CN110966969B - 一种燃气轮机涡轮静叶片关键结构检测装置和处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于燃气轮机技术领域，涉及一种燃气轮机涡轮静叶片关键结构检测装置和处理方法，本发明通过桥式三坐标仪测得待测叶片的完整叶身点云坐标，采用基于n阶贝塞尔曲线的叶型拟合方法获得叶身型线，经三维造型获得多联叶身的三维结构，解决了传统测量装置测量过程中存在测量死角，且需多次装夹的缺点，且本发明中的处理方法解决了传统处理方法无法还原叶片设计意图的缺陷，适用于所有大型燃气轮机涡轮多联静叶片的检验。

Description

一种燃气轮机涡轮静叶片关键结构检测装置和处理方法

技术领域

本发明属于燃气轮机技术领域，涉及一种燃气轮机涡轮静叶片关键结构检测装置和处理方法，在此基础上可以获得涡轮叶片三维模型，为成品叶片检验提供依据。

背景技术

燃气轮机涡轮多联静叶片一般需要通过铸造、机加、各类热处理等工序，其最终成品叶片的精度水平直接影响了叶片的强度振动寿命和整机的性能，因此需要通过检验最终成品叶片来确定其尺寸精度是否满足图纸设计要求。

多联涡轮叶片结构复杂，特别是叶身呈自由空间扭曲状。由于测量条件和检测装置的限制，涡轮叶片在检测过程中会存在测量死角，需要对叶片进行多次装夹，并从不同角度多次扫描，才能获得完整点云，且传统的测量装置一般不适用于所有涡轮多联静叶片的检测。同时，由于点云是多次扫描获得，需要在模型后处理中对点云进行拼接，会人为引入数据处理的误差。而且传统后处理方法是直接对所采集的点云进行曲面片拟合，形成曲面片后，再经过过渡、相交和裁剪等后处理方法形成最终的重构模型，但是该方法只是满足于一定光顺性和精度性要求的几何模型重构，无法还原叶片的设计意图。

因此，需要设计出通用的燃气轮机涡轮多联静叶片关键结构检测装置和处理方法，可实现快速装夹，且一次可完成叶身的完全检测，不需要后续点云拼接。同时，模型处理方法需要还原叶片设计意图，保证模型处理的质量和精度。

中国专利文献CN104316016A公布了一种整体叶盘复杂曲面叶片的纵向测量方法，该方法根据叶型理论截面轮廓数据构件复杂曲面CAD三维模型，然后在叶片特定位置提取纵向检测线，采用三坐标测量机按照纵向检测方式检测叶片实物，并进一步对采样点进行数据处理，将处理后的采样数据导入CAD三维模型对比，该方法测量路径规划简单，可真实反映叶身型面，但该方法无法还原叶身的设计意图，且所重建的模型精确度较低，曲面平滑度较差。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种燃气轮机涡轮静叶片关键结构检测装置和处理方法，该检测装置通过桥式三坐标仪测得待测叶片的完整叶身点云坐标，采用基于n阶贝塞尔曲线的叶型拟合方法获得叶身型线，经三维造型获得多联叶身的三维结构，本发明解决解决了现有技术方法无法还原叶片设计意图的缺陷，且重建的叶身三维模型精确度高，曲面平滑，适用于所有大型燃气轮机涡轮多联静叶片的检验。

本发明所公开的具体的技术方案如下：一种燃气轮机涡轮静叶片关键结构处理方法，其步骤包括：使用测量仪器沿单个叶身截面周向和径向打点，沿叶身径向均匀选取多个截面，沿所述截面的周向打点若干，测得点云坐标；基于单个叶身的测量方法完成多联叶身点云坐标测量；对测量的叶身点云坐标进行叶身点云坐标数据后处理，获得多联叶身型线；将获得的多联叶身型线输入计算机三维软件，数据处理后，依照型线进行放样；获得多联叶身的三维结构。

优选的，所述叶身点云坐标数据后处理步骤包括：

S01.剔除测量叶身型线点云坐标中的噪点；

S02.根据点云坐标拟合叶型前缘节圆半径R_T和尾缘节圆半径R_L；

S03.确定内弧的端点为(X_P0,Y_P0)、(X_Pn,Y_Pn)，背弧端点为(X_S0,Y_S0)、(X_Sn,Y_Sn)；

S04.对内弧进行叶型拟合，随机给出初始n阶贝塞尔曲线：

其中P₀坐标为(X_P0,Y_P0)，P_n坐标为(X_Pn,Y_Pn)，P₁，……，P_n-1坐标为随机给出的(X_P1,Y_P1)，……，(X_Pn-1,Y_Pn-1)，且n>3；

S05.在随机初始化的n阶贝塞尔曲线中代入相应内弧的点云坐标x₁至x_n获得y₁′至y_n′，

为损失函数；

S06.使用梯度下降算法，当所述损失函数的曲线切线斜率趋近于0时，获得拟合好的n阶贝塞尔曲线，完成叶型内弧的参数拟合；

S07.对背弧进行叶型拟合，随机给出初始n阶贝塞尔曲线：

其中P₀坐标为(X_S0,Y_S0)，P_n坐标为(X_Sn,Y_Sn)，P₁、……、P_n-1坐标分别为随机给出的(X_S1,Y_S1)、……、(X_Sn-1,Y_Sn-1)，且n>3；

S08.在随机初始化的n阶贝塞尔曲线中代入相应背弧的点云坐标x₁至x_n获得y₁′至y_n′，

为损失函数；

S09.使用梯度下降算法，当所述损失函数的曲线切线斜率趋近于0时，获得拟合好的n阶贝塞尔曲线，完成叶型背弧的参数拟合；

S10.重复步骤S01～S09,获得其余截面的叶身型线；

S11.重复步骤S01～S10，获得多联叶身型线。

基于上述处理方法，本发明还提供了一种利用上述处理方法进行检测的燃气轮机涡轮静叶片关键结构检测装置，该装置包括桥式三坐标仪、固定底板、若干个滑块、丝杆和顶丝，所述固定底板固定在所述桥式三坐标仪的台面；所述滑块均分为两组，相对可拆卸固定在所述固定底板上，每组滑块通过所述丝杆串联固定，其一组滑块设置有所述顶丝，相对另一组滑块设置有径向限位台。

进一步的，所述固定底板的上表面设有若干燕尾槽，相邻燕尾槽之间的间距相等，根据待测叶片的宽度，可使用不同距离的燕尾槽进行配合，固定叶片。

进一步的，所述滑块的顶部高度不一，底部为燕尾型结构，所述燕尾型结构在所述燕尾槽中滑动配合，根据叶片形状可挑选不同数量和不同高度的滑块，安装在燕尾槽中，以保证叶片夹持稳定。

进一步的，所述丝杆上套有若干螺母，所述滑块的前后两侧分别设置有至少一个螺母，所述螺母将滑块固定在所述丝杆的特定位置，通过调整螺母与丝杆的相对位置，可间接调整相邻滑块的间距，以满足不同型号叶片的固定要求。

进一步的，由于滑块滑动装入所述固定底板的燕尾槽中，为防止滑块安装后，在固定底板上产生位移，因此所述滑块的左右两侧设有螺栓，通过所述螺栓将所述滑块固定在所述固定底板上。

本发明具有的有益效果为：

1.本发明的检测装置和方法适用于所有大型燃气轮机涡轮多联静叶片的检验。

2.本发明的叶片检测装置可保证涡轮多联静叶片稳定夹持，一次装夹便可完成所有叶身结构的检测，测量过程中无测量死角。

3.本发明的处理方法可还原叶片设计意图，精确还原叶片的整体结构，保证模型处理的质量和精度，模型效果更为平滑，检测结果更精确。

附图说明

图1是本发明中一种燃气轮机涡轮静叶片关键结构检测装置的结构图；

图2是本发明实施例中某截面上叶身内弧和背弧的起始端点坐标；

图3是本发明实施例中某截面上叶身内弧和背弧的终止端点坐标；

图4是本发明实施例中某截面上叶身内弧的拟合3阶贝塞尔曲线图

附图中附图标记的具体含义：

1桥式三坐标仪、2滑块、3丝杆、4固定底板、5顶丝。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：以某三联涡轮静叶片检验为例

结合图1-4所示，本发明所公开实施例的技术方案如下：该检测装置包括桥式三坐标仪1、固定底板4、若干个滑块2、丝杆3和顶丝5，固定底板4通过螺栓与桥式三坐标仪1台面相固定。将8个滑块2分为两组，每组相对设置并分别滑入固定底板4燕尾槽内，并使用螺栓固定，同时每组滑块2之间通过丝杆3串联，丝杆3上共8个螺母，每个滑块两侧均套有一个螺母，所述螺母与丝杆3配合将滑块2分别拉紧及限位。将涡轮静叶片放置于8个滑块上，其中一组滑块2上用顶丝5将叶片顶住，与之对应的另一组滑块2上设有径向限位台，限制叶片位移，两者配合保证叶片稳定夹持。

所述固定底板4的上表面设有四列燕尾槽，优选燕尾槽长度范围为300mm～500mm，相邻燕尾槽之间的间距相等。8个滑块2的顶部高度不一，底部均为燕尾型结构，所述燕尾型结构在所述燕尾槽中滑动配合。

通过桥式三坐标仪的测杆对叶身进行检测：沿单个叶身径向均布的选取7～9个截面，沿所选截面的叶身周向均匀打点，打点数量优选为250个；完成其余两个叶身的点云坐标检测。

剔除叶身型线中的噪点；根据某一截面的点云坐标拟合叶型前、尾缘节圆半径R_T、R_L，确定同一截面上内弧的端点为(X_P0,Y_P0)、(X_P3,Y_P3)，背弧端点为(X_S0,Y_S0)、(X_S5,Y_S5)。

对同一截面上内弧进行叶型拟合，随机给出初始3阶贝塞尔曲线：

B(t)＝P₀(1-t)³+3P₁t(1-t)²+3P₂t²(1-t)+P₃t³(t∈[0,1])，

其中P₀坐标为(X_P0,Y_P0)，P₃坐标为(X_P3,Y_P3)，P₁和P₂坐标为同一截面上内弧点云坐标随机给出的(X_P1,Y_P1)和(X_P3,Y_P3)。

在随机初始化的3阶贝塞尔曲线中代入同一截面上相应内弧的点云坐标x₁至x_n获得y'₁至y′_n，

为损失函数。

使用梯度下降算法，当所述损失函数的曲线切线斜率趋近于0时，获得拟合好的3阶贝塞尔曲线，完成该截面上叶型内弧的参数拟合。

对同一截面上背弧进行叶型拟合，随机给出初始5阶贝塞尔曲线：

B(t)＝P₀(1-t)⁵+5P₁t(1-t)⁴+10P₂t²(1-t)³+10P₃t³(1-t)²+5P₄t⁴(1-t)+P₅t⁵(t∈[0,1])，

其中P₀坐标为(X_S0,Y_S0)，P₅坐标为(X_S5,Y_S5)，P₁、……、P₄坐标分别为同一截面上背弧点云坐标随机给出的(X_S1,Y_S1)、……、(X_S4,Y_S4)。

在随机初始化的5阶贝塞尔曲线中代入同一截面上相应背弧的点云坐标x₁至x_n获得y'₁至y′_n，

为损失函数。

使用梯度下降算法，当所述损失函数的曲线切线斜率趋近于0时，获得拟合好的5阶贝塞尔曲线，完成该截面上叶型背弧的参数拟合。

重复上述截面内弧和背弧的拟合方法，获得其余截面的叶身型线。

重复上述单个叶片的叶身型线拟合方法，获得3联静叶片的叶身型线。

将获得的3联静叶片的叶身型线输入计算机三维软件，数据处理后，依照型线进行放样，获得该3联静叶片的三维模型。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种燃气轮机涡轮静叶片关键结构处理方法，利用该方法对燃气轮机涡轮静叶片关键结构检测装置进行检测，该装置包括桥式三坐标仪、固定底板、若干个滑块、丝杆和顶丝，所述固定底板固定在所述桥式三坐标仪的台面；所述滑块均分为两组，相对可拆卸固定在所述固定底板上，每组滑块通过所述丝杆串联固定，其一组滑块设置有顶丝，相对另一组滑块设置有径向限位台，其步骤包括：

使用测量仪器沿单个叶身截面周向和径向打点，沿叶身径向均匀选取多个截面，沿所述截面的周向打若干点，测得点云坐标；基于单个叶身的测量方法完成多联叶身点云坐标测量；对测量的叶身点云坐标进行叶身点云坐标数据后处理，获得多联叶身型线；将获得的多联叶身型线输入计算机三维软件，数据处理后，依照型线进行放样；获得多联叶身的三维结构，

所述叶身点云坐标数据后处理步骤包括：

S01.剔除测量叶身型线点云坐标中的噪点；

S02.根据点云坐标拟合叶型前缘节圆半径R_T和尾缘节圆半径R_L；

S03.确定内弧的端点为(X_P0,Y_P0)、(X_Pn,Y_Pn)，背弧端点为(X_S0,Y_S0)、(X_Sn,Y_Sn)；

S04.对内弧进行叶型拟合，随机给出初始n阶贝塞尔曲线：

其中P₀坐标为(X_P0,Y_P0)，P_n坐标为(X_Pn,Y_Pn)，P₁，……，P_n-1坐标为随机给出的(X_P1,Y_P1)，……，(X_Pn-1,Y_Pn-1)，且n>3；

S05.在随机初始化的n阶贝塞尔曲线中代入相应内弧的点云坐标x_P1至x_Pn获得y'_P1至y'_Pn，

为损失函数；

S06.使用梯度下降算法，当所述损失函数的曲线切线斜率趋近于0时，获得拟合好的n阶贝塞尔曲线，完成叶型内弧的参数拟合；

S07.对背弧进行叶型拟合，随机给出初始n阶贝塞尔曲线：

其中S₀坐标为(X_S0,Y_S0)，S_n坐标为(X_Sn,Y_Sn)，S₁、……、S_n-1坐标分别为随机给出的(X_S1,Y_S1)、……、(X_Sn-1,Y_Sn-1)，且n>3；

S08.在随机初始化的n阶贝塞尔曲线中代入相应背弧的点云坐标x_S1至x_Sn获得y'_S1至y'_Sn，

为损失函数；

S09.使用梯度下降算法，当所述损失函数的曲线切线斜率趋近于0时，获得拟合好的n阶贝塞尔曲线，完成叶型背弧的参数拟合；

S10.重复步骤S01～S09，获得其余截面的叶身型线；

S11.重复步骤S01～S10，获得多联叶身型线。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机涡轮静叶片关键结构处理方法，其特征为：所述固定底板的上表面设有若干燕尾槽，相邻燕尾槽之间的间距相等。

3.根据权利要求2所述的燃气轮机涡轮静叶片关键结构处理方法，其特征为：所述滑块的顶部高度不一，底部为燕尾型结构，所述燕尾型结构在所述燕尾槽中滑动配合。

4.根据权利要求1所述的燃气轮机涡轮静叶片关键结构处理方法，其特征为：所述丝杆上套有若干螺母，所述滑块的前后两侧分别设置有至少一个螺母。

5.根据权利要求1所述的燃气轮机涡轮静叶片关键结构处理方法，其特征为：所述滑块的左右两侧设有螺栓，通过所述螺栓将所述滑块固定在所述固定底板上。

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