。

优选的，在上述模型混流式水轮机转轮内部叶道涡测试的系统中，

所述第一窗口开设在所述模型混流式水轮机的蜗壳上的C窗口位置。

优选的，在上述模型混流式水轮机转轮内部叶道涡测试的系统中，

所述透明导叶为对准所述C窗口的座环处的3个有机玻璃导叶。

优选的，在上述模型混流式水轮机转轮内部叶道涡测试的系统中，所述第二观察窗口为梯形窗口。

优选的，在上述模型混流式水轮机转轮内部叶道涡测试的系统中，所述第三窗口安装有有机玻璃。

优选的，在上述模型混流式水轮机转轮内部叶道涡测试的系统中，所述PIV粒子成像测速装置中投放有示踪粒子。

通过上述描述可知，本发明提供的上述模型混流式水轮机转轮内部叶道涡测试的系统，由于包括模型混流式水轮机，所述模型混流式水轮机的蜗壳上开设有第一窗口，且与所述第一窗口沿径向相对的固定导叶和活动导叶为透明导叶，所述模型混流式水轮机的转轮上冠开设有第二观察窗口，且所述转轮的上方与上盖板的两层金属壁面上开设有第三观察窗口；

还包括与所述模型混流式水轮机通过闭式管道系统连接的PIV粒子成像测速装置，以及与所述PIV粒子成像测速装置连接的图像处理装置；

其中，所述PIV粒子成像测速装置具有图像采集部件，且所述图像采集部件固定于所述转轮的上方，用于记录流场中粒子的原始图像数据；

所述图像处理装置用于利用所述原始图像数据得到水流质点的绝对速度矢量，并对水流质点的所述绝对速度矢量进行分解得到水流质点的相对速度矢量，根据水流质点的所述相对速度矢量判断叶道涡的分布情况，从而得到转轮叶道内部叶道涡的形成过程及其分布情况，协助设计人员判断转轮内部叶道涡的分布情况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为各个速度之间的关系示意图；

图2为本申请实施例提供的第一种模型混流式水轮机转轮内部叶道涡测试的系统的示意图；

图3为速度三角形分解示意图。

具体实施方式

本发明的核心思想在于提供一种模型混流式水轮机转轮内部叶道涡测试的系统，在获取了叶道中水流质点的绝对速度矢量分布的情况下，通过数学计算，能够获知水流质点的相对速度的矢量分布，从而得到转轮叶道内部叶道涡的形成过程及其分布情况。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请实施例提供的第一种模型混流式水轮机转轮内部叶道涡测试的系统如图2所示，图2为本申请实施例提供的第一种模型混流式水轮机转轮内部叶道涡测试的系统的示意图。该系统包括模型混流式水轮机1，所述模型混流式水轮机1的蜗壳上开设有第一窗口，且与所述第一窗口沿径向相对的固定导叶和活动导叶为透明导叶，能够便于激光穿过蜗壳，顺利进入转轮内的流道，所述模型混流式水轮机1的转轮上冠开设有第二观察窗口，并装上透明的有机玻璃，能够将激光从照射的部位传递出来，即让激光束径向进入后，还能轴向观测，且所述转轮的上方与上盖板的两层金属壁面上开设有第三观察窗口，能够便于进行水轮机轴向观测，用透明的有机玻璃进行替换，衔接处以螺钉拧紧，并用相关材料做好密封；

还包括与所述模型混流式水轮机1通过闭式管道系统2连接的PIV粒子成像测速装置3，以及与所述PIV粒子成像测速装置3连接的图像处理装置4，其中，闭式管道系统由循环回路、稳压管(压力水箱)、尾水管、流量计、模型机组和两台水泵(可实现串并联)组成一个立式循环管道回路，该系统利用楼层天然高度顺势设计，将模型水轮机安装在3楼(离地面约10米)，水泵等动力设施安装在1楼，人在3楼控制室操作，系统垂直运转。同时，为保证系统完好运转，在各个关键部位都增加了很多辅助装置，稳压箱和尾水箱里面均装有多层孔板，稳定水流流态，稳压箱顶部开有与外界链接的阀门，方便排气，与稳压箱相连接的管道底部设有排水阀门，方便给系统换水，避免水流长期循环被污染，影响实验。水泵的设计也是充分考虑了系统实验的需要，采用平行并列双排管道，通过阀门开关可实现串并联。在水轮机与尾水箱链接中间，又在顶端设计了3根口径0.05m的排水管，通过阀门控制开关，避免水轮机盖板出现积水而影响PIV观测。水轮机转轮上方装有励磁电机，可控制水轮机转速；

其中，所述PIV粒子成像测速装置3具有图像采集部件301，且所述图像采集部件301固定于所述转轮的上方，用于记录流场中粒子的原始图像数据，具体的，该图像采集部件301可以是CCD相机，主要由以下部件组成：脉冲激光器1套，含护目镜、调节工具包；片光源系统一套，可实现360度方向的片光源发射；同步器一套，可实现外接触发器、CCD相机、脉冲激光器的同步配置操作；PIV相机一套；多型号相机镜头及配套滤镜等附件；PIV处理软件一套，采用的是外部触发与同步器控制相结合，适时适应环境条件进行操作。激光的能量则主要根据测试平面环境及工况等条件等在计算机软件上进行手动调节，需要强调的是，试验中CCD相机用于悬挂固定在水轮机转轮上方机架，记录流场中粒子的绝对运动，测试频率可以进行调整，拍摄采用自动化控制，其记录的粒子的原始图像数据并不像现有技术中那种图片形式，而是数据形式，例如形成扩展名为.dat的数据文件，便于后续利用多种软件进行处理；

所述图像处理装置4用于利用所述原始图像数据得到水流质子的绝对速度矢量，并对水流质子的所述绝对速度矢量进行分解得到水流质子的相对速度矢量，根据水流质子的所述相对速度矢量判断叶道涡的分布情况，需要强调的是，该图像处理装置是本方案的重点，这是首次提出从绝对速度中提取出相对速度来判断叶道涡的方案，实现更为真实准确的判断。

另外，为了提高试验的精度和可靠性，在试验之前需对试验台循环管路进行彻底清洗，对导叶及其调节机构和转轮进行了重新拆装、润滑、校正，对系统调试时，首先是系统的正常运转的调整，包括直流电动机是否能正常运转及能否正常调节其转速及其它参数，其次是测控系统的调试，测控系统的调试包括各参数测试数据的准确性及稳定性的调试、控制系统的准确性及灵活性的调节，最后是PIV测试系统的调试。

通过上述描述可知，本申请实施例提供的上述第一种模型混流式水轮机转轮内部叶道涡测试的系统，由于包括模型混流式水轮机，所述模型混流式水轮机的蜗壳上开设有第一窗口，且与所述第一窗口沿径向相对的固定导叶和活动导叶为透明导叶，所述模型混流式水轮机的转轮上冠开设有第二观察窗口，且所述转轮的上方与上盖板的两层金属壁面上开设有第三观察窗口；还包括与所述模型混流式水轮机通过闭式管道系统连接的PIV粒子成像测速装置，以及与所述PIV粒子成像测速装置连接的图像处理装置；其中，所述PIV粒子成像测速装置具有图像采集部件，且所述图像采集部件固定于所述转轮的上方，用于记录流场中粒子的原始图像数据；所述图像处理装置用于利用所述原始图像数据得到水流质点的绝对速度矢量，并对水流质点的所述绝对速度矢量进行分解得到水流质点的相对速度矢量，根据水流质点的所述相对速度矢量判断叶道涡的分布情况，因此能够获知水流质点的相对速度的矢量分布，从而得到转轮叶道内部叶道涡的形成过程及其分布情况。

本申请实施例提供的第二种模型混流式水轮机转轮内部叶道涡测试的系统，是在上述第一种模型混流式水轮机转轮内部叶道涡测试的系统的基础上，还包括如下技术特征：

所述第一窗口开设在所述模型混流式水轮机的蜗壳上的C窗口位置。这是因为从C窗口位置进入，是最适合的角度。

本申请实施例提供的第三种模型混流式水轮机转轮内部叶道涡测试的系统，是在上述第二种模型混流式水轮机转轮内部叶道涡测试的系统的基础上，还包括如下技术特征：

所述透明导叶为对准所述C窗口的座环处的3个有机玻璃导叶，这样就能够保证更好的观察效果。

本申请实施例提供的第四种模型混流式水轮机转轮内部叶道涡测试的系统，是在上述第三种模型混流式水轮机转轮内部叶道涡测试的系统的基础上，还包括如下技术特征：

所述第二观察窗口为梯形窗口，这种特殊形状的窗口能够保证观察更为方便。

本申请实施例提供的第五种模型混流式水轮机转轮内部叶道涡测试的系统，是在上述第四种模型混流式水轮机转轮内部叶道涡测试的系统的基础上，还包括如下技术特征：

所述第三窗口安装有有机玻璃，这样就会对操作者形成有效的保护。

本申请实施例提供的第六种模型混流式水轮机转轮内部叶道涡测试的系统，是在上述第一种至第五种模型混流式水轮机转轮内部叶道涡测试的系统中任一种的基础上，还包括如下技术特征：

所述PIV粒子成像测速装置中具有示踪粒子，且所述示踪粒子为二氧化钛粒子。

利用带有示踪粒子如二氧化钛粒子的流体被外部进来的片光源照亮，产生散射，记录下两次激光脉冲曝光的粒子图像，形成两帧图，这样的检测效果更明显。

为便于观测，水轮机蜗壳上开了4个0.01m²的窗口，装上有机玻璃，同时为避免单层有机玻璃造成激光器发射的片光散射，对有机玻璃进行改进，采用双层开口式，试验时，将夹层注满水。在水轮机盖板上开了一个约0.03m²的扇形窗口，并用有机玻璃封上。通过该窗口，可以清晰观察到转轮上的叶片，转轮每旋转一周，便可观测到转轮上的有机玻璃窗口。

利用上述系统进行工作的步骤如下：首先是安装PIV测试软件Insight及Tecplot，然后是测试系统的安装，按照PIV测试系统的操作规程和要求，安装系统各部件、设置各参数、对系统进行调试、准备测试、最后是流场测试。

其中，在安装系统各部件时，保证CCD相机与测试平面垂直，且保持测试平面与CCD相机间的距离不发生变化；保证激光器发出的激光通过光学镜头后变成平面片光能与测试平面重合，在安装中，还要非常注重设备的安全(包括水电等)，还必须要求较高的电源环境，要求电源为交流220±10V，且具有良好的接地，接地电压不大于4V，若接地电压过大，则可能在进行自动测试时，激光器电源将直接退出，影响测试，甚至是损坏设备。另外，为了使测试人员不受激光的影响，应使计算机尽量远离激光照射面或在计算机与激光照射面间加一遮挡物，防止激光与人眼的正面对视。在进行各部件的连接时，将同步器(Synchronizer)串口(Port A in)与计算机通过串口连接；将同步器与激光器电源通过Laserl、Laser2、Q-Switchl、Q—Switch2连接；将同步器与CCD相机通过Camera、TTLCamera Trigger、Camera Storbe等连接；将CCD相机与计算机通过数据传输线相连接。

试验前的标定和定位步骤如下：将校正盘或标准直尺安放在待测试平面上；将同步器、激光器电源打开，并启动Insight软件，在Insight软件设置中，将exposure设置为Free模式，再启动获取图像，并将CCD相机镜头盖打开，将滤光镜去掉，调整CCD相机焦距，这时，可以在计算机Insight软件上看到CCD相机的清楚的成像；保存标定文件在计算机中相应的位置；在Insight软件setup下拉菜单中，打开Velocity Calibration中的Velocity，点Mesure，用鼠标点击视图中直尺比较清晰的部分，拉动一段距离，这个距离要有一定的长度，一般应大于视图的2/3，并在相应的框内填写拉动的距离的数字(以mm为单位)，这时，在其它相应的框内将自动生成的距离、像素间转换的一些数字，以及相邻像素间的距离等。再Apply应用，就可以完成标定。

粒子的选择和投放步骤如下：

粒子选取的原则为粒子的密度尽量等于流体的密度，粒子的直径要在保证散射光强的条件下尽可能的小，粒子的浓度要恰当混合均匀，以测试效果好为准。粒子投放中，预先进行估计，然后边加粒子边测试，直到测试效果达到要求为止。

参数设置与试验调试步骤如下：

在参数的设置和调试过程中，一般均需要对所测试流场在相应工况下进行试拍摄，根据所拍摄到的数字图像和即时速度矢量计算结果的反馈信息进行综合判断，逐步对应调整参数设置，直到符合测试要求和无明显错误时方可开始正式测试。

流场测试步骤如下：

测试前还应将有机玻璃面擦拭干净，以保证测试的精度，拍摄前启动触发激光脉冲，确认工况是否为待测工况并处于该工况的稳定状态，检查整个测试系统是否运行良好，软件是否运行正常，一切准备好后即可开始测试。

将激光器产生的光束经过透镜的散射作用形成厚度约为1mm的片光源，从模型混流式水轮机蜗壳径向窗口入射到转轮的待测区，轴向布置(垂直于片光源方向)的CCD相机对准水轮机上特制窗口；

转轮与发电机的连接轴上装有转动触发器，可实现自动触发激光器发射激光，实现运转一周，激光发射一次。利用带有示踪粒子的流体被外部进来的片光源照亮，产生散射，记录下两次激光脉冲曝光的粒子图像，形成两帧图(即微小时间差下，同一待测区域的两张图)；

通过数据线从CCD相机传送到计算机进行处理。

数据处理的步骤如下：

参考图3，图3为速度三角形分解示意图，其中，

速度大小关系：

$U=\frac{{\mathrm{\πnD}}_i}{60}$

$W_m=V_m=\frac{q_V}{{\mathrm{\πD}}_{i}b\mathrm{\τ}}$

$V_u=\sqrt{V^2-{V_m}^2}$

W_u＝U-V_u

$W=\sqrt{{W_m}^2+{W_u}^2}$

其中，

n—水轮机转速，单位r/min；

D_i—研究水质点所在直径，单位m；

V—绝对速度，大小由PIV测试系统直接测得；

U—牵连速度，方向为圆周切向方向；

W—相对速度；

b—宽度

τ—阻塞系数；

将拍摄下来的原始图像数据，借助Insight软件处理，生成绝对速度矢量文件，然后按速度三角形，根据自编程序进行速度矢量分解，生成绝对速度圆周切向分量矢量、相对速度矢量。“去除”圆周切向分量矢量，再分别调入Tecplot进行数据后处理，得到混流式水轮机转轮叶道里相对速度矢量分布图。这样，就可将相对速度“筛选”出来，从而利用PIV技术更加准确地反映模型混流式水轮机转轮内部的实际流动规律，尤其是叶道涡的分布情况。

综上所述，本申请实施例提供的系统，对模型混流式水轮机进行特殊处理，并进行组装，搭建PIV测试系统，进而对水轮机转轮内部的水流运动进行测试，得到转轮内部流动，尤其是叶道涡的直观结果，根据速度三角形，自编计算程序，将水流质点的相对速度，即相对于旋转着的叶槽的流动速度，“筛选”分离出来，导入Tecplot进行数据后处理，得到水流质点的相对速度矢量图，从而利用PIV测试技术更加直观地反映模型混流式水轮机转轮内部的实际流动规律，尤其是叶道涡的分布情况，同时为模拟实验提供可靠的对比分析依据。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。