燃機高溫部件等關鍵產品的3D 檢測技術研究

楊亞梅

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000）

1 概述

燃氣輪機是國防、 交通、 能源、 環保等國計民生的核心裝備， 屬于市場前景巨大的高技術產業。 其發電機組以其安全、 高效、 節能、 環保等優點， 近年來發展非常迅速， 已成為21 世紀發電設備的主要發展方向之一， 也是我國21 世紀將研究開發的關鍵技術。 公司要完成50 MW 等級燃氣輪機樣機研制， 初溫1 200～1 400 ℃， 壓氣機17級， 壓比18， 效率超過35%。 初步建立燃機設計、 試驗、 材料以及制造體系。 50 MW 燃機葉片制造加工大致分為壓氣機葉片、 燃燒室高溫合金葉片和透平精加工葉片的制造， 而葉片加工制造的質量直接影響燃機安裝調試和產品質量， 其中，燃燒室高溫合金葉片的制造和檢測難度最大。 在此項目之前， 公司對上述葉片加工和檢測方法完全是一項空白， 沒有成熟的檢測經驗可以借鑒。

2 燃機高溫部件測量技術難點

50 MW 燃機燃燒室高溫葉片的特殊結構和設計要求決定了它的工藝制造過程與以前生產的葉片有很大不同： 首先采用精鑄方式加工出葉片毛坯， 同時保證葉片型面的精度滿足設計要求； 然后再對葉根和葉冠部分進行精加工。 高溫葉片的檢測難點為： （1）葉片的型面精度要求高， 而葉根葉冠部分的裝配基準還是毛坯狀態， 無法作為檢測基準； （2）燃機高溫葉片的第2～4 級靜葉均為聯體葉片， 檢測汽道型面會產生干涉， 檢測難度較大； （3）燃機高溫葉片的陶瓷型芯是易碎材料， 且是全曲面外形， 沒有定位基準面。

3 傳統量具及三坐標檢測手段的局限

鑒于燃機高溫部件測量的3 個技術難點， 常規的傳統綜合量具的設計和加工周期長、 成本高，也無法滿足高溫葉片的定位和檢測精度要求。

采用三坐標檢測也存在局限： 沒有合適的基準面作為三坐標的檢測基準， 測量的精度要求和穩定性都無法保證； 如果利用專用檢測工裝進行定位， 會對三坐標的測針產生干涉， 導致葉片型面檢測不完整； 而對于高溫葉片的陶瓷型芯插件，三坐標的接觸式測量無法實現檢測。

4 測量設備

對重型燃機透平葉片測量的現有方案進行調研， 并對測量設備生產廠家進行調訪， 分析論證，最終選擇某有限公司用關節臂設備。 使用設備簡介： 關節臂測量機型號： RA7525SI， 測量范圍2.5 m， 空間精度0.038 mm， 重復精度0.027 mm， 激光測頭掃描精度0.03 mm， 2.5 m 球形測量空間范圍內綜合激光掃描精度0.048 mm。 該設備與其他同類掃描檢測設備相比， 最大的優勢是檢測前不需要對被測工件進行噴涂防反光劑， 也不需要在被測工件上設置靶點。

5 燃機高溫部件的檢測試驗

5.1 高溫透平動葉檢測

針對燃機高溫動葉精鑄毛坯的檢測難點， 使用關節臂三維掃描測量儀檢測高溫透平動葉可以實現傳統綜合量具和三坐標檢測無法完成的檢測目標， 不僅可以分析高溫動葉的整個面輪廓度，也可以按將產品圖上要求的被測截面截取出來，單獨分析檢測截面的最大厚度， 弦長及位置度等一系列參數。

5.2 高溫透平靜葉檢測

由于第2～4 級燃機高溫透平靜葉特殊的聯體構造， 接觸式測量無法實現葉片完整型面輪廓的測量。 使用關節臂進行非接觸掃描不但可以完成對聯體葉片的汽道型面部分的檢測， 還可以對葉片的相關面及尾緣槽進行掃描， 報告見圖1～3。

圖1 燃機高溫2 級靜葉報告

圖2 燃機高溫靜葉相貫面報告

圖3 燃機高溫靜葉尾緣槽報告

5.3 50 MW 燃機陶瓷型芯檢測

50 MW 燃機陶瓷型芯的全曲面構造無法選取檢測基準面， 同時又是易碎材料制成， 三坐標的傳統接觸式測量根本無法實現檢測。 而使用關節臂則可以對陶瓷型芯（如圖4所示）實現全要素數據采集。 由于檢測試驗時理論模型未具備， 所以僅進行了數據采集工作， 后期經過軟件的數據處理、對齊和分析， 就可以給出相應的檢測報告。

圖4 燃機高溫葉片陶瓷型芯

6 長葉片的檢測試驗

為了充分發揮關節臂的測量優勢， 拓寬關節臂設備的適用范圍， 將關節臂應用于公司長葉片汽道型面變形的檢測分析。 如圖5 所示， 通過實測點云與理論數模的色差圖對比， 可以直觀反映出長葉片的變形趨勢、 偏差數值及葉片型面上的缺陷部位。 眾所周知， 三坐標檢測長葉片時只能按一定截面高度進行二維檢測， 無法反應兩檢測截面之間的汽道型面是否滿足要求， 關節臂的全型面掃描分析完全可以彌補這一不足。

圖5 72 英寸型面報告

7 在逆向工程中的應用

逆向工程師根據零件（或原型）生成圖樣， 再制造產品， 它是一種以先進產品設備的實物、 樣件、 軟件（包括圖樣、程序、技術文件等）或影像（圖像、 照片等） 作為研究對象， 應用現代設計方法學、 生產工程學、 材料學和有關專業知識進行系統分析和研究， 探索掌握其關鍵技術， 進而開發出同類更為先進的產品技術。 逆向工程是基于一個可以獲得的實物模型來構造出他的設計模型，是通過對重構模型特征參數的調整和修改來達到對實物模型的逼近。 因此， 獲得實物三維模型（也就是常說的測繪）是逆向工程中至關重要的一個環節。 關節臂的工作原理讓它能夠在產品測繪中充分發揮它方便快捷的優勢。 通過一個帶有圓柱、平面、 通孔、 曲面等幾何特征的零件來實現關節臂的測繪功能。 通過對該零件的掃描測繪， 小平面特征處理， 即可獲得它的外形特征點云的采集，再通過對小平面模型的建模化處理（如圖6 所示），可以在最終的模型上測量各個特征的幾何尺寸及相對位置關系， 后續的分析計算、 模型設計、 加工制造等工作在此基礎上就能順利開展。 不過，在實際的新產品逆向開發工作中， 應用關節臂測繪的都是外形結構特征復雜的零部件，因此對測繪點云的建模處理就是一個相當復雜的過程，尤其是對未知曲面的回歸計算以建立數學模型。

圖6 產品零件測繪模型化處理

8 結論

采用了新的檢測設備、 檢測手段和數據分析方式， 不僅可以完成對燃機、 軍品和關鍵產品的3D建模檢測， 并且可以使用該手段輔助完成諸如末三級大葉片的變形量分析檢測， 解決了傳統綜合量具和三坐標測量機無法解決的檢測難題。 在之后的工作中， 除了對于該類產品繼續進行檢測，總結出一套適合公司測繪、 3D 建模檢測技術規范以外， 甚至可以進一步推廣到逆向工程等領域，繼續擴展該測量設備的使用范圍。