燃机高温部件等关键产品的3D 检测技术研究

杨亚梅

（东方电气集团东方汽轮机有限公司， 四川 德阳， 618000）

1 概述

燃气轮机是国防、 交通、 能源、 环保等国计民生的核心装备， 属于市场前景巨大的高技术产业。 其发电机组以其安全、 高效、 节能、 环保等优点， 近年来发展非常迅速， 已成为21 世纪发电设备的主要发展方向之一， 也是我国21 世纪将研究开发的关键技术。 公司要完成50 MW 等级燃气轮机样机研制， 初温1 200～1 400 ℃， 压气机17级， 压比18， 效率超过35%。 初步建立燃机设计、 试验、 材料以及制造体系。 50 MW 燃机叶片制造加工大致分为压气机叶片、 燃烧室高温合金叶片和透平精加工叶片的制造， 而叶片加工制造的质量直接影响燃机安装调试和产品质量， 其中，燃烧室高温合金叶片的制造和检测难度最大。 在此项目之前， 公司对上述叶片加工和检测方法完全是一项空白， 没有成熟的检测经验可以借鉴。

2 燃机高温部件测量技术难点

50 MW 燃机燃烧室高温叶片的特殊结构和设计要求决定了它的工艺制造过程与以前生产的叶片有很大不同： 首先采用精铸方式加工出叶片毛坯， 同时保证叶片型面的精度满足设计要求； 然后再对叶根和叶冠部分进行精加工。 高温叶片的检测难点为： （1）叶片的型面精度要求高， 而叶根叶冠部分的装配基准还是毛坯状态， 无法作为检测基准； （2）燃机高温叶片的第2～4 级静叶均为联体叶片， 检测汽道型面会产生干涉， 检测难度较大； （3）燃机高温叶片的陶瓷型芯是易碎材料， 且是全曲面外形， 没有定位基准面。

3 传统量具及三坐标检测手段的局限

鉴于燃机高温部件测量的3 个技术难点， 常规的传统综合量具的设计和加工周期长、 成本高，也无法满足高温叶片的定位和检测精度要求。

采用三坐标检测也存在局限： 没有合适的基准面作为三坐标的检测基准， 测量的精度要求和稳定性都无法保证； 如果利用专用检测工装进行定位， 会对三坐标的测针产生干涉， 导致叶片型面检测不完整； 而对于高温叶片的陶瓷型芯插件，三坐标的接触式测量无法实现检测。

4 测量设备

对重型燃机透平叶片测量的现有方案进行调研， 并对测量设备生产厂家进行调访， 分析论证，最终选择某有限公司用关节臂设备。 使用设备简介： 关节臂测量机型号： RA7525SI， 测量范围2.5 m， 空间精度0.038 mm， 重复精度0.027 mm， 激光测头扫描精度0.03 mm， 2.5 m 球形测量空间范围内综合激光扫描精度0.048 mm。 该设备与其他同类扫描检测设备相比， 最大的优势是检测前不需要对被测工件进行喷涂防反光剂， 也不需要在被测工件上设置靶点。

5 燃机高温部件的检测试验

5.1 高温透平动叶检测

针对燃机高温动叶精铸毛坯的检测难点， 使用关节臂三维扫描测量仪检测高温透平动叶可以实现传统综合量具和三坐标检测无法完成的检测目标， 不仅可以分析高温动叶的整个面轮廓度，也可以按将产品图上要求的被测截面截取出来，单独分析检测截面的最大厚度， 弦长及位置度等一系列参数。

5.2 高温透平静叶检测

由于第2～4 级燃机高温透平静叶特殊的联体构造， 接触式测量无法实现叶片完整型面轮廓的测量。 使用关节臂进行非接触扫描不但可以完成对联体叶片的汽道型面部分的检测， 还可以对叶片的相关面及尾缘槽进行扫描， 报告见图1～3。

图1 燃机高温2 级静叶报告

图2 燃机高温静叶相贯面报告

图3 燃机高温静叶尾缘槽报告

5.3 50 MW 燃机陶瓷型芯检测

50 MW 燃机陶瓷型芯的全曲面构造无法选取检测基准面， 同时又是易碎材料制成， 三坐标的传统接触式测量根本无法实现检测。 而使用关节臂则可以对陶瓷型芯（如图4所示）实现全要素数据采集。 由于检测试验时理论模型未具备， 所以仅进行了数据采集工作， 后期经过软件的数据处理、对齐和分析， 就可以给出相应的检测报告。

图4 燃机高温叶片陶瓷型芯

6 长叶片的检测试验

为了充分发挥关节臂的测量优势， 拓宽关节臂设备的适用范围， 将关节臂应用于公司长叶片汽道型面变形的检测分析。 如图5 所示， 通过实测点云与理论数模的色差图对比， 可以直观反映出长叶片的变形趋势、 偏差数值及叶片型面上的缺陷部位。 众所周知， 三坐标检测长叶片时只能按一定截面高度进行二维检测， 无法反应两检测截面之间的汽道型面是否满足要求， 关节臂的全型面扫描分析完全可以弥补这一不足。

图5 72 英寸型面报告

7 在逆向工程中的应用

逆向工程师根据零件（或原型）生成图样， 再制造产品， 它是一种以先进产品设备的实物、 样件、 软件（包括图样、程序、技术文件等）或影像（图像、 照片等） 作为研究对象， 应用现代设计方法学、 生产工程学、 材料学和有关专业知识进行系统分析和研究， 探索掌握其关键技术， 进而开发出同类更为先进的产品技术。 逆向工程是基于一个可以获得的实物模型来构造出他的设计模型，是通过对重构模型特征参数的调整和修改来达到对实物模型的逼近。 因此， 获得实物三维模型（也就是常说的测绘）是逆向工程中至关重要的一个环节。 关节臂的工作原理让它能够在产品测绘中充分发挥它方便快捷的优势。 通过一个带有圆柱、平面、 通孔、 曲面等几何特征的零件来实现关节臂的测绘功能。 通过对该零件的扫描测绘， 小平面特征处理， 即可获得它的外形特征点云的采集，再通过对小平面模型的建模化处理（如图6 所示），可以在最终的模型上测量各个特征的几何尺寸及相对位置关系， 后续的分析计算、 模型设计、 加工制造等工作在此基础上就能顺利开展。 不过，在实际的新产品逆向开发工作中， 应用关节臂测绘的都是外形结构特征复杂的零部件，因此对测绘点云的建模处理就是一个相当复杂的过程，尤其是对未知曲面的回归计算以建立数学模型。

图6 产品零件测绘模型化处理

8 结论

采用了新的检测设备、 检测手段和数据分析方式， 不仅可以完成对燃机、 军品和关键产品的3D建模检测， 并且可以使用该手段辅助完成诸如末三级大叶片的变形量分析检测， 解决了传统综合量具和三坐标测量机无法解决的检测难题。 在之后的工作中， 除了对于该类产品继续进行检测，总结出一套适合公司测绘、 3D 建模检测技术规范以外， 甚至可以进一步推广到逆向工程等领域，继续扩展该测量设备的使用范围。