便攜式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在水輪機(jī)葉片修復(fù)中的應(yīng)用研究

涂從剛，張 兵

（水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心，鄭州 450044）

便攜式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在水輪機(jī)葉片修復(fù)中的應(yīng)用研究

涂從剛，張 兵

（水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心，鄭州 450044）

水輪機(jī)葉片是水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組中的核心部件，由于工作的強(qiáng)度和環(huán)境影響，葉片極易磨損并且難以修復(fù)，更換葉片則成本巨大，故有效地對(duì)葉片進(jìn)行修復(fù)則尤為重要。通過便攜式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)系統(tǒng)可對(duì)缺陷葉片進(jìn)行逆向工程掃描，確立三維模型，還原其原始特性。根據(jù)系統(tǒng)軟件處理三維比對(duì)得出葉片的缺陷部位偏差，從而進(jìn)行修復(fù)指導(dǎo)，通過實(shí)踐，證明三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)系統(tǒng)能對(duì)葉片修復(fù)給予指導(dǎo)并達(dá)到良好效果。

便攜式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)；水輪機(jī)；葉片；修復(fù)

水電站中的水輪機(jī)是工程中極其重要的機(jī)電設(shè)備之一，是實(shí)現(xiàn)工程功能及效益的主要設(shè)備。水輪機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)及使用效率直接影響到工程的正常運(yùn)行及效益。由于在運(yùn)行中受到氣蝕和磨損，出現(xiàn)損傷、變形、開裂、破碎等缺陷，嚴(yán)重影響水輪機(jī)的效率和安全。要對(duì)這些缺陷進(jìn)行修復(fù)，并希望盡量提高修復(fù)后水輪機(jī)的效率，就要求具有對(duì)葉片葉形的精確測(cè)量技術(shù)。通過便攜式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，可以獲得一種先進(jìn)、精確的三維測(cè)量技術(shù)，有效地應(yīng)用于水輪機(jī)葉片的測(cè)量上，并可利用該技術(shù)對(duì)葉片起到重要的修復(fù)指導(dǎo)作用。

1 水輪機(jī)葉片修復(fù)的必要性

由于水輪機(jī)在運(yùn)行時(shí)，水流經(jīng)過水輪機(jī)某些區(qū)域，流速增高，引起局部低壓，當(dāng)壓力低于汽化壓力時(shí)，水流開始放出氣泡，氣泡很容易破裂，氣泡周圍高壓水體以高速度向氣泡中心沖擊，產(chǎn)生巨大的水錘壓力，在氣泡產(chǎn)生和消滅過程中，局部低壓和水錘以高頻率反復(fù)進(jìn)行，這種氣泡脈動(dòng)壓力經(jīng)過水體傳遞給葉片時(shí)，葉片金屬表面開始被破壞，金屬顆粒逐漸脫落，形成機(jī)械剝蝕，從而產(chǎn)生氣蝕。對(duì)于水輪機(jī)來說，運(yùn)行過程中經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生大量氣泡，而其過流部件中不合乎流線的地方，也是產(chǎn)生低壓的根源，這些都是加劇葉片氣蝕的原因。除此之外，水中的泥砂和大量懸浮物，也會(huì)對(duì)葉片產(chǎn)生侵蝕磨損作用。水輪機(jī)產(chǎn)生氣蝕后除了對(duì)過流部件會(huì)產(chǎn)生破壞作用以外，還會(huì)產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)，并導(dǎo)致設(shè)備性能曲線下降，使水泵及水輪機(jī)效率下降和功率上升，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)脫流現(xiàn)象，不能正常工作。這些都將嚴(yán)重影響水泵及水輪機(jī)的效率和安全，增大泵站的能源消耗，降低水電站的發(fā)電能力，因此，葉片的修復(fù)是泵站和水電站的重要檢修工作，直接關(guān)系到泵站和水電站的運(yùn)行效益。故而，在實(shí)際工程中對(duì)葉片的修復(fù)有很重要的現(xiàn)實(shí)意義［1］。

2 水輪機(jī)葉片傳統(tǒng)的修復(fù)方法及局限性

對(duì)于葉片由于氣蝕、磨損造成的凹坑、開裂等缺陷，一般是采用焊補(bǔ)后打磨的修復(fù)方法。但是，由于各個(gè)水輪機(jī)制造廠家均將葉片葉形數(shù)據(jù)視為重要技術(shù)保密內(nèi)容，在交給工程的資料中都沒有葉片的葉型數(shù)據(jù)。另外，由于在現(xiàn)場(chǎng)也沒有對(duì)葉型進(jìn)行檢測(cè)的手段和方法，打磨修復(fù)后的葉型是否符合原始葉型，卻無從得知，只是憑感覺圓滑過渡就可以了。因此對(duì)葉片葉型的修復(fù)存在盲目性，修復(fù)效果也無法確定和評(píng)價(jià)，葉片修復(fù)后普遍造成水輪機(jī)效率低于原來的水平，修復(fù)的部位容易再次損壞，而且經(jīng)常出現(xiàn)振動(dòng)和噪聲，造成環(huán)境污染，效益下降，安全性差。如果水泵及水輪機(jī)效率下降過多及振動(dòng)較為嚴(yán)重時(shí)，就不得不整體更換葉輪，因?yàn)槿~片造價(jià)很高，整體更換成本太高，所以極大地增加了維護(hù)成本［2］。

因此，開發(fā)一種先進(jìn)的測(cè)量手段與方法，能夠準(zhǔn)確地對(duì)葉片葉型進(jìn)行測(cè)量，并根據(jù)測(cè)量的數(shù)據(jù)，起到指導(dǎo)葉片修復(fù)工作的作用，達(dá)到評(píng)價(jià)修復(fù)質(zhì)量的目的，從而保證水輪機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)及效率是非常必要的。

3 便攜式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)及逆向修復(fù)應(yīng)用軟件

3．1 便攜式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)

本文是以Infinite 2．0六軸便攜式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)為研究載體，美國(guó)海克斯康集團(tuán)生產(chǎn)的便攜式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)Infinite 2．0具有獲得專利的主軸無限旋轉(zhuǎn)技術(shù)，能夠方便地檢測(cè)其它測(cè)量手段難以觸及的區(qū)域。其極大的靈活性，方便現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量工件，不需要投入大量財(cái)力和時(shí)間建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，并取代了手動(dòng)測(cè)量工具。還具有很高的熱穩(wěn)定性，可在苛刻的車間環(huán)境條件下完成測(cè)量。其耐久的碳纖維臂身，使得Infinite 2．0具有很好的穩(wěn)定性。便攜式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)如圖1所示。

圖1 Infinite 2．0六軸便攜式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)Fig．1 Infinite 2．0 6-axis portable three-coordinatemeasuringmachine

3．2 逆向修復(fù)應(yīng)用軟件

在水輪機(jī)葉片修復(fù)中應(yīng)用的軟件主要有Scan-Works，Geomagic Studio，Geomagic Qualify以及CAD軟件。

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)配帶的ScanWorks三維激光掃描系統(tǒng)用于葉片數(shù)據(jù)的采集，采用非接觸的激光掃描技術(shù)，通過線掃描的方式提高了數(shù)據(jù)采集率。聚焦于精度、速度和靈活性，每秒鐘采集數(shù)據(jù)點(diǎn)可高達(dá)23 000點(diǎn)，精度高達(dá)0．029 mm，完全滿足葉片這種高精度的要求，同時(shí)由于無活動(dòng)部件，使得可靠性和性能更好。

Geomagic Studio逆向工程軟件具備強(qiáng)大的逆向建模功能，在我國(guó)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用?？梢暂p易地從點(diǎn)云到創(chuàng)建出完美的多邊形模型和四邊形網(wǎng)格，并轉(zhuǎn)化為NURBS曲面，建模效率高；同時(shí)還提供多重三維輸出格式，方便與多種實(shí)體造型軟件接口［3］。新增的Fashion模塊和參數(shù)化功能可以通過定義曲面特征類型來捕獲物理原型的原始設(shè)計(jì)意圖，并與正向軟件結(jié)合進(jìn)行參數(shù)化逆向建模與再設(shè)計(jì)［4］。Geomagic Studio完全適合葉片曲面結(jié)構(gòu)的建模應(yīng)用。

Geomagic Qualify可以實(shí)現(xiàn)迅速檢測(cè)葉片的原始CAD模型和缺陷葉片之間的差異，以直觀易懂的圖形比較結(jié)果來顯示兩者的差異，并可自動(dòng)生成格式化的報(bào)告。憑借Geomagic Qualify提供的高級(jí)分析功能，可快速判斷出超出公差的情況。三維比較為缺陷葉片創(chuàng)建一個(gè)全彩色的差異圖作為對(duì)比參考模型，包括壁厚計(jì)算、邊比較、形位公差、二維和三維尺寸等［5］，從而起到修復(fù)葉片的指導(dǎo)作用。

4 便攜式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)葉片修復(fù)應(yīng)用

以廣東某水電站水輪機(jī)一扇葉片為載體，應(yīng)用便攜式三坐標(biāo)系統(tǒng)對(duì)其中一片缺陷葉片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析處理，從而對(duì)葉片的修復(fù)進(jìn)行指導(dǎo)與評(píng)價(jià)。葉片修復(fù)流程如圖2所示。

圖2 便攜式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)應(yīng)用于葉片修復(fù)流程圖Fig．2 Flowchart of applying portable three-coordinate measuringmachine to the blade repair

應(yīng)用便攜式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)掃描系統(tǒng)ScanWorks聯(lián)機(jī)掃描采集葉片原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖3所示，經(jīng)過Geomagic Studio對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行合并、采樣、刪除噪音、封裝，多邊形階段，曲面階段等一系列處理過后導(dǎo)入到CAD軟件UG中處理得到的三維模型如圖4所示。此三維模型將作為最終與缺陷葉片點(diǎn)云比對(duì)的根據(jù)，缺陷葉片的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖5所示，葉型數(shù)據(jù)進(jìn)行合并、刪除噪音等處理分析后在Geomagic Qualify中與原始點(diǎn)云制作的三維模型進(jìn)行三維比對(duì)，通過Geomagic Qualify的高級(jí)分析功能則可判斷出需要修復(fù)的位置及尺寸。圖6所示為缺陷葉片與原始三維模型比對(duì)的3D偏差的色差帶顯示圖及具體偏差值顯示。通過處理后的偏差色差帶顯示即可清晰直觀的判斷出磨損、腐蝕等缺陷部位的量值，并可根據(jù)這些量值對(duì)缺陷部位進(jìn)行修復(fù)處理，具體需要修復(fù)的部位以及量值將會(huì)在Geomagic Qualify比對(duì)完成后自動(dòng)生成的報(bào)告中予以顯示，維修單位可根據(jù)報(bào)告內(nèi)容做具體修復(fù)。

圖3 ScanW orks采集原始葉片點(diǎn)云數(shù)據(jù)Fig．3 Collection of point cloud data of the originalblade by ScanW orks

圖4 Studio處理后創(chuàng)建原始葉片三維模型Fig．4 Creation of 3-D model of the original blade treated by Geomagic Studio

圖5 掃描采集缺陷葉片點(diǎn)云數(shù)據(jù)Fig．5 Scanning and acquisition of point cloud data of defective blade

圖6 Qualify三維比對(duì)的色差帶偏差值注釋Fig．6 Comments on deviation values of color-difference belt by Geomagic Qualify 3-D alignment

Qualify三維比對(duì)軟件數(shù)據(jù)處理能夠?qū)Ⅻc(diǎn)云數(shù)據(jù)和原始模型進(jìn)行3D和2D比對(duì)，通過比對(duì)將可以清晰地將偏差分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，缺陷葉片點(diǎn)云數(shù)據(jù)與原始葉片模型的3D比較偏差分布比例數(shù)據(jù)表和統(tǒng)計(jì)柱狀圖如表1和圖7所示。

Qualify 2D偏差分布統(tǒng)計(jì)如表2和圖8所示。選取葉片的橫向截面作為分析基準(zhǔn)，在2D比對(duì)后，缺陷點(diǎn)云與模型的截面比對(duì)結(jié)果如圖9所示。按照需要，可對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行截面分析，修補(bǔ)缺陷。待修復(fù)工作完成后，可重新掃描其點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后再與原始模型進(jìn)行比對(duì)，檢驗(yàn)修復(fù)精度。

表1 Qualify三維比對(duì)的偏差分布統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of deviation distribution by Geomagic Qualify 3-D alignment

圖7 Qualify三維比對(duì)的偏差分布百分比統(tǒng)計(jì)Fig．7 Deviation distribution percentages by Geomagic Qualify 3-D alignment

表2 Qualify 2D比較的偏差分布統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of deviation distribution by Geomagic Qualify 2-D alignment

圖8 Qualify進(jìn)行2D比較的偏差分布百分比統(tǒng)計(jì)Fig．8 Deviation distribution percentages by Geomagic Qualify 2-D alignment

圖9 Qualify三維比對(duì)的2D偏差截面圖Fig．9 Section of two-dimensional deviation by Geomagic Qualify 3-D alignment

5 結(jié) 語(yǔ)

使用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)葉片的幾何形狀進(jìn)行三維激光掃描，可得到該葉片的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)編輯、拼接與合并等，可以實(shí)現(xiàn)葉片的任意尺寸的三維空間量測(cè)、數(shù)據(jù)可視化、三維建模、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和分析處理等功能。因此，利用三維技術(shù)將所檢測(cè)的葉片的葉型與標(biāo)準(zhǔn)葉型相比較，得出兩者偏差檢測(cè)結(jié)果，來實(shí)現(xiàn)葉片的可用度評(píng)估，為所需采用的修復(fù)手段提供依據(jù)以及對(duì)修復(fù)后的葉型精度進(jìn)行評(píng)價(jià)，提高葉片修復(fù)水平，實(shí)現(xiàn)精確修復(fù)，是今后葉片修復(fù)工作的發(fā)展方向。

另外，由于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的掃描范圍有限，對(duì)于小型設(shè)備的葉片，可以一次完成掃描。但對(duì)于一些大型設(shè)備的葉片，無法一次完成掃描工作，需要兩次或多次移動(dòng)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)才能將整個(gè)葉片掃描完。因此如何將多次掃描的數(shù)據(jù)整合到一起并保證其精度，是今后研究工作的重點(diǎn)及發(fā)展方向。

［1］ 程新平，李 力，張 科．逆向工程技術(shù)在水泵葉輪測(cè)量和加工中的應(yīng)用［J］．CAD／CAM與制造業(yè)信息化，2004，（12）：50－52．（CHENG Xin-ping，LI Li，ZHANG Ke．Application of Reverse Engineering Technique to the Measurement and Processing of Pump Impeller［J］．CAD／CAM and Digital Manufacturing Industry，2004，（12）：50－52．（in Chinese））

［2］ 袁 鋒．UG逆向反求工程案例導(dǎo)航視頻教程［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009．（YUAN Feng．Video Tutorial of UG Reverse Engineering Cases［M］．Beijing：Mechanical Industry Press，2009．（in Chinese））

［3］ 王云霞，張鵬程．便攜式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在曲面鑄鋼件中的應(yīng)用［J］．中國(guó)鑄造裝備與技術(shù)，2007，（1）：42－45．（WANG Yun-xia，ZHANG Peng-cheng．Application of Portable Three-Coordinate Measuring Machine in Steel Casting with Curved Surface［J］．China Foundry Machinery and Technology，2007，（1）：42－45．（in Chinese））

［4］ 成思源，謝韶旺．Geomagic Studio逆向工程技術(shù)與應(yīng)用［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2010．（CHENG Siyuan，XIE Shao-wang．Geomagic Studio Reverse Engineering Technology and Its Application［M］．Beijing：Tsinghua University Press，2010．（in Chinese））

［5］ 榮建剛，李紹勇．UG NX6．0中文版入門與提高［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2011．（RONG Jian-gang，LI Shao-yong．Introduction and Improvement of UG NX6．0 Chinese Version［M］．Beijing：Tsinghua University Press，2011．（in Chinese） ）

（編輯：趙衛(wèi)兵）

Application of Portable Three-Coordinate M easuring M achine in Hydroturbine Blade Repair

TU Cong-gang，ZHANG Bing
（National Center of Quality Inspection and Testing for Hydro Steel Structure，Ministry ofWater Resources，Zhengzhou 450044，China）

Cavitation erosion and abrasion will bring about damage，deformation，and crack to hydroturbine blades．A portable three-coordinatemeasuringmachinewas employed to repair the defects．Infinite 2．0 six-axis portable 3-D measuringmachine was used as the hardware carrier．Software ScanWorks，Geomagic Studio，Geomagic Qualify and CAD were built in themachine．Through thismeasuringmachine，reverse engineering scanning，3-D spatial measurement，data visualization，3-D modelling，point-cloud data analyzing and processing，and data conversion were carried out．By comparing the original 3-D model with the defective model，location and size of the defects were obtained．The three-coordinatemeasuringmachine is accurate，and is of guiding importance for the repair of hydroturbine blades．

portable three-coordinatemeasuringmachine；hydroturbine；blade；repair

TV734．1

A

1001－5485（2013）02－0088－04

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．02．019

2012－08－16

涂從剛（1983－），男，河南信陽(yáng)人，碩士研究生，從事逆向工程研究，水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心，（電話）13783631722（電子信箱）tuconggang＠chinatesting．org。