水轮机过流部件整体形貌检测方法与流程

本发明涉及光学检测技术领域，具体涉及水轮机过流部件整体形貌检测方法。

背景技术：

水轮机转轮、导叶等过流部件是水轮机的关键零部件，其形貌直接影响水轮机性能，特别是运行后的水轮机，主要过流部件的形貌会遭到不同程度破坏，需要进行相应的检测、评估和修复。因此，有效、精准、定量整体检测每一个水轮机过流部件的形貌及其变化状况尤其重要。

迄今为止，水轮机过流部件的破坏状况基本上还只能凭目测观察、判断，即使根据GB/T10969《水轮机通流部件技术条件》规定，采用样板检测也只是局限于叶片头部和出水边等局部位置，且在实际操作中难于精确定位。国家标准GB/T15469.1-2008《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机空蚀评定》中“5.2.3，a”对水轮机的空蚀破坏的检测也仅规定为直接测量法：采用合适的临时填充物去填充被空蚀的区域，使之恢复到原始未被损坏的表面现状。如果被测量的区域是三维的，则需要采用样板或者其他合适的装置使之能够确定基准来进行测量。测量的不确定度不应超过±15%。由此可见，目前水轮机过流部件形貌破坏的检测、判断和评定是手段落后、操作困难、误差大，难于满足实际需要和技术进步的要求。

以过流部件中的转轮为例，在水轮机中，转轮是水轮发电机组的核心组件，苛刻运行环境造成叶片磨损、裂纹、凹坑等缺陷。由于叶片形状的改变会直接影响水轮发电机组的稳定运行，缺陷叶片的精密修复就成为水轮发电机组保障其高性能的关键因素。由于水轮机过流部件磨损和空化的随机性和不可预见性，在进行水轮机过流部件的维修时必须对其破坏状况进行全面的了解，掌握破坏的状况，提出修复方案。而在水轮机过流部件的修复过程中，如何获取水轮机过流部件的形貌，根据破坏后的形貌进行修复方案的制定是面临的技术难题。现有方法存在的问题：

（1）水轮机过流部件的形貌检测方法

对于水轮机过流部件的破坏状况，目前的检测方法主要为目测判断，即使采用样板检测，也仅仅限于叶片头部和出水边等局部位置，且在实际操作中难于精确定位。故，实际检测时误差较大。

对于空蚀破坏这一特殊状况，根据现有的水轮机空蚀评定标准，其检测结果允许在±15%误差范围内。因此，检测误差仍然较大。

（2）水轮机过流部件修复方法

在水轮机过流部件的修复过程中，目前采用的方法是维修人员根据经验对破坏后的过流部件进行堆焊、打磨，修复后的质量主要依靠目测判断或样板局部检查，没有准确的评价手段和评价模型。使修复后的水轮机过流部件的质量和原始模型间存在较大差距。其根本原因是没有对破坏后的水轮机过流部件进行全面检测，并根据检测的结果制定维修方案。

随着光学检测技术、计算机技术、软件技术的发展，对复杂曲面的检测手段、检测精度越来越高，对于水轮机过流部件这样的大型、复杂结构，如何对破坏后的水轮机过流部件进行检测，获取破坏后的水轮机过流部件的形貌是对水轮机过流部件高质量的修复亟待解决的技术难题。鉴于现状，需要提供一种新的水轮机过流部件整体形貌的检测方法，能够快速合理获取水轮机过流部件的缺损形貌以及对形貌缺陷的精确评价，同时对水轮机过流部件的缺陷模型的数字化及基于数字化技术对水轮机过流部件缺陷的定量、精确检测方法。

技术实现要素：

为了能够快速合理获取水轮机过流部件的缺损形貌以及对形貌缺陷的精确评价，同时对水轮机过流部件的缺陷模型的数字化及基于数字化技术对水轮机过流部件缺陷的定量、精确检测方法，本发明提供一种水轮机过流部件整体形貌检测方法。

本发明水轮机过流部件整体形貌检测方法是通过如下技术方案来实现的：

对水轮机过流部件的实际形貌进行光学检测，获得水轮机过流部件的点云数据；其中，

所述光学检测包括，采用检测设备对水轮机过流部件进行一次性整体检测，获得检测对象的点云数据；或者在水轮机过流部件上设置定位点，采用检测设备进行分次检测，获得检测对象的点云数据；

所述分次检测包括建立基准坐标系和以各个定位点构建局部坐标系，采用检测设备对各个局部坐标系区域的实际形貌进行光学检测，获得各个局部坐标系区域的点云数据，依据局部坐标系和基准坐标系的位置关系获得检测对象的点云数据。

进一步的，所述基准坐标系可以水轮机转轮与主轴连接止口圆柱面的中心线与法兰平面构建。

进一步的，所述在水轮机过流部件上设置定位点，包括：

（1）通过多次移动设备进行检测（蛙跳方式）时，在检测对象上，设置定位点；或者，

（2）利用照相系统拍照构建坐标系时，在检测对象上，设置定位点；或者，

（3）利用激光跟踪构建坐标系时，激光跟踪球即为定位点。

本发明产生的有益效果是：对过流部件的实际形貌进行光学检测，能精准、定量、快速获得水轮机过流部件形貌的点云数据，为水轮机过流部件的后续分析、处理提供基础数据。

附图说明

图1为本发明水轮机过流部件整体形貌检测方法转轮结构示意图；

图2为本发明水轮机过流部件整体形貌检测方法照相定位系统定位点布置示意图；

图3为本发明水轮机过流部件整体形貌检测方法定位球布置示意图；

图4为本发明水轮机过流部件整体形貌检测方法局部区域扫描的形貌点云示意图；

图5为本发明水轮机过流部件整体形貌检测方法水轮机转轮的扫描点云数据示意图；

图中：(1)圆柱面、(2)法兰平面、 (3)反光定位贴、(4)球型定位球。

具体实施方式

在本实施例中，以转轮为例，来说明水轮机过流部件整体形貌的检测方法，具体如下：

对水轮机转轮的实际形貌进行光学检测，获得水轮机转轮的点云数据；其中，

所述光学检测包括，采用检测设备对转轮进行一次性整体检测，获得转轮的点云数据；或者在转轮上设置定位点，采用检测设备进行分次检测，获得转轮的点云数据；

所述分次检测包括建立基准坐标系和以各个定位点构建局部坐标系，采用检测设备对各个局部坐标系区域的实际形貌进行光学检测，获得各个局部坐标系区域的点云数据，依据局部坐标系和基准坐标系的位置关系获得转轮的点云数据。

本发明在具体实施中，如图1所示水轮机转轮与主轴连接的止口圆柱面(1)和法兰平面(2)，在机组运行过程中，由于止口圆柱面(1)和法兰平面(2)不易被破坏，较好的保持原有制造形状。利用检测设备获得止口圆柱面(1)和法兰平面(2)的特征数据，计算止口圆柱面(1)之中心线，以止口圆柱面中心线与法兰平面(2)建立基准坐标系。

在本实施例中，采用在转轮上设置定位点的方式进行分次检测获得基于基准坐标系下检测对象的点云数据；本实施例采用照相系统与三维光学扫描系统相结合的方式进行扫描和定位，在需要进行扫描的转轮上，粘贴用于反光的定位点（3），见图2，利用照相系统（数码相机系统）对定位点进行照相，照相获得的定位点为进行扫描过程中扫描各个区域的定位点；

在另一实施例中，采用光学扫描设备，如关节臂光学检测设备对转轮进行分次检测，根据转轮的几何尺寸，布局球型定位球（4），见图3，通过多次移动设备利用接触式检测方法，检测定位球表面的特征点；

在另一实施例中，采用激光跟踪系统与三维光学扫描系统相结合的方式进行扫描和定位，在需要进行扫描的转轮上，采用手持式三维激光扫描仪进行扫描，激光跟踪球即为定位点；

对获得的定位点，利用右手定则构建各个局部扫描区域的定位坐标系；利用扫描设备对转轮进行三维扫描，获得所扫描局部区域的形貌点云图，见图4；

扫描完一个区域后，根据局部坐标系间的相对位置确定扫描设备的移动位置，通过移动扫描设备，完成整个转轮的扫描；为了提高点云数据拼接过程的快捷、方便，以及拼接后数据的完整性和准确性，在转轮的扫描过程中，每次扫描区域大于三个定位点所在的区域，并且三个定位点不在一个平面上，且每次扫描区域至少有一个定位点是重复的，对每一次转轮扫描出的点云，利用基准坐标系和局部坐标系的位置关系，进行点云的拼接，最后获得水轮机转轮的扫描点云数据，见图5。

通过这种方法，对过流部件中转轮的形貌检测，能精准、定量、快速检测转轮的形貌变化，直观地显示出形貌变化的具体量值大小、区域分布，无论是局部还是整体、都能获得精确检测结果，为转轮破坏状况的后续分析提供了基础数据。

应理解实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作任何各种改动和修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限制。