模型水輪機同步成像方法及空化觀測系統研究

劉智良，崔天祥，陳金霞，郭全寶，黃茂盛

?

模型水輪機同步成像方法及空化觀測系統研究

劉智良1，崔天祥2，陳金霞1，郭全寶1，黃茂盛2

（1. 哈爾濱大電機研究所，哈爾濱 150040；2. 哈爾濱工業大學，哈爾濱 150001）

模型水輪機空化狀態的界定普遍依靠觀測試驗來實現，觀測多采用人工觀測的方法，也有采用攝像機攝像的方式進行試驗，兩種方式均存在各自的缺陷。本文根據觀測試驗原理提出一種同步成像方法并設計同步成像系統，成像系統的應用對模型水輪機水力性能優化設計及空化研究提供有力支持。

模型水輪機；空化；同步成像；觀測

0 前言

近年來，隨著水輪機技術的進步，人們對于水輪機的內、外特性認知程度也有了極大提升，隨之而來是人們對于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范圍的判定目前主要還依靠觀測的方式進行。國內外業內也有不少學者提出利用空化在線監測系統對其進行判定，如早期Kaye和Farhat等根據加拿大魁北克水力研究所提出的振動包絡譜檢測理論提出了振動信號數字包絡檢測的方法監測空化現象[1,2]，瑞士學者Dupont、法國學者Dorey和法國學者Bellet等人采用測量水輪機軸振動的方式進行空化監測[3~5]，斯洛文尼亞Rus采用水聽器監測空化噪聲[6]；國內西安理工大學通過自制水聽器進行分析，哈爾濱工業大學，清華大學蒲中奇、張偉等人利用空化的振動和噪聲特性監測水輪機空化現象[7,8]，華中科技大學也利用類似的方法對原型水輪機空化進行監測分析[9]，但上述方法距離工程應用還需要進一步研究和驗證。

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[10]。隨著人們對于水輪機穩定性要求的提高，對于空化發生位置及范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，隨著人們對于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優化；對于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，日后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優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。

1 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，試驗人員借助頻閃光源，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后連接在一起，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，人眼借助頻閃光源進行成像觀測并未實現與轉頻“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后期編輯實現的，也就是說試驗人員與光源是兩套獨立的系統。此外，由于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于長期保存，高清數字攝像機的出現雖然解決了存儲問題。但是由于攝像機本身是采用固定幀率進行拍攝的成像設備，失去了人腦的“后期編輯”功能，圖像采集與光源系統相當于也是分立系統，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，即便采用高分辨率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優化設計提供有效支持。

2 同步成像觀測系統研制

從上面的分析看，無論是人工觀測還是使用攝像機成像觀測，其最大的缺陷在于：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。

2.1 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，基于CCD和CMOS傳感器的數字高清相機、數字高清攝像機甚至數字高速高清攝像機大量涌現；而計算機應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，為成像系統研制提供了必要條件。

本文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，系統原理示意圖如圖1所示。

圖1 成像觀測系統原理示意圖

如上圖1所示，模型水輪機成像觀測系統由主控計算機、成像相機、頻閃光源和網絡交換機組成。主控計算機通過程序設置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。相機在以程序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沖信號，頻閃光源接收到觸發脈沖信號后立即閃光，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后，將圖像信息從網絡接口傳回主控計算機，計算機通過軟件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文件，從而模擬人眼和大腦成像觀測時的狀態進行成像觀測。

2.2 相機遠程控制與同步的實現

成像觀測系統利用帶有GigE Vision協議的數字相機，通過開發控制軟件實現主控計算機對相機幀率的遠程控制，數據傳輸與影像合成。

GigE Vision接口協議是一種基于千兆以太網通訊協議開發的相機接口標準，具有傳輸距離長，無需圖像采集板卡且偏重圖像處理的優點。首先通過在主控計算機上開發的軟件設置相機成像幀率（Frame Rate），而后將控制指令通過網絡傳遞給相機，設置界面如圖2所示，相機接到指令后按照設定的幀率進行圖像拍攝，同時通過相機內部電路將接收到的拍攝幀率轉換成TTL電平信號，通過相機的信號輸出接口發送至頻閃光源，頻閃光源此時切換至外觸發功能，等待觸發信號的到來，當其接收到觸發信號后便按照觸發信號頻率進行閃光，相機在頻閃光源閃光的同時完成曝光成像，成像后相機將圖像信息通過網絡回傳給主控計算機，計算機利用軟件將每一幀圖像按時間先后順序合成視頻流媒體文件并實時顯示，試驗人員便得到連續變化的影像。

圖2 相機頻率設置界面

由于電信號的傳播速度與光速相同，所以可以忽略相機接收到控制信號到將觸發信號傳遞至頻閃光源控制器的延時，因此消除了相機成像與頻閃光源閃光的相位差，這樣便實現了成像系統的相機與頻閃光源動作的嚴格同步；此外，采用具有GigE Vision協議的數字相機，主控計算機對相機的軟件控制以及數據傳輸均通過網絡實現，傳輸距離高百米甚至上千米，實現了成像系統的遠程控制，使得試驗人員可以在控制室通過主控計算機屏幕完成成像觀測的工作。

2.3 工況字幕的疊加與數據存儲管理

為了使觀測到的水力現象便于存儲下來日后進行分析，該水力現象發生時的試驗工況參數是必不可少的信息，因此，在獲得圖像的同時應將工況信息一并疊加在其上并保存下來，即在觀測的圖像上疊加試驗工況參數字幕。

實時試驗工況參數由水輪機模型試驗臺測試系統采集并提供輸出，通過網絡共享的形式與成像觀測系統的主控計算機進行數據交互。主控計算機首先加載開發好的工況字幕疊加軟件模塊，如圖3所示，該模塊按照與測試系統約定的通訊協議實時讀取試驗工況參數，讀取參數后與相機回傳的圖片信息進行圖像合成，合成后通過軟件將合成后的圖像信息按照時間先后順序合成流媒體文件實時顯示。成像系統利用軟件疊加字幕時時可以對字體大小、顏色及字幕顯示位置等參數進行調節以適應不同的觀測背景。

圖3 調用自行開發的字幕添加模塊

工況字幕疊加模塊可以根據試驗項目的需求選擇不同的工況參數組合，同時可添加工程項目名稱以及記錄試驗時間和日期。工況字幕疊加模塊界面如下圖4所示。

2.4 圖像的遠程共享

為便于不同試驗人員在不同地點同時共享觀測結果，成像觀測系統采用相機的網絡輸出接口、交換機、網絡視頻分屏器以及主控計算機組成遠程圖像顯示系統。系統通過計算機的顯卡將當前顯示器顯示的圖像信息實時輸出到網絡視頻分屏器，網絡視頻分屏器利用網線將圖像信息傳輸至遠程客戶端的網絡視頻分屏器，客戶端分屏器將接收到的數據解碼后輸送至客戶端顯示設備，則實現了成像觀測系統的圖像遠程共享功能。遠程顯示原理框圖如圖5所示。

圖4 字幕添加模塊工況參數選擇界面

圖5 成像系統遠程共享顯示原理框圖

2.5 數據存儲

成像系統采集到的圖像可以以圖片的形式對回傳的圖片序列進行單張存儲，也可以利用軟件將圖片序列合成流媒體視頻后可以以多種Windows通用視頻格式存儲在主控計算機的硬盤驅動器中。無論是以圖片格式還是以流媒體文件進行存儲，均可保證存儲的信息不壓縮，不失真。

3 同步成像系統應用及與傳統成像系統觀測效果比較

3.1 同步成像系統應用

同步成像觀測系統可用于水輪機模型轉輪進口脫流、葉道渦，模型轉輪出口初生空化、間隙空化以及渦帶現象的觀測。利用萬向關節臂或三腳架可以靈活地將成像設備及光源安裝在水輪機模型段透明錐管處（如下圖6所示）進行模型轉錄葉片出口的空化及渦帶現象進行觀測分析；配合內窺鏡的使用，通過在頂蓋或下環上開出的空洞探進轉輪室內部，可對模型轉輪進口的葉道渦和脫流現象進行觀測。同時，成像觀測系統實現了遠程控制與遠程多地影響共享，使得試驗人員僅在模型試驗臺的控制室內完成各種流態的觀測與記錄。

（a）

（b）

圖6 成像觀測系統安裝及使用效果圖

3.2 成像觀測效果

由于采用了數字高清工業相機，系統的成像效果清晰，圖像辨識度高。轉輪出口初生觀測以及渦帶觀測對比結果如下圖7所示。

圖7中（a）（b）為同步成像觀測系統對尾水管渦帶及轉輪葉片出水邊空化觀測效果，（c）為軸流轉槳式水輪機葉片空化觀測圖像，從成像效果上看，同步成像觀測系統得到的圖像上渦帶輪廓清晰，轉輪葉片輪廓清晰可辨，空化現象發生的部位以及嚴重程度清晰可見，軸流轉槳式模型水輪機槳葉與錐管間隙空化、槳葉與輪轂體之間的間隙空化現象清晰可辨，葉片頭部的進水邊頭部脫流發生的位置及脫流形狀也清晰可見，成像系統整體在圖像清晰度上有顯著提升，如在葉片標注網格則可更加準確辨識空化發生位置，提高觀測質量。

（a）

（b）

（c）

圖7 轉輪出口觀測效果圖

圖8為轉輪室內部葉道渦及脫流現象的觀測效果對比。

圖中（a）為使用同步成像觀測系統得到的背面脫硫觀測圖像，(b)為同步成像觀測系統觀測得到的葉道渦圖像。從成像質量上看，同步成像觀測系統圖像對比度高，葉道渦和脫流現象清晰可見，即使在弱光環境下仍能得到辨識度很高的圖像，配合使用不同角度的內窺鏡可以對葉片與上冠交界，葉片與下環交界以及葉道間的空化現象進行有效觀測。

（a）

（b）

圖8 葉道渦觀測效果比較

4 結論

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臺成功應用，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制首次實現了：

（1）將圖像采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后方式；

（3）從圖像采集、數據傳輸到存儲實現了模擬到數字化的飛躍，觀測數據易于長期保存與管理；

（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，圖像的異地共享便于不同研究者異地同時研究。

[1] Escaler.X., E. Egusquiza, M. Farhat, etc. Detection of cavitation in hydraulic turbines[J]. Mechanical Systems and Signal Processing, Vol. 20/4 (2006)： 983-1007.

[2] Escaler X., Equsquiza E., Farhat M. Cavitation erosion prediction in hydro turbines from onboard vibrations[J] 2004.

[3] Escaler X., Egusquiza E., Mebarki T., etc. Cavitation Detection and Erosion Prediction in Hydro Turbines[C]. Proceedings of the 9th of International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery, February 10-14,2002,Honolulu,Hawaii.

[4] Escaler X., Egusquiza E., Mebarki T., etc. Field Assessment of Cavitation Detection Methods in Hydropower Plants[C], Proceedings of the Hydraulic Machinery and Systems 21st IAHR Symposium, September 9-12,2002, Lausanne.

[5] Farhat M., Bourdon P., Lavigne P., etc. The Hydrodynamic Aggressiveness of Cavitating Flows in Hydro Turbines[C]. ASME Fluids Engineering Division Summer Meeting, June 22-26, 1997：367-382.

[6] Toma? Rus, Brane ?irok, Marko Hocˇevar. An Investigation of the Relationship Between Acoustic Emission, Vibration, Noise, and Cavitation Structures on a Kaplan Turbine[J]. Journal of Fluids Engineering. 2007.9 Vol. 12:1112-1122.

[7] 蒲中奇, 張偉, 施克仁, 等. 基于小波奇異性理論的水輪機空化檢測[J]. 振動與沖擊，2005，24(5)：74~76.

[8] 李超, 應崇福, 白立新, 等. 流體動力空化的噪聲特性及空化強度的測量[J]. 中國科學，2012，42（10）：987–995；

[9] 吳道虎. 基于聲學的水輪機狀態監測技術研究[D]. 華中科技大學博士論文，2006.

[10] 徐洪泉, 孟曉超, 徐尚智, 等. 水輪機模型空化觀測問題探討[C]. 第十九次中國水電設備學術討論會論文集. 2013, 389-393.

The Research of Synchronization Imaging Method and Cavitation Observation System for Model Hydro-turbine

LIU Zhiliang1, CUI Tianxiang2, CHEN Jinxia1, GUO Quanbao1, HUANG Maosheng2

(1. Harbin Institute of Large Electrical Machinery, Harbin 150040, China;2. Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

The judgment of cavitation of model hydro-turbine mainly depends on observation, and the artificial way is usually chosen to achieve that. Observation with video camera is common, too. However, both artificial way and observation with video camera are defective. A synchronization imaging method is presented in this paper according to the principle of cavitation observation, and a synchronization imaging system is designed. The application of synchronization imaging system will be significant for optimization design of model hydro-turbine and research of cavitation.

model hydro-turbine; cavitation; synchronization imaging; observation

TM612

A

1000-3983(2016)06-0056-06

2016-03-07

劉智良（1980-），2009年畢業于哈爾濱工業大學電氣工程及自動化學院，儀器科學與技術專業，現從事水輪機模型及現場測試工作，碩士，工程師。

審稿人：趙 越