[发明专利]一种模型混流式水轮机转轮内部叶道涡测试的系统

说明书

本申请公开了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，其蜗壳上开设第一窗口，且与第一窗口沿径向相对的固定导叶和活动导叶为透明导叶，转轮上冠开设有第二观察窗口，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PIV粒子成像测速装置以及图像处理装置；PIV粒子成像测速装置具有图像采集部件，且固定于转轮的上方，用于记录流场中粒子的原始图像数据；图像处理装置利用原始图像数据得到绝对速度矢量，并对绝对速度矢量分解得到相对速度矢量，判断叶道涡的分布情况。上述系统能够获知水轮机转轮叶道内部流动的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。

技术领域

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：

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。

发明内容

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，