基于逆向工程的混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪建模研究

李 航， 闞 思 蒙， 李 茂 杉， 宿 科

(華電金沙江上游水電開發(fā)有限公司拉哇分公司，四川 成都 610041)

0 引 言

隨著工業(yè)技術(shù)發(fā)展的需要，逆向工程技術(shù)被廣泛運(yùn)用到各類工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計研發(fā)過程中。逆向工程技術(shù)具有有效縮短產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)周期，降低新產(chǎn)品開發(fā)成本的優(yōu)點(diǎn)。對于水力發(fā)電工作者而言，面對由水輪機(jī)內(nèi)部水流特殊流動所引起的振動、噪音[1]等故障時，因種種客觀原因，往往很難通過直觀流動現(xiàn)象進(jìn)行故障診斷。針對這種情況，可以通過逆向工程技術(shù)獲得轉(zhuǎn)輪三維模型，進(jìn)而通過流動數(shù)值模擬來進(jìn)行故障診斷。多年來，眾多學(xué)者對逆向工程技術(shù)進(jìn)行研究。袁平[2]以發(fā)動機(jī)氣道為基礎(chǔ)，探究了在逆向工程中結(jié)合正向設(shè)計重構(gòu)氣道模型的新方法；張靜[3]分析探討了逆向工程在機(jī)械模具設(shè)計制造中的應(yīng)用；龔壯輝等[4]研究了逆向工程技術(shù)在閘門底樞蘑菇頭磨損量測量方面的應(yīng)用；周亞男[5]采用基于KD-Tree鄰域搜索算法的三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波方法有效地提高了點(diǎn)云數(shù)據(jù)的濾波品質(zhì)。盡管有大量學(xué)者針對逆向工程在各個方面的應(yīng)用以及逆向工程技術(shù)新方法展開了大量研究，但目前尚在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪逆向工程方面的研究尚少。據(jù)此，基于專業(yè)逆向工程軟件Geomagic探討混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪逆向工程中的重點(diǎn)及難點(diǎn)。

1 基于Geomagic(逆向設(shè)計軟件)的混流式轉(zhuǎn)輪三維模型逆向

計算域水體模型是數(shù)值仿真的基礎(chǔ)，水體模型的精確性對模擬結(jié)果影響很大。本文以某電站所使用的進(jìn)口水頭大變幅混流式轉(zhuǎn)輪為研究對象，通過三維激光掃描獲取其模型數(shù)據(jù)，然后通過數(shù)據(jù)處理獲得其三維實體模型。

1.1 數(shù)據(jù)采集

激光三維掃描儀光學(xué)元件的特性受環(huán)境因素影響較大，故到達(dá)新的測量環(huán)境時需要在現(xiàn)場對掃描儀進(jìn)行重新校準(zhǔn)。對轉(zhuǎn)輪進(jìn)行幾何形狀及尺寸分析，因轉(zhuǎn)輪直徑約5 m，整體掃描工作量大，所以，僅對單流道進(jìn)行掃描，然后再通過建模軟件對轉(zhuǎn)輪進(jìn)行整體造型。轉(zhuǎn)輪高度約3 m，考慮到實際掃描的可操作性和數(shù)據(jù)的存儲，將轉(zhuǎn)輪單流道分為四個部分進(jìn)行掃描，并將掃描數(shù)據(jù)分別存儲，再將四個部分進(jìn)行拼接，掃描區(qū)域劃分圖見圖1。

圖1 掃描區(qū)域劃分圖

以等距布置的方式在轉(zhuǎn)輪單流道表面粘貼標(biāo)簽點(diǎn)，粘貼完成后進(jìn)行顯像劑噴涂，顯像劑能夠有效減少金屬表面反光，從而提高掃描質(zhì)量。

使用激光探頭對標(biāo)簽點(diǎn)進(jìn)行識別，識別完成后使探頭與轉(zhuǎn)輪表面保持垂直，同時與表面保持約100 mm距離勻速移動進(jìn)行掃描。

1.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

混流式轉(zhuǎn)輪葉片作為壓力面與吸力面扭曲程度不同的空間扭曲葉片，形狀極其復(fù)雜，所以采用geomagic進(jìn)行數(shù)據(jù)直接擬合處理。

1.2.1 噪聲點(diǎn)消除

噪聲點(diǎn)指的是測量結(jié)果中出現(xiàn)的偏離被測部件表面的壞點(diǎn)、錯誤點(diǎn)以及超差點(diǎn)。受測量環(huán)境、人為誤差、測量系統(tǒng)誤差、被測部件表面的漫反射率等因素影響，點(diǎn)云數(shù)據(jù)結(jié)果或多或少會出現(xiàn)噪聲點(diǎn)。噪聲點(diǎn)的存在將影響后續(xù)點(diǎn)云對齊進(jìn)而嚴(yán)重影響模型重構(gòu)的質(zhì)量，所以需要對其進(jìn)行消除。對空間中離點(diǎn)云數(shù)據(jù)主體較遠(yuǎn)的噪聲點(diǎn)采用手動刪除，主體部分上的噪聲點(diǎn)采用減小噪音命令進(jìn)行消除。

1.2.2 點(diǎn)云對齊與數(shù)據(jù)修補(bǔ)

由于本次掃描點(diǎn)云數(shù)量近300萬個，所以采用基于最近點(diǎn)迭代算法的直接對齊方式。這種方式精度高，適合處理密集點(diǎn)云。

掃描出來的點(diǎn)云表面會存在孔、洞等數(shù)據(jù)缺失現(xiàn)象，數(shù)據(jù)缺失會使曲面造型困難。在點(diǎn)云處理階段通過填充孔命令對缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行修復(fù)。

1.2.3 數(shù)據(jù)精簡及分塊

掃描結(jié)果中點(diǎn)云數(shù)量總計約300萬個，數(shù)據(jù)量巨大使處理效率較低，同時，并非所有數(shù)據(jù)都是建模所需，故需要對不必要的數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡。

通過非均勻網(wǎng)格化法對數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡，然后將點(diǎn)云進(jìn)行分塊，即將同屬于一個曲面的點(diǎn)云分成若干小塊，首先將每一個小塊擬合成小曲面片，再通過橋接、過度、裁剪、圓角、合并等曲面編輯命令將所有小曲面拼接為一個整體?？紤]到后續(xù)葉片的處理，所以拼接結(jié)果分為上冠面、壓力面、吸力面以及下環(huán)面四部分。分好塊之后通過封裝得到多邊形，再將多邊形轉(zhuǎn)化為曲面。最終得到單流道結(jié)果。

2 基于UG的混流式轉(zhuǎn)輪三維模型修復(fù)

作為專用的逆向工程后處理軟件，Geomagic具有強(qiáng)大的點(diǎn)云處理功能以及曲線擬合、檢查功能，但其線面編輯功能以及實體造型功能較弱，所以采用擁有靈活線面編輯功能以及成熟實體造型功能的正向設(shè)計軟件UG進(jìn)行轉(zhuǎn)輪三維造型。逆向軟件與正向軟件的綜合使用是目前逆向工程界的主流思路。

2.1 葉片重塑

將geomagic處理的單流道保存為IGS片體格式并導(dǎo)入UG，然后將工作面按照俯視順時針方向旋轉(zhuǎn)(360/葉片數(shù))構(gòu)成一個完整葉片。單流道旋轉(zhuǎn)為單獨(dú)葉片結(jié)果見圖2。

圖2 單流道旋轉(zhuǎn)為單獨(dú)葉片結(jié)果圖

將下環(huán)面與上冠面切除，再通過曲面造型制作出單個葉片實體進(jìn)行基準(zhǔn)檢查。盡管之前的工作基本保證了葉片表面的光滑度，但如果基準(zhǔn)不對將導(dǎo)致葉片安放角產(chǎn)生偏差，嚴(yán)重影響水輪機(jī)效率。將上冠型線以及葉片出口邊型線旋轉(zhuǎn)得到輔助面，通過移動、旋轉(zhuǎn)等命令調(diào)整葉片位置實現(xiàn)基準(zhǔn)調(diào)整。

考慮到前期處理出來的葉片表面存在不光滑區(qū)域，需要對葉片進(jìn)行重塑。在流道間繪制流線，以流線旋轉(zhuǎn)形成流面切割葉片，再通過藝術(shù)樣條對切割面進(jìn)行重新擬合，可以得到光滑的葉片翼型型線，通過網(wǎng)格曲線命令將型線塑造出全新的吸力面及壓力面。同理，以等高線切割葉片并將翼型型線投影到同一平面便可制作出轉(zhuǎn)輪水力圖。

葉片表面塑造完成后，提取葉片與上冠、下環(huán)的相交線，并將其分別制作為片體，提取葉片出水倒圓面型線，再以葉片吸力面與壓力面的出水邊輪廓為引導(dǎo)線，通過掃描功能得到出口倒圓面，將上述5個片體縫合為實體便可得到重塑后的單個葉片。

2.2 水體建模

將轉(zhuǎn)輪軸面投影圖繞Z軸方向旋轉(zhuǎn)為實體，然后將葉片繞Z軸方向進(jìn)行環(huán)形陣列得到11個葉片，再將二者作差得到轉(zhuǎn)輪水體域模型。將下環(huán)型線及上冠型線旋轉(zhuǎn)得到的實體與葉片求和再打上螺紋孔，便得到完整的轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)模型。

3 逆向結(jié)果驗證

通過ANSYS數(shù)值模擬計算出蝸殼、固定導(dǎo)葉、活動導(dǎo)葉等設(shè)備的網(wǎng)格體數(shù)，結(jié)合CFD-Post進(jìn)行外特性驗證，從而對逆向結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗證分析。

3.1 前處理

利用ANSYS進(jìn)行數(shù)值模以驗證逆向結(jié)果的可靠性。首先通過圖紙建立蝸殼、固定導(dǎo)葉、活動導(dǎo)葉、尾水管等過流部件水體模型。利用ANSYS ICEM進(jìn)行計算域網(wǎng)格劃分，綜合考慮計算資源與模型大小，最終經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗證后選定總網(wǎng)格數(shù)為6 998 426，其中蝸殼水體網(wǎng)格數(shù)1 048 465，固定導(dǎo)葉水體網(wǎng)格數(shù)895 465，活動導(dǎo)葉水體網(wǎng)格數(shù)995 173，轉(zhuǎn)輪水體網(wǎng)格數(shù)2 295 615，尾水管水體網(wǎng)格數(shù)1 763 708。

通過CFX進(jìn)行水輪機(jī)常數(shù)值模擬，湍流模型選用RNG k-ε模型，計算域設(shè)置時將轉(zhuǎn)輪定義為旋轉(zhuǎn)域，轉(zhuǎn)速-150 r/min，其余過流部件設(shè)置為靜止域，參考壓力1 atm，輸送介質(zhì)為25 ℃清水。動靜交界面采用Frozen Rotor格式，Specified Pitch Angles定為360°，殘差精度設(shè)為0.00001，計算步數(shù)設(shè)為3 000步。選取70 m、100 m水頭下共6個開度工況作為計算工況，進(jìn)出口分別采用總壓進(jìn)口以及靜壓出口。

3.2 外特性驗證

通過CFD-Post讀取質(zhì)量流、扭矩等參數(shù)，計算得出水輪機(jī)外特性，并將模擬得出的外特性與運(yùn)轉(zhuǎn)綜合曲線進(jìn)行對比。通過ANSYS數(shù)值模擬計算出蝸殼、固定導(dǎo)葉、活動導(dǎo)葉等設(shè)備的網(wǎng)格體數(shù)，結(jié)合CFD-Post進(jìn)行外特性驗證，從而對逆向結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗證分析。

由ANSYS模擬結(jié)果可知，70 m、100 m水頭下水輪機(jī)模擬出力均高于實際運(yùn)行情況，模擬效率均低于實際運(yùn)行情況，且同一水頭下隨著開度增大，誤差也隨之增大。從總體來看，模擬誤差均在5%以內(nèi)，證明模擬結(jié)果具有一定的真實性，證明通過逆向工程得到的轉(zhuǎn)輪模型是可靠的。

4 結(jié) 語

通過逆向工程與正向設(shè)計相結(jié)合的方式進(jìn)行混流式轉(zhuǎn)輪的三維模型構(gòu)建，并以模型構(gòu)建中的一些關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)為基礎(chǔ)，通過計算機(jī)數(shù)值模擬驗證了混流式轉(zhuǎn)輪三維模型的可靠性。借助逆向工程技術(shù)獲取轉(zhuǎn)輪部件的實體及水體模型，能夠為水力發(fā)電機(jī)組的安全可靠運(yùn)行等提供關(guān)鍵的水力模型資料。同時，通過逆向工程對混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的三維模型模擬實驗，可以延伸到?jīng)_擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪和軸流式水輪機(jī)等轉(zhuǎn)輪的三維模型模擬中，為今后的多類型轉(zhuǎn)輪安全穩(wěn)定運(yùn)行分析提供參考依據(jù)。