CN102288783A

CN102288783A - 一种汽轮机湿蒸汽测量图像探针

Info

Publication number: CN102288783A
Application number: CN 201110118134
Authority: CN
Inventors: 蔡小舒; 刘海龙; 苏明旭
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2011-05-09
Filing date: 2011-05-09
Publication date: 2011-12-21

Abstract

一种汽轮机湿蒸汽测量图像探针，特点是，该探针包括：探针杆、CCD或CMOS相机、远心透镜、照明光源、玻璃窗和计算机，所述的CCD或CMOS相机前端与远心透镜连接在一起装在探针杆内，远心透镜前设有防止水滴冲刷到远心透镜的玻璃窗，CCD或CMOS相机的输出端经信号电缆和计算机连接，由计算机进行数据处理和保存，拍摄水滴图像时，照明光源发出的强光照射到被测水滴，被测水滴的影像经过玻璃窗被远心透镜接收后由CCD或CMOS相机拍摄。本发明的有益效果是利用远心透镜的特点和CCD或CMOS数字相机实现汽轮机内湿蒸汽两相流2次水滴和叶片水膜各参数的测量，满足汽轮机内湿蒸汽研究以及防止水蚀的需要。

Description

一种汽轮机湿蒸汽测量图像探针

技术领域

本发明涉及一种融合图像法和激光技术的汽轮机内湿蒸汽测量装置，特别涉及一种汽轮机湿蒸汽测量图像探针，用于测量汽轮机内湿蒸汽2次水滴和叶片表面水膜及破裂等参数。

背景技术

汽轮机是最主要的原动机，主要用来驱动发电机发电和驱动多种大型机械。汽轮机的工作原理是高温高压的过热蒸汽进入汽轮机，在汽轮机中逐渐膨胀做功，推动汽轮机旋转并驱动发电机发电。蒸汽在膨胀做功的同时，温度和压力逐渐下降，发生凝结产生大量直径在1微米左右的极微小水滴（称为1次水滴），成为饱和湿蒸汽。1次水滴在汽流作用下部分沉积在汽轮机叶片表面，形成水膜。水膜在流到叶片边缘会发生破裂，形成直径较大的水滴，称为2次水滴。2次水滴的直径在10微米左右到数百微米，流速较高，撞击在高速旋转的汽轮机叶片表面会将叶片打坏，造成水蚀，影响汽轮机的安全运行和经济性。

为研究汽轮机内湿蒸汽两相流机理和解决2次水滴对叶片的水蚀等问题，需要测量和研究2次水滴的各种参数，包括水滴的大小，单位体积内的数量，流速和流动方向，叶片表面的水膜厚度，水膜破裂的过程等。但目前还没有很好的测量装置可以测量上述这些参数。近年来随CCD和CMOS数字相机的发展，以及光学技术、激光技术、计算机技术等的发展，图像测量装置已在工业上得到广泛应用，成为一类新的测量方法。图像测量方法由CCD或CMOS数字相机，照明光源，计算机等主要部件构成。考虑到被测物体的不同，如被测物体的运动速度，尺寸大小等因素，需要对图像法测量系统进行综合考虑。但在普通透镜拍摄的图像中，离镜头近的物体成像较大，离镜头远的镜头成像较小，这样在图像识别时很难确定图像中物体的大小。因此，目前尚无图像测量装置在在汽轮机内湿蒸汽两相流2次水滴和水膜等各种参数测量中的应用。

发明内容

本发明的目的是将图像测量法用于汽轮机内的湿蒸汽两相流测量，为湿蒸汽研究提供一种新的测量方法，提供一种汽轮机湿蒸汽测量图像探针。

本发明的基本原理：用具有快门速度可控且具连续测量功能的面阵数字相机或摄像机，如CCD或CMOS数字相机或数字摄像机作为检测传感器件，数字相机的镜头采用远心透镜。原来的一些光学图像探针设计采用普通固定焦距或变焦距透镜。但在普通透镜拍摄的图像中，离镜头近的物体成像较大，离镜头远的镜头成像较小，这样在图像识别时很难确定图像中物体的实际大小。远心透镜的特点是有较长的工作距离和较大的景深，在景深范围内被测物体的影像大小不随位置远近的变化而发生变化。这个特点在汽轮机内湿蒸汽测量研究中尤其重要，因为2次水滴出现在探针测量区中的位置是随机的，如果同样大小的水滴因处在探针测量区不同位置而得到的影像大小不同，就无法从图像中确定水滴的大小。而采用远心透镜就不会出现这样的现象。

为防止2次水滴冲刷到远心透镜，在透镜前装有隔离用玻璃窗。由于在汽轮机中蒸汽的流动速度很高，水滴的速度也很高，要能得到清晰的水滴图像，相机的曝光时间必须很短，照明光源就应该很强。在本测量装置中拍照时的照明光源采用激光，同时安装有白光光源作为观察用光源。在光源的照射下，2次水滴流过探针测量区被光源照亮后，水滴的影像通过远心透镜被相机接收拍摄并保存在计算机中进行处理。为能在汽轮机中拍摄湿蒸汽的2次水滴图像以及叶片表面的水膜和破裂情况，相机、照明光、远心透镜和玻璃窗都安装在1根探针中，构成湿蒸汽测量图像探针。相机拍摄2次到的水滴图像通过信号电缆传输到计算机进行处理和保存。

为能得到2次水滴的运动方向和速度，可以控制相机的快门曝光时间，合适的曝光时间可以使得2次水滴的运动在拍得的图片中形成1条轨迹，由该轨迹长度和远心透镜的放大倍率可得到水滴在曝光时间内的实际运动距离L，再由式（1）根据该距离和相机快门曝光时间τ得到水滴的速度C，并得到水滴的运动方向。由轨迹的宽度可以得到2次水滴的直径。

Figure 201110118134X100002DEST_PATH_IMAGE001

（1）

基于上述原理，本发明的技术方案是，一种汽轮机湿蒸汽测量图像探针，特点是，该探针包括：探针杆、CCD或CMOS相机、远心透镜、照明光源、玻璃窗和计算机，所述的CCD或CMOS相机前端与远心透镜连接在一起装在探针杆内，远心透镜前设有防止2次水滴冲刷到远心透镜的玻璃窗， CCD或CMOS相机的输出端经信号电缆和计算机连接，由计算机进行数据处理和保存，拍摄2次水滴图像时，照明光源发出的强光照射到被测2次水滴，被测水滴的影像经过玻璃窗被远心透镜接收后由CCD或CMOS相机拍摄。

所述照明光源并行的增设有脉冲激光光源，由脉冲激光光源发出持续时间极短，功率很大的激光通过激光光纤10照射到2次水滴，由CCD或CMOS相机拍摄得到2次水滴的影像，所述的照明光源则用作观察光源。

所述的远心透镜前增设转角棱镜，以使探针能测量侧向的2次水滴和叶片表面的水膜。

所述的CCD或CMOS相机置于探针杆外，CCD或CMOS相机通过传像光纤束与远心透镜相连接，以使探针能在高温下工作。

本发明的有益效果是利用远心透镜的特点和CCD或CMOS数字相机实现汽轮机内湿蒸汽两相流2次水滴和叶片水膜各参数的测量，满足汽轮机内湿蒸汽研究以及防止水蚀的需要。

附图说明

图1为本发明实施例1示意图；

图2为不同大小2次水滴运动轨迹示意图；

图3为本发明实施例2示意图；

图4为本发明实施例3示意图；

图5为本发明实施例4示意图。

具体实施方式

结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：

一种采用远心透镜和CCD或COMS数字相机的汽轮机湿蒸汽测量图像法探针，如图1 所示。远心透镜3与CCD或CMOS相机2连接在一起装在探针杆1内，远心透镜前设有防止2次水滴6冲刷到远心透镜的玻璃窗5，远心透镜的工作距离是f ，即远心透镜到测量区一端的距离，远心透镜的景深范围是f_d，即探针的测量区长度，CCD或CMOS相机2的输出经信号电缆8连接到计算机7进行数据处理和保存，拍摄水滴图像时，照明光源4发出的强光照射到被测2次水滴6，水滴6的影像经过玻璃窗5被远心透镜3接收后由CCD或CMOS相机2拍摄。

为得到2次水滴的运动状态参数，如速度和流动方向，通过适当控制相机的快门曝光时间τ，使得水滴的影像在图像中呈一条轨迹线，见图2。图2 中不同粗细和长度的线条表示不同大小和速度的2次水滴。大水滴d的运动速度比较慢，形成的轨迹线较短，小水滴a的运动速度比较快，形成的轨迹线比较长。这样根据远心透镜的放大倍率X和水滴轨迹线的长度I可以得到相机曝光期间各个水滴运动的距离L，

L=XI （2）

得到L后水滴的速度就可以由式（1）得到。2次水滴的运动方向就是水滴轨迹线的方向。而2次水滴的大小可以由水滴轨迹线的宽度得到。如果水滴轨迹线的宽度是d，则水滴的直径

D=Xd （3）

探针测量区的体积V是远心透镜的景深h和远心透镜视野S的乘积。记录连续测量的时间t和在这段时间内测得的水滴的数目N，就可以得到水滴的颗粒数浓度M和体积浓度Cv，

（4）

（5）

实施例2：

在2次水滴速度很高时，相机的曝光时间需要很短，如在纳秒级。在这样短的曝光时间中，如果仍采用实施例1 中的照明光源4会因为光强不够，水滴的图像会曝光不足，影响测量或甚至无法测量。在实施例1所述的汽轮机湿蒸汽测量图像探针中增加了脉冲激光光源9，脉冲激光光源9发出的持续时间极短，功率很大的激光通过激光光纤10照射到2次水滴，水滴足够明亮，由CCD或CMOS相机拍摄得到2次水滴的影像，而照明光源4则用作观察光源。

实施例3：

在汽轮机湿蒸汽测量时，需要测量叶片表面的水膜以及水膜在叶缘破裂过程，而这一测量的方向与探针的方向成90度角或一定的夹角，实施例1中的探针只能测量在探针前向的2次水滴，不能测量在探针侧向的2次水滴或叶片表面的水膜。实施例1中所述的汽轮机湿蒸汽测量图像探针中在远心透镜前加了1个转角棱镜11，见图4，这样探针就可以测量侧向的2次水滴和叶片表面的水膜。

实施例4：

在探针工作温度较高的场合，CCD或CMOS相机无法正常工作，将实施例1中的相机移出探针杆，在探针内远心透镜后装CCD或CMOS相机的位置上装上传像光纤束12，见图5，在传像光纤束的另一端装上CCD或CMOS相机2，这样避免了相机在较高温度下工作，探针可以工作在较高蒸汽温度的场合。

Claims

1.一种汽轮机湿蒸汽测量图像探针，其特征在于，该探针包括：探针杆、CCD或CMOS相机、远心透镜、照明光源、玻璃窗和计算机，所述的CCD或CMOS相机前端与远心透镜连接在一起装在探针杆内，远心透镜前设有防止2次水滴冲刷到远心透镜的玻璃窗， CCD或CMOS相机的输出端经信号电缆和计算机连接，由计算机进行数据处理和保存，拍摄水滴图像时，照明光源发出的强光照射到被测2次水滴，被测2次水滴的影像经过玻璃窗被远心透镜接收后由CCD或CMOS相机拍摄。

2.根据权利要求1所述的汽轮机湿蒸汽测量图像探针，其特征在于，与所述照明光源并行的增设脉冲激光光源，由脉冲激光光源发出的持续时间极短，功率很大的激光通过激光光纤10照射到2次水滴，由CCD或CMOS相机拍摄得到2次水滴的影像，所述的照明光源则用作观察光源。

3.根据权利要求1所述的汽轮机湿蒸汽测量图像探针，其特征在于，在所述的远心透镜前增设转角棱镜，以使探针能测量侧向的2次水滴和叶片表面的水膜。

4.根据权利要求1所述的汽轮机湿蒸汽测量图像探针，其特征在于，所述的CCD或CMOS相机置于探针杆外，CCD或CMOS相机通过传像光纤束与远心透镜相连接，以使探针能在高温下工作。