CN110969697B - 一种燃气轮机涡轮动叶片关键结构检测装置和处理方法 - Google Patents

一种燃气轮机涡轮动叶片关键结构检测装置和处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于燃气轮机技术领域，涉及一种燃气轮机涡轮动叶片关键结构检测装置和处理方法，该检测装置由桥式三坐标仪、气缸、导杆、活动夹板、标准量棒、固定支架构成，气缸推动导杆施加夹紧力于活动夹板上，活动夹板和叶根之间放入若干标准量棒，通过活动夹板、标准量棒及叶根之间的摩擦力来约束叶片自由度，并通过桥式三坐标仪测杆，一次获得完整的叶身和叶根点云；本发明的处理方法采用基于多阶贝塞尔曲线的叶身拟合方法和基于特征和约束的叶根拟合方法，分别获得叶身和叶根型线，再经三维造型获得叶身和叶根结构，所获得的模型精确度高，曲面效果好，测量结果精确，适用于所有大型燃气轮机涡轮动叶片的检验。

Description

一种燃气轮机涡轮动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动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动叶片三维模型，为成品叶片检验提供依据。
背景技术
燃气轮机涡轮动叶片的制造一般需要通过铸造、机加以及各类热处理等工序，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，因此需要通过检测最终成品叶片来确定其尺寸精度是否满足图纸设计要求。
涡轮叶片结构复杂，特别是叶根结构，现多采用枞树型，由于此结构曲线复杂，且间隙较小，无疑给叶根测量带来挑战，由于测量条件和检测装置的限制，在检测过程中会存在测量死角，需要对叶根进行不同角度多次扫描，且保证测量仪器精密小巧，才能获得完整点云坐标，而传统的测量装置并不适用于所有涡轮动叶根的检测。同时，由于点云坐标是多次装夹扫描获得，需要在模型后处理中对点云坐标进行拼接，会人为引入数据处理的误差，所得到的模型结果并不精确。
中国专利文献CN109186991A公开了一种纵树型叶根自动拟合和匹配的方法，该方法通过采用以装配基准为检测基准的方式，通过一定算法选择最小误差的方式，自动进行理论和测量数据的匹配，并显示轮廓上每一段的误差以及平移旋转步骤从而对叶片气道进行正确的测量与评判，但该方法是通过大量点云坐标数据进行叶根模型重建，方法十分复杂，且模型精确度较低，所构建的三维模型质量较差，无法反映出叶根的设计意图。
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动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叶身和叶根点云坐标，采用基于n阶贝塞尔曲线的叶身拟合方法和基于特征和约束的叶根拟合方法，分别获得叶身型线和叶根型线，经三维造型获得涡轮动叶片的三维结构，本发明解决了现有检测技术所重建的叶根模型质量差，精确度低的问题。
本发明所公开的具体的技术方案如下：一种燃气轮机涡轮动叶片关键结构处理方法，其步骤包括：
使用测量仪器沿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；在叶根榫头两端对叶根型线进行打点，测得点云坐标；对测量的叶身点云坐标进行叶身点云坐标数据后处理，获得叶身型线；对测量的叶根点云坐标进行叶根点云坐标数据后处理，获得叶根型线；将获得的叶身和叶根型线输入计算机三维软件，数据处理后，依照型线进行放样；获得动叶片的三维结构。
进一步的，所述叶根点云坐标数据后处理步骤包括：
S01.剔除测量叶根型线点云坐标中的噪点；
S02.基于叶根型线的特征及尺寸约束，得到叶根特征参数群体
[R1,R2,R3,k1,k2,k3,x0,x1,x2,x3,h,b]；
S03.叶根圆角参数拟合，分别选取叶根各圆角范围内点云坐标至少3个，获得叶根圆角参数R1、R2、R3；
S04.对叶根剩余特征参数群体[k1,k2,k3,x0,x1,x2,x3,h,b]进行拟合，表达叶根特征的方程组由以下线性方程组成：
S05.在相应的叶根特征方程中代入点云数据x1至xn获得y1'至y'n，为损失函数；
S06.使用梯度下降算法，当损失函数曲线切线斜率趋近于0时，获得拟合最优的叶根特征参数群体；
S07.基于叶根特征参数进行叶根型线拟合，获得叶根型线。
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燃气轮机涡轮动叶片关键结构检测装置，该装置包括桥式三坐标仪、若干气缸、分别与所述气缸的活塞杆固定连接的导杆、活动夹板、若干根标准量棒和固定支架，所述固定支架固定在所述桥式三坐标仪的台面；所述气缸分为两组，对称固定在所述固定支架上，每组所述导杆的前端转动连接在同一所述活动夹板的背面，所述活动夹板的正面夹持待测叶片的叶根，所述标准量棒设置于待测叶片的叶根圆角处。
进一步的，所述活动夹板的正面顶部设置有凸起，用于限位所述标准量棒。
进一步的，所述固定支架为T形块，其正面上部设置有缺口，呈凹字形，其缺口与上部其他侧面之间设有通透的槽孔，槽孔内部设置有若干支撑筋，所述气缸位于所述支撑筋之间的空隙中，所述活动夹板设置在缺口内。
进一步的，所述固定支架与所述桥式三坐标仪之间采用螺栓固定。
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动叶片的检验。
2.本发明的叶片检测装置可保证涡轮动叶片稳定夹持，一次装夹可完成所有叶身和叶根结构的检测，测量过程中无测量死角。
3.本发明的处理方法还原了涡轮动叶片设计意图，保证模型处理的质量和精度。
4.本发明实现了涡轮动叶片叶根模型的精确重建，且模型曲面效果平滑
附图说明
图1是本发明中一种燃气轮机涡轮动叶片关键结构检测装置的正视图；
图2是本发明中一种燃气轮机涡轮动叶片关键结构检测装置的侧视图；
图3是本发明实施例中动叶片基于叶根型线的特征及尺寸约束所得到得叶根圆角参数；
图4是本发明实施例中动叶片基于叶根型线的特征及尺寸约束所得到的叶根特征参数；
附图中附图标记的具体含义：
1桥式三坐标仪、2气缸、3导杆、4活动夹板、5标准量棒、6固定支架。
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：以某涡轮第3级涡轮成品动叶片检验为例
如图1和图2所示，所述固定支架6通过螺栓固定在所述桥式三坐标仪1的台面，所述固定支架6为T形块，其正面上部设置有缺口，呈凹字形，其缺口与上部其他侧面之间设有不规则形状的槽孔，槽孔内部设置有支撑筋，支撑筋沿固定支架的中间位置左右对称，相邻支撑筋间分别固定有气缸2，每个气缸2均连接一根导杆3，固定支架6的缺口内设有两块活动夹板4，导杆3的前端分别转动连接在活动夹板4的背面，活动夹板4的正面则夹持待测叶片的叶根，选取直径为4.2mm的四根标准量棒5，分别放置于叶根两侧的第1圆角和第4圆角处，其中活动夹板4正面设有凸起，用于限位标准量棒5，气缸2的活塞杆推动导杆3，使活动夹板4角度自适应叶根的榫头楔形角，从而夹紧标准量棒5和叶根，最终实现叶片的稳定夹持。
通过桥式三坐标仪的测杆对叶身进行检测：将单个叶身沿径向均分为7个截面，设置好桥式三坐标仪测杆的行程指令，获得叶身每个截面的型线点云坐标，每个截面叶身点云坐标数量为250个，同时叶根两侧对榫头型线进行检测，该装置可一次完成叶片关键结构处理方法所需的所有点云坐标检测。
进行叶身点云坐标数据后处理：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RT、RL，确定同一截面上内弧的端点为(XP0,YP0)、(XP3,YP3)，背弧端点为(XS0,YS0)、(XS5,YS5)。
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(XP0,YP0)，P3坐标为(XP3,YP3)，P1和P2坐标为同一截面上内弧点云坐标随机给出的(XP1,YP1)和(XP3,YP3)。
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xn获得y1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(XS0,YS0)，P5坐标为(XS5,YS5)，P1、……、P4坐标分别为同一截面上背弧点云坐标随机给出的(XS1,YS1)、……、(XS4,YS4)。
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xn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。
重复上述某一截面内弧和背弧的拟合方法，获得其余截面的叶身型线。
结合图3和图4所示，进行叶根点云坐标数据后处理：
剔除测量叶根型线点云坐标中的噪点；
基于叶根型线的特征及尺寸约束，得到叶根特征参数群体：
[R1,R2,R3,k1,k2,k3,x0,x1,x2,x3,h,b]；
叶根圆角参数拟合，分别选取圆角范围内点云各3点，获得叶根圆角参数R1、R2、R3；
对叶根剩余特征参数群体[k1,k2,k3,x0,x1,x2,x3,h,b]进行拟合，表达叶根特征的方程组由以下线性方程组成：
在相应的叶根特征方程中代入点云数据x1至xn获得y′1至y′n，为损失函数；
使用梯度下降算法，当损失函数的曲线切线斜率趋近于0时，获得拟合最优的叶根特征参数群体；
基于叶根特征参数进行叶根型线拟合，获得叶根型线。
将动叶片的叶身型线和叶根型线输入计算机三维软件，在三维建模软件中将叶身和叶根型线偏置1mm，依照偏置后的型线进行放样和拉伸，获得该动叶片的三维模型。
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动叶片关键结构处理方法，其步骤包括：
使用测量仪器沿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；在叶根榫头两端对叶根型线进行打点，测得点云坐标；对测量的叶身点云坐标进行叶身点云坐标数据后处理，获得叶身型线；对测量的叶根点云坐标进行叶根点云坐标数据后处理，获得叶根型线；将获得的叶身和叶根型线输入计算机三维软件，数据处理后，依照型线进行放样；获得动叶片的三维结构；
所述叶根点云坐标数据后处理步骤包括：
S01.剔除测量叶根型线点云坐标中的噪点；
S02.基于叶根型线的特征及尺寸约束，得到叶根特征参数群体
[R1,R2,R3,k1,k2,k3,x0,x1,x2,x3,h,b]；
S03.叶根圆角参数拟合，分别选取叶根各圆角范围内点云坐标至少3个，获得叶根圆角参数R1、R2、R3；
S04.对叶根剩余特征参数群体[k1,k2,k3,x0,x1,x2,x3,h,b]进行拟合，表达叶根特征的方程组由以下线性方程组成：
其中，
x为叶根特征的方程组的自变量，y为叶根特征的方程组的因变量；
k1为叶根型线的右侧外切线的斜率，-k1为叶根型线的左侧外切线的斜率，x1为叶根型线的右侧外切线的横截距；
k2为右侧第2圆角的下圆角边的切线的斜率，-k2为左侧第2圆角的下圆角边的切线的斜率，x2为右侧第2圆角的下圆角边的切线的横截距；
k3为右侧第1圆角的下圆角边的切线的斜率，x3为右侧第1圆角的下圆角边的切线的横截距；-k3为左侧第1圆角的下圆角边的切线的斜率，x0为左侧第1圆角的下圆角边的切线的横截距；
h为第2圆角的上圆角边与第1圆角的下圆角边的距离，b为第3圆角的上圆角边与第2圆角的下圆角边的距离；
S05.在相应的叶根特征方程中代入点云数据x1至xn获得y1'至y'n，为损失函数；其中，y1'为将x1代入叶根特征方程中计算得到的纵坐标，y'n为将xn代入叶根特征方程中计算得到的纵坐标；S06.使用梯度下降算法，当损失函数曲线切线斜率趋近于0时，获得拟合最优的叶根特征参数群体；
S07.基于叶根特征参数进行叶根型线拟合，获得叶根型线。
2.一种利用权利要求1所述的燃气轮机涡轮动叶片关键结构处理方法检测燃气轮机涡轮动叶片关键结构的检测装置，其特征为：该装置包括桥式三坐标仪、若干气缸、分别与所述气缸的活塞杆固定连接的导杆、活动夹板、若干根标准量棒和固定支架，所述固定支架固定在所述桥式三坐标仪的台面；所述气缸分为两组，对称固定在所述固定支架上，每组所述导杆的前端转动连接在同一所述活动夹板的背面，所述活动夹板的正面夹持待测叶片的叶根，所述标准量棒设置在待测叶片的叶根圆角处。
3.根据权利要求2所述的检测装置，其特征为：所述活动夹板的正面顶部设置有凸起，用于限位标准量棒。
4.根据权利要求2所述的检测装置，其特征为：所述固定支架为T形块，其正面上部设置有缺口，呈凹字形，其缺口与上部其他侧面之间设有不规则形状的槽孔，槽孔内部设置有若干支撑筋，所述气缸位于所述支撑筋的间隙中，所述活动夹板设置在缺口内。
5.根据权利要求2所述的检测装置，其特征为：所述固定支架与所述桥式三坐标仪之间采用螺栓固定。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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CB02 Change of applicant information
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Address after: 310022 No. 357 Shiqiao Road, Zhejiang, Hangzhou

Applicant after: Hangzhou Steam Turbine Holding Co.,Ltd.

Address before: 310022 No. 357 Shiqiao Road, Zhejiang, Hangzhou

Applicant before: HANGZHOU TURBINE POWER GROUP CO.,LTD.

GR01 Patent grant
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