水轮机转轮的数字摄影测量逆向工程建模技术

李东明，许建农，张伟平，张 勇

（1.水利部水工金属结构质量检验测试中心，河南郑州450044；2.泉州市水利水电工程局，福建泉州362000；3.郑州辰维科技股份有限公司，河南郑州450012）

0 概述

水轮机转轮是水力发电设备能量转换的核心部件，无论是反击式的轴流式转轮、混流式转轮和冲击式转轮，都是通过转轮叶片将水流能量转换为机械能。水轮机转轮叶片的构造尺寸和线型决定和影响着其水力性能。现代大部分水电站是根据各自水力运行参数和工况设计其叶片的尺寸和线型，以获得最佳性能。

中国是一个水力资源丰富的国家，随着国家经济建设的发展和国际能源发展趋势的变化，水力发电作为洁净能源的开发利用越显重要。一批高水头、大容量的水电建设项目动工兴建，以长江、金沙江、雅砻江、澜沧江等大江大河流域为代表的水电开发方兴未艾。但在水轮机转轮的研究、设计和产品开发领域，基础工作还落后于工程建设发展的需求，尤其转轮设计、试验研究、叶型量测、叶形修复、结构优化分析等方面，与发达国家相比还有较大的差距，虽然近年来国内的企业引进、吸收了一些关键性的国外制造技术，但是制作后期的基础研究工作还比较薄弱。水轮机转轮的生产要经历模型试验、真机制造、真机验收等几个关键环节，投入运行后还要经历实际工况的考核，尤其是要经历运行过程中的空蚀、泥沙磨损，还要经受机组的振动和承载强度的考验。转轮在运行一定周期后，其形状、尺寸会产生变化，需要在大修期对转轮进行检验、维修。例如泥沙磨损、空蚀造成过流面的破坏，要对其进行修补；强度引起的叶片断裂、缺损等的补焊处理以及某些修型等，应按照原转轮设计参数进行，否则会影响到机组的发电效率和安全稳定运行。目前，转轮的维修和加固处理需要根据转轮叶片的设计木模图提供数据信息，推演叶片的原始设计型面，在受损后的型面上进行恢复性修复。由于设计数据和制造后的实际数据存在偏差，同时也无法得到受损后实际型面的数据，修复过程基本上是依靠经验或使用类比的方式，修复后的品质会受到影响。鉴于此，提出采用空间逆向工程的技术手段，建立水轮机转轮受损前后的三维实体数字模型，为转轮的维修、缺陷处理提供依据，同时还可应用于真机验收、流场分析、强度和振动数值计算等专业的研究。因此，作为水电站运行管理单位，应当重视转轮数据信息的管理，尤其是大容量机组的数据化档案，对机组的运行维护、故障分析、结构优化和一系列的后期基础研究具有重要的作用，也是提高科技化管理水平的重要体现。

1 空间逆向工程技术

所谓逆向工程技术，是指用一定的测量手段对实物或模型进行空间测量，根据测量数据通过三维几何建模方法重构实物CAD模型的过程。逆向工程技术与传统的正向设计存在很大差别。逆向工程是从产品原型出发，进而获取产品的三维数字模型，使得能够进一步利用CAD/ACE/CAM以及CIMS等先进技术对其进行处理。在工业领域的实际应用中，主要包括以下几个内容：

（1）新零件的设计，主要用于产品的改型或仿形设计；

（2）已有零件的复制，再现原产品的设计意图；

（3）损坏或磨损零件的还原；

（4）数字化模型的检测，例如检验产品的变形分析、焊接质量等，以及进行模型的比较。

逆向工程技术为快速设计和制造提供了很好的技术支持，它已经成为制造业重要而简洁的信息传递途径之一。在逆向工程技术设计时，需要从设计对象中提取三维空间数据信息。检测设备的发展为产品三维信息的获取提供了硬件条件。

逆向工程技术的检测设备有英国、意大利、德国、日本等国家生产的三坐标测量机和三维扫描仪。就测头结构原理来说，可分为接触式和非接触式两种，其中，接触式测头又可分为硬测头和软测头两种，接触式测头与被测物体直接接触，获取数据信息。非接触式测头则应用光学或激光原理实施策略。英国雷尼绍公司的CYCLON2高速扫描仪可实现激光测头和接触式扫描头的互换，激光测头的扫描精度达0.05 mm，接触式扫描测头精度可达0.02 mm。德国GOM公司的ATOS扫描仪在测量时，可随意绕被测物体移动，利用光带经数据影像处理器得到实物表面数据，扫描范围可达8 m×8 m。日本罗兰公司的PIX-30网点接触式扫描仪、英国泰勒·霍普森公司的TALYSCAN 150多传感扫描仪等，集中体现了检测设备的高速化、廉价化和功能复合化等特点，为实现从实物、数学模型、CAD/CAE/CAM一体化提供了良好的硬件条件。

近年来，我国测量界引进开发了数字摄影测量技术，数字摄影测量（Digital Photogrammetry）是基于数字影像和摄影测量的基本原理，应用计算机技术、数字影像处理、影像匹配、模式识别等多学科的理论与方法，提取所摄对象以数字方式表达的几何与物理信息的摄影测量学的分支学科。国外称之为软拷贝摄影测量（Softcopy Photogrammetry），我国称为全数字摄影测量（Full Digital Photogrammetry）。这种定义认为，在数字摄影测量过程中，不仅产品是数字的，而且中间数据的记录以及处理的原始资料均是数字的。数字摄影测量技术的代表性产品是美国GSI公司研制的工业数字近景摄影三坐标测量系统即V-STARS（Video-Simultaneous Triangu⁃lation and Resection System）系统。该系统主要具有三维测量精度高（相对精度可达1/20万）、测量速度快、自动化程度高和能在恶劣环境中工作（如热真空）等优点，是目前国际上最成熟的商业化工业数字摄影测量产品。

V-STARS是基于数字摄影的大尺寸三坐标测量系统，也称为工业摄影测量系统（Industrial Photo⁃grammetry System）、数字近景摄影测量系统、数字近景摄影视觉测量系统、数字摄影三维测量系统、三维光学图像测量系统（3D Industrial Measurement System）。采用高精度的专业相机，通过不同的位置和方向对同一物体进行拍摄，V-STARS软件会自动处理这些照片，通过图像匹配等处理及相关数学计算后得到待测点精确的三维坐标。V-STARS系统技术特点：

（1）高精度：单相机系统在10 m范围内测量精度可以达到0.05 mm；

（2）非接触测量：光学摄影的测量方式，无需接触工件；

（3）测量速度快：单相机几分钟即可完成大量点云测量；

（4）可以在不稳定的环境中测量（温度变化、振动等因素）；

（5）特别适合狭小空间的测量；

（6）数据率高，可以方便获取大量数据；

（7）适应性好：被测物尺寸从0.5～100 m均可用一套系统进行测量；

（8）便携性好：单相机系统1人即可携带到现场或外地开展测量工作。

不同的测量对象和测量目的决定了测量过程和测量方法的不同。

2 转轮数字摄影建模

水轮机转轮的叶片是一个非结构化的、空间扭曲的自由曲面，见图1、图2，叶片的型面是依据流体力学和水力学原理设计计算得到的，在制作环节中，采用木模图、样板靠线和数控切削的方式加工成形，通过焊接、修型、机加工等工序达到设计样型，水轮机转轮叶片通常被称之为雕塑曲面。采用逆向工程方法，将复杂的叶片空间曲面体以三维实体的图形，用数字化建模的方式直观地表示出来，在这个三维实体的数字化模型上，可以准确得到转轮相关的具体数据，例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、叶片进、出水边的安放角度、叶片结构刚度、强度和惯性力矩等等，数字化建模还具备和水力学模型、设计转轮的原型比较的功能，并且可以便捷地进行型面、结构尺寸的分析和优化。

利用V-STARS系统开展水轮机转轮的逆向数字建模技术开发和研究，将有利于水电工程运行管理和设备维护维修技术水平的提高。我国水电装机单机容量已经达到800 MW，处于世界级的领先水平，经济效益十分显著。对于大容量机组的维护和维修，应在技术整合方面采取更为先进、更为快捷的方法，达到更为精准的叶型，也同样具有挑战性。因此，关注水轮机转轮运行维护维修相关技术的开发，建立起系统的转轮数据库，可以从转轮模型、转轮原型、转轮维修的几个阶段通过数字建模的方式，很好地构联成整体技术，无论是转轮的模型和原型、转轮原型和运行后维修状态的转轮，都能够采取数值分析的方法进行比对、优化、参照和复原。这个系统性的技术方法，由于采用了V-STARS数字摄影测量系统，可以称之为“水轮机转轮的数字摄影测量逆向工程建模技术”。

图1 混流式水轮机转轮外观Fig.1 The external appearance of Francis turbine runner

图2 轴流式水轮机转轮外观Fig.2 The external appearance of Kaplan turbine runner

针对一个具体的水电工程，可以从工程设计初期跟踪水轮机选型和设计、模型试验的过程，把工作重点放在转轮原型测量上。通过数字摄影的手段，得到转轮原型的实测数据，采用空间三维造型软件，得到转轮数字模型，测量数据以电子文档的方式建档保存于工程管理单位和测试单位。工程建成投产后，在每个机组的检修期间，实施现场实地测量，并将测量后的数据与原型数据比对，归纳出转轮叶型和结构、流道的物理变化量，可以为转轮的结构强度、刚度分析以及水力学专业分析与研究提供参考依据。这项工作应保持连续，即利用机组运行后不同级别的检修阶段、有针对性地进行现场实地测量，并保证测量数据的完整性和一致性。进行多次测量后，可以采取数据后期处理的方法，总结出变化的趋势，依据标准和设计要求，得到安全性和可靠性的评价。具体流程如下：

（1）原型数字摄影测量→数据处理三维建模（逆向工程）→原型转轮数字建档储存；

（2）首次维修转轮数字摄影测量→数据处理三维建模（逆向工程）→维修转轮数字建档储存→开展分析、评价，提出维修措施；

（3）第二次维修转轮数字摄影测量→数据处理三维建模（逆向工程）→维修转轮数字建档储存→开展分析、评价，验证维修措施的合理性和可行性；

…

（n）多次维修转轮数字摄影测量→数据处理三维建模（逆向工程）→维修转轮数字建档储存→开展分析、评价→总结趋势，为维修、运行方案的优化提供数据支撑。

3 技术开发难度和前景

水轮机转轮的数字摄影测量逆向工程建模这项技术目前还没有实现商业化操作，人们对于这项技术的认识了解还比较薄弱。随着我国大容量机组建成后维护维修工作量开始加大，维修工期造成的运行效益损失会突显出来，逆向工程建模技术的推广、应用以及相关技术的研发，可以为转轮制定有针对性的维修方案，开展维修效果的数字比对，精化修复的吻合性和准确性，缩短机组维修工期，有效地节省成本，延长转轮寿命，减少维修次数，优化设计参数，改善运行条件，提高发电效率，增大经济效益，会起到十分重要的作用，这项技术也会得到越来越广泛的重视。

逆向工程建模技术存在两大难题，一是测量手段，二是数字建模方法。前者解决硬件问题，后者是解决软件问题。这两个技术难题解决后，就奠定了水电工程水轮机转轮安全运行和质量评价的新途径和新技术的基础性条件。我国测量专业院校已经开展了工程设备数字摄影测量专业的基础教学，一些测量机构和仪器代理商也相继开展了基础性工作。水利部水工金属结构质量检验测试中心（简称质检中心）引进的V-STARS已经在水工金属结构产品质量检测工作中发挥作用。郑州辰维科技股份有限公司（简称辰维科技）是V-STRAS系统的中国总代理，负责产品技术推广与销售服务，并在后期软件国产化应用方面做了许多工作，建立了自己的实验室。质检中心和辰维科技也是长期合作伙伴，在水电工程测量领域开展了专题研究项目和技术服务合作项目，取得了较好的成绩。随着水轮机转轮逆向工程建模技术的起步和推广，鉴于V-STARS技术对于水轮机转轮结构测量具有较强的适应性，这种合作方式会不断得到深化，并形成一个有效解决技术难题和扩大影响力的技术平台。

建立起水轮机转轮的数字摄影测量逆向工程建模技术数据库，不仅是水轮机转轮测量技术上的一个突破，也通过应用快速修复技术带来机组发电经济效益的提升。单机容量超过50 MW的机组维护维修的停机会带来电网供电系统的重大调度，同时也会给发电厂造成较大的利润流失。例如，单机容量50 MW额定发电量5万kW·h，以0.2元/kW·h上网电价计算，1 h发电收入1万元，一天达24万元，如果500 MW的机组，1 h发电收入10万元，一天达240万元。由此可见，采用逆向工程建模技术，利用数字建模分析，即时制定转轮维修预案，缩短转轮维修工期或减少维修次数，可以显著增加经济效益。

水轮机转轮逆向工程建模技术，还需要加大人力、物力的投入，并和相关学科的专业知识相融互达，例如和水力学、流体力学、水力学试验、流激振动、结构分析、测量理论等交汇，建立起多学科融会贯通的研究、分析方法，才能加快在水电工程中的应用、推广，技术研究以及应用的成果才具有更强的生命力和发展前景。