CN103557774A - 核主泵叶轮翼型检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种核主泵叶轮翼型检测方法。将叶轮三维设计模型导入PolyWorks软件中，与便携式三坐标测量机测量仪的坐标系建立定位关系，使用便携式三坐标测量机测量仪采集叶片表面型线构成点坐标数据，PolyWorks软件采集型线构成点值与叶轮三维模型的对应点偏离值。采用本发明提出的检测方法计算叶轮进出口型线角度偏差，并同时计算得出相邻叶片间叶距角度偏差，如果计算得出角度偏差不大于设计允许公差量，即产品满足设计水力性能要求。该检测方法实用性强、精确度高、广泛适用于混流式、轴流式离心机械的翼型检测、验收、评定。

Description

核主泵叶轮翼型检测方法

技术领域：本发明涉及一种核主泵叶轮翼型检测方法。

背景方法：核主泵叶轮是核主泵保持稳定性运行的关键部件之一，直接关系到核主泵在电站中的安全可靠运行。如果过流部件表面质量有缺陷，叶片表面迎面阻力损失大，对主泵扬程有明显影响；叶片翼型进出口角以及骨线完全决定了主泵最主要流体特性，如果以上参数超差，将导致主泵抗汽蚀性能下降、泵轴振动过大、效率下降、机组能量损耗增大，缩短设备使用寿命。核主泵叶轮翼型检测方法将为主泵关键部件的国产化提供方法保障。

发明内容：

本发明的目的是提供一种准确检测产品翼型与理论翼型的核主泵叶轮翼型检测方法。本发明的方法方案为：一种核主泵叶轮翼型检测方法，其特征是：主要采用逆向工程通过点云分析（PolyWorks）与三维（3D）扫描设备相结合测量叶片型线方法，采用数据拟合重点判断叶片进口（10）、出口（11）角型线以及叶距角的偏离是否在设计公差允许范围:

1)启动逆向工程点云分析（PolyWorks）测量系统；

2)读入三维设计数值模型（CAD）定位到产品件坐标；

3)三坐标测量机(CMM)沿叶轮轴心为中心的柱面分布采集叶片压力面（7）、吸力面（8）测量型线数据坐标actual(x_i,y_i,z_i)(i=1,2,3,…n)，逆向工程点云分析（PolyWorks）将测量型线数据坐标actual(x_i,y_i,z_i)与三维设计数值模型（CAD）相对应理论型线数据坐标ideal(x_i,y_i,z_i)比对，分别生成压力面（7）空间坐标偏离值△_i与吸力面（8）空间坐标偏离值▽_i；

叶片骨线（9）点偏离值：

${\mathrm{point}}_i=\frac{{\mathrm{\Δ}}_i-{\▿}_i}{2}$

其中：

actual(x_i,y_i,z_i)产品件测量型线坐标值；

ideal(x_i,y_i,z_i)三维设计数值模型（CAD）理论型线坐标值；

point_i叶片骨线（9）点偏离值；

n采集坐标点数；

4)检查叶片表面质量，具体方法如下：

将数据坐标actual(x_i,y_i,z_i)生成CAD文件，获取叶片表面凹坑深度（x）与点与点之间的间距（u）的比值，压力面与吸力面波纹深度与间距（x:u）比值≤0.02，进口出边易空化区表面波纹深度与间距（x:u）比值≤0.01，空化区域以外出现的气孔直径不应超过2mm；其中，间距（u）不应小于50mm；深度（x）在间距（u）段的中三分之一量取；

5)叶片进口、出口型线偏离角计算；

型线进口偏移Δβ_进、出口偏移Δβ_出公差的基本尺寸定义约为叶轮外径的l=0.1D：

叶片进口型线偏离角通过测点1（point1）与测点2（point2）的差值计算：

arctan((point1–point2)/l₁)         （1）

叶片出口型线偏离角通过测点5（point5）与测点6（point6）的差值计算：

arctan((point5–point6)/l₂)         （2）

其中：

arctan表示反正切值；

l₁为骨线上进口测点1与测点2间距；

point1、point2分别表示测点1、2处骨线的偏离值；

l₂为骨线上出口测点5与测点6间距；

point5、point6分别表示测点5、6处骨线的偏离值；

进口边取点1与点2实测间距、出口边取点5与点6实测间距，由于进出口角偏离值通常很小，所以弧度表示时近似等于其正切值；

6)叶片叶距角

偏离计算公式；

采用骨线上点3（point3）计算：

其中：

α°骨线上测点3处叶片安放角；

r测点3到轴心距离；

point3测点3处骨线偏离值；

7)叶轮叶片型线设计偏移量选取；

叶轮进口叶片型线取进口连续至l=0.1D的±0.01l，

出口设计公差：±1%

叶轮出口叶片型线取出口连续至l=0.1D的±0.008l，

进口设计公差：±0.8%

叶距角设计公差：取±0.5%，

η叶距角设计公差百分数；

Z叶轮叶片总数；

例如：核主泵叶轮叶片数为5，则叶距角公差为360°/5×(±0.005)＝±0.36°。

8)部分叶片型线偏离检查；

经以上检测若有部分叶片型线偏离了要求的尺寸，则单个叶片设计允许公差修正如下：

$K=2-\frac{z_a}{z}$

K叶片设计公差修正参数；

Z叶片数；

z_a偏离要求的型线走向的叶片数；

例子：叶片5个，其中2片偏移且在可测量的范围内

核主泵型线进口公差取：±0.01l

$K=2-\frac{2}{5}=1.6$

因此，2片偏离叶片中每一个的公差范围均应为±1.6·0.01l。

本发明提出叶片进出口型线角度以及叶距角偏离的计算公式，部分叶片型线偏离要求尺寸的修正计算公式，适用于所有比转速下混流式、轴流式离心机械叶片型线检测。

本发明的有益效果是：

（1）叶轮是核主泵国产化关键部件之一，采用整体锻件五轴联动数控铣床加工，不存在焊缝。因此数控加工完成后产品是否满足设计要求至关重要，叶轮叶片的检测及验收国内还未提出一套严格标准及方法，本方法填补了国内主泵水力部件叶片检测空白。

（2）本发明提出了采用逆向工程通过点云分析（PolyWorks）与三维（3D）扫描设备相结合测量叶片型线方法。较传统的试板以及包络线检测叶片流道，本发明的测量方法考虑了设备的温度补偿和绑定对齐，不仅能准确有效地检测水力机械叶片型线的分布，而且方法简单，以最短的时间完成点测量，能在采集数据坐标后立刻算出型线均方根偏差。

（3）在叶片型线测量数据的统计处理和分析上，选取组成叶片翼型压力面偏离△_i与吸力面偏离▽_i相对应的6个测点，则叶片骨线测点偏离值：

${\mathrm{point}}_i=\frac{{\mathrm{\Δ}}_i-{\▿}_i}{2}$

其中：

△_i表示压力面偏离值；

▽_i表示吸力面偏离值；

point_i叶片骨线点偏离值（i=1,2,3,4,5,6）；

以1+△_i、-1-▽_i以及测点（point_i）为纵坐标，测点数为横坐标绘制压力面偏离、骨线偏离、吸力面偏离相同对于理论型线的偏离曲线，见图7，其中：

○系列（12）代表模型理想叶片压力面实际形状；

●系列（15）：给出叶片压力面产品与模型偏离；

□系列（13）代表模型理想叶片吸力面实际形状；

■系列（16）：给出叶片吸力面产品与模型偏离；

系列（15）、（16）反映了产品叶片相对于模型叶片的薄厚程度；

△系列（14）代表模型理想叶片骨线实际形状；

▲系列（17）：是拟合系列（15）、（16）后的理论线，称之为骨线；

图7中虚线（18）为骨线点数值拟合一次函数，反映了叶片总体形状；若模型（14）与产品实际骨线（18）间存在夹角，则叶片进出口角存在误差；若模型（14）与产品实际骨线（18）平行但存在间距，则叶片间叶距角存在误差。

（4）经评定部分叶片型线存在偏离，针对不同偏离叶片数量，本发明提出叶片型线设计允许公差修正值K，对单个叶片设计允许偏移量重新定义，通过在混流式水轮机、螺旋桨和大型轴流式水泵等不同类型的水力机械上进行试验研究，按照此方法评定，保证了水力机械的流量公差满足设计公差的±2.5%，创造性的改革了目前国内流体机械叶片流道检测与质量控制方式。

本发明工作原理：本发明的特点是基于轴流泵设计的基本理论圆柱层无关性假设，叶轮内复杂运动简化为圆柱面上运动，即圆柱层展开翼型上运动，泵的性能参数应与叶片的几何参数之间有确定关系。叶片表面型线质量x:u即叶片表面迎面阻力损失对主泵扬程以及汽蚀性能有较为显著影响；叶片进出口边为光滑的曲线或直线，叶片进出口角型线偏移量计算区域选取叶轮外径的l=0.1D，使用PolyWorks软件采集进出口压力面以及吸力面偏离，运用统计分析的理论，计算叶片进出口骨线偏离。

附图说明

图1是叶轮叶片检测流程图

图2是叶轮便携式三坐标测量机测量点布置图

图3是叶片表面质量检查尺寸图

图4是叶片型线偏移β进口角草图

图5是叶片叶距角偏移示意图

图6是叶轮翼型测点布置图

图7是叶片型线偏移曲线图

图8是设计允许偏差修正值K选取表

具体实施方式:

按图1所示的一种核主泵叶轮翼型检测方法，操作步骤如下：

1)启动逆向工程点云分析（PolyWorks）测量系统；

2)读入三维设计数值模型（CAD）定位到产品件坐标；

3)三坐标测量机(CMM)沿叶轮轴心为中心的柱面分布采集叶片压力面（7）、吸力面（8）测量型线数据坐标actual(x_i,y_i,z_i)(i=1,2,3,…n)，采集点见图2，逆向工程点云分析（PolyWorks）将测量型线数据坐标actual(x_i,y_i,z_i)与三维设计数值模型（CAD）相对应理论型线数据坐标ideal(x_i,y_i,z_i)比对，分别生成压力面（7）空间坐标偏离值△_i与吸力面（8）空间坐标偏离值▽_i；

叶片骨线（9）点偏离值：

${\mathrm{point}}_i=\frac{{\mathrm{\Δ}}_i-{\▿}_i}{2}$

其中：

actual(x_i,y_i,z_i)产品件测量型线坐标值；

ideal(x_i,y_i,z_i)三维设计数值模型（CAD）理论型线坐标值；

point_i叶片骨线（9）点偏离值；

n采集坐标点数；

4)检查叶片表面质量，具体方法如下：

将数据坐标actual(x_i,y_i,z_i)生成CAD文件，获取叶片表面凹坑深度（x）与点与点之间的间距（u）的比值，压力面与吸力面波纹深度与间距（x:u）比值≤0.02，进口出边易空化区表面波纹深度与间距（x:u）比值≤0.01，空化区域以外出现的气孔直径不应超过2mm；其中，间距（u）不应小于50mm；深度（x）在间距（u）段的中三分之一量取，深度（x）与间距（u）见图3所示；

5)叶片进口、出口型线偏离角计算；

型线进口偏移Δβ_进、出口偏移Δβ_出公差的基本尺寸定义约为叶轮外径的l=0.1D，见图4所示：

骨线点选取见图6，叶片进口型线偏离角通过测点1（point1）与测点2（point2）的差值计算：

arctan((point1–point2)/l₁)         （1）

叶片出口型线偏离角通过测点5（point6）与测点5（point6）的差值计算：

arctan((point5–point6)/l₂)         （2）

其中：

arctan表示反正切值；

l₁为骨线上进口测点1与测点2间距；

point1、point2分别表示测点1、2处骨线的偏离值；

l₂为骨线上出口测点5与测点6间距；

point5、point6分别表示测点5、6处骨线的偏离值；

进口边取点1与点2实测间距、出口边取点5与点6实测间距，由于进出口角偏离值通常很小，所以弧度表示时近似等于其正切值；

6)叶片叶距角偏离计算公式；

采用骨线上点3（point3）计算：

其中：

α°骨线上测点3处叶片安放角；

r测点3到轴心距离；

point3测点3处骨线偏离值；

7)叶轮叶片型线设计偏移量选取；

叶轮进口叶片型线取进口连续至l=0.1D的±0.01l，

出口设计公差：±1%

叶轮出口叶片型线取出口连续至l=0.1D的±0.008l，

进口设计公差：±0.8%

叶距角设计公差：取±0.5%，

η叶距角设计公差百分数；

z叶轮叶片总数；

例如：核主泵叶轮叶片数为5，则叶距角公差为360°/5×(±0.005)＝±0.36°。

8)部分叶片型线偏离检查；

经以上检测若有部分叶片型线偏离了要求的尺寸，则单个叶片设计允许公差修正如下：

$K=2-\frac{z_a}{z}$

K叶片设计公差修正参数；

z叶片数；

z_a偏离要求的型线走向的叶片数；

例子：叶片5个，其中2片偏移且在可测量的范围内

核主泵型线进口公差取：±0.01l

$K=2-\frac{2}{5}=1.6$

因此，2片偏离叶片中每一个的公差范围均应为±1.6·0.01l，K值选取见附图8。

本发明中判定叶片是否满足设计水力性能的方法，是基于主泵设计原理检验叶片表面质量以及进出口型线偏差不大于给定允许量。通过核主泵全流量试验的验证，主泵运行稳定，试验结果理想，流量、扬程均在设计公差范围内。

Claims (1)

1.一种核主泵叶轮翼型检测方法，其特征是：主要采用逆向工程通过点云分析（PolyWorks）与三维（3D）扫描设备相结合测量叶片型线方法，采用数据拟合重点判断叶片进口（10）、出口（11）角型线以及叶距角的偏离是否在设计公差允许范围:

1)启动逆向工程点云分析（PolyWorks）测量系统；

2)读入三维设计数值模型（CAD）定位到产品件坐标；

3)三坐标测量机(CMM)沿叶轮轴心为中心的柱面分布采集叶片压力面（7）、吸力面（8）测量型线数据坐标actual(x_i,y_i,z_i)(i=1,2,3,…n)，逆向工程点云分析（PolyWorks）将测量型线数据坐标actual(x_i,y_i,z_i)与三维设计数值模型（CAD）相对应理论型线数据坐标ideal(x_i,y_i,z_i)比对，分别生成压力面（7）空间坐标偏离值△_i与吸力面（8）空间坐标偏离值▽_i；

叶片骨线（9）点偏离值：

${\mathrm{point}}_i=\frac{{\mathrm{\Δ}}_i-{\▿}_i}{2}$

其中：

actual(x_i,y_i,z_i)产品件测量型线坐标值；

ideal(x_i,y_i,z_i)三维设计数值模型（CAD）理论型线坐标值；

point_i叶片骨线（9）点偏离值；

n采集坐标点数；

4)检查叶片表面质量，具体方法如下：

将数据坐标actual(x_i,y_i,z_i)生成CAD文件，获取叶片表面凹坑深度（x）与点与点之间的间距（u）的比值，压力面与吸力面波纹深度与间距（x:u）比值≤0.02，进口出边易空化区表面波纹深度与间距（x:u）比值≤0.01，空化区域以外出现的气孔直径不应超过2mm；其中，间距（u）不应小于50mm；深度（x）在间距（u）段的中三分之一量取；

5)叶片进口、出口型线偏离角计算；

型线进口偏移Δβ_进、出口偏移Δβ_出公差的基本尺寸定义约为叶轮外径的l=0.1D：

叶片进口型线偏离角通过测点1（point1）与测点2（point2）的差值计算：

arctan((point1–point2)/l₁)       （1）

叶片出口型线偏离角通过测点5（point5）与测点6（point6）的差值计算：

arctan((point5–point6)/l₂)       （2）

其中：

arctan表示反正切值；

l₁为骨线上进口测点1与测点2间距；

point1、point2分别表示测点1、2处骨线的偏离值；

l₂为骨线上出口测点5与测点6间距；

point5、point6分别表示测点5、6处骨线的偏离值；

进口边取点1与点2实测间距、出口边取点5与点6实测间距，由于进出口角偏离值通常很小，所以弧度表示时近似等于其正切值；

6)叶片叶距角

偏离计算公式；

采用骨线上点3（point3）计算：

其中：

α°骨线上测点3处叶片安放角；

r测点3到轴心距离；

point3测点3处骨线偏离值；

7)叶轮叶片型线设计偏移量选取；

叶轮进口叶片型线取进口连续至l=0.1D的±0.01l，

出口设计公差：±1%

叶轮出口叶片型线取出口连续至l=0.1D的±0.008l，

进口设计公差：±0.8%

叶距角设计公差：取±0.5%，

η叶距角设计公差百分数；

Z叶轮叶片总数；

例如：核主泵叶轮叶片数为5，则叶距角公差为360°/5×(±0.005)＝±0.36°。

8)部分叶片型线偏离检查；

经以上检测若有部分叶片型线偏离了要求的尺寸，则单个叶片设计允许公差修正如下：

$K=2-\frac{z_a}{z}$

K叶片设计公差修正参数；

Z叶片数；

z_a偏离要求的型线走向的叶片数；

例子：叶片5个，其中2片偏移且在可测量的范围内

核主泵型线进口公差取：±0.01l

$K=2-\frac{2}{5}=1.6$

因此，2片偏离叶片中每一个的公差范围均应为±1.6·0.01l。

本发明提出叶片进出口型线角度以及叶距角偏离的计算公式，部分叶片型线偏离要求尺寸的修正计算公式，适用于所有比转速下混流式、轴流式离心机械叶片型线检测。

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