一种混流式水轮机转轮叶片三维模型的逆向反求方法与流程

本发明涉及三维模型建立技术领域，尤其涉及一种混流式水轮机转轮叶片三维模型的逆向反求方法。

背景技术：

混流式水轮机的转轮是一种直接将水流能量转换为旋转体的机械能的装置，是混流式水轮机能量转换的关键部件，其中叶片是构成转轮的重要组成部分。一般而言，混流式水轮机转轮的叶片表面总是由两张曲面组合构成，一张是叶片的工作面，另外一张是叶片的背面。这两张曲面都是空间扭曲的自由曲面，形状非常复杂。在转轮的生产制造过程中，人们主要依据平面木模图对其进行加工及放样。由平面木模图得到叶片的型值点，依据由点连线、由线成面、由面构体的实体建模方法来创建混流式叶片的三维模型。这个过程称为混流式叶片的三维建模。研究人员通过建模得到的转轮的叶片的三维实体可以借助有限元计算软件展开转轮的强度计算；也可以借助数值模拟软件进行转轮流场的流体动力学数值计算分析。

而在实际的工程中，由于众所周知的原因，叶片叶形数据是混流式水轮机生产厂家的核心保密数据，大多数的混流式水轮机转轮三维模型数据因为涉及到技术秘密是难以从混流式水轮机原生产厂获得的。近年来随着测量技术和计算机技术的快速发展，以转轮实际产品为研究对象，可以使用逆向工程技术对水电站现有的混流式水轮机转轮叶片进行现场测绘、在电脑上建模、仿真计算、进而达到对叶片的性能进行优化的目的，这种技术手段逐渐成为现代混流式水轮机设计的主要手段之一。与叶片的正向设计方法不同，逆向工程技术是指借助三坐标测量机等接触式或激光扫描仪非接触式测量设备和测量方法将混流式水轮机转轮叶片的物理模型转化为测量的数据点，然后根据这些数据点建立叶片的三维模型，并在此基础上对已有叶片实物进行分析和再设计的过程。这种逆向工程技术随着我国水电市场的不断发展而得到广泛应用，这是因为混流式水轮机研究人员迫切需要缩短混流式水轮机叶片的研发周期，而水电站运行人员在混流式水轮机维修和故障诊断等方面也非常需要获得实物混流式水轮机转轮叶片的数字化模型，逆向工程技术正是解决以上诸多需求的有效技术手段，尤其是非接触式的激光扫描仪是目前广泛应用的逆向工程技术的常用工具。

一般常用的激光扫描仪，其参数为：激光波长660nm，景深300mm，扫描速度18000个测量/秒，扫描精度50μm。值得注意的是，通常的混流式水轮机转轮叶片的制造误差要求小于0.1mm，甚至有些水电站的的混流式水轮机转轮的制造误差要求更小。这无疑要求逆向工程技术测量系统的测量误差也要达到与制造误差一致的数量级才能建立高精度转轮三维模型，确保叶片的曲面形状和原厂的叶片曲面形状误差达到最小。研究人员只有应用逆向工程技术获得了高精度的混流式水轮机转轮叶片表面点云数据，才能在电脑里建立高精度的混流式水轮机转轮数字化三维模型。

但是在实际工程现场，应用非接触式的激光扫描仪对混流式水轮机转轮叶片进行扫描，获得整个叶片表面曲面形状的过程中，却常常难以获得令人满意的扫描精度。因为工程现场的混流式水轮机转轮叶片已经被焊接在上冠和下环的两块圆环型结构里面，如图1所示，两块叶片之间构成的流体通道是一块长条形状的扭曲的空间，转轮叶片之间流道的复杂曲面结构形成了对通视的限制，不可避免地出现测量盲区，转轮叶片出水区域的三维形状呈狭长扭曲型，是扫描仪不能扫描到的区域，高精度的激光扫描仪不能完全扫描到这样一个狭窄的扭曲空间。

以图1示出的常规混流式水轮机转轮为例，图中1-上冠，2-叶片，3-下环。该转轮直径是4.9m，这个直径的混流式水轮机转轮一般在水力发电行业用在中等规模水电站，有15个叶片，由2个叶片和上冠、下环围成的流道三维结构，，如图2所示，其进水区域呈矩形，约1.37m*0.9m(高*宽)，而出水区域呈狭长扭曲型，约2m*0.27m(高*宽)，针对这样的扭曲的三维异型空间，在实际的扫描过程中，扫描仪只能从混流式水轮机转轮进水开始扫描，大约扫到叶片长度的2/3处，接近叶片出水区域就不能进行下去了，也就是说，高精度的激光扫描仪面对这样的扭曲的三维异型空间只能获得部分表面点云数据。而对于直径小于4.9m的混流式水轮机转轮，其流道将更加变得狭窄，扫描仪更加无法在这个扭曲的流道对叶片表面实施直接扫描。

技术实现要素：

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种混流式水轮机转轮叶片三维模型的逆向反求方法。

为了实现上述目的，本公开提供一种混流式水轮机转轮叶片三维模型的逆向反求方法，应用三维扫描仪，包括以下内容：

s1，对混流式水轮机转轮叶片进水区域进行三维扫描，获得叶片自外向内的1/3-1/2长度的曲面数据；

s2，对混流式水轮机转轮叶片出水区域进行石膏浆制模，得石膏模具；

s3，对石膏模具进行三维扫描，获得叶片剩下的自内向外的1/2-2/3长度的曲面数据；

s4，将s1和s3所得的曲面数据拼接得完整的混流式水轮机转轮叶片三维模型。

可选地，叶片自外向内的1/3-1/2长度的曲面数据包括外侧区域扫描云点，叶片剩下的自内向外的1/2-2/3长度的曲面数据包括内侧区域扫描云点，通过寻找定位点，将两段扫描曲面进行拼接。

可选地，石膏模具的外层面附着一层分型剂，分型剂以木薯淀粉为原料配制。

可选地，木薯淀粉(湿法工艺生产)的颗粒度小于所用石膏的颗粒度。

本发明的有益效果在于：

本发明应用高精度的三维激光扫描仪在电站现场扫描混流式水轮机转轮叶片过程中，遇叶片出水区域狭窄扭曲的三维空间，采用以木薯淀粉为原料配制的分型剂制作混流式水轮机转轮出水区域的石膏模型，并将石膏模型扫描数据与直接扫描所得扫描数据进行拼接，得混流式水轮机转轮完整的三维模型，解决了扫描仪无法扫描到混流式水轮机转轮内狭窄空间的数据而无法获得转轮精确的三维模型的问题。

以木薯淀粉为原料配制的分型剂，既方便石膏模型的脱模，又对石膏模具表面进行修补，使石膏模具表面呈现自然的亚光效果，正好方便三维激光扫描仪的扫描，进而获得石膏模型的曲面高精度数据满足后续研究的要求。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1是本发明所述的混流式水轮机转轮轴剖面图；

图2是本发明所述的叶片流道的结构示意图。

附图标记说明：

1-上冠，2-叶片，3-下环，4-流道。

具体实施方式

以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。

本发明涉及的混流式水轮机转轮叶片2三维模型的逆向反求方法，根据混流式水轮机转轮的直径，形态及扫描精度要求，制定三维扫描仪测量系统的扫描路径，必须同时满足测量适宜性好，测量精度高，测量范围广等条件，才能保证获取转轮叶片2表面点云的精度，为混流式水轮机转轮叶片2的逆向建模打下基础。具体包括以下内容：

s1，对混流式水轮机转轮叶片2进水区域进行三维扫描，获得叶片2自外向内的1/3-1/2长度的曲面数据；

针对混流式水轮机转轮的流道4特点，三维扫描仪从转轮叶片2进水区域往转轮叶片2出水区域扫描过程中，所获得的叶片2表面点云的精度高，但是该扫描过程只能获得叶片2自外向内的1/3-1/2长度的曲面点云的数据，剩下1/2-2/3的狭窄流道4空间，扫描仪无法开展工作。

s2，对混流式水轮机转轮叶片2出水区域进行石膏浆制模，得石膏模具；

s3，对石膏模具进行三维扫描，获得叶片2自内向外的1/2-2/3长度的曲面数据；

s4，将s1和s3所得的曲面数据拼接得完整的混流式水轮机转轮叶片2三维模型。

可选地，叶片2自外向内的1/3-1/2长度的曲面数据包括外侧区域扫描云点，叶片2自内向外的1/2-2/3长度的曲面数据包括内侧区域扫描云点，通过寻找定位点，将两段扫描曲面进行拼接。

可选地，石膏模具的外层面附着一层分型剂，分型剂以木薯淀粉为原料配制。

可选地，木薯淀粉的颗粒度小于所用石膏的颗粒度。

本发明所用的石膏模具是利用普通石膏浆料灌注，凝结后制作的一种模具。由于普通石膏资源丰富，价格低廉，密度小，具有制模工艺简单，周期短，复模性好等优点，因而被人们广泛地应用于工业铸件，艺术品制模的模具制作中。

具体涉及一种分型剂，包括木薯淀粉、无水乙醇和水。

其中的木薯淀粉为湿法工艺生产，木薯淀粉的颗粒中位直径为10～15μm。

特别的是，木薯淀粉在分型剂制备中的应用。

日前我国石膏模型制作中，石膏模型脱模，即把石膏块从扭曲狭窄的叶道里分型取出来，有用钠皂水、药用钟皂、矿物油的，也有用桐油和石碳酸钾熬制液代用的。用上述材料作为做分型剂，模面易生污垢，影响激光扫描仪对模面的扫描精度；而有的新研制的分型剂采用了多种优质表面活性剂和高分子化合物配制，的确使得石膏模型表面的光洁度，光滑度得到了极大提高，但是面对工程中反求混流式水轮机转轮叶片2的实际需求，借助激光扫描仪对扭曲流道4的扫描方面还是不能达到满意的精度。这是因为：当激光扫描仪对一张曲面扫描过程中，对曲面的光洁度是有要求的，主要要求曲面表面是不能反光的，最好是呈现亚光的效果。因此在工程实际运用激光扫描仪扫描那些有着抛光了的金属表面的曲面时，常常要额外喷涂上一层白粉，以达到让曲面呈现亚光的效果。但是一旦要在曲面上喷涂一层白粉，意味着激光扫描仪对曲面的扫描精度就会下降，根据实际测量的数据显示，一般都有0.05～0.1mm的误差，因此市面上适合一般工业上制作石膏模具的工艺应用的分型剂不能满足借助三维扫描仪精确反求混流式水轮机转轮叶片2的应用，它们要么脱模后，曲面表面出现污垢，不利于三维扫描仪扫描，要么曲面表面光滑和光亮反光，还要进行再次喷涂白色粉末的后处理，进而降低了叶片2扫描的精度，达不到后续科研过程中对扫描精度的要求。

具体还涉及一种分型剂的制备方法，在20℃～25℃的温度条件下，木薯淀粉、无水乙醇和水以2g：1ml：1ml的比例混合成分型剂。

若制备时的温度条件高于25℃，将木薯淀粉、无水乙醇和水的混合比例提高至2g：1ml：1.2ml。

用木薯淀粉配制无水乙醇和水做分型剂的原理是：常用的食用木薯淀粉的颗粒尺寸是颗粒中位直径从10～15μm，这个颗粒中位直径远远小于传统普通石膏的颗粒中位直径。因为普通的没有经过任何处理的脱硫石膏，这种石膏造价低，价格便宜，适合大型混流式水轮机叶片2扫描中使用，颗粒主要集中在10～60μm。平均尺寸为26.834μm。木薯淀粉作为石膏浆和金属表面的分型剂不影响扫描精度，小颗粒的木薯淀粉在制作模具中渗入了大颗粒的石膏中，一方面填补了石膏表面的小孔洞，另外一方面也方便石膏模型的脱模。因为木薯淀粉与石膏是不同的两种物质，两者不融合，木薯淀粉混合了水制作成了木薯淀粉浆在与石膏的作用中，细化了石膏的表面，起到了“修补”普通石膏表面光滑度的作用；木薯淀粉还有一个显著作用，用木薯淀粉做为分型剂做出来的石膏模型表面非常符合三维激光扫描仪的工作要求，呈现亚光的效果，扫描仪可以直接扫描模型表面获得精确的曲面数据。木薯淀粉浆液里的无水乙醇有着散热，蒸发的作用。

具体还涉及一种混流式水轮机转轮叶片2石膏模具的制作方法，包括以下内容：

s1，于转轮叶片2表壁上涂抹上述的分型剂；

s2，调制石膏浆料；石膏的加水量应根据石膏粉类型，实样的大小和难易程度而定，可先在容器中装入适量的水，然后将石膏粉松散地撒入水中，使之充分吸水自然沉底，等所需石膏全部加入后，轻轻抖动容器并静止片刻，等石膏完全沉淀后，然后将石膏面上的多余水倒掉，沿同一方向将石膏浆调匀。

s3，对调制的石膏浆料进行除气；在调制石膏浆料时，必须注意顺着一个方向搅拌，尽可能避免过多卷入空气，拌匀石膏浆料后可轻轻抖动容器，并静止片刻，排出浆料中的气泡。

s4，灌浆；在调制石膏浆料前，须在转轮叶片2出水区域表面涂刷分型剂，并用橡皮泥，木板等材料做好分块围栏或模框，石膏粉经加水调好后，即可准备灌浆，灌浆时间：石膏从调浆到开始凝结约需5min，灌浆操作时间的掌握，需凭经验和视模具大小，表面复杂及精细程度而定，对于转轮叶片2出水区域的表面曲折复杂的模具，在调制的石膏浆料进入半糊状态时进行灌浆。

s5，起模；石膏模具的起模需掌握合适的时机和顺序，起模后往往需进行一些修整待石膏固化发热后便可起模，因为石膏水化凝结是放热反应，约20min～30min，温度升到最高，表明凝结完成，待温度下降后就可以起模。

在实施时，用排刷均匀涂抹分型剂在混流式水轮机叶道狭窄区域的内部表壁，然后灌注按传统工艺调制好的石膏浆，等石膏凝固后，可以方便取出石膏模具，这个时候的混流式水轮机叶道狭窄区域流道4表面效果将是光滑而不反光，表面细腻而无孔洞。三维扫描仪可以直接扫描由这块石膏拓印下来的混流式水轮机叶道狭窄区域的曲面，而且扫描的精度满足后续研究的要求。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。