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混流式水轮机叶片建模与分析 2006 5 36 混流式水轮机叶片建模与分析 桂仲成 1 王胜华1 陈 强1 都 东1 孙振国1 陈 钢 2 邓 键2 唐 敏2 吴 涛2 1 清华大学机械工程系 先进成形制造教育部重点实验室 北京 100084 2 中国长江电力股份有限公司 湖北 宜昌 443002 摘 要 利用逆向工程方法建立了某电站混流式水轮机叶片的模型 并对其进行了分析 本文介绍了利用 逆向工程软件 Geomagic Studio 建模的方法和步骤 并据此建立了某电站混流式水轮机叶片的三维实体模型 比较结果表明 所建立的模型和实际叶片吻合较好 在此基础上 利用三维造型软件如 Rhino 等可以获得叶 片表面形貌和曲率等几何参数及惯性力矩等力学特性参数 这些参数可以作为对叶片进行分析 研究和维修 等工作的依据 关键词 混流式水轮机 叶片 逆向工程 建模 Geomagic 中图分类号 TK730 2 文献标识码 A 文章编号 1000 3983 2006 05 0036 05 Modeling and Analysis of a Francis Turbine Blade GUI Zhong cheng1 WANG Sheng hua1 CHEN Qiang1 DU Dong1 SUN Zhen guo1 CHEN Gang2 DENG Jian2 TANG Min2 WU Tao2 1 Department of Mechanical Engineering Key Laboratory for Advanced Manufacturingby Materials Processing Technology Ministry of Education Tsinghua University Beijing 100084 China 2 China Yangtze Power Co Ltd Yichang 443002 China Abstract The model of a Francis turbine blade has been created by making use of reverse engineering method The blade modeling procedures with reverse engineering software i e Geomagic Studio were presented in this paper Thereby the 3D model of a Francis turbine blade was yielded and the measurement results prove that the model tallies with actual blade successfully Through utilizing 3D modeling software to analyze the model some useful geometric or mechanical parameters can be obtained such as the shape and curvature of the blade moment of inertial and so on and these parameters could be the basis for the optimization study and maintenance of turbine blade Key words Francis turbine blade reverse engineering modeling Geomagic 1 引言 转轮是水轮机中完成水流能量转换的核心部件 混流式转轮则是由一定数量的叶片和具有回转特征的 上冠和下环组成 其中混流式转轮叶片是雕塑曲面体 形状非常复杂 1 目前 在水轮机叶片研究开发 制造及维修等方面 主要依据叶片木模图来实现 2 3 但是 叶片在使用过 程中会受到空蚀 磨损破坏 其形状和尺寸会发生变 化 需要定期进行维修 4 在维修前需要精确了解受 损后转轮的实际情况 并在此基础上对转轮进行维修 在维修后也须要尽可能使其和原设计参数吻合以保证 基金项目 清华大学博士生科研创新基金资助项目 2004 国家自然科学基金资助项目 50275083 高校博士点基金资 助项目 2002003053 水轮机的发电效率和安全稳定运行 但是 由于非叶 片设计厂家 如水电站等 没有叶片原始设计数据 无法仅根据木模图提供的信息推算叶片原始型面 且 设计数据和叶片制造后的实际数据也可能存在偏差 更无法获得叶片受损后的实际形貌 在修复时主要依 靠经验来进行 修复质量差 因此 本文提出利用逆 向工程方法 建立水轮机叶片在受损前后的三维实体 模型 该实体模型可为水轮机的维修等工作提供依据 也可用于流场计算 叶片强度和振动等问题的数值计 算等方面的分析和研究 5 2 混流式水轮机叶片的建模 混流式水轮机叶片表面是一个非结构化的 空间 扭曲的自由曲面 利用逆向工程方法 采用计算机自 由曲面重构技术 可以将复杂的水轮机叶片的雕塑曲 2006 5 大 电 机 技 术 37 面体以三维实体的形式直观地表述出来 通过这个三 维实体 可以获得水轮机叶片具体的数据 如叶片受 损前后的真实厚度 叶片重心 体积 表面积 曲率 和形貌等几何参数及叶片的结构刚度 强度和惯性力 矩等力学特性 本文采用逆向工程方法 利用逆向工 程软件Geomagic Studio建立了某电站混流式水轮机叶 片的模型 2 1 逆向工程方法 逆向工程 Reverse Engineering 是将已有实物模 型转化为工程设计的 CAD 模型 并在此基础上对已 有实物进行分析 改造 再设计的过程 逆向工程技 术是随着计算机技术的发展和成熟以及数据测量技术 的进步迅速发展起来的一门新兴学科与技术 它的出 现改变了原来CAD系统中从图纸到实物的设计模式 为产品的快速开发以及快速原型化设计提供了一条新 的途径 并已被广泛应用于航空 航天 造船 汽车 和模具等现代制造业的各个领域 逆向工程主要包括 数据测量 数据处理及曲面重构三大关键技术 6 7 数据测量是指通过特定的测量设备和测量方法 将物体的表面形状转换成离散的几何点坐标数据 在 此基础上 就可以进行复杂曲面的建模工作 高效 高精度地实现物体表面的数据采集是逆向工程实现的 基础 根据测量探头是否和物体表面接触 逆向工程 中物体表面三维数据的获取方法基本上可分为两大 类 即接触式和非接触式 在接触式测量方法中 三 坐标测量机 CMM 是应用最为广泛的一种测量方法 而在非接触式测量方法中 结构光法是被认为目前最 成熟的三维形状测量方法 由于存在测量误差等因素 使得测量所得数据常 常带有许多的杂点 噪声点 影响后续的曲面重构过 程 因此需要在曲面重构前 对数据点云进行必要的 处理 以获得满意的数据 为曲面重构过程做好准备 即点云数据处理 点云数据处理主要包括点云的拼合 点云过渡 数据精简和点云分块等 曲面重构是整个逆向工程中最关键 最复杂的一 环 曲面重构是利用物体表面的散乱点数据 通过插 值或拟合 构建一个近似模型来逼近产品原型 根据 曲面拓扑形式的不同 曲面建模手段分为两大类 第 一种是以三角 Bezier 曲面为基础的曲面构造方法 另 一种是以 NURBS 非均匀有理 B 样条 曲线 曲面 为基础的矩形域参数曲面拟合方法 三角 Bezier 曲面 拟合方法尽管具有构造灵活 适应性好等优点 但是 其存在对曲面修改能力不足 可控性差等缺点 且在 面片间连续性方面只能达到一阶连续 这限制了其在 实践中的应用 矩形域参数曲面拟合方法是目前研究 和应用最多的一种方法 矩形域参数曲面拟合方法的 曲面重构主要有两种方法 一是先将测量点拟合成曲 线 再通过曲面造型的方式将曲线构建曲面 曲面片 二是直接对测量数据拟合 生成曲面片 最终通过曲 面片的过渡 拼接和剪裁等曲面编辑操作 完成曲面 模型的构建 2 2 逆向工程软件 Geomagic 逆向工程在许多领域得到了广泛应用 并开发出 成熟的商业软件如Surfacer Geomagic Studio等 其中 Geomagic是美国Raindrop Geomagic 雨滴 软件公司 推出的逆向工程软件 该软件是目前市场上对点云处 理及三维曲面构建功能最强大的软件之一 该软件的 主要功能包括 1 自动将点云数据转换为多边形 2 快速减少多边形数目 3 将多边形转换为NURBS曲面 4 曲面分析 公差分析等 5 输 出 与 CAD CAM CAE 匹 配 的 文 件 格 式 IGS STL等 Raindrop Geomagic 的工作流程如图 1 所示 8 2 3 叶片三维实体建模 利用Geomagic软件 采用矩形域参数曲面拟合方 法进行叶片三维实体建模 主要有下列六个步骤 第一步 利用测量设备获得叶片曲面数据并进行 数据处理 数据点是依据叶片的表面特征和流向及建 模精度要求采集的 数据采集密度根据叶片表面曲面 变化的剧烈程度相应调整 即在曲率变化较大的地方 数据点就密一些 曲率变化小的地方数据点少一些 如图2所示 利用三坐标测量仪获得叶片表面 正面 反面及正反面过渡区 上述点的三维坐标值 测量精 度为0 1 mm 如表1所示 这些点在曲面建模中也称 控制点 是决定最后所建立的曲面形貌的关键点 结合叶片表面的实际情况 在本模型中叶片正 背面各采用了120个数据点 正背面过渡区采用20个数 据点 这些点构成了原始数据点云 如图3所示 数据 点中可能会存在一些明显错误 如不在叶片表面范围 内 的点 即坏点 在采用点云进行曲面重构时 第 一步是去掉这些坏点 第二步 点云的三角剖分 首先将这些点云按照 实际空间关系建立联系 即在实际相邻的两个点之间 连线 形成一系列三角形面片 这些三角形面片组合 成一个近似的曲面 这个面可以理解为实际叶片通过 三角形面片近似的叶片表面 如图4所示 连接的两个 混流式水轮机叶片建模与分析 2006 5 38 点要求在叶片表面上相邻 因此如果即使点1和点2的 距离很小 但点1在叶片正面 而点2在叶片反面的话 也不能称点1和点2相邻 在分别拟合出叶片正面和反 面后 需要将叶片正反面连接 缝合 起来 以形成 一个完整的叶片 如图5所示 第三步 点云曲面插值 由于叶片上的数据点较 少 因此要通过插值来近似获得叶片上非原始数据点 的坐标值 使得所建立的模型更接近实际叶片 如图6 所示 插值采用NURBS曲面 即认为插值点和该点周 围的控制点在同一个NURBS曲面上 插值过程可以令 控制点固定 也可以为了使曲面更光滑平缓 而使控 制点作少量的移动 本模型建立过程中 采用了两者 结合的方法 在初步插值时固定控制点 从而使模型 尽量保证接近实际叶片 而在进一步插值时 允许控 制点移动 以使叶片表面更光滑 图1 Raindrop Geomagic工作流程图 图 2 叶片表面数据点序列 表1 叶片表面点的坐标值 mm 点编号 x 值 y 值 z 值 001 3634 12 2386 60 209 80 002 3218 12 2368 71 56 83 003 2797 78 2288 65 90 89 258 3175 98 2076 83 4430 29 259 2874 13 2231 53 4644 77 260 2530 65 2390 97 4850 03 图 3 叶片的点云图 图 4 叶片正面的三角形剖分 坏点 数据点编号 a 叶片正面 b 叶片背面 2006 5 大 电 机 技 术 39 图 5 叶片正反面的连接 第四步 区域划分 经过第三步后 该模型实际 上仍然是一系列的数据点 点云 虽然这些数据点数 量比原来多了 相近的数据点属于一个 NURBS 曲面 但是这些点并没有形成真正的曲面来构成叶片 还需 要将这些点云按照一定规则构成一些曲面来组成一个 叶片模型 即曲面拟合 在曲面拟合之前应当先进行 区域划分 其目的就是使点云易于在拟合后保持原有 性质并具有内置的连续性 它对区域边界有以下要求 各区特征单一 区域内点云曲率没有大变化 区域之 间有公共的边界 区域的边界应呈近似四边形 以利 于矩形参数域的 NURBS 曲面拟合 9 叶片模型区域 划分后如图 7 所示 图6 插值后的叶片 图7 叶片模型的区域划分 第五步 曲面拟合 区域划分后 即可根据点云 数据拟合出曲面 如图 8 所示 第六步 采用规范数据格式输出 为了使叶片模 型在其他软件中能够使用 叶片模型应当采用规范的 数据格式存储 本模型采用 IGS 数据格式 2 4 模型和实际情况的比较 运用 Solidworks 的分析工具 得到所建立叶片模 型的表面积 体积 叶片厚度分布情况 如图 9 所示 另外 根据实际转轮体叶片的数量及装配关系 将叶 片与上冠和下环装配得到如图 10 所示的混流式水轮 机转轮体模型 叶片 转轮模型和实际叶片 转轮相 关数据的比较如表 2 表 3 所示 从表 2 表 3 图 10 可以看出 利用较少数据点所建立的模型和实际叶 片吻合情况较好 证明了利用 Geomagic 软件建模是 可行的 表 2 叶片模型和实际叶片相关数据的比较 最大厚度 m 最小厚度 m 表面积 m2 体积 m3 叶片模型 0 2557 0 0334 32 447 2 37 实际叶片 0 265 0 030 34 38 2 052 表 3 转轮模型和实际转轮相关数据的比较 出水边最小开口 mm 叶片节距 mm 转轮模型 385 1920 实际转轮 396 9 1828 a 俯视图 b 左视图 图 8 曲面拟合后的叶片模型 缝合区域 缝合区域 混流式水轮机叶片建模与分析 2006 5 40 3 叶片形貌及曲率分析 根据所建立的叶片三维模型 分别运用Rhino软件 及Solidworks软件对叶片进行了GUASS曲率分析 形 貌分析 和曲率半径分析 分析结果分别如表4和表5 所示 从上述分析可知 该混流式水轮机叶片表面是 复杂空间曲面 且曲率变化范围较大 通过分析可得 叶片的惯性力矩 由重心决定 分别为 22 2 20049 kg m 27155 kg m 44724 kg m xy z PP P 同时 也可获得其他力学参数如转动惯量 惯性 张量等 在实际水轮机叶片修复时 本文所分析的结 果可提供关键参数和参考依据 另外 如果需要的话 在获得足够的测量数据的情况下 利用本文所述方法 可以较方便地建立叶片受损后的实体模型 图9 叶片厚度分布情况 图10 转轮模型 表 4 GUASS 曲率分析结果 曲面类型 占叶片表面积比例 圆柱面和平面 80 马鞍状区域 15 碗状区域 5 表 5 曲率半径分析结果 曲率半径 占叶片表面积 比例 空间位置 小于1 0 m 5 叶片边缘 1 0 2 5 m