隨鉆測井用渦輪發電機葉輪型面檢測方法研究

李碧柳

中海油田服務股份有限公司（北京101149）

應用在隨鉆測井儀器中的井下供電設備渦輪式發電機是未來測井技術發展的趨勢。而渦輪發電機的渦輪性能直接影響渦輪發電機的工作性能[1]。渦輪作為渦輪發電機的核心部件，其加工質量對本身性能有決定性影響。因此研究渦輪葉片的加工和檢測技術具有重要的意義。

傳統的對于具有復雜曲面的葉輪等零件檢測的方法是樣板檢測法[2-3]，但需要制作樣板，且測量精度不高，因此采用傳統檢測工藝方法已不能滿足對渦輪質量的控制要求。目前比較常用的新型測量方法是三維掃描儀[4-6]和三坐標測量儀[7-8]。

通過利用三維掃描儀對渦輪進行掃描，對比掃描點云生成的網格模型與設計模型，得出檢測結果偏差數據。然后在渦輪上規劃測量點，利用三坐標測量儀對渦輪測量點進行檢測，得出三坐標檢測偏差結果。再對兩種檢測結果數據進行分析，分別得出有關渦輪制造質量的結論。最后將兩種檢測方式結果互相印證，總結出兩種檢測方式的優缺點，得出兩種方式各自的實用范圍。

1　渦輪的三維掃描及結果分析

三維掃描是集光、電技術和計算機技術于一體的非接觸測量技術，它能夠對三維物體空間結構和外形進行掃描，以獲得物體表面的空間坐標，再利用計算機進行處理,可以將被掃描物體數字化。使用三維掃描儀對葉輪模型進行掃描，可以在計算機軟件中重構被掃描工件的三維模型，將掃描模型的尺寸數據與設計模型進行對比，可以得到高精度的偏差結果。

研究所用天遠三維掃描儀，采用500萬像素雙攝像頭，測量精度0.015 mm。三維掃描的基本步驟為：首先給渦輪加工件噴上專門的顯像劑，以避免金屬表面反光，再在加工件表面貼上供攝像頭識別的標記點，最后調整三維掃描儀進行拼接掃描。將掃描所得的點云數據讀入后處理軟件，去除孤點和噪聲數據，最后進行面片劃分，得到渦輪網格數據。渦輪三維設計模型和掃描所得曲面網格模型如圖1所示。

對于渦輪葉片等復雜未知曲面，重構需要大量的點云數據，掃描所得點云由2 142 536個數據點組成。在后處理軟件Geomagic Verify中將掃描模型與三維模型按照最佳匹配對齊，在統一坐標系下，對比掃描重構點與設計模型點的位置，得出每個點的位置偏差數據。單點偏差的數據量巨大，以公差±0.1 mm為渦輪葉片的設計要求，整體偏差數據統計分析結果見表1。從表1可以看出此渦輪約98%的點在公差范圍以內。

圖1　三維設計模型與工件掃描模型對比

表1　整體偏差數據分析

從圖2整體偏差對比云圖中可以更加直觀地分析檢測結果。圖中不同顏色代表了偏差的不同大小，綠色區域代表偏差絕對值在0.1 mm以內，橙色及黃色區域的偏差絕對值在0.1～0.4 mm之間，代表加工精度超過公差的工件位置。由圖2可見，渦輪輪轂面、葉片曲面和最大直徑面偏差絕對值在0.1 mm之內，加工精度較高。偏差最大的區域是葉片和輪轂相交處，加工偏差絕對值在0.2～0.4 mm之間。結合表1整體偏差數據分析與圖2偏差云圖可初步推斷，約2%超出設計公差的點在圖2所示中輪轂與葉片相接的位置。

圖2　整體對比結果

為了進一步印證上文的推斷，可以選取渦輪的某橫截面偏差結果進行分析，查看與整體分析結果是否具有一致性。取兩端面中心位置，作出葉片翼型二維偏差圖，如圖3所示。由圖3可見，橙色大偏差點只出現在靠近葉根的部分，而葉片和輪轂上的點偏差都符合要求。更具體的，根據此截面的8 813個點數據做出的偏差分布百分比表見表2。由表2可以得出，此橫截面中偏差絕對值在0.1～0.4 mm范圍內的點數大約占總點數的2%，與整體對比結果一致。

圖3　二維翼型對比圖

表2　截面偏差分布百分比表

根據設計要求，各葉片曲面全尺寸誤差設計要求不超過±0.1 mm。由以上整體和橫截面的偏差數據分析可以推斷出：渦輪輪轂面、葉片頂面、葉身加工精度較高，偏差較大部分集中在葉片底部與輪轂交接部分。在實際使用中，葉根與輪轂相連接部分通常屬于彎度較大的圓滑過渡，這部分對渦輪整體性能影響不大；因此即便有2%的掃描點超過設計要求，考慮到偏差點的位置，也認為此渦輪整體合格。

2　三坐標測量儀檢測結果分析

三坐標測量儀的檢測原理是將被測物體置于三坐標測量儀的測量空間，獲得被測物體上各測量點的坐標值，根據這些點的空間坐標值經過數學運算求出被測物體的幾何尺寸、形狀和位置公差[9]。因此首先需要規劃好被測目標的測量點，這是進行三坐標測量的基礎，是檢測工序中尤為關鍵和復雜的環節。由于渦輪的設計數據是結合流體力學數值模擬結果和試驗修正不斷優化后的結果，其葉片是自由曲面，無法給出具體表達式，因此選擇的測量點必須能夠反映出曲面的型面特點。

在正式測量以前，在三坐標測量軟件中，導入渦輪的設計模型，首先在模型上建立合適的坐標系，再根據等高差δx=12 mm將渦輪模型分成4個橫截面，在每個截面上以曲率半徑初始值y=85 mm，差值δy=15 mm取一組3個參考圓。參考圓與渦輪橫截面表面所得交點及為測量點，如圖4所示。求出這120個相交測量點的坐標值。

圖4　渦輪測量點規劃

測量點規劃完成后開始正式測量。所用測量儀器為ZEISS MMZ龍門式三坐標測量儀，精度為：4.0+L/170 μm。參照計算機中設計模型坐標系建立的方向，將被測渦輪固定到合適的測量位置，使用探針測量出定位特征，在被測渦輪上建立同樣的坐標系。然后在計算機中規劃好測量路徑，使三坐標探針能安全無碰撞地接觸到事先規劃好的測量點即完成測量。計算機會自動對比出測量點的實際坐標與設計值的偏差。渦輪的三坐標檢測結果見表3。

表3　三坐標檢測數據分析

由表3可見所有點的偏差值都在±0.1 mm以內，可以判斷此渦輪合格。

3　討論

對比三維掃描儀和三坐標檢測的結果，雖然檢測結果都一致認為渦輪合格，但具體數據還是發現有很大的不同。兩者偏差的平均值，以及最大最小偏差都出現不同程度的差距。經分析出現這種不同的原因為：三維掃描儀掃描到了渦輪的絕大部分位置，包括葉片和輪轂相交區域。而三坐標測量儀由于本身探針的結構和運動方向限制，無法用探針對渦輪進行全面接觸，并不能測量到葉片和輪轂相交位置；三坐標探針所能接觸的葉片區域，恰好是渦輪實際偏差最小的區域，故而三坐標檢測得到的偏差結果更小。實際加工情況來看，也是葉片和輪轂相交位置加工最為復雜，側面印證了分析結果。

首先兩種檢測方法從檢測結果來看都是可信的。三維掃描儀的優點是掃描全面，操作簡單；缺點是后處理復雜，需要一定的操作技巧和數據分析能力，并且每個部件掃描前都要進行準備工作，掃描時手動操作，因為操作人員不同，檢測時長無法預估。而三坐標掃描儀恰好相反，測量規劃和測量程序的編制耗時較長，程序成型后便可全自動化重復使用，檢測結果也不需要后處理程序。

4　結論

三維掃描儀測量相對于三坐標測量來說，準備時間較短，掃描范圍大，所得數據多，操作簡單，后處理復雜，結果全面，適合試驗件或小批量件。三坐標測量儀雖然使用相對復雜,需要在測量前進行詳細規劃測量精準，但測量程序一次成型可重復使用，測量過程全自動化，非常適合大批量檢測。測量人員可根據實際情況合理選擇。