CN101929856B

CN101929856B - 一种测量热处理过程水轮机叶片翘曲变形的方法

Info

Publication number: CN101929856B
Application number: CN2010102458124A
Authority: CN
Inventors: 聂刚; 喻海良; 康进武; 龙海敏; 郝小坤; 黄天佑; 胡永沂
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2010-08-04
Filing date: 2010-08-04
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2030-08-04
Also published as: CN101929856A

Abstract

一种测量热处理过程水轮机叶片翘曲变形的方法，叶片入炉前，在叶片的根部区域中，选择三个点A、B、C点为入炉前标记点，建立任意的三维坐标系OXYZ，分别测量出点A、B、C的三维坐标，然后在叶片上选取其它点进行测量，所测位置至少覆盖叶片的出水边表面位置，以所测各点的数据建立叶片t₀时刻的表面形状；对叶片加热出炉后在炉外冷却过程中不同时间段叶片形状进行测量，获取各时间段叶片上各点的三维坐标，以所测各点的三维坐标数据建立叶片t_j时刻的表面形状；建立新的坐标系O′X′Y′Z′，将任意一点坐标转化成在新坐标系O′X′Y′Z′下的坐标；最后统一所有测量数据的坐标系统，建立叶片各个时间段的形状，对比分析各时间段叶片形状变化规律，从而获取叶片翘曲变形情况。

Description

一种测量热处理过程水轮机叶片翘曲变形的方法

技术领域

本发明属于大型水轮机制造技术领域，涉及热处理过程叶片翘曲变形控制，具体涉及一种测量热处理过程水轮机叶片翘曲变形的方法。

背景技术

随着社会对清洁能源需求的增加，发展水电是其中的一个重要方向。水轮机是水力发电的基本设备，而叶片是水轮机的重要组成部件，它的质量关系到发电的效率、功率与水轮机的运行寿命。在叶片生产过程中，热处理工艺极为关键，不仅决定叶片最终的组织分布，也决定机加工前的几何形状。在热处理中，由于叶片厚薄分布差别较大，温度冷却不均匀，导致叶片内部产生热应力和相变应力，在它们的综合作用下，叶片容易发生翘曲变形。如果叶片翘曲变形控制不好，其可能需要增加补焊或校形等额外工序，增加生产成本。因此，掌握叶片的翘曲变形规律，能够为叶片生产提供合理的科学依据，对企业具有重要的意义。然而，至今仍没有相关的技术用于测量水轮机叶片三维整体的翘曲变形行为。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种测量热处理过程水轮机叶片翘曲变形的方法，该方法可准确测量热处理过程叶片的翘曲变形情况，为水轮机叶片生产中的变形控制提供指导，实现叶片形状的精确控制，避免补焊、校形等补救工艺，减少机加工余量。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种测量热处理过程水轮机叶片翘曲变形的方法，包括以下步骤：

第一步，叶片入炉前，在叶片的根部区域1中，选择三个点A点、B点和C点为入炉前标记点；

第二步，建立任意的三维坐标系OXYZ，分别测量出A点、B点和C点的三维坐标

然后在叶片上选取其它点进行测量，所测位置至少覆盖叶片的出水边表面位置，所测坐标依次为

以所测各点的数据

(i＝1，2，3……N)，建立t₀时刻叶片的表面形状；

第三步，对叶片加热出炉后在炉外冷却过程中不同时间段叶片形状进行测量，获取风冷过程各时间段叶片上各点的三维坐标

以所测各点的三维坐标数据

建立叶片t_j时刻的表面形状；

第四步，建立新的坐标系O′X′Y′Z′，设定A点位于原点O′，以向量

的方向为X′轴的方向，向量

与向量

做叉乘得到向量

以该向量的方向作为Z′轴的方向，由已得到的X′轴与Z′轴，按照右手坐标系法则，建立直角坐标系O′X′Y′Z′；

第五步，将任意一点坐标

转化成在新坐标系O′X′Y′Z′下的坐标

第六步，统一所有测量数据的坐标系统，建立叶片各个时间段的形状，对比分析各时间段叶片形状变化规律，从而获取叶片翘曲变形情况。

所述第二步中对叶片其他位置进行测量，测量的点数N在100个以上。

所述第四步中获取风冷过程各时间段叶片上各点的三维坐标

所选取的时间段在3个以上。

所述测量三维坐标的方式为激光检测。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1)可通过多个点的测量实现面的测量，可在热处理过程中以一定时间间隔测量，从而准确反映整个叶片在热处理炉外冷却过程中的动态翘曲变形；还可通过比较叶片入炉前和出炉后的形状，得到叶片在热处理炉内的变形；

2)过程科学，非接触式，成本较低。

附图说明

图1为本发明叶片表面相对位置的三维测量。

图2为本发明叶片翘曲变形测量；其中：2为覆盖了叶片出水边表面位置的区域。

图3为本发明坐标转换示意图。

图4为本发明的效果示意图；其中：3为第一时间叶片测量结果；4为第二时间叶片测量结果。

具体实施方式

下面结合附图和公式详细说明本发明的实施方式。

一种测量热处理过程水轮机叶片翘曲变形的方法，其特征在于，包括以下步骤：

第二步，建立任意的三维坐标系OXYZ，分别测量出A点、B点和C点的三维坐标然后在叶片上选取其它点进行测量，所测位置至少覆盖叶片的出水边表面位置，所测坐标依次为以所测各点的数据

建立叶片t₀时刻的表面形状；

以所测各点的三维坐标数据

建立叶片t_j时刻的表面形状；

第四步，建立新的坐标系O′X′Y′Z′，设定A点位于原点O′，以向量的方向为X′轴的方向，向量

与向量

做叉乘得到向量

第五步，将任意一点坐标

转化成在新坐标系O′X′Y′Z′下的坐标

所述第二步中对叶片其他位置进行测量，测量的点数在100个以上。

所述第四步中获取风冷过程各时间段叶片上各点的三维坐标所选取的时间段在3个以上。

所述测量三维坐标的方式为激光检测。

其中所述第五步中将任意一点坐标

转化成在新坐标系O′X′Y′Z′下的坐标

其转换方法如下：

(\begin{matrix} {X^{'}}_{i, t_{j}} \\ {Y^{'}}_{i, t_{j}} \\ {Z^{'}}_{i, t_{j}} \end{matrix}) = (\begin{matrix} a_{11} & a_{12} & a_{13} \\ a_{21} & a_{22} & a_{23} \\ a_{31} & a_{32} & a_{33} \end{matrix}) (\begin{matrix} X_{i, t_{j}} - X_{1, t_{j}} \\ Y_{i, t_{j}} - Y_{1, t_{j}} \\ Z_{i, t_{j}} - Z_{1, t_{j}} \end{matrix})

其中

a_{11} = \frac{X_{2, t_{j}} - X_{1, t_{j}}}{l_{12, t_{j}}},

a_{12} = \frac{Y_{2, t_{j}} - Y_{1, t_{j}}}{l_{12, t_{j}}}

a_{13} = \frac{Z_{2, t_{j}} - Z_{1, t_{j}}}{l_{12, t_{j}}}

a₂₁＝a₃₂a₁₃-a₃₃a₁₂

a₂₂＝a₃₂a₁₃-a₃₃a₁₂

a₂₃＝a₃₂a₁₃-a₃₃a₁₂

a_{31} = \frac{(Y_{2, t_{j}} - Y_{1, t_{j}}) (Z_{3, t_{j}} - Z_{1, t_{j}}) - (Z_{2, t_{j}} - Z_{1, t_{j}}) (Y_{3, t_{j}} - Y_{1, t_{j}})}{w}

a_{32} = \frac{(Z_{2, t_{j}} - Z_{1, t_{j}}) (X_{3, t_{j}} - X_{1, t_{j}}) - (X_{2, t_{j}} - X_{1, t_{j}}) (Z_{3, t_{j}} - Z_{1, t_{j}})}{w}

a_{32} = \frac{(X_{2, t_{j}} - X_{1, t_{j}}) (Y_{3, t_{j}} - Y_{1, t_{j}}) - (Y_{2, t_{j}} - Y_{1, t_{j}}) (X_{3, t_{j}} - X_{1, t_{j}})}{w}

其中，

l_{12, t_{j}} = \sqrt{{(X_{2, t_{j}} - X_{1, t_{j}})}^{2} + {(Y_{2, t_{j}} - Y_{1, t_{j}})}^{2} + {(Z_{2, t_{j}} - Z_{1, t_{j}})}^{2}}

w = {(((Y_{2, t_{j}} - Y_{1, t_{j}}) (Z_{3, t_{j}} - Z_{1, t_{j}}) - (Z_{2, t_{j}} - Z_{1, t_{j}}) (Y_{3, t_{j}} - Y_{1, t_{j}}))}^{2}

+ {((Z_{2, t_{j}} - Z_{1, t_{j}}) (X_{3, t_{j}} - X_{1, t_{j}}) - (X_{2, t_{j}} - X_{1, t_{j}}) (Z_{3, t_{j}} - Z_{1, t_{j}}))}^{2}

+ {{((X_{2, t_{j}} - X_{1, t_{j}}) (Y_{3, t_{j}} - Y_{1, t_{j}}) - (Y_{2, t_{j}} - Y_{1, t_{j}}) (X_{3, t_{j}} - X_{1, t_{j}}))}^{2})}^{1 / 2}

本发明的主要原理是以某点为相对坐标原点建立三维坐标系，通过红外检测准确测量叶片表面各点的三维坐标(i＝1，2，……N；j＝0，1，2，……M)，其中i为特征点顺序号，为了保证测量精确度，N≥100，t_j为测量时间的标记，M≥3。在测量过程中，各点测量误差均±1mm。叶片表面相对位置三维测量如图1所示。

图2为本发明叶片翘曲变形测量，根部区域1在叶片的根部位置，叶片在该位置处相对厚大，翘曲变形非常小，为叶片不容易翘曲的区域，在根部区域1内选择三个点A、B、C作为入炉前标记点，用来统一坐标系，它们被测相对坐标分别为

然后，在叶片上选取其它点进行测量，获取其坐标

所取的点的数量至少为100个并保证包含叶片的出水边表面位置。以所测的各点的数据

建立叶片t_j时刻的表面形状。在此基础上，以

为空间坐标，对叶片形状进行转换，建立一个统一的坐标系统，如图3所示。

通过测量不同时间段叶片的形状，将它们进行比较，对比的实际效果如图4所示，可以明显地反映出在热处理过程中的翘曲变形行为。