水電渦輪葉片品質管控

水鬥式水輪機轉子的3D掃描

ATOS 3D掃描系統會在物體的表面上投射出一個緻密的條紋圖案。這些光柵條紋圖案會由雙數位元相機記錄,處理並產生物件上相關投射區域的掃描點雲資料。在掃描過 程中,該系統還精確地定義了在測量區域中粘貼的參考標記點。基於這些獨特的定位參考標記,單筆掃描資料將準確地自動合併在一起。ATOS 3D掃描儀每次掃描時間 為1至7秒,並能產生高達每次400萬的3D測量點。通過此法,刮刀狀的形狀可以獲取快速而準確的驗證。經過每一筆這樣的掃描,直到渦輪轉子葉片被3D掃描儀全方位完整數位化紀錄。在水輪機轉子掃描過程中,每一單獨區域的ATOS 3D掃描資料會基於全域參考點標記掃描,自動合併在一起。

通過TRITOP 光學式三次元系統創建參考點的位置檔。

圖4示出了數位化的轉子三維測量資料。由此而來資料檔案由數以百萬計的3D點進行詳細描述每個葉片的形狀。這樣做的解析度(點密度)是約0.3毫米(.010英寸)。如果有必要,ATOS 3D掃描系統可以容易地調整以提供高解析度或增加測量區域。

圖3圖4

如此詳細和準確的三維掃描資料的益處是可以作為數位化模型與理想幾何形狀的資料CAD模型(如果有的話)進行比較分析出哪怕只有絲毫的形狀差異。其他葉片的資料,或為對稱檢查資料可以被鏡像,參見圖5。

該形狀的偏差使用不同的顏色表示,偏差數值對應於右邊的圖像中的色彩圖例區域。其中渦輪機葉片的形狀偏差達到2毫米(0.08英寸)的區域清楚可見(紅色 和深藍色區域)。某些情況下也有可能用較少的測量點顯示和輸出的結果(稀疏資料集),或者作為截面資料這取決於所要執行的任務和下游處理軟體系統的功能 (圖6)。

Fig5: 葉片與CAD比對的色彩偏差彩圖Fig6: 渦輪轉子葉片用較少的測量點顯示和輸出的結果

混流式水輪機轉子的3D掃描

混流式水輪機廣泛用於水力發電廠(圖7)。他們是用於中等水壓力(落差)和水介質數量。因為它們具有高效率的各種操作條件。

混流式水輪機的葉片非常彎曲和密集的配置。在在製造過程中,他們是手動研磨和拋光。這是難以進入的水的入口通道。因此,製造這些渦輪機既複雜又昂貴。對於它來說使用傳統的測量和檢查葉片的形狀測量方法既困難又費時。

與水鬥式水輪機一樣,混流式水輪機轉子三維數位化是利用ATOS 3D掃描儀TRITOP 光學式三次元系統組合進行的。

得到的結果是一個由數百萬個資料點組成的三維三角網格。ATOS 3D掃描儀可以有效地掃描到葉片的完整表面。

產生精確的三維圖形(見圖9和10),儘管部分結構的複雜,使得採用傳統的測量方法既繁瑣和耗時。

Fig9:ATOS 3D掃描資料混流式水輪機轉子Fig10: 顯示一個單獨的渦輪機葉片的,整個轉子的掃描的資料的一部分

來自全3D轉子掃描資料惠及許多後續的處理,“製造基準Vs設計基準“的品質分析,尺寸檢查,基於現有模型生成的有限元分析和CFD分析,直接從掃描資料 製造一個重複更換轉子,創建用於測試目的的更小或更大的副本,並創建一個CAD或數字定義為各種其他應用程式。如果需要的話,轉子可以減少點的數量(圖 11)或合併部分區域。

Fig11:縮減模型資料大小Fig11: 用平行截面的方式顯示

電腦輔助檢測一個卡普蘭渦輪管的幾何尺寸

兩個卡普蘭管渦輪機在位於杜布拉瓦水力發電廠內,德拉瓦河生產的週期性振動,不利於他們的檢測操作。這些振動對發電機A1的影響格外嚴重,而發電機A2的 旋轉則順利得多。為了瞭解這種狀況發生的原因,並有可能,糾正這種狀況,我們對兩個輪機葉片的相同位置進行掃描,並進行評價(圖13)。為此,有必要確定 相鄰葉片的精確距離(角度位置),葉片的形狀公差和相對於渦輪機的轉子的中心線刀片的對準。運用GOM的ATOS 3D掃描儀TRITOP光學式三次元系統,詳細的對兩個轉子的葉片以不同的位置和旋轉角度進行掃描。

3D掃描的結果(圖14)與葉片形狀的詳細比較。

圖15顯示了四個葉片轉子的A1的前緣的截面。

特別明顯的是AA截面在葉輪樞紐處有相當的偏差。轉子的旋轉使得可以掃描在相同位置的所有葉片並確定在該軸上的葉片安裝的不平整。

Fig13: 為直徑5.4m 葉輪的三維掃描做準備Fig14: 利用ATOS和Tritop系統結合掃描出的渦輪葉片掃描資料

表1反應了發電機A1和A2的不同葉片角。發電機A1中的葉片3和4大大多於葉片1和2(負角)的閉合角度,而發電機A2中的葉片2和3比葉片1和4更封 閉。然而,該偏差是不能超過0.08°的。很明顯,發電機A1的葉片的最大入口角的偏差幾乎是發電機A2的最大角度偏差的三倍。

儘管渦輪流動管道內部測量條件十分困難,但位置測量的精確度仍然可以達到約。0.1毫米的(.004英寸)和角度0.01°的範圍。這些值都經過利用傳統的測量系統反復的比對,並通過多次執行選擇性的驗證得出的。

在此我們要感謝TOPOMATIKA的有趣工作和室內運動場以及HEP對於我們測量技術的信心,並願意長期良好的保持合作。

Fig15:沿著葉片的形狀在邊緣的區域的劃分Fig16: 所述第一表面的偏差和發電機A1的第四葉刀,導致在形狀差異和安裝時的誤差

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