[发明专利]一种混流式水轮机转轮叶片三维模型的逆向反求方法

说明书

本发明公开了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：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；对水轮机转轮叶片出水区域进行石膏浆制模，得石膏模具；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；将上述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。本发明应用扫描仪在扫描水轮机转轮叶片过程中，遇狭窄扭曲空间，采用以木薯淀粉为原料配制的分型剂制作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数据进行拼接，得水轮机转轮完整的三维模型，解决扫描仪无法扫描到水轮机转轮内狭窄空间数据的问题。

技术领域

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。