便携式三坐标测量机在水轮机叶片修复中的应用研究

涂从刚，张 兵

（水利部水工金属结构质量检验测试中心，郑州 450044）

便携式三坐标测量机在水轮机叶片修复中的应用研究

涂从刚，张 兵

（水利部水工金属结构质量检验测试中心，郑州 450044）

水轮机叶片是水轮机发电机组中的核心部件，由于工作的强度和环境影响，叶片极易磨损并且难以修复，更换叶片则成本巨大，故有效地对叶片进行修复则尤为重要。通过便携式三坐标测量机系统可对缺陷叶片进行逆向工程扫描，确立三维模型，还原其原始特性。根据系统软件处理三维比对得出叶片的缺陷部位偏差，从而进行修复指导，通过实践，证明三坐标测量机系统能对叶片修复给予指导并达到良好效果。

便携式三坐标测量机；水轮机；叶片；修复

水电站中的水轮机是工程中极其重要的机电设备之一，是实现工程功能及效益的主要设备。水轮机的正常运转及使用效率直接影响到工程的正常运行及效益。由于在运行中受到气蚀和磨损，出现损伤、变形、开裂、破碎等缺陷，严重影响水轮机的效率和安全。要对这些缺陷进行修复，并希望尽量提高修复后水轮机的效率，就要求具有对叶片叶形的精确测量技术。通过便携式三坐标测量机，可以获得一种先进、精确的三维测量技术，有效地应用于水轮机叶片的测量上，并可利用该技术对叶片起到重要的修复指导作用。

1 水轮机叶片修复的必要性

由于水轮机在运行时，水流经过水轮机某些区域，流速增高，引起局部低压，当压力低于汽化压力时，水流开始放出气泡，气泡很容易破裂，气泡周围高压水体以高速度向气泡中心冲击，产生巨大的水锤压力，在气泡产生和消灭过程中，局部低压和水锤以高频率反复进行，这种气泡脉动压力经过水体传递给叶片时，叶片金属表面开始被破坏，金属颗粒逐渐脱落，形成机械剥蚀，从而产生气蚀。对于水轮机来说，运行过程中经常会产生大量气泡，而其过流部件中不合乎流线的地方，也是产生低压的根源，这些都是加剧叶片气蚀的原因。除此之外，水中的泥砂和大量悬浮物，也会对叶片产生侵蚀磨损作用。水轮机产生气蚀后除了对过流部件会产生破坏作用以外，还会产生噪声和振动，并导致设备性能曲线下降，使水泵及水轮机效率下降和功率上升，严重时会出现脱流现象，不能正常工作。这些都将严重影响水泵及水轮机的效率和安全，增大泵站的能源消耗，降低水电站的发电能力，因此，叶片的修复是泵站和水电站的重要检修工作，直接关系到泵站和水电站的运行效益。故而，在实际工程中对叶片的修复有很重要的现实意义［1］。

2 水轮机叶片传统的修复方法及局限性

对于叶片由于气蚀、磨损造成的凹坑、开裂等缺陷，一般是采用焊补后打磨的修复方法。但是，由于各个水轮机制造厂家均将叶片叶形数据视为重要技术保密内容，在交给工程的资料中都没有叶片的叶型数据。另外，由于在现场也没有对叶型进行检测的手段和方法，打磨修复后的叶型是否符合原始叶型，却无从得知，只是凭感觉圆滑过渡就可以了。因此对叶片叶型的修复存在盲目性，修复效果也无法确定和评价，叶片修复后普遍造成水轮机效率低于原来的水平，修复的部位容易再次损坏，而且经常出现振动和噪声，造成环境污染，效益下降，安全性差。如果水泵及水轮机效率下降过多及振动较为严重时，就不得不整体更换叶轮，因为叶片造价很高，整体更换成本太高，所以极大地增加了维护成本［2］。

因此，开发一种先进的测量手段与方法，能够准确地对叶片叶型进行测量，并根据测量的数据，起到指导叶片修复工作的作用，达到评价修复质量的目的，从而保证水轮机的正常运转及效率是非常必要的。

3 便携式三坐标测量机及逆向修复应用软件

3．1 便携式三坐标测量机

本文是以Infinite 2．0六轴便携式三坐标测量机为研究载体，美国海克斯康集团生产的便携式三坐标测量机Infinite 2．0具有获得专利的主轴无限旋转技术，能够方便地检测其它测量手段难以触及的区域。其极大的灵活性，方便现场测量工件，不需要投入大量财力和时间建设实验室，并取代了手动测量工具。还具有很高的热稳定性，可在苛刻的车间环境条件下完成测量。其耐久的碳纤维臂身，使得Infinite 2．0具有很好的稳定性。便携式三坐标测量机如图1所示。

图1 Infinite 2．0六轴便携式三坐标测量机Fig．1 Infinite 2．0 6-axis portable three-coordinatemeasuringmachine

3．2 逆向修复应用软件

在水轮机叶片修复中应用的软件主要有Scan-Works，Geomagic Studio，Geomagic Qualify以及CAD软件。

三坐标测量机配带的ScanWorks三维激光扫描系统用于叶片数据的采集，采用非接触的激光扫描技术，通过线扫描的方式提高了数据采集率。聚焦于精度、速度和灵活性，每秒钟采集数据点可高达23 000点，精度高达0．029 mm，完全满足叶片这种高精度的要求，同时由于无活动部件，使得可靠性和性能更好。

Geomagic Studio逆向工程软件具备强大的逆向建模功能，在我国已经得到广泛应用。可以轻易地从点云到创建出完美的多边形模型和四边形网格，并转化为NURBS曲面，建模效率高；同时还提供多重三维输出格式，方便与多种实体造型软件接口［3］。新增的Fashion模块和参数化功能可以通过定义曲面特征类型来捕获物理原型的原始设计意图，并与正向软件结合进行参数化逆向建模与再设计［4］。Geomagic Studio完全适合叶片曲面结构的建模应用。

Geomagic Qualify可以实现迅速检测叶片的原始CAD模型和缺陷叶片之间的差异，以直观易懂的图形比较结果来显示两者的差异，并可自动生成格式化的报告。凭借Geomagic Qualify提供的高级分析功能，可快速判断出超出公差的情况。三维比较为缺陷叶片创建一个全彩色的差异图作为对比参考模型，包括壁厚计算、边比较、形位公差、二维和三维尺寸等［5］，从而起到修复叶片的指导作用。

4 便携式三坐标测量机叶片修复应用

以广东某水电站水轮机一扇叶片为载体，应用便携式三坐标系统对其中一片缺陷叶片进行数据采集与分析处理，从而对叶片的修复进行指导与评价。叶片修复流程如图2所示。

图2 便携式三坐标测量机应用于叶片修复流程图Fig．2 Flowchart of applying portable three-coordinate measuringmachine to the blade repair

应用便携式三坐标测量机扫描系统ScanWorks联机扫描采集叶片原始点云数据如图3所示，经过Geomagic Studio对点云数据进行合并、采样、删除噪音、封装，多边形阶段，曲面阶段等一系列处理过后导入到CAD软件UG中处理得到的三维模型如图4所示。此三维模型将作为最终与缺陷叶片点云比对的根据，缺陷叶片的扫描点云数据如图5所示，叶型数据进行合并、删除噪音等处理分析后在Geomagic Qualify中与原始点云制作的三维模型进行三维比对，通过Geomagic Qualify的高级分析功能则可判断出需要修复的位置及尺寸。图6所示为缺陷叶片与原始三维模型比对的3D偏差的色差带显示图及具体偏差值显示。通过处理后的偏差色差带显示即可清晰直观的判断出磨损、腐蚀等缺陷部位的量值，并可根据这些量值对缺陷部位进行修复处理，具体需要修复的部位以及量值将会在Geomagic Qualify比对完成后自动生成的报告中予以显示，维修单位可根据报告内容做具体修复。

图3 ScanW orks采集原始叶片点云数据Fig．3 Collection of point cloud data of the originalblade by ScanW orks

图4 Studio处理后创建原始叶片三维模型Fig．4 Creation of 3-D model of the original blade treated by Geomagic Studio

图5 扫描采集缺陷叶片点云数据Fig．5 Scanning and acquisition of point cloud data of defective blade

图6 Qualify三维比对的色差带偏差值注释Fig．6 Comments on deviation values of color-difference belt by Geomagic Qualify 3-D alignment

Qualify三维比对软件数据处理能够将点云数据和原始模型进行3D和2D比对，通过比对将可以清晰地将偏差分布进行统计，缺陷叶片点云数据与原始叶片模型的3D比较偏差分布比例数据表和统计柱状图如表1和图7所示。

Qualify 2D偏差分布统计如表2和图8所示。选取叶片的横向截面作为分析基准，在2D比对后，缺陷点云与模型的截面比对结果如图9所示。按照需要，可对各个部分进行截面分析，修补缺陷。待修复工作完成后，可重新扫描其点云数据，然后再与原始模型进行比对，检验修复精度。

表1 Qualify三维比对的偏差分布统计Table 1 Statistics of deviation distribution by Geomagic Qualify 3-D alignment

图7 Qualify三维比对的偏差分布百分比统计Fig．7 Deviation distribution percentages by Geomagic Qualify 3-D alignment

表2 Qualify 2D比较的偏差分布统计Table 2 Statistics of deviation distribution by Geomagic Qualify 2-D alignment

图8 Qualify进行2D比较的偏差分布百分比统计Fig．8 Deviation distribution percentages by Geomagic Qualify 2-D alignment

图9 Qualify三维比对的2D偏差截面图Fig．9 Section of two-dimensional deviation by Geomagic Qualify 3-D alignment

5 结 语

使用三坐标测量机对叶片的几何形状进行三维激光扫描，可得到该叶片的点云数据，通过点云数据编辑、拼接与合并等，可以实现叶片的任意尺寸的三维空间量测、数据可视化、三维建模、数据转换和分析处理等功能。因此，利用三维技术将所检测的叶片的叶型与标准叶型相比较，得出两者偏差检测结果，来实现叶片的可用度评估，为所需采用的修复手段提供依据以及对修复后的叶型精度进行评价，提高叶片修复水平，实现精确修复，是今后叶片修复工作的发展方向。

另外，由于三坐标测量机的扫描范围有限，对于小型设备的叶片，可以一次完成扫描。但对于一些大型设备的叶片，无法一次完成扫描工作，需要两次或多次移动三坐标测量机才能将整个叶片扫描完。因此如何将多次扫描的数据整合到一起并保证其精度，是今后研究工作的重点及发展方向。

［1］ 程新平，李 力，张 科．逆向工程技术在水泵叶轮测量和加工中的应用［J］．CAD／CAM与制造业信息化，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 锋．UG逆向反求工程案例导航视频教程［M］．北京：机械工业出版社，2009．（YUAN Feng．Video Tutorial of UG Reverse Engineering Cases［M］．Beijing：Mechanical Industry Press，2009．（in Chinese））

［3］ 王云霞，张鹏程．便携式三坐标测量机在曲面铸钢件中的应用［J］．中国铸造装备与技术，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，谢韶旺．Geomagic Studio逆向工程技术与应用［M］．北京：清华大学出版社，2010．（CHENG Siyuan，XIE Shao-wang．Geomagic Studio Reverse Engineering Technology and Its Application［M］．Beijing：Tsinghua University Press，2010．（in Chinese））

［5］ 荣建刚，李绍勇．UG NX6．0中文版入门与提高［M］．北京：清华大学出版社，2011．（RONG Jian-gang，LI Shao-yong．Introduction and Improvement of UG NX6．0 Chinese Version［M］．Beijing：Tsinghua University Press，2011．（in Chinese） ）

（编辑：赵卫兵）

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

涂从刚（1983－），男，河南信阳人，硕士研究生，从事逆向工程研究，水利部水工金属结构质量检验测试中心，（电话）13783631722（电子信箱）tuconggang＠chinatesting．org。