基于逆向工程的混流式水輪機轉輪建模研究

李 航， 闞 思 蒙， 李 茂 杉， 宿 科

(華電金沙江上游水電開發有限公司拉哇分公司，四川 成都 610041)

0 引 言

隨著工業技術發展的需要，逆向工程技術被廣泛運用到各類工業產品的設計研發過程中。逆向工程技術具有有效縮短產品設計和開發周期，降低新產品開發成本的優點。對于水力發電工作者而言，面對由水輪機內部水流特殊流動所引起的振動、噪音[1]等故障時，因種種客觀原因，往往很難通過直觀流動現象進行故障診斷。針對這種情況，可以通過逆向工程技術獲得轉輪三維模型，進而通過流動數值模擬來進行故障診斷。多年來，眾多學者對逆向工程技術進行研究。袁平[2]以發動機氣道為基礎，探究了在逆向工程中結合正向設計重構氣道模型的新方法；張靜[3]分析探討了逆向工程在機械模具設計制造中的應用；龔壯輝等[4]研究了逆向工程技術在閘門底樞蘑菇頭磨損量測量方面的應用；周亞男[5]采用基于KD-Tree鄰域搜索算法的三維激光掃描點云數據濾波方法有效地提高了點云數據的濾波品質。盡管有大量學者針對逆向工程在各個方面的應用以及逆向工程技術新方法展開了大量研究，但目前尚在水輪機轉輪逆向工程方面的研究尚少。據此，基于專業逆向工程軟件Geomagic探討混流式水輪機轉輪逆向工程中的重點及難點。

1 基于Geomagic(逆向設計軟件)的混流式轉輪三維模型逆向

計算域水體模型是數值仿真的基礎，水體模型的精確性對模擬結果影響很大。本文以某電站所使用的進口水頭大變幅混流式轉輪為研究對象，通過三維激光掃描獲取其模型數據，然后通過數據處理獲得其三維實體模型。

1.1 數據采集

激光三維掃描儀光學元件的特性受環境因素影響較大，故到達新的測量環境時需要在現場對掃描儀進行重新校準。對轉輪進行幾何形狀及尺寸分析，因轉輪直徑約5 m，整體掃描工作量大，所以，僅對單流道進行掃描，然后再通過建模軟件對轉輪進行整體造型。轉輪高度約3 m，考慮到實際掃描的可操作性和數據的存儲，將轉輪單流道分為四個部分進行掃描，并將掃描數據分別存儲，再將四個部分進行拼接，掃描區域劃分圖見圖1。

圖1 掃描區域劃分圖

以等距布置的方式在轉輪單流道表面粘貼標簽點，粘貼完成后進行顯像劑噴涂，顯像劑能夠有效減少金屬表面反光，從而提高掃描質量。

使用激光探頭對標簽點進行識別，識別完成后使探頭與轉輪表面保持垂直，同時與表面保持約100 mm距離勻速移動進行掃描。

1.2 點云數據處理

混流式轉輪葉片作為壓力面與吸力面扭曲程度不同的空間扭曲葉片，形狀極其復雜，所以采用geomagic進行數據直接擬合處理。

1.2.1 噪聲點消除

噪聲點指的是測量結果中出現的偏離被測部件表面的壞點、錯誤點以及超差點。受測量環境、人為誤差、測量系統誤差、被測部件表面的漫反射率等因素影響，點云數據結果或多或少會出現噪聲點。噪聲點的存在將影響后續點云對齊進而嚴重影響模型重構的質量，所以需要對其進行消除。對空間中離點云數據主體較遠的噪聲點采用手動刪除，主體部分上的噪聲點采用減小噪音命令進行消除。

1.2.2 點云對齊與數據修補

由于本次掃描點云數量近300萬個，所以采用基于最近點迭代算法的直接對齊方式。這種方式精度高，適合處理密集點云。

掃描出來的點云表面會存在孔、洞等數據缺失現象，數據缺失會使曲面造型困難。在點云處理階段通過填充孔命令對缺失數據進行修復。

1.2.3 數據精簡及分塊

掃描結果中點云數量總計約300萬個，數據量巨大使處理效率較低，同時，并非所有數據都是建模所需，故需要對不必要的數據進行精簡。

通過非均勻網格化法對數據進行精簡，然后將點云進行分塊，即將同屬于一個曲面的點云分成若干小塊，首先將每一個小塊擬合成小曲面片，再通過橋接、過度、裁剪、圓角、合并等曲面編輯命令將所有小曲面拼接為一個整體。考慮到后續葉片的處理，所以拼接結果分為上冠面、壓力面、吸力面以及下環面四部分。分好塊之后通過封裝得到多邊形，再將多邊形轉化為曲面。最終得到單流道結果。

2 基于UG的混流式轉輪三維模型修復

作為專用的逆向工程后處理軟件，Geomagic具有強大的點云處理功能以及曲線擬合、檢查功能，但其線面編輯功能以及實體造型功能較弱，所以采用擁有靈活線面編輯功能以及成熟實體造型功能的正向設計軟件UG進行轉輪三維造型。逆向軟件與正向軟件的綜合使用是目前逆向工程界的主流思路。

2.1 葉片重塑

將geomagic處理的單流道保存為IGS片體格式并導入UG，然后將工作面按照俯視順時針方向旋轉(360/葉片數)構成一個完整葉片。單流道旋轉為單獨葉片結果見圖2。

圖2 單流道旋轉為單獨葉片結果圖

將下環面與上冠面切除，再通過曲面造型制作出單個葉片實體進行基準檢查。盡管之前的工作基本保證了葉片表面的光滑度，但如果基準不對將導致葉片安放角產生偏差，嚴重影響水輪機效率。將上冠型線以及葉片出口邊型線旋轉得到輔助面，通過移動、旋轉等命令調整葉片位置實現基準調整。

考慮到前期處理出來的葉片表面存在不光滑區域，需要對葉片進行重塑。在流道間繪制流線，以流線旋轉形成流面切割葉片，再通過藝術樣條對切割面進行重新擬合，可以得到光滑的葉片翼型型線，通過網格曲線命令將型線塑造出全新的吸力面及壓力面。同理，以等高線切割葉片并將翼型型線投影到同一平面便可制作出轉輪水力圖。

葉片表面塑造完成后，提取葉片與上冠、下環的相交線，并將其分別制作為片體，提取葉片出水倒圓面型線，再以葉片吸力面與壓力面的出水邊輪廓為引導線，通過掃描功能得到出口倒圓面，將上述5個片體縫合為實體便可得到重塑后的單個葉片。

2.2 水體建模

將轉輪軸面投影圖繞Z軸方向旋轉為實體，然后將葉片繞Z軸方向進行環形陣列得到11個葉片，再將二者作差得到轉輪水體域模型。將下環型線及上冠型線旋轉得到的實體與葉片求和再打上螺紋孔，便得到完整的轉輪結構模型。

3 逆向結果驗證

通過ANSYS數值模擬計算出蝸殼、固定導葉、活動導葉等設備的網格體數，結合CFD-Post進行外特性驗證，從而對逆向結果的準確性進行驗證分析。

3.1 前處理

利用ANSYS進行數值模以驗證逆向結果的可靠性。首先通過圖紙建立蝸殼、固定導葉、活動導葉、尾水管等過流部件水體模型。利用ANSYS ICEM進行計算域網格劃分，綜合考慮計算資源與模型大小，最終經網格無關性驗證后選定總網格數為6 998 426，其中蝸殼水體網格數1 048 465，固定導葉水體網格數895 465，活動導葉水體網格數995 173，轉輪水體網格數2 295 615，尾水管水體網格數1 763 708。

通過CFX進行水輪機常數值模擬，湍流模型選用RNG k-ε模型，計算域設置時將轉輪定義為旋轉域，轉速-150 r/min，其余過流部件設置為靜止域，參考壓力1 atm，輸送介質為25 ℃清水。動靜交界面采用Frozen Rotor格式，Specified Pitch Angles定為360°，殘差精度設為0.00001，計算步數設為3 000步。選取70 m、100 m水頭下共6個開度工況作為計算工況，進出口分別采用總壓進口以及靜壓出口。

3.2 外特性驗證

通過CFD-Post讀取質量流、扭矩等參數，計算得出水輪機外特性，并將模擬得出的外特性與運轉綜合曲線進行對比。通過ANSYS數值模擬計算出蝸殼、固定導葉、活動導葉等設備的網格體數，結合CFD-Post進行外特性驗證，從而對逆向結果的準確性進行驗證分析。

由ANSYS模擬結果可知，70 m、100 m水頭下水輪機模擬出力均高于實際運行情況，模擬效率均低于實際運行情況，且同一水頭下隨著開度增大，誤差也隨之增大。從總體來看，模擬誤差均在5%以內，證明模擬結果具有一定的真實性，證明通過逆向工程得到的轉輪模型是可靠的。

4 結 語

通過逆向工程與正向設計相結合的方式進行混流式轉輪的三維模型構建，并以模型構建中的一些關鍵技術點為基礎，通過計算機數值模擬驗證了混流式轉輪三維模型的可靠性。借助逆向工程技術獲取轉輪部件的實體及水體模型，能夠為水力發電機組的安全可靠運行等提供關鍵的水力模型資料。同時，通過逆向工程對混流式水輪機轉輪的三維模型模擬實驗，可以延伸到沖擊式水輪機轉輪和軸流式水輪機等轉輪的三維模型模擬中，為今后的多類型轉輪安全穩定運行分析提供參考依據。