水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量逆向工程建模技術(shù)

李東明，許建農(nóng)，張偉平，張 勇

（1.水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心，河南鄭州450044；2.泉州市水利水電工程局，福建泉州362000；3.鄭州辰維科技股份有限公司，河南鄭州450012）

0 概述

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪是水力發(fā)電設(shè)備能量轉(zhuǎn)換的核心部件，無論是反擊式的軸流式轉(zhuǎn)輪、混流式轉(zhuǎn)輪和沖擊式轉(zhuǎn)輪，都是通過轉(zhuǎn)輪葉片將水流能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片的構(gòu)造尺寸和線型決定和影響著其水力性能?，F(xiàn)代大部分水電站是根據(jù)各自水力運(yùn)行參數(shù)和工況設(shè)計(jì)其葉片的尺寸和線型，以獲得最佳性能。

中國(guó)是一個(gè)水力資源豐富的國(guó)家，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展和國(guó)際能源發(fā)展趨勢(shì)的變化，水力發(fā)電作為潔凈能源的開發(fā)利用越顯重要。一批高水頭、大容量的水電建設(shè)項(xiàng)目動(dòng)工興建，以長(zhǎng)江、金沙江、雅礱江、瀾滄江等大江大河流域?yàn)榇淼乃婇_發(fā)方興未艾。但在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的研究、設(shè)計(jì)和產(chǎn)品開發(fā)領(lǐng)域，基礎(chǔ)工作還落后于工程建設(shè)發(fā)展的需求，尤其轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)、試驗(yàn)研究、葉型量測(cè)、葉形修復(fù)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析等方面，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有較大的差距，雖然近年來國(guó)內(nèi)的企業(yè)引進(jìn)、吸收了一些關(guān)鍵性的國(guó)外制造技術(shù)，但是制作后期的基礎(chǔ)研究工作還比較薄弱。水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的生產(chǎn)要經(jīng)歷模型試驗(yàn)、真機(jī)制造、真機(jī)驗(yàn)收等幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，投入運(yùn)行后還要經(jīng)歷實(shí)際工況的考核，尤其是要經(jīng)歷運(yùn)行過程中的空蝕、泥沙磨損，還要經(jīng)受機(jī)組的振動(dòng)和承載強(qiáng)度的考驗(yàn)。轉(zhuǎn)輪在運(yùn)行一定周期后，其形狀、尺寸會(huì)產(chǎn)生變化，需要在大修期對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行檢驗(yàn)、維修。例如泥沙磨損、空蝕造成過流面的破壞，要對(duì)其進(jìn)行修補(bǔ)；強(qiáng)度引起的葉片斷裂、缺損等的補(bǔ)焊處理以及某些修型等，應(yīng)按照原轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行，否則會(huì)影響到機(jī)組的發(fā)電效率和安全穩(wěn)定運(yùn)行。目前，轉(zhuǎn)輪的維修和加固處理需要根據(jù)轉(zhuǎn)輪葉片的設(shè)計(jì)木模圖提供數(shù)據(jù)信息，推演葉片的原始設(shè)計(jì)型面，在受損后的型面上進(jìn)行恢復(fù)性修復(fù)。由于設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和制造后的實(shí)際數(shù)據(jù)存在偏差，同時(shí)也無法得到受損后實(shí)際型面的數(shù)據(jù)，修復(fù)過程基本上是依靠經(jīng)驗(yàn)或使用類比的方式，修復(fù)后的品質(zhì)會(huì)受到影響。鑒于此，提出采用空間逆向工程的技術(shù)手段，建立水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪受損前后的三維實(shí)體數(shù)字模型，為轉(zhuǎn)輪的維修、缺陷處理提供依據(jù)，同時(shí)還可應(yīng)用于真機(jī)驗(yàn)收、流場(chǎng)分析、強(qiáng)度和振動(dòng)數(shù)值計(jì)算等專業(yè)的研究。因此，作為水電站運(yùn)行管理單位，應(yīng)當(dāng)重視轉(zhuǎn)輪數(shù)據(jù)信息的管理，尤其是大容量機(jī)組的數(shù)據(jù)化檔案，對(duì)機(jī)組的運(yùn)行維護(hù)、故障分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和一系列的后期基礎(chǔ)研究具有重要的作用，也是提高科技化管理水平的重要體現(xiàn)。

1 空間逆向工程技術(shù)

所謂逆向工程技術(shù)，是指用一定的測(cè)量手段對(duì)實(shí)物或模型進(jìn)行空間測(cè)量，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)通過三維幾何建模方法重構(gòu)實(shí)物CAD模型的過程。逆向工程技術(shù)與傳統(tǒng)的正向設(shè)計(jì)存在很大差別。逆向工程是從產(chǎn)品原型出發(fā)，進(jìn)而獲取產(chǎn)品的三維數(shù)字模型，使得能夠進(jìn)一步利用CAD/ACE/CAM以及CIMS等先進(jìn)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行處理。在工業(yè)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用中，主要包括以下幾個(gè)內(nèi)容：

（1）新零件的設(shè)計(jì)，主要用于產(chǎn)品的改型或仿形設(shè)計(jì)；

（2）已有零件的復(fù)制，再現(xiàn)原產(chǎn)品的設(shè)計(jì)意圖；

（3）損壞或磨損零件的還原；

（4）數(shù)字化模型的檢測(cè)，例如檢驗(yàn)產(chǎn)品的變形分析、焊接質(zhì)量等，以及進(jìn)行模型的比較。

逆向工程技術(shù)為快速設(shè)計(jì)和制造提供了很好的技術(shù)支持，它已經(jīng)成為制造業(yè)重要而簡(jiǎn)潔的信息傳遞途徑之一。在逆向工程技術(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，需要從設(shè)計(jì)對(duì)象中提取三維空間數(shù)據(jù)信息。檢測(cè)設(shè)備的發(fā)展為產(chǎn)品三維信息的獲取提供了硬件條件。

逆向工程技術(shù)的檢測(cè)設(shè)備有英國(guó)、意大利、德國(guó)、日本等國(guó)家生產(chǎn)的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)和三維掃描儀。就測(cè)頭結(jié)構(gòu)原理來說，可分為接觸式和非接觸式兩種，其中，接觸式測(cè)頭又可分為硬測(cè)頭和軟測(cè)頭兩種，接觸式測(cè)頭與被測(cè)物體直接接觸，獲取數(shù)據(jù)信息。非接觸式測(cè)頭則應(yīng)用光學(xué)或激光原理實(shí)施策略。英國(guó)雷尼紹公司的CYCLON2高速掃描儀可實(shí)現(xiàn)激光測(cè)頭和接觸式掃描頭的互換，激光測(cè)頭的掃描精度達(dá)0.05 mm，接觸式掃描測(cè)頭精度可達(dá)0.02 mm。德國(guó)GOM公司的ATOS掃描儀在測(cè)量時(shí)，可隨意繞被測(cè)物體移動(dòng)，利用光帶經(jīng)數(shù)據(jù)影像處理器得到實(shí)物表面數(shù)據(jù)，掃描范圍可達(dá)8 m×8 m。日本羅蘭公司的PIX-30網(wǎng)點(diǎn)接觸式掃描儀、英國(guó)泰勒·霍普森公司的TALYSCAN 150多傳感掃描儀等，集中體現(xiàn)了檢測(cè)設(shè)備的高速化、廉價(jià)化和功能復(fù)合化等特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)從實(shí)物、數(shù)學(xué)模型、CAD/CAE/CAM一體化提供了良好的硬件條件。

近年來，我國(guó)測(cè)量界引進(jìn)開發(fā)了數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)，數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量（Digital Photogrammetry）是基于數(shù)字影像和攝影測(cè)量的基本原理，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字影像處理、影像匹配、模式識(shí)別等多學(xué)科的理論與方法，提取所攝對(duì)象以數(shù)字方式表達(dá)的幾何與物理信息的攝影測(cè)量學(xué)的分支學(xué)科。國(guó)外稱之為軟拷貝攝影測(cè)量（Softcopy Photogrammetry），我國(guó)稱為全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量（Full Digital Photogrammetry）。這種定義認(rèn)為，在數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量過程中，不僅產(chǎn)品是數(shù)字的，而且中間數(shù)據(jù)的記錄以及處理的原始資料均是數(shù)字的。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)的代表性產(chǎn)品是美國(guó)GSI公司研制的工業(yè)數(shù)字近景攝影三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)即V-STARS（Video-Simultaneous Triangu?lation and Resection System）系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要具有三維測(cè)量精度高（相對(duì)精度可達(dá)1/20萬）、測(cè)量速度快、自動(dòng)化程度高和能在惡劣環(huán)境中工作（如熱真空）等優(yōu)點(diǎn)，是目前國(guó)際上最成熟的商業(yè)化工業(yè)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量產(chǎn)品。

V-STARS是基于數(shù)字?jǐn)z影的大尺寸三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，也稱為工業(yè)攝影測(cè)量系統(tǒng)（Industrial Photo?grammetry System）、數(shù)字近景攝影測(cè)量系統(tǒng)、數(shù)字近景攝影視覺測(cè)量系統(tǒng)、數(shù)字?jǐn)z影三維測(cè)量系統(tǒng)、三維光學(xué)圖像測(cè)量系統(tǒng)（3D Industrial Measurement System）。采用高精度的專業(yè)相機(jī)，通過不同的位置和方向?qū)ν晃矬w進(jìn)行拍攝，V-STARS軟件會(huì)自動(dòng)處理這些照片，通過圖像匹配等處理及相關(guān)數(shù)學(xué)計(jì)算后得到待測(cè)點(diǎn)精確的三維坐標(biāo)。V-STARS系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)：

（1）高精度：?jiǎn)蜗鄼C(jī)系統(tǒng)在10 m范圍內(nèi)測(cè)量精度可以達(dá)到0.05 mm；

（2）非接觸測(cè)量：光學(xué)攝影的測(cè)量方式，無需接觸工件；

（3）測(cè)量速度快：?jiǎn)蜗鄼C(jī)幾分鐘即可完成大量點(diǎn)云測(cè)量；

（4）可以在不穩(wěn)定的環(huán)境中測(cè)量（溫度變化、振動(dòng)等因素）；

（5）特別適合狹小空間的測(cè)量；

（6）數(shù)據(jù)率高，可以方便獲取大量數(shù)據(jù)；

（7）適應(yīng)性好：被測(cè)物尺寸從0.5～100 m均可用一套系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量；

（8）便攜性好：?jiǎn)蜗鄼C(jī)系統(tǒng)1人即可攜帶到現(xiàn)場(chǎng)或外地開展測(cè)量工作。

不同的測(cè)量對(duì)象和測(cè)量目的決定了測(cè)量過程和測(cè)量方法的不同。

2 轉(zhuǎn)輪數(shù)字?jǐn)z影建模

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的葉片是一個(gè)非結(jié)構(gòu)化的、空間扭曲的自由曲面，見圖1、圖2，葉片的型面是依據(jù)流體力學(xué)和水力學(xué)原理設(shè)計(jì)計(jì)算得到的，在制作環(huán)節(jié)中，采用木模圖、樣板靠線和數(shù)控切削的方式加工成形，通過焊接、修型、機(jī)加工等工序達(dá)到設(shè)計(jì)樣型，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片通常被稱之為雕塑曲面。采用逆向工程方法，將復(fù)雜的葉片空間曲面體以三維實(shí)體的圖形，用數(shù)字化建模的方式直觀地表示出來，在這個(gè)三維實(shí)體的數(shù)字化模型上，可以準(zhǔn)確得到轉(zhuǎn)輪相關(guān)的具體數(shù)據(jù)，例如葉片受損前后的真實(shí)厚度、葉片重心、體積、表面積、曲率和形貌、葉片進(jìn)、出水邊的安放角度、葉片結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度和慣性力矩等等，數(shù)字化建模還具備和水力學(xué)模型、設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)輪的原型比較的功能，并且可以便捷地進(jìn)行型面、結(jié)構(gòu)尺寸的分析和優(yōu)化。

利用V-STARS系統(tǒng)開展水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的逆向數(shù)字建模技術(shù)開發(fā)和研究，將有利于水電工程運(yùn)行管理和設(shè)備維護(hù)維修技術(shù)水平的提高。我國(guó)水電裝機(jī)單機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到800 MW，處于世界級(jí)的領(lǐng)先水平，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。對(duì)于大容量機(jī)組的維護(hù)和維修，應(yīng)在技術(shù)整合方面采取更為先進(jìn)、更為快捷的方法，達(dá)到更為精準(zhǔn)的葉型，也同樣具有挑戰(zhàn)性。因此，關(guān)注水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪運(yùn)行維護(hù)維修相關(guān)技術(shù)的開發(fā)，建立起系統(tǒng)的轉(zhuǎn)輪數(shù)據(jù)庫(kù)，可以從轉(zhuǎn)輪模型、轉(zhuǎn)輪原型、轉(zhuǎn)輪維修的幾個(gè)階段通過數(shù)字建模的方式，很好地構(gòu)聯(lián)成整體技術(shù)，無論是轉(zhuǎn)輪的模型和原型、轉(zhuǎn)輪原型和運(yùn)行后維修狀態(tài)的轉(zhuǎn)輪，都能夠采取數(shù)值分析的方法進(jìn)行比對(duì)、優(yōu)化、參照和復(fù)原。這個(gè)系統(tǒng)性的技術(shù)方法，由于采用了V-STARS數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)，可以稱之為“水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量逆向工程建模技術(shù)”。

圖1 混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪外觀Fig.1 The external appearance of Francis turbine runner

圖2 軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪外觀Fig.2 The external appearance of Kaplan turbine runner

針對(duì)一個(gè)具體的水電工程，可以從工程設(shè)計(jì)初期跟蹤水輪機(jī)選型和設(shè)計(jì)、模型試驗(yàn)的過程，把工作重點(diǎn)放在轉(zhuǎn)輪原型測(cè)量上。通過數(shù)字?jǐn)z影的手段，得到轉(zhuǎn)輪原型的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用空間三維造型軟件，得到轉(zhuǎn)輪數(shù)字模型，測(cè)量數(shù)據(jù)以電子文檔的方式建檔保存于工程管理單位和測(cè)試單位。工程建成投產(chǎn)后，在每個(gè)機(jī)組的檢修期間，實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)量，并將測(cè)量后的數(shù)據(jù)與原型數(shù)據(jù)比對(duì)，歸納出轉(zhuǎn)輪葉型和結(jié)構(gòu)、流道的物理變化量，可以為轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度分析以及水力學(xué)專業(yè)分析與研究提供參考依據(jù)。這項(xiàng)工作應(yīng)保持連續(xù)，即利用機(jī)組運(yùn)行后不同級(jí)別的檢修階段、有針對(duì)性地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)量，并保證測(cè)量數(shù)據(jù)的完整性和一致性。進(jìn)行多次測(cè)量后，可以采取數(shù)據(jù)后期處理的方法，總結(jié)出變化的趨勢(shì)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求，得到安全性和可靠性的評(píng)價(jià)。具體流程如下：

（1）原型數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量→數(shù)據(jù)處理三維建模（逆向工程）→原型轉(zhuǎn)輪數(shù)字建檔儲(chǔ)存；

（2）首次維修轉(zhuǎn)輪數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量→數(shù)據(jù)處理三維建模（逆向工程）→維修轉(zhuǎn)輪數(shù)字建檔儲(chǔ)存→開展分析、評(píng)價(jià)，提出維修措施；

（3）第二次維修轉(zhuǎn)輪數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量→數(shù)據(jù)處理三維建模（逆向工程）→維修轉(zhuǎn)輪數(shù)字建檔儲(chǔ)存→開展分析、評(píng)價(jià)，驗(yàn)證維修措施的合理性和可行性；

…

（n）多次維修轉(zhuǎn)輪數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量→數(shù)據(jù)處理三維建模（逆向工程）→維修轉(zhuǎn)輪數(shù)字建檔儲(chǔ)存→開展分析、評(píng)價(jià)→總結(jié)趨勢(shì)，為維修、運(yùn)行方案的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。

3 技術(shù)開發(fā)難度和前景

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量逆向工程建模這項(xiàng)技術(shù)目前還沒有實(shí)現(xiàn)商業(yè)化操作，人們對(duì)于這項(xiàng)技術(shù)的認(rèn)識(shí)了解還比較薄弱。隨著我國(guó)大容量機(jī)組建成后維護(hù)維修工作量開始加大，維修工期造成的運(yùn)行效益損失會(huì)突顯出來，逆向工程建模技術(shù)的推廣、應(yīng)用以及相關(guān)技術(shù)的研發(fā)，可以為轉(zhuǎn)輪制定有針對(duì)性的維修方案，開展維修效果的數(shù)字比對(duì)，精化修復(fù)的吻合性和準(zhǔn)確性，縮短機(jī)組維修工期，有效地節(jié)省成本，延長(zhǎng)轉(zhuǎn)輪壽命，減少維修次數(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，改善運(yùn)行條件，提高發(fā)電效率，增大經(jīng)濟(jì)效益，會(huì)起到十分重要的作用，這項(xiàng)技術(shù)也會(huì)得到越來越廣泛的重視。

逆向工程建模技術(shù)存在兩大難題，一是測(cè)量手段，二是數(shù)字建模方法。前者解決硬件問題，后者是解決軟件問題。這兩個(gè)技術(shù)難題解決后，就奠定了水電工程水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪安全運(yùn)行和質(zhì)量評(píng)價(jià)的新途徑和新技術(shù)的基礎(chǔ)性條件。我國(guó)測(cè)量專業(yè)院校已經(jīng)開展了工程設(shè)備數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量專業(yè)的基礎(chǔ)教學(xué)，一些測(cè)量機(jī)構(gòu)和儀器代理商也相繼開展了基礎(chǔ)性工作。水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心（簡(jiǎn)稱質(zhì)檢中心）引進(jìn)的V-STARS已經(jīng)在水工金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)工作中發(fā)揮作用。鄭州辰維科技股份有限公司（簡(jiǎn)稱辰維科技）是V-STRAS系統(tǒng)的中國(guó)總代理，負(fù)責(zé)產(chǎn)品技術(shù)推廣與銷售服務(wù)，并在后期軟件國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用方面做了許多工作，建立了自己的實(shí)驗(yàn)室。質(zhì)檢中心和辰維科技也是長(zhǎng)期合作伙伴，在水電工程測(cè)量領(lǐng)域開展了專題研究項(xiàng)目和技術(shù)服務(wù)合作項(xiàng)目，取得了較好的成績(jī)。隨著水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪逆向工程建模技術(shù)的起步和推廣，鑒于V-STARS技術(shù)對(duì)于水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)測(cè)量具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，這種合作方式會(huì)不斷得到深化，并形成一個(gè)有效解決技術(shù)難題和擴(kuò)大影響力的技術(shù)平臺(tái)。

建立起水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量逆向工程建模技術(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，不僅是水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪測(cè)量技術(shù)上的一個(gè)突破，也通過應(yīng)用快速修復(fù)技術(shù)帶來機(jī)組發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益的提升。單機(jī)容量超過50 MW的機(jī)組維護(hù)維修的停機(jī)會(huì)帶來電網(wǎng)供電系統(tǒng)的重大調(diào)度，同時(shí)也會(huì)給發(fā)電廠造成較大的利潤(rùn)流失。例如，單機(jī)容量50 MW額定發(fā)電量5萬kW·h，以0.2元/kW·h上網(wǎng)電價(jià)計(jì)算，1 h發(fā)電收入1萬元，一天達(dá)24萬元，如果500 MW的機(jī)組，1 h發(fā)電收入10萬元，一天達(dá)240萬元。由此可見，采用逆向工程建模技術(shù)，利用數(shù)字建模分析，即時(shí)制定轉(zhuǎn)輪維修預(yù)案，縮短轉(zhuǎn)輪維修工期或減少維修次數(shù)，可以顯著增加經(jīng)濟(jì)效益。

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪逆向工程建模技術(shù)，還需要加大人力、物力的投入，并和相關(guān)學(xué)科的專業(yè)知識(shí)相融互達(dá)，例如和水力學(xué)、流體力學(xué)、水力學(xué)試驗(yàn)、流激振動(dòng)、結(jié)構(gòu)分析、測(cè)量理論等交匯，建立起多學(xué)科融會(huì)貫通的研究、分析方法，才能加快在水電工程中的應(yīng)用、推廣，技術(shù)研究以及應(yīng)用的成果才具有更強(qiáng)的生命力和發(fā)展前景。