三維掃描在低揚(yáng)程泵裝置中的應(yīng)用

王 樂(lè) 王 豐 鄧迪強(qiáng)

（江陰市璜塘水利工程有限公司，江蘇 江陰 214400）

1 問(wèn)題

隨著大型泵站工程的發(fā)展及工程管理質(zhì)量的提高，越來(lái)越多的專(zhuān)家學(xué)者發(fā)現(xiàn)，水泵機(jī)組的運(yùn)行效率、運(yùn)行工況在泵站實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，與模型試驗(yàn)偏差大。

例如，某大型泵站工程經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的模型試驗(yàn)和真機(jī)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得到：

（1）真機(jī)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試最優(yōu)效率點(diǎn)揚(yáng)程從模型試驗(yàn)的4m 降至3.5m，降幅達(dá)到12.5%；

（2）真機(jī)測(cè)試的最優(yōu)效率從78.78%降至76.72%；

（3）真機(jī)最優(yōu)效率點(diǎn)流量從34.45m3/s，降至29.3m3/s，流量偏差達(dá)到15%；

（4）真機(jī)最優(yōu)效率槳葉角度從-2°向-5°偏移。

上述是某大型泵站的真機(jī)測(cè)試結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。另外，還有一些泵站模型試驗(yàn)結(jié)果較為理想，真機(jī)測(cè)試時(shí)卻出現(xiàn)機(jī)組噪聲大、振動(dòng)加劇、甚至是開(kāi)機(jī)困難等問(wèn)題。

泵站建成后，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的數(shù)據(jù)往往會(huì)與最初模型試驗(yàn)換算而來(lái)的數(shù)據(jù)有一定的出入，隨著大型水利工程的飛速發(fā)展，真機(jī)與模型性能偏差矛盾已日益突出。究其原因，大致可以歸納為以下幾點(diǎn)：

（1）泵站模型由泵裝置模型和進(jìn)、出水壓力管組成，其中泵的葉輪、導(dǎo)葉、壓水室和進(jìn)、出水流道組成泵裝置模型，通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)并通過(guò)換算獲去該泵站的水力參數(shù)。模型與現(xiàn)場(chǎng)情況不完全一致，有一定的誤差。

（2）原、模型過(guò)流傳動(dòng)材料很難做到表面粗糙度相等和粗糙度結(jié)構(gòu)相似;原、模型過(guò)流流態(tài)不同導(dǎo)致流速不同，過(guò)流的水力摩擦系數(shù)也不同; 原、模型泵的容積損失基本不可能完全相似，造成原、模型泵裝置也不可能相似。

（3）凡是生產(chǎn)必有偏差，更不用說(shuō)大型泵站的建設(shè)這樣一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。建設(shè)過(guò)程中包含設(shè)備的制造偏差、土建的施工偏差、設(shè)備的安裝偏差、土建與設(shè)備之間契合的偏差等等，這些都是模型試驗(yàn)時(shí)不能設(shè)想到的。

試驗(yàn)成果往往很難真實(shí)反映實(shí)際結(jié)果，泵站裝置對(duì)水力參數(shù)實(shí)測(cè)也相對(duì)復(fù)雜，對(duì)研究原、模型泵站裝置過(guò)流部分也更加困難;由于現(xiàn)在水泵機(jī)械制作的精度越來(lái)越高，模型試驗(yàn)的水力參數(shù)已經(jīng)不能準(zhǔn)確反映實(shí)際。

2 工程應(yīng)用

本著從發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，到分析問(wèn)題，最后解決問(wèn)題的研究思路，本項(xiàng)目擬針對(duì)定波水利樞紐工程采用數(shù)值模擬與試驗(yàn)機(jī)械相結(jié)合的研究方法，利用三維激光掃描儀對(duì)泵裝置進(jìn)行掃描可以得到三維模型，這是泵站建成后原型的實(shí)際數(shù)據(jù)，與設(shè)計(jì)值對(duì)比可以對(duì)泵站的施工過(guò)程進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，著重研究模型和原型泵裝置尺寸誤差引起的性能差別，為提高泵站工程建設(shè)水平提供科學(xué)依據(jù)。該項(xiàng)目的研究在大型泵站工程設(shè)計(jì)、施工及優(yōu)化運(yùn)行具有重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)價(jià)值。

針對(duì)定波水力樞紐豎井貫流泵裝置進(jìn)行基于三維激光掃描的泵裝置原模型校驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究。前期已針對(duì)定波雙向豎井貫流泵裝置進(jìn)行了裝置數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)研究。定波水利樞紐工程包括節(jié)制閘和雙向泵站，節(jié)制閘總凈寬48m;泵站為雙向泵站，正向排水、反向引水，設(shè)計(jì)總排水流量120m3/s。泵站采用4 臺(tái)豎井貫流泵，單機(jī)流量30m3/s，節(jié)制閘與泵站采用集中緊湊型的“合建”布置方案。泵站采用直管式出水流道，快速閘門(mén)斷流，液壓?jiǎn)㈤]機(jī)啟閉，配4 臺(tái)10kV 同步電動(dòng)機(jī)，單機(jī)功率為1600kW，總裝機(jī)容量6400kW。定波水利樞紐運(yùn)行水位和揚(yáng)程的組合如表1 所示。

表1 泵站運(yùn)行水位及特征揚(yáng)程組合

采用高精度數(shù)值模擬方法對(duì)定波雙向豎井貫流泵裝置的進(jìn)出水流道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，雙向豎井貫流泵裝置如圖1 所示。通過(guò)泵站反向運(yùn)行對(duì)豎井出水流道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。以控制尺寸為基礎(chǔ)作為初始方案，以此為基準(zhǔn)優(yōu)化了五個(gè)方案，從出水流道水力損失的角度進(jìn)行優(yōu)化方案的比選，最后得到水力性能優(yōu)異的進(jìn)出水流道方案。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后總體性能得到了較大的提升，正向運(yùn)行計(jì)算工況點(diǎn)的最高效率為74.53%，反向運(yùn)行計(jì)算工況點(diǎn)最高效率為60.91%。正向運(yùn)行時(shí)，方案五在最大流量工況1.22Q 下效率提升至60.17%，比方案三的57.44%提升2.73%;反向運(yùn)行時(shí)，在30m3/s 流量工況下效率提升至60.91%，比59.87%提升1.0%。反向運(yùn)行時(shí)，方案三根據(jù)適當(dāng)控制斷面面積的變化，在小流量工況下性能發(fā)揮比較好，但是方案五對(duì)于平均運(yùn)行揚(yáng)程在1m 左右的泵站表現(xiàn)更為優(yōu)異。

圖1 本項(xiàng)目的技術(shù)路線(xiàn)圖

以最終優(yōu)化得到的方案5 進(jìn)出水流道方案作為最終設(shè)計(jì)方案，泵站為雙向豎井軸流泵裝置，正向進(jìn)水采用雙向豎井流道進(jìn)水，出水采用圓變方直管出水流道; 反向雙向豎井流道出水，圓變方直管進(jìn)水。雙向模型泵采用SZM35 水泵水力模型。輪轂比為0.4，采用4 片葉片，把黃銅材料利用數(shù)控加工成型。進(jìn)出水流道采用鋼板焊接加工制作，模型泵葉輪室通過(guò)觀(guān)察窗觀(guān)測(cè)葉片處的水流和汽蝕。對(duì)該泵站豎井貫流泵裝置進(jìn)行模型試驗(yàn)測(cè)試。

根據(jù)《離心泵、混流泵和軸流泵水力性能試驗(yàn)規(guī)范(精密級(jí))》(GB/T 18149-2000)和《水泵模型及裝置模型驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程》(SL140-2006)標(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)葉片安放角必須確保不少于15 點(diǎn)的性能試驗(yàn)點(diǎn)，按流量保持常數(shù)確定臨界汽蝕余量，確定改變有效NPSH 值至效率下降1%。

能量試驗(yàn)結(jié)果表明，泵裝置在葉片安放角-4 度下:模型泵裝置正向設(shè)計(jì)揚(yáng)程為3.05m 時(shí)，流量為312.62L/s，泵裝置效率達(dá)到70.95%，高效區(qū)運(yùn)行范圍較寬;對(duì)應(yīng)原型泵裝置正向揚(yáng)程3.05m 時(shí)，流量為31.26m3/s，略高于設(shè)計(jì)流量30m3/s 的運(yùn)行要求;模型泵最大運(yùn)行揚(yáng)程超過(guò)4.0m，超過(guò)定波水利樞紐雙向泵正向最大揚(yáng)程3.29m 的運(yùn)行要求。模型泵裝置反向設(shè)計(jì)揚(yáng)程為1.43m 時(shí)，流量為301.64 L/s，泵裝置效率達(dá)到57.39%，高效區(qū)運(yùn)行范圍較寬，對(duì)應(yīng)原型泵裝置反向揚(yáng)程1.43m 時(shí)，流量為30.16m3/s，達(dá)到泵站運(yùn)行要求;模型泵最大運(yùn)行揚(yáng)程超過(guò)4.0m，超過(guò)定波水利樞紐雙向泵反向最大揚(yáng)程2.87m 的運(yùn)行要求。模型泵及原型泵裝置性能曲線(xiàn)如圖3 所示。

圖2 模型試驗(yàn)實(shí)物圖

圖3 泵裝置正反向綜合特性曲線(xiàn)圖

汽蝕試驗(yàn)的結(jié)果表明，原型泵裝置在葉片安放角-4 度下:正、反向設(shè)計(jì)揚(yáng)程附近汽蝕性能達(dá)到最優(yōu)，臨界必需汽蝕余量處于8m 以下，滿(mǎn)足定波水利樞紐雙向泵正、反向臨界必需汽蝕余量的運(yùn)行要求。水泵汽蝕圖片如圖4 所示。

圖4 水泵汽蝕性能實(shí)物圖

前期的數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)得到了一系列的有用數(shù)據(jù)，進(jìn)一步挖掘數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性，為定波樞紐水泵制造安裝打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3 應(yīng)用內(nèi)容

3.1 基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的原型泵裝置3D 模型重構(gòu)

采用本單位新購(gòu)買(mǎi)的三維手持式便捷掃描儀分別對(duì)定波樞紐工程進(jìn)、出水流道、葉輪室和導(dǎo)葉體外形輪廓進(jìn)行三維數(shù)據(jù)掃描，得到各過(guò)流部件的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并與原型泵裝置設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行對(duì)比，分析各部件的主要結(jié)構(gòu)尺寸誤差和制造精度。著重探討三維掃描中數(shù)據(jù)的采集方法，使用三維光學(xué)掃描儀測(cè)量獲得原型泵裝置構(gòu)件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，研究曲面重構(gòu)及模型重建的方法，建立構(gòu)件的模型，利用商業(yè)CFD 軟件對(duì)模型進(jìn)行模擬計(jì)算，得到存在加工誤差條件下的泵裝置能量特性及其內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。

3.2 定波樞紐原型泵裝置現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

針對(duì)定波樞紐工程實(shí)際運(yùn)行水位模擬存在加工誤差條件下泵裝置的能量性能，并在該水位條件下分別對(duì)原型泵裝置進(jìn)行流量、揚(yáng)程及軸功率測(cè)試，分析真機(jī)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)能量特性，利用數(shù)值模擬對(duì)能量性能的預(yù)測(cè)結(jié)果來(lái)驗(yàn)證其有效性，對(duì)模型試驗(yàn)換算的泵裝置性能進(jìn)行誤差分析，提出基于尺寸誤差的泵裝置模型試驗(yàn)換算公式的修正系數(shù)。

3.3 基于尺寸偏差的原、模型性能對(duì)比分析

針對(duì)泵站單機(jī)組分別進(jìn)行準(zhǔn)確結(jié)構(gòu)尺寸和誤差尺寸的數(shù)值模擬計(jì)算，通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)和真機(jī)測(cè)試結(jié)果對(duì)泵裝置原型內(nèi)流情況和特性曲線(xiàn)進(jìn)行深入的研究，探索內(nèi)流規(guī)律，將原型和模型的尺寸、數(shù)模得到的性能等參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，得到主要結(jié)構(gòu)尺寸誤差引起的流量降低、工況偏移等不良結(jié)果的影響規(guī)律，揭示加工誤差與原型泵裝置性能曲線(xiàn)之間的規(guī)律，為泵站的安全穩(wěn)定與高效運(yùn)行提供參考。

4 應(yīng)用意義

本項(xiàng)目擬通過(guò)真機(jī)試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)合的方法研究由于尺寸誤差引起的泵站流量下降、工況偏移的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，具體研究目標(biāo)如下：

4.1 探討三維掃描中數(shù)據(jù)的采集方法，研究曲面重構(gòu)及模型重建的方法，建立泵裝置各過(guò)流部件的三維模型，利用CFD軟件對(duì)模型進(jìn)行模擬計(jì)算，得到存在加工誤差條件下的原型泵裝置能量特性及其內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。

4.2 利用原型泵裝置性能曲線(xiàn)和模型泵裝置性能曲線(xiàn)的對(duì)比，驗(yàn)證模型試驗(yàn)換算的泵裝置性能，從尺寸誤差的角度提出泵裝置模型試驗(yàn)換算公式的修正系數(shù)。

4.3 將模型泵試驗(yàn)結(jié)果、真機(jī)試驗(yàn)結(jié)果以及CFD 結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到各過(guò)流部件主要結(jié)構(gòu)尺寸誤差引起的流量降低、工況偏移等不良結(jié)果，揭示加工誤差與原型泵裝置性能曲線(xiàn)之間的規(guī)律，為泵站的安全穩(wěn)定與高效運(yùn)行提供參考。

5 應(yīng)用總結(jié)

5.1 技術(shù)路線(xiàn)

本項(xiàng)目針對(duì)定波樞紐工程擬通過(guò)真機(jī)試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)合的方法研究基于三維激光掃描的泵裝置原模型校驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，具體思路及技術(shù)路線(xiàn)如圖5 所示。

圖5 本項(xiàng)目的技術(shù)路線(xiàn)圖

5.2 應(yīng)用關(guān)鍵點(diǎn)

5.2.1 泵裝置原型三維模型的建立，包括三維激光掃描中構(gòu)件關(guān)鍵點(diǎn)的處理，三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分析與重構(gòu)。

5.2.2 解決由于真機(jī)的加工誤差（包括葉輪、導(dǎo)葉和進(jìn)出水流道等）引起的過(guò)流能力下降、運(yùn)行工況偏移的關(guān)鍵問(wèn)題。

6 結(jié)論

6.1 利用三維激光掃描方法針對(duì)定波樞紐構(gòu)建泵裝置各過(guò)流部件的三維模型，研究形狀不規(guī)則過(guò)流部件成型后的檢測(cè)方法，提出契合于工程施工條件的允許偏差范圍，對(duì)生產(chǎn)、施工過(guò)程進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

6.2 對(duì)三維模型進(jìn)行分析，利用CFD 進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，揭示加工制造誤差與流量下降、工況偏移之間的關(guān)系，建立泵裝置各過(guò)流部件加工制造精度與原型泵裝置性能曲線(xiàn)之間的關(guān)系。

6.3 對(duì)比原模型的CFD 仿真計(jì)算結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，分析內(nèi)流規(guī)律及影響結(jié)果的因素，建立基于尺寸誤差考慮的模型泵裝置試驗(yàn)結(jié)果預(yù)測(cè)真機(jī)泵裝置能量特性的修正換算數(shù)學(xué)模型。