CN110410260A - 一种能量转换装置的内流场流动图像的检测方法 - Google Patents

一种能量转换装置的内流场流动图像的检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及能量转换装置状态检测技术，具体涉及一种能量转换装置的内流场流动图像的检测方法。本发明提供的能量转换装置内部的流动图像的检测方法，通过选择待检测区域，发射激光束使激光束照亮待检测区域，捕捉待检测区域内的示踪粒子，根据粒子的运动状态，获得能量转换装置的流场特征，使研究人员能够充分研究能量转换装置在S形工况发生时的内流场特征，适合广泛推广。

Description

一种能量转换装置的内流场流动图像的检测方法
技术领域
本发明涉及能量转换装置内流场检测技术，具体涉及一种能量转换装置的内流场流动图像的检测方法。
背景技术
水电是清洁能源，可再生、无污染、运行费用低，便于进行电力调峰，有利于提高资源利用率和经济社会的综合效益。在地球传统能源日益紧张的情况下，世界各国普遍优先开发水电大力利用水能资源。我国的水能资源丰富，理论蕴藏量6.76亿千瓦，技术可开发容量4.93亿千瓦，经济可开发容量3.78亿千瓦。无论是水能资源蕴藏量，还是可能开发的水能资源，我国都居世界第一位。但是，与发达国家相比，我国的水力资源开发利用程度并不高。截至2004年9月，我国水电装机容量突破了1亿千瓦大关，但开发率仅24％左右，大大低于发达国家50～70％的开发利用水平。因此，在一个相当长的时期内，我国水力资源开发潜力巨大。21世纪我国的电力工业将会有一个很大的发展，由于环境保护的要求，作为洁净及可再生能源的水电将会更加受到重视，水力发电将会有一个更迅猛的发展。
该能量转换装置需双向运行，兼具水泵和水轮机两种工作方式，运行工况遍布水泵、水泵制动、水轮机、水轮机制动、反水泵五个运行工况区，运行工况复杂多变。水泵水轮机水力开发既要满足水轮机性能要求又要满足水泵性能要求，同时还必须考虑不同工况间转换瞬态过渡过程特性，机组运行稳定性问题尤为突出。
通常认为：该能量转换装置存在“两形问题”即水轮机“S”形和水泵驼峰“马鞍形”两个不稳定运行区，对于水泵驼峰区目前采用预留余量限制运行的方式，即规定最大扬程至驼峰区的安全裕度不小于2％，以避免水泵水轮机进入驼峰区运行。而对于水轮机工况“S”区则避无可避，无论是水轮机工况增负荷，还是水轮机工况甩负荷，机组都不可避免的需要通过“S”区。水泵水轮机“S”特性已成为影响水泵水轮机安全稳定运行的决定性因素。因此对S形发生机理的内流场必须进行“内窥镜”试验，充分研究S形工况发生时的内流场特征。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种能量转换装置的内流场流动图像的检测方法，可以通过PIV相机拍摄检测区域内的示踪粒子分布，根据示踪粒子的分布和两种PIV图片之间的时间和位移，计算得到能量转换装置的内流场流动图像特征。
为解决以上技术问题，本发明提供的技术方案是一种能量转换装置的内流场流动图像的检测方法，所述方法包括：
在能量转换装置内选取待检测区域；
发射PIV激光束，使所述PIV激光束照亮所述待检测区域；
向所述待检测区域放入示踪粒子；
通过PIV拍摄器拍摄所述待检测区域内的流动图像，分析示踪粒子的运动状态，获得所述能量转换装置的内流场特征。
优选的，所述能量转换装置包含蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮和尾水管。
优选的，在所述能量转换装置的蜗壳上开设有第一透明视窗，以使所述PIV激光束穿过所述第一透明视窗射入所述能量转换装置内。
优选的，在所述能量转换装置内设有若干透明固定导叶和透明活动导叶，以使所述PIV激光束穿过所述透明固定导叶和所述透明活动导叶进入到所述待检测区域。
优选的，在所述待检测区域上部设置有PIV拍摄器，在所述待检测区域的顶盖上开设有第二透明视窗，以使所述PIV拍摄器通过所述第二透明视窗拍摄所述待检测区域内的流动图像。
优选的，所述PIV拍摄器对所述待检测区域的拍摄频率为15帧。
优选的，所述示踪粒子为空心玻璃微珠。
优选的，所述通过PIV拍摄器拍摄所述待检测区域内的流动图像，分析示踪粒子的运动状态，获得所述能量转换装置的内流场特征的方法，包括：应用激光通过片光源透镜组形成片光源照射待检测区域流场中的一个测试面，利用CCD相机成像的方法记录下在查问区相隔预设时间的两次曝光的示踪粒子位置，利用DPIV图像处理技术得到各点示踪粒子的位移，以示踪粒子位移与曝光时间间隔得到流场中各示踪粒子的流速，以示踪粒子的流速代表其所在的位置的流体的运动速度，并以此计算出其运动参数，即：v＝s/△t，式中，v为速度，s为位移，△t为时间间隔。
优选的，所述片光源面上速度分布和查问区宽度限定的双曝光时间间隔取值范围为：Δt2≤0.25Ndp s/u，其中，N为查问区宽度所占CCD上像素个数，dp为CCD上相邻像素之间的间隔，s为测量平面区域和CCD之间的位移放大系数，u为测量平面上最大速度分量大小。
优选的，所述检测方法采用PIV测试系统，所述PIV测试系统包括照明系统、成像系统、图像处理系统及坐标架系统。
本申请与现有技术相比，其有益效果详细说明如下：本发明提供的能量转换装置的流动图像的检测方法，通过选择待检测区域，发射激光束使激光束照亮待检测区域，捕捉待检测区域内的示踪粒子，根据粒子的运动状态，获得能量转换装置的流场特征，使研究人员能够充分研究能量转换装置在S形工况发生时的内流场特征，适合广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的能量转换装置的流动图像的检测方法内流场流动图像的检测方法示意图；
图2为本发明实施例提供的PIV测试系统的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的PIV测试四象限工况点；
图4为本发明实施例提供的活动导叶开度5°时不同工况点的PIV试验结果；
图5为本发明实施例提供的活动导叶开度20°PIV测试四象限工况点；
图中标记为：11-蜗壳，12-固定导叶，13-活动导叶，14-转轮，121-透明固定导叶，131-透明活动导叶，21-第一透明视窗，22-第二透明视窗。
具体实施方式
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，都属于本发明保护范围。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明实施例提供一种能量转换装置的内流场流动图像的检测方法，方法包括：
在能量转换装置内选取待检测区域；
发射PIV激光束，使PIV激光束照亮待检测区域；
向待检测区域放入示踪粒子；
通过PIV拍摄器拍摄待检测区域内的流动图像，分析示踪粒子的运动状态，获得能量转换装置的内流场特征。
具体的，能量转换装置包含蜗壳11、固定导叶12、活动导叶13、转轮14和尾水管。为了对能量转换装置的内流场流动图像进行检测，首先需要在能量转换装置的蜗壳11上开设有第一透明视窗21，以使PIV激光束穿过第一透明视窗21射入能量转换装置内，照亮待检测区域。其次，需要在能量转换装置内设有若干透明固定导叶121和透明活动导叶131，以使PIV激光束穿过透明固定导叶121和透明活动导叶131进入到待检测区域。再次，还需要在能量转换装置的待检测区域上部设置PIV拍摄器，即PIV相机，并且在待检测区域的顶盖上开设第二透明视窗22，以使PIV拍摄器通过第二透明视窗拍摄待检测区域内的流动图像，第二透明视窗22下方即为待检测区域，第二透明视窗22上部安装PIV相机，PIV相机可以拍摄到待检测区域内的流场特征。
具体的，为了保证PIV照片的拍摄效果，在待检测区域内的流体中置入示踪粒子，该示踪粒子可以为空心玻璃微珠，能够满足示踪粒子的反光性及跟随性的要求。
具体的，通过PIV拍摄器拍摄所述待检测区域内的流动图像，分析示踪粒子的运动状态，获得所述能量转换装置的内流场特征的方法，包括：在待检测区域的流场区域加入示踪粒子(示踪粒子要求具有较好的反光性、要与被测试的流体介质密度相当、跟随性能良好，示踪粒子的流动能充分反应流体的流动图像)，应用激光通过片光源透镜组形成片光源，照射待检测区域流场中的一个测试面，利用CCD相机成像的方法记录下在查问区相隔预设时间的两次曝光的示踪粒子位置(相隔时间很短，一般为几十到几千微秒)，利用DPIV图像处理技术得到各点示踪粒子的位移，以示踪粒子位移与曝光时间间隔得到流场中各示踪粒子的流速，以示踪粒子的流速代表其所在的位置的流体的运动速度，并以此计算出其运动参数，即：v＝s/△t，式中，v为速度，s为位移，△t为时间间隔。
具体的，对两幅示踪粒子图中对应位置的查问区中的粒子进行相关分析，在双曝光时间间隔内，必定会有粒子在查问区边界附近流进流出，成为相关分析后原始速度信息中主要的噪声信号。粒子速度越大，流人流出的示踪粒子数目就越多，从而信噪比下降。为了充分减小这种噪声信号，一般建议粒子最大横向和纵向位移不能超过查问区宽度的1/4。从而可以导出片光源面上速度分布和查问区宽度限定的双曝光时间间隔取值范围为：Δt2≤0.25Ndp s/u，其中，N为查问区宽度所占CCD上像素个数，dp为CCD上相邻像素之间的间隔，s为测量平面区域和CCD之间的位移放大系数，u为测量平面上最大速度分量大小。
具体的，如图2所示，本发明实施例提供的检测方法采用PIV测试系统，该PIV测试系统包括照明系统、成像系统、图像处理系统及坐标架系统。PIV粒子成像测速技术主要是利用先进的激光技术和成像技术完成对流场某截面的速度测量。粒子成像测速系统包括多个子系统。在大部分的测量应用中，测量流场中需加入示踪粒子，以示踪粒子的运动代替固液两相的运动。流场中一个平面内的示踪粒子需在一个很短的时间间隔内至少被照明两次，照明光源是由激光器产生的激光束通过一组球面和圆柱型组合透镜展开成具有一定厚度、一定光强并且分布均匀的片光。示踪粒子被片光照明后发生光的散射，并被单帧图像或双帧图像记录下来。
举例说明，本发明实施例提供一种水泵水轮机无叶区内流场的检测方法，可以通过PIV相机拍摄检测区域内的示踪粒子分布，根据示踪粒子的分布和两种PIV图片之间的时间和位移，计算得到无叶区流场特征。
具体的，在水泵水轮机顶盖上开设透明视窗，该透明视窗要求透明度好，透明视窗均采用丙烯酸酯有机玻璃。PIV激光束通过PIV发射激光器发射，且PIV发射激光器发射的激光束垂直射入蜗壳上的透明视窗。顶盖透明视窗的制造和安装特别关键，为了保证试验结果的客观性，试验参数必须按照IEC规程承担40m水头，要求透明视窗必须承担0.5MPa的压力。另外，固定导叶和活动导叶的材料为丙烯酸酯，且要求导叶制造必须采用水磨工艺，保证加工精度。为了保证PIV照片的拍摄效果，在待检测区域内的流体中置入示踪粒子，该示踪粒子必须为空心玻璃微珠试验效果最佳，能够满足示踪粒子的反光性及跟随性的要求。
在本发明实施例中，PIV拍摄器对水泵水轮机无叶区的拍摄频率为15帧。应用激光通过片光源透镜组形成片光源照射流场中的一个测试面，利用CCD相机成像的方法记录下在查问区相隔时间很短(一般为几十到几千微秒)的两次曝光的粒子位置，利用DPIV图像处理技术得到各点粒子的位移，以粒子位移与曝光时间间隔得到流场中各粒子的流速，以粒子速度代表其所在的位置的流体的运动速度,并以此计算出其它运动参数。即：v＝s/△t，式中，v—速度，s—位移，△t—时间间隔。
在本发明实施例中，向水泵水轮机尾水管的吸入管中注入示踪例子，利用PIV相机来捕捉拍摄通过所述待检测点处的示踪粒子，并通过检测分析示踪粒子之间的速度差来对所述水泵水轮机转轮无叶区内的流动特征。对两幅示踪粒子图中对应位置的查问区中的粒子进行相关的分析。在双曝光时间间隔内，必定会有粒子在查问区边界附近流进流出，成为相关分析后原始速度信息中主要的噪声信号。粒子速度越大，流人流出的示踪粒子数目就越多，从而信噪比下降。为了充分减小这种噪声信号，一般建议粒子最大横向和纵向位移不能超过查问区宽度的1/4。从而可以导出片光源面上速度分布和查问区宽度限定的双曝光时间间隔取值范围：Δt2≤0.25Ndp s/u，其中，N为查问区宽度所占CCD上像素个数，dp为CCD上相邻像素之间的间隔，s为测量平面区域和CCD之间的位移放大系数，u为测量平面上最大速度分量大小。
在本发明实施例中，根据PIV使用的试验条件，搭建了固定PIV系统的激光器、片光源透镜组、CCD相机等试验设备的平台及支架。1.将激光器固定，使其发出激光照射于待检测区域处，通过调整激光器的高度来对所测区域进行分层测试，共分三层。2.将CCD相机固定，使其完全可拍摄所测区域流动图像。
测试工况情况，以某抽水蓄能电站为例：在水轮机工况下，机组额定水头为659m，最大净水头693.85m，最小净水头为624.66m；在水泵工况下，机组扬程最高为712.46m，扬程最低为652.11m；电机为可逆式同步电机，其额定容量为350MW，转速500r/min。对该电站的模型转轮进行了如下工况测试。
(1)水轮机最优工况附近3个水头3个开度共9个工况点；运行范围内水轮机的最优工况、额定工况、50％负荷工况(最低水头)，共3个工况点；水轮机S区临界附近工况6个开度，每个开度30个工况点。
(2)水泵最优工况、最小扬程工况；驼峰区临界附近工况5个开度，每个开度30个工况点；水泵初生空化5个工况点；
如图3所示，本发明的实施例仅选取水泵水轮机四象限曲线的工况点进行描述，图3展示了不同开度的四象限曲线工况点，测试的开度为5.0°，5.6°，6.0°，7.0°，17.0°，18.0°，19.0°和20.0°。选取四象限曲线中5.0°和20.0°的试验结果进行对比分析。
如图4所示，选取活动导叶开度5°关键工况点上进行PIV试验观测，在反水泵区域，水轮机制动区域均可见强漩涡区存在，如工况A、B、C点，正是该区域的强漩涡存在阻碍了水从活动导叶进入转轮区域，导致了转轮前压力的急剧升高，从而使得转轮前后的压差增加，n11-Q11曲线出现反转，表现出反S形特征，从而出现1个n11对应两个Q11的一对多现象，导致机组在两个工况点之间波动，从而影响机组的稳定性，也就是在工程上会出现机组不能正常并网的现象。在水轮机工况区D和E工况点无叶区内的流动光顺。在水泵工况区，工况点H，无叶区内的流动光顺，然而在接近零流量工况G的区域内强旋涡存在导致了驼峰现象的发生和强压力脉动的产生。在水泵制动区，工况点F无叶区的强旋涡也阻碍了水从转轮内向活动导叶区域内流动，导致转轮前后的压差减小，n11增加，所以水泵制动区内，曲线呈现S形特征。
如图5所示，选取活动导叶开度20°上的特征工况点进行PIV流场观测。在反水泵区I和接近水轮机零流量工况J旋涡严重，一个漩涡存在于无叶区的流道内，由于此时水泵水轮机内既有水轮机方向的流动又有水泵方向的流动，两股流动交叉进行，流道内流动混乱，漩涡分布严重。在接近空载工况的K和L工况，漩涡分布有一个漩涡发展成为双漩涡分布。由于水轮机和水泵双向流动的相互搓摩(陆士嘉教授名言-流体本质就是涡，流体一搓就有涡)，大漩涡由水轮机方向的流动诱发而成，小漩涡由水泵方向的流动诱发而成。水轮机工况流动平顺，旋涡很少。水泵制动工况M，旋涡强度逐渐减弱。接近水泵零流量工况点N，双旋涡现象继续呈现。水泵工况O和P，流道内流动平顺。在过渡过程工况，水轮机甩负荷后，机组的运行状态由水轮机工况进入空载，有空载进入水轮机制动，然后进入反水泵区。并在这些区域交替进行，由内部流场的PIV试验观测来看，从空载到反水泵所在的区域，均为强旋涡存在区。所以有的机组在过渡过程工况表现出蜗壳压力和尾水管压力超标的现象变得容易理解。
综上所述，一种能量转换装置进行了PIV试验观测研究，获得了该装置内的流动图像。重点针对影响机组并网的小开度5°和影响过渡过程中蜗壳压力升高和尾水管内压力下降的额定开度20°内的流动现象进行了观测研究。获得了两个开度下的内部流动图像。在从水轮机工况到空载工况，再到水轮机制动和反水泵工况区，旋涡充斥着导叶后和转轮前的无叶区，这也是导致机组不能正常并网和压力超标的重要原因。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种能量转换装置的内流场流动图像的检测方法，其特征在于，所述方法包括：
在能量转换装置内选取待检测区域；
发射PIV激光束，使所述PIV激光束照亮所述待检测区域；
向所述待检测区域放入示踪粒子；
通过PIV拍摄器拍摄所述待检测区域内的流动图像，分析示踪粒子的运动状态，获得所述能量转换装置的内流场特征。
2.根据权利要求1所述的能量转换装置的内流场流动图像的检测方法，其特征在于，所述能量转换装置包含蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮和尾水管。
3.根据权利要求2所述的能量转换装置的内流场流动图像的检测方法，其特征在于，在所述能量转换装置的蜗壳上开设有第一透明视窗，以使所述PIV激光束穿过所述第一透明视窗射入所述能量转换装置内。
4.根据权利要求2所述的能量转换装置的内流场流动图像的检测方法，其特征在于，在所述能量转换装置内设有若干透明固定导叶和透明活动导叶，以使所述PIV激光束穿过所述透明固定导叶和所述透明活动导叶进入到所述待检测区域。
5.根据权利要求1所述的能量转换装置的内流场流动图像的检测方法，其特征在于，在所述待检测区域上部设置有PIV拍摄器，在所述待检测区域的顶盖上开设有第二透明视窗，以使所述PIV拍摄器通过所述第二透明视窗拍摄所述待检测区域内的流动图像。
6.根据权利要求5所述的能量转换装置的内流场流动图像的检测方法，其特征在于，所述PIV拍摄器对所述待检测区域的拍摄频率为15帧。
7.根据权利要求1所述的能量转换装置的内流场流动图像的检测方法，其特征在于，所述示踪粒子为空心玻璃微珠。
8.根据权利要求1所述的能量转换装置的内流场流动图像的检测方法，其特征在于，所述通过PIV拍摄器拍摄所述待检测区域内的流动图像，分析示踪粒子的运动状态，获得所述能量转换装置的内流场特征的方法，包括：应用激光通过片光源透镜组形成片光源照射待检测区域流场中的一个测试面，利用CCD相机成像的方法记录下在查问区相隔预设时间的两次曝光的示踪粒子位置，利用DPIV图像处理技术得到各点示踪粒子的位移，以示踪粒子位移与曝光时间间隔得到流场中各示踪粒子的流速，以示踪粒子的流速代表其所在的位置的流体的运动速度，并以此计算出其运动参数，即：v＝s/△t，式中，v为速度，s为位移，△t为时间间隔。
9.根据权利要求8所述的能量转换装置的内流场流动图像的检测方法，其特征在于，所述片光源面上速度分布和查问区宽度限定的双曝光时间间隔取值范围为：Δt2≤0.25Ndps/u，其中，N为查问区宽度所占CCD上像素个数，dp为CCD上相邻像素之间的间隔，s为测量平面区域和CCD之间的位移放大系数，u为测量平面上最大速度分量大小。
10.根据权利要求1所述的能量转换装置的内流场流动图像的检测方法，其特征在于，所述检测方法采用PIV测试系统，所述PIV测试系统包括照明系统、成像系统、图像处理系统及坐标架系统。
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