模型水輪機

模型水輪機是指為了了解真機的水力性能而製作的與真機的通流部分（包括蝸殼與尾水管）幾何相似的水輪機模型。模型水輪機成像觀測是指對模型水輪機轉輪葉片的初生空化、間隙空化、葉道渦和脫流等空化現象的圖像觀測試驗，以此來確定水輪機模型轉輪的空化性能。隨著人們對於水輪機穩定性要求的提高，對於空化發生位置及範圍界定的精確程度要求也越來越高；如轉輪葉片出水邊初生空化狀態的確定，轉輪室內部葉道渦及脫流初生線的確定等。

基本介紹

• 中文名：模型水輪機
• 外文名：Model water turbine
• 學科：電力工程
• 領域：能源
• 範圍：電力系統
• 別稱：模型水輪機成像觀測

簡介

隨著水輪機技術的進步，人們對於水輪機的內、外特性認知程度也有了極大提升，隨之而來是人們對於水輪機高效率追求的同時也對其穩定性提出了更高的要求。

空化是影響水輪機水力穩定性的重要因素，模型水輪機空化以及空化範圍的判定主要還依靠觀測的方式進行。

模型水輪機成像觀測是指對模型水輪機轉輪葉片的初生空化、間隙空化、葉道渦和脫流等空化現象的圖像觀測試驗，以此來確定水輪機模型轉輪的空化性能。隨著人們對於水輪機穩定性要求的提高，對於空化發生位置及範圍界定的精確程度要求也越來越高；如轉輪葉片出水邊初生空化狀態的確定，轉輪室內部葉道渦及脫流初生線的確定等。

此外，隨著人們對於水輪機水力性能研究的深入以及模型測試技術的進步，成像觀測方法和手段相應的提升也是勢在必行，如準確低觀測空化現象發生位置可以指導水力設計者對轉輪葉片型線的最佳化；對於在模型試驗過程中出現的特殊水力現象，尤其是對當前認知水平下無法解釋的珍貴影像資料進行清晰記錄與長期保存，日後對其深入研究和分析可以促進水輪機研究的進步等。

由此可見，模型水輪機的成像觀測在模型試驗中的地位越來越重要，在未來的試驗中，無論是指導水輪機水力性能最佳化還是對新水力現象的分析與研究，成像觀測都將發揮著越來越重要的作用。

成像觀測原理與現有方法的缺陷

傳統的成像觀測方法通常是以人工觀測法為主，該方法的主要原理是依據人眼的視覺暫留現象。試驗時，試驗人員藉助頻閃光源，調節光源的閃光頻率至與轉頻相同或相近連續閃光，在視覺暫留效應的作用下，觀測者便得到一系列的模型轉輪觀測圖像序列，人腦將此圖像序列按照時間先後連線在一起，便使得試驗人員看到一幅模型轉輪“靜止”或“緩慢”變化的畫面，完成觀測試驗。從本質上講，人眼藉助頻閃光源進行成像觀測並未實現與轉頻“同步”，實質上只是頻閃光源自身實現與轉頻的同步，觀測試驗的完成完全是通過大腦對圖像的後期編輯實現的，也就是說試驗人員與光源是兩套獨立的系統。此外，由於成像觀測的過程通常較長，人眼長時間暴露在強光源下，極其容易產生視覺疲勞，觀測結果的準確性容易受到影響，同時也易對人眼造成損傷，而且觀測到的圖像現象也無法以視頻的形式存儲下來，只能通過試驗者記憶來描述，帶有主觀性。

以攝像機為核心的成像觀測系統的出現彌補了成像結果無法記錄的缺陷，系統以磁帶和錄像機為存儲媒介，實現了對觀測到的視頻資料的保存。可是磁帶存儲內容有限且難於長期保存，高清數字攝像機的出現雖然解決了存儲問題。但是由於攝像機本身是採用固定幀率進行拍攝的成像設備，失去了人腦的“後期編輯”功能，圖像採集與光源系統相當於也是分立系統，成像時兩套系統存在著頻率差異，即使偶爾頻率一致時拍攝也存在相位差，攝像機也無法與頻閃光源同時曝光成像，導致得到的圖像幀序列明暗交替，即便採用高解析度的高清數字攝像機也很難得到清晰的影像，分析時很難準確確定產生空化的位置信息，不足以對空化現象的研究以及模型轉輪最佳化設計提供有效支持。

同步成像觀測系統

無論是人工觀測還是使用攝像機成像觀測，其最大的缺陷在於：成像設備均與頻閃光源是相對獨立的兩套系統，兩套設備的動作不同步。因此，要解決成像觀測的核心問題是首先解決如何“同步”的問題。所謂的“同步”是指成像設備動作與頻閃光源動作的一致性，即兩套系統動作的頻率相同，相位一致。因此，需要將原有的兩套系統有效地集成到一個系統中去，使得系統具有統一的觸發信號源，控制頻閃儀和成像設備同步動作完成成像觀測。

成像觀測系統同步方法及系統構成

隨著數字電子技術的發展，基於 CCD和CMOS感測器的數字高清相機、數字高清攝像機甚至數字高速高清攝像機大量湧現；而計算機套用技術的快速進步及處理器運算能力的飛速提升，使得這些成像設備在提升了成像質量的同時也提高了成像速度，減小了設備體積，而這些成像設備具有接口豐富，成像清晰，數據傳輸可靠等優點，為成像系統研製提供了必要條件。

利用數字式高清工業相機的拍攝幀率可程控以及頻閃光源的閃光頻率可外部信號控制的特點設計模型水輪機空化成像觀測系統。

模型水輪機成像觀測系統由主控計算機、成像相機、頻閃光源和網路交換機組成。主控計算機通過程式設定成像相機的拍攝幀率，控制相機拍攝頻率與模型水輪機的轉頻相同或相近。相機在以程式指定頻率控制快門動作的同時通過觸發電路向頻閃光源發出觸發脈衝信號，頻閃光源接收到觸發脈衝信號後立即閃光，為相機成像提供光源。相機在頻閃光源閃光的同時完成曝光得到一副完整的圖像後，將圖像信息從網路接口傳回主控計算機，計算機通過軟體將接收到的圖像信息按時間序列合成流媒體視頻，得到水輪機模型轉輪相對靜止或緩慢轉動的視頻流媒體檔案，從而模擬人眼和大腦成像觀測時的狀態進行成像觀測。

總結

同步數字成像觀測系統已在大電機研究所各高水頭水力試驗台成功套用，在白鶴灘，烏東德、豐滿改造等重大項目水力性能研發中起到重要作用。模型水輪機同步數字成像觀測方法的提出及觀測系統的成功研製首次實現了：

（1）將圖像採集系統與頻閃光源的真正有效地集成為一套系統，在系統運行的時序上實現了真正的同步運行；

（2）成像觀測系統實現了遠程控制，可以使觀測者在控制室完成空化觀測試驗的全部操作，擺脫了人工現地觀測的落後方式；

（3）從圖像採集、數據傳輸到存儲實現了模擬到數位化的飛躍，觀測數據易於長期保存與管理；

（4）實現了模型水輪機觀測系統遠程控制和觀測影像異地實時共享，圖像的異地共享便於不同研究者異地同時研究。