采用5孔畢托柱測(cè)量模型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)出口斷面流速分布的技術(shù)探討.docx

1、水輪機(jī)部分采用5孔畢托柱測(cè)量模型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)出口斷面流速分布的技術(shù)探討TheApproachofFlowVelocityDistributionMeasurementatInletandOutletEdgeontheBladesofModelTurbinebyUsingthePitotProbeMethod尚曉桐張莉(水利水電科學(xué)研咒院)XieXiaotongZhangLi(InstituteofWaterConservancyandHydroelectricPowerResearch)摘要巧了際究水牝機(jī)內(nèi)部流動(dòng)特性，志到汝進(jìn)設(shè)H.議吾水牝機(jī)就髭、性特性的目的，I，ijij,。展型轉(zhuǎn)輪流速分布

2、的測(cè)£已三益為匡內(nèi)外水淪機(jī)技術(shù)部門沔重視.本文介紹了一種采用5孔電沌柱對(duì).匠擊式模型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口折面進(jìn)行流速分布瀏遂及流量M算的方法】比出了很據(jù)上迷汁算流封與流呈計(jì)祈刀流國(guó)之比.淺線性對(duì)被測(cè)流速分布進(jìn)行修正，使測(cè)"隹確度禮頊J1W5洌；：竹敬據(jù)州亍時(shí)處理程莊也做了簡(jiǎn)要介弟，Abstracttestapproachingmoreidealmodeloptimizationduringresults.ThethehydraulicTbispaperdescribesamethodtomeasuretheflowvelocitydistributiononbothinlet

3、andcutletedgeofmodelturbinebladesbyusingthe5holesP'totprobe.Arealtimeprogrammingprocedurehasbeendesignedanddeveloppedforthepurpose.Jnaddition,avelocitymodifyingmeasuredependingontheratiobettweenthePitotmeasuredflowandteststandmeasuredflow,hasbeensuggested.Andwhichmayhelpsthemethodprovidedaeffici

4、entwayforturbineresearchanddevelopment.主題詞(Koywords)模型轉(zhuǎn)輪(modelrunner)流速分布(flowvelocitydistribution)由于捋校內(nèi)部流動(dòng)引言水輪機(jī)轉(zhuǎn)掄設(shè)計(jì)優(yōu)化的蒐要目標(biāo)之一是使計(jì)算工況時(shí)通過(guò)碑輪各處的水流質(zhì)點(diǎn)都能沿流面平顧地通過(guò)e亦即實(shí)現(xiàn)聽(tīng)謂“無(wú)撞擊進(jìn)口”和“無(wú)環(huán)最出口”，并,沿流道的水力損1央盡可能地減小。事實(shí)上，的復(fù)雜性和計(jì)算邊界條件假定的近似性，所以計(jì)算工況下轉(zhuǎn)輪各部位的實(shí)際流態(tài)，很難做到都與設(shè)計(jì)者的假定相吻合。府使用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行水輪機(jī)水力設(shè)計(jì)過(guò)程中，開(kāi)發(fā)最佳CAD軟件，需要大量的物理模型試驗(yàn)資料，以提供可靠

5、的數(shù)據(jù)做為計(jì)算邊界條件。在這些邊界泰件中，轉(zhuǎn)輪進(jìn)出口斷旅的壓力、遮度分布尤為通要C開(kāi)展模型水輪機(jī)內(nèi)部流逮分布的洲揪工作能有效地解決上述涕題。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，修正傳佬的水力設(shè)計(jì)參數(shù)，特別是進(jìn)、出口斷而參數(shù)的修正J般只經(jīng)過(guò)二至三輪改進(jìn).就可以收到明顯效果，使最優(yōu)點(diǎn)效率明顯提高，并逐步向預(yù)期的最優(yōu)工況點(diǎn)的參數(shù)季攏C國(guó)內(nèi)外水輪機(jī)研究部門的經(jīng)驗(yàn)證明，轉(zhuǎn)校內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)的測(cè)量可減少物理模型試駁工作量，縮短試驗(yàn)研究悶期。對(duì)于使用CAD技術(shù)完成設(shè)計(jì)的模型，可將測(cè)得的流速分布作為下一輪改型后計(jì)算的邊界條件。經(jīng)過(guò)幾輪&巡近”之后.使設(shè)計(jì)參數(shù)趨于合理。這里介紹一種采用5孔畢托柱測(cè)壁模型水輪機(jī)進(jìn)，出口斷而流速分布

6、的技術(shù)（以下筒林“畢托試驗(yàn)”）。為了提福測(cè)試水手和實(shí)廳性，在"畢托試牧”技術(shù)中,提出并采用了下列措施：1 ）為了把畢托試驗(yàn)與模型線輪木力設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)，將沿畢托軸統(tǒng)方向所測(cè)流速分布，經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換解析成為水輪機(jī)設(shè)計(jì)所習(xí)慣引用的各個(gè)流速分量。2）根據(jù)畢托試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出了流量。3）根據(jù)上述計(jì)算波里與試驗(yàn)臺(tái)流量汁實(shí)測(cè)流域之比，對(duì)各流速分量值實(shí)行線性修正。修正的結(jié)果更接近亍各點(diǎn)流速的真值。4）在畢托試騏和上述數(shù)值計(jì)算過(guò)程中，使用汁算機(jī)進(jìn)行實(shí)討數(shù)據(jù)采集、處理，代替以往的人工讀數(shù)，提高了制試速度和精度。本文將囹繞上述題目進(jìn)行討論，并對(duì)畢托試驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)聞E透行簡(jiǎn)耍介紹。2 測(cè)逾原鯉為了測(cè)是一個(gè)空間流速

7、矢信寸的大小和方向，瑚洛3酈為和-兀如圖1所徂V=、+.（1）、如能設(shè)法測(cè)得R,與z軸_即夾伯丫，和":與Z軸的夾角饑就能確定亍的方向。結(jié)構(gòu)如圖2所示，將事先經(jīng)過(guò)率定的5孔畢托柱置于軸，并將測(cè)點(diǎn)固定主。點(diǎn)，就可光后測(cè)出丫和0角，進(jìn)而溯算出亍的值。具體過(guò)程如下？1）如圖8（矽，將畢托柱沿x御插入.當(dāng)測(cè)孔2、3與軸對(duì)稱時(shí)，丫角讀數(shù)定為'。2）如圖3（b）二將畢托柱順時(shí)針族建.當(dāng)測(cè)孔2、3與了”對(duì)稱時(shí)，2、8孔壓差巳二3=0,此時(shí)角刻度盤讀數(shù)為'，即得到亍八與n軸的夾角。8）如圖3（c）,將畢托管鎖定在成丫角的平面內(nèi)，考察Z0X平面。在a-巳，4坦被測(cè)迎J條件下，由圖4所示

8、率定曲線"即可求出二與z軸的夾角。4）由圖4中的曲線B、C可進(jìn)一步算出的絕對(duì)值V。設(shè)率定曲線o-f（-g：蕓;）的函故值為工，實(shí)測(cè)總壓和謫壓之差為Pi-P。則V可由下式求得8.I、:U:I鈉二.年，戒衲淺，思"*?2虹£.£類牛N-二.7'依3用.，線也£：3$沽十S.以./-V-2gV巳-P。/Y2）L圖25孔柱式供結(jié)尸用4中托管的宰定曲線，圖3.5孔柱式畢托看的測(cè)流威理如前所述，圖4所示率定曲線是經(jīng)過(guò)精確率定的。在率定過(guò)程中，高精度的壓差儀表測(cè)出了率定系統(tǒng)中的總壓已和靜壓巳的差，同時(shí)將被測(cè)畢托管的視在總壓Pi和視在靜壓P2的壓差測(cè)出

9、，改變。角，就得到了圖4中的曲線B,亦即。=/（專二手；）。實(shí)際使用這只畢托管時(shí)，假設(shè)被瀏流場(chǎng)中某點(diǎn)的真實(shí)總壓和靜壓之差Pf-Pf為未知待求，又設(shè)實(shí)測(cè)出的視在總壓與視在靜壓之差為,若假定此時(shí)的豐；三裳與率定值專三羊:-招同,亦即8角相同,并進(jìn)一步假定P：-巴Pe-_P#次、T5=_Pj-P2（3）成立。則得又設(shè)此點(diǎn)的絕對(duì)流速為C,相應(yīng)的速度水頭為He。又知速度頭為總壓與靜樂(lè)之差，即，（女'0杖枝木,池21980年Hc-PPf/Y（5）9)C=、/=/2£7聲（G）將4）代入（,則c依俺*T.節(jié)心痂“）那么，式（7即為前面計(jì)算V值時(shí)所用的式2）。式（7）中各值均為巳知.故值是確

10、定的。必須說(shuō)明的是，試驗(yàn)條件與率定條件很難保持相同，故式3）的成立本身具有一定誤差o該誤差的大小正比于率定與實(shí)用的速度差。若盡量減小這一差值，在一定的精度范圍內(nèi)，仍可認(rèn)為式（3）是成立的。為了明確率定曲線適用的速度范圍，在率定曲線圖上畢托管生產(chǎn)廠標(biāo)明了速度系數(shù)虬（圖4中的Ah=0.1。）.，用戶應(yīng)據(jù)此選取使用速度，或根據(jù)巳定的使用速度選取AG數(shù)相近的率定曲線。這叟率定時(shí)的速度系數(shù)定義為$F_P虬=-加廣（8）使用某畢托管時(shí)，可先根據(jù)實(shí)測(cè)的PI-PI和值算出快r，以判定是否適用。有妾二巧1氏由圖4中率定曲線B和C還可分別求出總壓P?和靜壓進(jìn)而得到所測(cè)流場(chǎng)的壓力分布。設(shè)曲線C0=f（專匕5：）中的

11、(10)又設(shè)曲線b8='（普二手；）中的-<11)聯(lián)立式（10）和（11）有,=丫（牛旦尹，(12>與式（3）的成立相類似.可假定在畢托試驗(yàn)中下度成足.滬再）.13）P強(qiáng)P為實(shí)測(cè)總壓，在p;及巧-p;已知的情況下.P!是確定的。埒式（12）代入式（11）中，整理得*p,=Pi-y（x+1）（pa-p3）i4）同樣.式（14）用于實(shí)測(cè)時(shí)，為P：=PY-1）（P（-巧）（15）式中為實(shí)測(cè)靜壓在式（13）、（15）中，涉及視在總壓P1的測(cè)量。在封閉有壓系統(tǒng)中，應(yīng)以系統(tǒng)壓力作為P測(cè)量的基準(zhǔn)°對(duì)于模型水輪機(jī)，這里F：的取值實(shí)際上采用位于轉(zhuǎn)輪進(jìn)（出）口斷面上畢托測(cè)覽的視在總壓

12、與其吸寸:管出口的視在總壓之差P5-Pidf來(lái)表達(dá)。新”為吸水管出口的視在總壓。3 儀器與設(shè)備畢托試驗(yàn)的儀器設(shè)備配置如下：1）圖5是由美國(guó)聯(lián)合電氣控制公司一生產(chǎn)的DA-250型5孔畢托柱。它的重復(fù)性好，廠家提供的率定曲線的精度較高。將其裝在吸水管外側(cè)或蝸殼內(nèi)側(cè)的托架上，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、進(jìn)退及鎖定，以便測(cè)量特定點(diǎn)的水流方向和速度。2）為測(cè)取壓差值Pi-Pi,和需配置1臺(tái)或多臺(tái)壓差傳感器。其精度應(yīng)不低于±0.5%°若只配一臺(tái)壓差傳感器，則應(yīng)配置一臺(tái)多路切換閥門，輪流測(cè)最以上各壓差值。3配置一臺(tái)具有模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的數(shù)字電壓表.一方面顯示被測(cè)壓差值，另一方面將模擬蘊(yùn)就換成數(shù)字量輸入數(shù)據(jù)采集

13、處理計(jì)算機(jī)。4）配置如圖6所示的零Y角標(biāo)定裝置。它由一個(gè)小型風(fēng)洞和一組U型管組成。它的功能是保證畢托柱上的零丫角位置與廠家率定該畢托柱時(shí)的零Y位置相同。將畢托管置于風(fēng)洞中旋裁，當(dāng)P'lPs=0時(shí)，將裝配在畢托桿上的刻度盤與畢托樣的相對(duì)位置固定，而。度位L»X25."r：r-L»X25."r：r-置刻度線與風(fēng)洞軸級(jí)位于一個(gè)平面。當(dāng)該畢托管連同刻度盤一起安裝到托架上進(jìn)行試驗(yàn)時(shí).使上述0度位置.對(duì)準(zhǔn)托架盤上的等線位置、就可找到畢托管的冬丫布位置。托盤雄上的零級(jí)應(yīng)與模型轉(zhuǎn)輪旋線中心線位于同一平面內(nèi).這將由模型加工工藝來(lái)保訕:。由此確定的零、.角位置與畢托

14、管出廠進(jìn)行率定時(shí)的位置保持f致。5）畢托試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集和處理最好由電子計(jì)算機(jī)來(lái)完忒，這里以采用PDP100小型計(jì)算機(jī)為例進(jìn)行畢托試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集及實(shí)時(shí)處理.并完成計(jì)算、繪圖和測(cè)圾打印等工作C圖6比托君月尸辜定裝躡4 畢托試驗(yàn)在模型水輪機(jī)中的布置圖7為-個(gè)可進(jìn)行畢托試驗(yàn)的混流式水輪機(jī)模型示意圖。在軸流轉(zhuǎn)槳式、斜流式或水泵水輪機(jī)模型上，也可做同樣的布置。位于導(dǎo)岬出口與轉(zhuǎn)輪進(jìn)口的畢托督.可垂直移動(dòng)，測(cè)得沿，方向不同高度情況下模型進(jìn)水口旅速、流向及壓力分布。此時(shí)由于水流沿輻向諼入轉(zhuǎn)輪，一般。角較小測(cè)是結(jié)果可用敷宇既示11悒7混流式冰輪機(jī)模型畢托試驗(yàn)示愚方于判斷在設(shè)計(jì)工況肘，傳輪進(jìn)水邊是否為無(wú)捶擊進(jìn)口O由

15、混流或水粉機(jī)的形狀及模型結(jié)構(gòu)所決定而在轉(zhuǎn)輪出水邊布置的畢托管，必須與XOY平面呈B角。所以，在圖7所示吸水管中的字托軸線上的測(cè)量值，必須根據(jù)空間.解析幾何，考慮該6嚇的影響，轉(zhuǎn)換成為模型原有X、Y、Z軸上的也母數(shù)據(jù)，才能作為轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)的依據(jù)。故在此將轉(zhuǎn)換關(guān)系做一譙導(dǎo)。如圖8所示，某點(diǎn)空間流速下，可在原點(diǎn)。為同一點(diǎn)的兩個(gè)笛卡爾空間坐標(biāo)系上被描述，使坐標(biāo)系XYZ繞Y柚巽5角度，就形成X，YZ，坐標(biāo)系。假定畢托管從X軸移到X，軸，仍然以測(cè)重速度矢量節(jié)為目的，原點(diǎn)位置不變。在XYZ坐標(biāo)上：y.oEVyOD-*->(16)E8-bYZ'坐標(biāo)VQTr哉=況，J在圖8上可以看出V:cos3+以s

16、in。V,CE=CE'cosPOE',sinB、件、件=VsinO=Vcosf>,sinVi=VcosOcosY根據(jù)以上這些巽換式，井用水輪機(jī)設(shè)計(jì)中習(xí)慣的各速度分最表示，可得到下列公式。絕對(duì)速度c（式7）&缶；：）（巧-黑）八WZ，坐標(biāo)系上C在各軸的投影2)4)Ct=CsinOC；=CcosOsinT/C?=Ccos8cos丫J軸向速度CzCz=Cicos3Csin3徑向速度C,Cr=CxCosP+CfsinB5) 圓周速度CClC；6) 軸面速度Cm(22)(22)(23)(24)(25)(26)以上各式成為畢托試驗(yàn)中數(shù)值計(jì)算的基本公式。由這些公式表達(dá)的畢托試驗(yàn)

17、結(jié)果為模型設(shè)計(jì)者提供了重要的修改沒(méi)計(jì)依據(jù)。(17)(1R)(19)(20)(21)落8被測(cè)參數(shù)參考坐標(biāo)的轉(zhuǎn)毀5流量的計(jì)算在酒得流速分布的基礎(chǔ)上，按辛普森法對(duì)流速函數(shù)進(jìn)行數(shù)值積分.便可算出轉(zhuǎn)輪過(guò)流量的近似值。過(guò)去一直認(rèn)為該項(xiàng)流量積分計(jì)算的實(shí)用意義不大。在畢托試驗(yàn)的技術(shù)開(kāi)發(fā)過(guò)程中.使用該流窟與試驗(yàn)臺(tái)流量計(jì)所測(cè)量之比.修正所測(cè)流速分布，取得了滿意的結(jié)果。這里先介繆流量計(jì)算方法.再討論根據(jù)流量修正流速分布的問(wèn)題。如圖9,取畢托管軸線為x軸取吸水管型線與x軸交點(diǎn)處為坐標(biāo)原點(diǎn)。，自原點(diǎn)至x軸與上冠輪廓延長(zhǎng)線的交點(diǎn)P的長(zhǎng)度為L(zhǎng),以op為母線環(huán)繞轉(zhuǎn)輪豎軸線形成的圓錐面是過(guò)流表面。由畢托實(shí)測(cè)中可知由式22）中第

18、3式算出的，與此過(guò)流面正交的流速分itC：沿x軸的分布ci=f（x）。在X軸上取一微段dx,環(huán)繞成一微小的錐面,其面積為dF,由幾何關(guān)系=2丸（R-xc。昨）dx式中2?0點(diǎn)的半徑6尤袖與水平軸的夾角設(shè)通過(guò)面積dR上的旅量為dQ八則4QK（*）dFdQp=C；x)dF39玳測(cè)流鼠的數(shù)值稅，分i;p5邑xlsyz"*./=2冗(R-xcosP)Cj(x)dx沿x軸將dQp積分0=2:17?)(1-x*cqs/R)C(x)dx(27)因函數(shù)C：心=f(x)變化規(guī)律較復(fù)雜，使用曲線擬合M能會(huì)產(chǎn)生較大誤差，而采用辛普森法求解式(27的數(shù)值積分較為合理。將L分成N個(gè)區(qū)間，設(shè)任一區(qū)間的中點(diǎn)x坐標(biāo)

19、為X”此點(diǎn)的法向流速為CKx!),則式(27)可改寫.成0p=2丸R£(1-X|ccsPy7?)*Cj(xi)-1(28)在實(shí)際應(yīng)用式.(28)進(jìn)行流母積分時(shí)，對(duì)N取不同數(shù)值時(shí)的Q,值之差異進(jìn)行了分析，沒(méi)直N=200和N=530時(shí)的積分值招對(duì)差異小于于分之五。這個(gè)精度已經(jīng)滿足使用要求e為提高處理速度.,編短實(shí)肘處理過(guò)程，將N值取為200.-,-，匕七*ri飩琳1版3.食59乍在畢托試驗(yàn)中，畢托管推近上冠時(shí)，受渦3影翌，所測(cè)數(shù)值波動(dòng)很大.著宿去這一段約占總長(zhǎng)度L的1025%距海上的實(shí)測(cè)，對(duì)于根衿瀏流結(jié)嗥修正模型設(shè)計(jì)影響不大,但卻給流仕刊癸帶圭一定困難。具體處理辦法是，在對(duì)丙數(shù)C：=f(

20、x)實(shí)濘拉格朗日法分段插值求取.:點(diǎn)正交流速函數(shù)值時(shí)，對(duì)超出C；x)實(shí)測(cè)范涓的左倒實(shí)行外插。所得結(jié)果并非尖測(cè)，但在一定程度上仍能反曄C：(x)這-，連續(xù)函數(shù)的變化趨。比起忽略這一段流景的積分精度更高c在算得流最Qp后，可將Qp與試驗(yàn)中文吐也流魚計(jì)所測(cè)流最Q：相比較。Qt的泱I量一般郁嚴(yán)格按IEC規(guī)程實(shí)行，精度很高，誤差小于土0.3%,可作為判定Q,的可旅依據(jù)。設(shè)Eq為Q.與Q之間的差異荼數(shù)，并用下式表示=(土)(29)因畢托試驗(yàn)中誤差傳遞層次多，加上流景況分中有些假定與實(shí)際情況有差別.故在試驗(yàn)中玖值約在2.05.5%范圍內(nèi)變化。假定將Eq全部婦于流速測(cè)量誤差,可按Eq成比例修正流速實(shí)測(cè)結(jié)果。設(shè)

21、某點(diǎn)實(shí)測(cè)絕對(duì)流速為Cp.而實(shí)際值為C,則它們之間的羨異系數(shù)E,為：E,=100x(士)(30)現(xiàn)令礦=£,即GQ二Qp=Eq(7,01'則有極據(jù)Ct即可求得上述各速度分地。它們?cè)诮^對(duì)髭值上將更接近于真實(shí)值。5 畢托試驗(yàn)的實(shí)時(shí)程序設(shè)計(jì)-根據(jù)前述畢托試驗(yàn)的原理、過(guò)程及有關(guān)公式，編制了數(shù)據(jù)采集和處理實(shí)時(shí)程序。圖10為該程序的框圖.-程序使用FORT頁(yè)AN村話言;.由圭程序和47網(wǎng)，畢托1知聳買時(shí)紈據(jù)辛址處理凈序框兇五個(gè)子程序組成。編制過(guò)羿中考慮了下面一些原則。1）危部過(guò)程實(shí)行入機(jī)對(duì)法.自動(dòng)打印結(jié)果，給出圖表，在終端E指示工況點(diǎn)和試驗(yàn)狀態(tài)、精度等信息。2 ）在測(cè)取每一點(diǎn)流速前，都對(duì)能量性能測(cè)算一次，并與原能量試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，以保證原始被測(cè)條件的正確。3 ）按框圖對(duì)P2-P3、P】-P?、P<-Ps和Pl-PlDt四個(gè)壓差值進(jìn)行采集時(shí)，都采樣25次。設(shè)置統(tǒng)計(jì)計(jì)算子程序,以平均值作為結(jié)果，并在屏幕上顯示出標(biāo)準(zhǔn)差以反映所采信匕的偶