采用5孔毕托柱测量模型水轮机转轮进出口断面流速分布的技术探讨.docx

1、水轮机部分采用5孔毕托柱测量模型水轮机转轮进出口断面流速分布的技术探讨TheApproachofFlowVelocityDistributionMeasurementatInletandOutletEdgeontheBladesofModelTurbinebyUsingthePitotProbeMethod尚晓桐张莉(水利水电科学研咒院)XieXiaotongZhangLi(InstituteofWaterConservancyandHydroelectricPowerResearch)摘要巧了际究水牝机内部流动特性，志到汝进设H.议吾水牝机就髭、性特性的目的，I，ijij,。展型转轮流速分布

2、的测£已三益为匡内外水沦机技术部门沔重视.本文介绍了一种采用5孔电沌柱对.匠击式模型水轮机转轮进、出口折面进行流速分布浏遂及流量M算的方法】比出了很据上迷汁算流封与流呈计祈刀流国之比.浅线性对被测流速分布进行修正，使测"隹确度礼顼J1W5洌；：竹敬据州亍时处理程庄也做了简要介弟，Abstracttestapproachingmoreidealmodeloptimizationduringresults.ThethehydraulicTbispaperdescribesamethodtomeasuretheflowvelocitydistributiononbothinlet

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

4、entwayforturbineresearchanddevelopment.主题词(Koywords)模型转轮(modelrunner)流速分布(flowvelocitydistribution)由于捋校内部流动引言水轮机转抡设计优化的蒐要目标之一是使计算工况时通过碑轮各处的水流质点都能沿流面平顾地通过e亦即实现听谓“无撞击进口”和“无环最出口”，并,沿流道的水力损1央尽可能地减小。事实上，的复杂性和计算边界条件假定的近似性，所以计算工况下转轮各部位的实际流态，很难做到都与设计者的假定相吻合。府使用电子计算机进行水轮机水力设计过程中，开发最佳CAD软件，需要大量的物理模型试验资料，以提供可靠

5、的数据做为计算边界条件。在这些边界泰件中，转轮进出口断旅的压力、遮度分布尤为通要C开展模型水轮机内部流逮分布的洲揪工作能有效地解决上述涕题。根据测量结果，修正传佬的水力设计参数，特别是进、出口断而参数的修正J般只经过二至三轮改进.就可以收到明显效果，使最优点效率明显提高，并逐步向预期的最优工况点的参数季拢C国内外水轮机研究部门的经验证明，转校内部流动状态的测量可减少物理模型试驳工作量，缩短试验研究闷期。对于使用CAD技术完成设计的模型，可将测得的流速分布作为下一轮改型后计算的边界条件。经过几轮&巡近”之后.使设计参数趋于合理。这里介绍一种采用5孔毕托柱测壁模型水轮机进，出口断而流速分布

6、的技术（以下筒林“毕托试验”）。为了提福测试水手和实厅性，在"毕托试牧”技术中,提出并采用了下列措施：1 ）为了把毕托试验与模型线轮木力设计结合起来，将沿毕托轴统方向所测流速分布，经坐标转换解析成为水轮机设计所习惯引用的各个流速分量。2）根据毕托试验结果计算出了流量。3）根据上述计算波里与试验台流量汁实测流域之比，对各流速分量值实行线性修正。修正的结果更接近亍各点流速的真值。4）在毕托试骐和上述数值计算过程中，使用汁算机进行实讨数据采集、处理，代替以往的人工读数，提高了制试速度和精度。本文将囹绕上述题目进行讨论，并对毕托试验的关键技术闻E透行简耍介绍。2 测逾原鲤为了测是一个空间流速

7、矢信寸的大小和方向，瑚洛3郦为和-兀如图1所徂V=、+.（1）、如能设法测得R,与z轴_即夹伯丫，和":与Z轴的夹角饥就能确定亍的方向。结构如图2所示，将事先经过率定的5孔毕托柱置于轴，并将测点固定主。点，就可光后测出丫和0角，进而溯算出亍的值。具体过程如下？1）如图8（矽，将毕托柱沿x御插入.当测孔2、3与轴对称时，丫角读数定为'。2）如图3（b）二将毕托柱顺时针族建.当测孔2、3与了”对称时，2、8孔压差巳二3=0,此时角刻度盘读数为'，即得到亍八与n轴的夹角。8）如图3（c）,将毕托管锁定在成丫角的平面内，考察Z0X平面。在a-巳，4坦被测迎J条件下，由图4所示

8、率定曲线"即可求出二与z轴的夹角。4）由图4中的曲线B、C可进一步算出的绝对值V。设率定曲线o-f（-g：芸;）的函故值为工，实测总压和谪压之差为Pi-P。则V可由下式求得8.I、:U:I钠二.年，戒衲浅，思"*?2虹£.£类牛N-二.7'依3用.，线也£：3$沽十S.以./-V-2gV巳-P。/Y2）L图25孔柱式供结尸用4中托管的宰定曲线，图3.5孔柱式毕托看的测流威理如前所述，图4所示率定曲线是经过精确率定的。在率定过程中，高精度的压差仪表测出了率定系统中的总压已和静压巳的差，同时将被测毕托管的视在总压Pi和视在静压P2的压差测出

9、，改变。角，就得到了图4中的曲线B,亦即。=/（专二手；）。实际使用这只毕托管时，假设被浏流场中某点的真实总压和静压之差Pf-Pf为未知待求，又设实测出的视在总压与视在静压之差为,若假定此时的丰；三裳与率定值专三羊:-招同,亦即8角相同,并进一步假定P：-巴Pe-_P#次、T5=_Pj-P2（3）成立。则得又设此点的绝对流速为C,相应的速度水头为He。又知速度头为总压与静乐之差，即，（女'0杖枝木,池21980年Hc-PPf/Y（5）9)C=、/=/2£7声（G）将4）代入（,则c依俺*T.节心痂“）那么，式（7即为前面计算V值时所用的式2）。式（7）中各值均为巳知.故值是确

10、定的。必须说明的是，试验条件与率定条件很难保持相同，故式3）的成立本身具有一定误差o该误差的大小正比于率定与实用的速度差。若尽量减小这一差值，在一定的精度范围内，仍可认为式（3）是成立的。为了明确率定曲线适用的速度范围，在率定曲线图上毕托管生产厂标明了速度系数虬（图4中的Ah=0.1。）.，用户应据此选取使用速度，或根据巳定的使用速度选取AG数相近的率定曲线。这叟率定时的速度系数定义为$F_P虬=-加广（8）使用某毕托管时，可先根据实测的PI-PI和值算出快r，以判定是否适用。有妾二巧1氏由图4中率定曲线B和C还可分别求出总压P?和静压进而得到所测流场的压力分布。设曲线C0=f（专匕5：）中的

11、(10)又设曲线b8='（普二手；）中的-<11)联立式（10）和（11）有,=丫（牛旦尹，(12>与式（3）的成立相类似.可假定在毕托试验中下度成足.沪再）.13）P强P为实测总压，在p;及巧-p;已知的情况下.P!是确定的。埒式（12）代入式（11）中，整理得*p,=Pi-y（x+1）（pa-p3）i4）同样.式（14）用于实测时，为P：=PY-1）（P（-巧）（15）式中为实测静压在式（13）、（15）中，涉及视在总压P1的测量。在封闭有压系统中，应以系统压力作为P测量的基准°对于模型水轮机，这里F：的取值实际上采用位于转轮进（出）口断面上毕托测览的视在总压

12、与其吸寸:管出口的视在总压之差P5-Pidf来表达。新”为吸水管出口的视在总压。3 仪器与设备毕托试验的仪器设备配置如下：1）图5是由美国联合电气控制公司一生产的DA-250型5孔毕托柱。它的重复性好，厂家提供的率定曲线的精度较高。将其装在吸水管外侧或蜗壳内侧的托架上，实现旋转、进退及锁定，以便测量特定点的水流方向和速度。2）为测取压差值Pi-Pi,和需配置1台或多台压差传感器。其精度应不低于±0.5%°若只配一台压差传感器，则应配置一台多路切换阀门，轮流测最以上各压差值。3配置一台具有模数转换功能的数字电压表.一方面显示被测压差值，另一方面将模拟蕴就换成数字量输入数据采集

13、处理计算机。4）配置如图6所示的零Y角标定装置。它由一个小型风洞和一组U型管组成。它的功能是保证毕托柱上的零丫角位置与厂家率定该毕托柱时的零Y位置相同。将毕托管置于风洞中旋裁，当P'lPs=0时，将装配在毕托杆上的刻度盘与毕托样的相对位置固定，而。度位L»X25."r：r-L»X25."r：r-置刻度线与风洞轴级位于一个平面。当该毕托管连同刻度盘一起安装到托架上进行试验时.使上述0度位置.对准托架盘上的等线位置、就可找到毕托管的冬丫布位置。托盘雄上的零级应与模型转轮旋线中心线位于同一平面内.这将由模型加工工艺来保讪:。由此确定的零、.角位置与毕托

14、管出厂进行率定时的位置保持f致。5）毕托试验的数据采集和处理最好由电子计算机来完忒，这里以采用PDP100小型计算机为例进行毕托试验的数据采集及实时处理.并完成计算、绘图和测圾打印等工作C图6比托君月尸辜定装蹑4 毕托试验在模型水轮机中的布置图7为-个可进行毕托试验的混流式水轮机模型示意图。在轴流转桨式、斜流式或水泵水轮机模型上，也可做同样的布置。位于导岬出口与转轮进口的毕托督.可垂直移动，测得沿，方向不同高度情况下模型进水口旅速、流向及压力分布。此时由于水流沿辐向谖入转轮，一般。角较小测是结果可用敷宇既示11悒7混流式冰轮机模型毕托试验示愚方于判断在设计工况肘，传轮进水边是否为无捶击进口O由

15、混流或水粉机的形状及模型结构所决定而在转轮出水边布置的毕托管，必须与XOY平面呈B角。所以，在图7所示吸水管中的字托轴线上的测量值，必须根据空间.解析几何，考虑该6吓的影响，转换成为模型原有X、Y、Z轴上的也母数据，才能作为转轮设计的依据。故在此将转换关系做一谯导。如图8所示，某点空间流速下，可在原点。为同一点的两个笛卡尔空间坐标系上被描述，使坐标系XYZ绕Y柚巽5角度，就形成X，YZ，坐标系。假定毕托管从X轴移到X，轴，仍然以测重速度矢量节为目的，原点位置不变。在XYZ坐标上：y.oEVyOD-*->(16)E8-bYZ'坐标VQTr哉=况，J在图8上可以看出V:cos3+以s

16、in。V,CE=CE'cosPOE',sinB、件、件=VsinO=Vcosf>,sinVi=VcosOcosY根据以上这些巽换式，井用水轮机设计中习惯的各速度分最表示，可得到下列公式。绝对速度c（式7）&缶；：）（巧-黑）八WZ，坐标系上C在各轴的投影2)4)Ct=CsinOC；=CcosOsinT/C?=Ccos8cos丫J轴向速度CzCz=Cicos3Csin3径向速度C,Cr=CxCosP+CfsinB5) 圆周速度CClC；6) 轴面速度Cm(22)(22)(23)(24)(25)(26)以上各式成为毕托试验中数值计算的基本公式。由这些公式表达的毕托试验

17、结果为模型设计者提供了重要的修改没计依据。(17)(1R)(19)(20)(21)落8被测参数参考坐标的转毁5流量的计算在酒得流速分布的基础上，按辛普森法对流速函数进行数值积分.便可算出转轮过流量的近似值。过去一直认为该项流量积分计算的实用意义不大。在毕托试验的技术开发过程中.使用该流窟与试验台流量计所测量之比.修正所测流速分布，取得了满意的结果。这里先介缪流量计算方法.再讨论根据流量修正流速分布的问题。如图9,取毕托管轴线为x轴取吸水管型线与x轴交点处为坐标原点。，自原点至x轴与上冠轮廓延长线的交点P的长度为L,以op为母线环绕转轮竖轴线形成的圆锥面是过流表面。由毕托实测中可知由式22）中第

18、3式算出的，与此过流面正交的流速分itC：沿x轴的分布ci=f（x）。在X轴上取一微段dx,环绕成一微小的锥面,其面积为dF,由几何关系=2丸（R-xc。昨）dx式中2?0点的半径6尤袖与水平轴的夹角设通过面积dR上的旅量为dQ八则4QK（*）dFdQp=C；x)dF39玳测流鼠的数值税，分i;p5邑xlsyz"*./=2冗(R-xcosP)Cj(x)dx沿x轴将dQp积分0=2:17?)(1-x*cqs/R)C(x)dx(27)因函数C：心=f(x)变化规律较复杂，使用曲线拟合M能会产生较大误差，而采用辛普森法求解式(27的数值积分较为合理。将L分成N个区间，设任一区间的中点x坐标

19、为X”此点的法向流速为CKx!),则式(27)可改写.成0p=2丸R£(1-X|ccsPy7?)*Cj(xi)-1(28)在实际应用式.(28)进行流母积分时，对N取不同数值时的Q,值之差异进行了分析，没直N=200和N=530时的积分值招对差异小于于分之五。这个精度已经满足使用要求e为提高处理速度.,编短实肘处理过程，将N值取为200.-,-，匕七*ri饨琳1版3.食59乍在毕托试验中，毕托管推近上冠时，受涡3影翌，所测数值波动很大.著宿去这一段约占总长度L的1025%距海上的实测，对于根衿浏流结嗥修正模型设计影响不大,但却给流仕刊癸带圭一定困难。具体处理办法是，在对丙数C：=f(

20、x)实泞拉格朗日法分段插值求取.:点正交流速函数值时，对超出C；x)实测范涓的左倒实行外插。所得结果并非尖测，但在一定程度上仍能反晔C：(x)这-，连续函数的变化趋。比起忽略这一段流景的积分精度更高c在算得流最Qp后，可将Qp与试验中文吐也流鱼计所测流最Q：相比较。Qt的泱I量一般郁严格按IEC规程实行，精度很高，误差小于土0.3%,可作为判定Q,的可旅依据。设Eq为Q.与Q之间的差异荼数，并用下式表示=(土)(29)因毕托试验中误差传递层次多，加上流景况分中有些假定与实际情况有差别.故在试验中玖值约在2.05.5%范围内变化。假定将Eq全部妇于流速测量误差,可按Eq成比例修正流速实测结果。设

21、某点实测绝对流速为Cp.而实际值为C,则它们之间的羡异系数E,为：E,=100x(士)(30)现令矿=£,即GQ二Qp=Eq(7,01'则有极据Ct即可求得上述各速度分地。它们在绝对髭值上将更接近于真实值。5 毕托试验的实时程序设计-根据前述毕托试验的原理、过程及有关公式，编制了数据采集和处理实时程序。图10为该程序的框图.-程序使用FORT页AN村话言;.由圭程序和47网，毕托1知耸买时纨据辛址处理净序框凶五个子程序组成。编制过羿中考虑了下面一些原则。1）危部过程实行入机对法.自动打印结果，给出图表，在终端E指示工况点和试验状态、精度等信息。2 ）在测取每一点流速前，都对能量性能测算一次，并与原能量试验结果对比，以保证原始被测条件的正确。3 ）按框图对P2-P3、P】-P?、P<-Ps和Pl-PlDt四个压差值进行采集时，都采样25次。设置统计计算子程序,以平均值作为结果，并在屏幕上显示出标准差以反映所采信匕的偶