[发明专利]一种模型水轮机流态观测的多机位主从触发式同步成像方法

摘要

本发明公开一种模型水轮机流态观测的多机位主从触发式同步成像方法，涉及水力机械模型试验领域。本发明利用数字成像设备拍摄帧率可程控及外部接口具有可触发输入、输出的特点，在首次针对模型水轮机多机位流态观测提出了采用计算机控制主成像设备发出触发信号控制从属成像设备与频闪光源与主成像设备同步曝光，并与模型水轮机转频同步来同时观测模型水轮机内部多个关键区域的流态的多机位同步触发成像方法。本发明对于水力机械的水力性能优化设计，模型水轮机转轮内部全流道微观水力现象的特性研究以及由于空化引起的水轮机故障诊断的研究具有非凡的指导意义。

主权项

一种模型水轮机流态观测的多机位主从触发式同步成像方法，其特征是：1)启动计算机系统；2)调节模型水轮机使其达到欲观测的固定转速下的稳定工作状态；3)利用计算机数据采集设备采集模型水轮机的转速信号，并计算当前模型水轮机的转频，具体方法如下：假设当前模型水轮机的测速齿盘为N个齿，齿盘的每个齿转过转速传感器时，传感器产生一个脉冲信号，数据采集设备中的计数器对脉冲进行频率测量，通过数据采集设备中的内部时钟频率计算出齿盘的转动频率fn，并换算出当模型水轮机的转速为n时，模型水轮机的转频f为：f=fnN=n60]]>其中转速n的单位为rpm，即转/分钟，f、fn的单位为Hz，旋转机械的同步对象是指同转速同步，即数字成像设备的图像采集频率同旋转机械的转动频率相同，因此，在进行同步成像前必须获得转速信息；4)根据计算出的模型水轮机的转频，利用计算机程序生成主控相机触发信号，具体方法如下：当调节模型水轮机至欲观测的转速下运行时，由于模型水轮机的流量及尾水压力的改变，导致模型水轮机转轮叶片进水边产生正、背面脱流、模型转轮叶道涡、转轮叶片出水边产生空化、尾水管锥管处产生涡带现象，通过清晰地观测、采集并记录上述现象产生过程，辅以当前工况下的试验参数进行分析脱流、叶道涡、空化及涡带现象产生的部位及诱因，可以指导水轮机模型转轮叶片叶型的优化设计，甚至有助于进行原型水轮机运行稳定性分析及故障诊断的研究；由于脱流、叶道涡、空化及涡带现象并非静止不动，而是随着转轮的转动不断旋转，为了清晰地采集到上述现象发生全过程的图像信息，图像采集的频率必须与转频相同或相近，从而可以获得所要观测位置的相对静止或缓慢变化的图像，即所谓的“同步”；令S1为转频信号，即为同步成像方法所要同步的信号，S2为频率由计算机程序给定的由主成像设备产生的矩形波形式的触发信号，即为主从触发的触发信号，触发信号的上升沿或下降沿均可作为触发沿，在此以上升沿作为触发沿为例说明：转频信号的周期为T1，触发信号的周期为T2，两信号初始相差△t，触发信号在第二个触发周期时与转速信号相差△t1，则△t1＝△t+(T1‑T2)，则第i个触发周期的触发沿到来时刻，两信号的相位差为△ti＝△t+i×(T1‑T2)，i为正整数)，当(j+1)×T1>i×|T1‑T2|≥j×T1时j为正整数，则主控成像设备完成对模型水轮机转轮第j圈成像观测；5)主控成像设备通过触发信号控制从属成像设备以及频闪光源进行图像采集，具体方法如下：当进行模型水轮机多机位同步流态观测时，由于观测位置不同，主、从成像设备均需各自配备独立的频闪光源，主成像设备按照计算机程序给定的频率进行图像采集，同时主成像设备产生上述频率与初始相位的触发信号S2，并将其输出至从属成像设备及频闪光源，从属成像设备接收到来自主成像设备的触发信号，按照触发信号的频率进行图像拍摄，频闪光源在接收到来自主成像设备的主触发信号将主触发信号时，同步闪光配合主、从成像设备完成同步曝光，由于电信号在传输过程中速度接近光速，可以忽略触发信号传输过程中的延时，则实现主成像设备触发控制从属成像设备及频闪光源的主从触发式同步成像；主成像设备包括具有GigE Vision接口协议、USB接口或IEEE1394接口协议的具有数据输出和同步触发输出功能的数字式相机或数字摄像机，从属成像设备包括具有GigE Vision接口协议、USB接口或IEEE1394接口协议的具有数据输出和同步触发输入功能的数字式相机或数字摄像机，频闪光源包括连续曝光频率可调的具有外部触发功能的闪光灯或闪频仪；6)主、从成像设备通过数据输出接口采用数字传输的方式将采集到的数据以图片的形式按照拍摄时间先后顺序实时传送给计算机，计算机以成像设备拍摄到的每一幅图片为一帧，按照时间先后顺序分别将主、从成像设备回传的图像合成为通用格式的视频流媒体文件实时显示在计算机图像输出设备上，当观测到脱流、叶道涡、空化或涡带现象出现时，则手动将合成的视频流媒体文件记录在计算机的磁盘存储器中；在转速不变的情况下，通过改变模型水轮机的流量及尾水压力来模拟水轮机转轮叶片进水边、出水边、叶道间及尾水管锥管处的流态，通过调整主、从成像设备的观测角度与位置，可实现对模型水轮机转轮任意流道从进口到出口的全叶道观测，将采集到的图片信息以及计算机将图片按帧合成的视频流媒体文件可以获得模型水轮机转轮叶片进水边正、背面脱流、叶道涡，转轮叶片出水边背面空化、尾水管锥管涡带现象形成的全过程。