三維掃描在低揚(yáng)程泵裝置中的應(yīng)用

王 樂 王 豐 鄧迪強(qiáng)

（江陰市璜塘水利工程有限公司，江蘇 江陰 214400）

1 問題

隨著大型泵站工程的發(fā)展及工程管理質(zhì)量的提高，越來越多的專家學(xué)者發(fā)現(xiàn)，水泵機(jī)組的運(yùn)行效率、運(yùn)行工況在泵站實(shí)際運(yùn)行過程中，與模型試驗(yàn)偏差大。

例如，某大型泵站工程經(jīng)過嚴(yán)格的模型試驗(yàn)和真機(jī)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得到：

（1）真機(jī)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試最優(yōu)效率點(diǎn)揚(yáng)程從模型試驗(yàn)的4m 降至3.5m，降幅達(dá)到12.5%；

（2）真機(jī)測(cè)試的最優(yōu)效率從78.78%降至76.72%；

（3）真機(jī)最優(yōu)效率點(diǎn)流量從34.45m3/s，降至29.3m3/s，流量偏差達(dá)到15%；

（4）真機(jī)最優(yōu)效率槳葉角度從-2°向-5°偏移。

上述是某大型泵站的真機(jī)測(cè)試結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。另外，還有一些泵站模型試驗(yàn)結(jié)果較為理想，真機(jī)測(cè)試時(shí)卻出現(xiàn)機(jī)組噪聲大、振動(dòng)加劇、甚至是開機(jī)困難等問題。

泵站建成后，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的數(shù)據(jù)往往會(huì)與最初模型試驗(yàn)換算而來的數(shù)據(jù)有一定的出入，隨著大型水利工程的飛速發(fā)展，真機(jī)與模型性能偏差矛盾已日益突出。究其原因，大致可以歸納為以下幾點(diǎn)：

（1）泵站模型由泵裝置模型和進(jìn)、出水壓力管組成，其中泵的葉輪、導(dǎo)葉、壓水室和進(jìn)、出水流道組成泵裝置模型，通過實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)并通過換算獲去該泵站的水力參數(shù)。模型與現(xiàn)場(chǎng)情況不完全一致，有一定的誤差。

（2）原、模型過流傳動(dòng)材料很難做到表面粗糙度相等和粗糙度結(jié)構(gòu)相似;原、模型過流流態(tài)不同導(dǎo)致流速不同，過流的水力摩擦系數(shù)也不同; 原、模型泵的容積損失基本不可能完全相似，造成原、模型泵裝置也不可能相似。

（3）凡是生產(chǎn)必有偏差，更不用說大型泵站的建設(shè)這樣一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。建設(shè)過程中包含設(shè)備的制造偏差、土建的施工偏差、設(shè)備的安裝偏差、土建與設(shè)備之間契合的偏差等等，這些都是模型試驗(yàn)時(shí)不能設(shè)想到的。

試驗(yàn)成果往往很難真實(shí)反映實(shí)際結(jié)果，泵站裝置對(duì)水力參數(shù)實(shí)測(cè)也相對(duì)復(fù)雜，對(duì)研究原、模型泵站裝置過流部分也更加困難;由于現(xiàn)在水泵機(jī)械制作的精度越來越高，模型試驗(yàn)的水力參數(shù)已經(jīng)不能準(zhǔn)確反映實(shí)際。

2 工程應(yīng)用

本著從發(fā)現(xiàn)問題，到分析問題，最后解決問題的研究思路，本項(xiàng)目擬針對(duì)定波水利樞紐工程采用數(shù)值模擬與試驗(yàn)機(jī)械相結(jié)合的研究方法，利用三維激光掃描儀對(duì)泵裝置進(jìn)行掃描可以得到三維模型，這是泵站建成后原型的實(shí)際數(shù)據(jù)，與設(shè)計(jì)值對(duì)比可以對(duì)泵站的施工過程進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，著重研究模型和原型泵裝置尺寸誤差引起的性能差別，為提高泵站工程建設(shè)水平提供科學(xué)依據(jù)。該項(xiàng)目的研究在大型泵站工程設(shè)計(jì)、施工及優(yōu)化運(yùn)行具有重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)價(jià)值。

針對(duì)定波水力樞紐豎井貫流泵裝置進(jìn)行基于三維激光掃描的泵裝置原模型校驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究。前期已針對(duì)定波雙向豎井貫流泵裝置進(jìn)行了裝置數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)研究。定波水利樞紐工程包括節(jié)制閘和雙向泵站，節(jié)制閘總凈寬48m;泵站為雙向泵站，正向排水、反向引水，設(shè)計(jì)總排水流量120m3/s。泵站采用4 臺(tái)豎井貫流泵，單機(jī)流量30m3/s，節(jié)制閘與泵站采用集中緊湊型的“合建”布置方案。泵站采用直管式出水流道，快速閘門斷流，液壓?jiǎn)㈤]機(jī)啟閉，配4 臺(tái)10kV 同步電動(dòng)機(jī)，單機(jī)功率為1600kW，總裝機(jī)容量6400kW。定波水利樞紐運(yùn)行水位和揚(yáng)程的組合如表1 所示。

表1 泵站運(yùn)行水位及特征揚(yáng)程組合

采用高精度數(shù)值模擬方法對(duì)定波雙向豎井貫流泵裝置的進(jìn)出水流道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，雙向豎井貫流泵裝置如圖1 所示。通過泵站反向運(yùn)行對(duì)豎井出水流道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。以控制尺寸為基礎(chǔ)作為初始方案，以此為基準(zhǔn)優(yōu)化了五個(gè)方案，從出水流道水力損失的角度進(jìn)行優(yōu)化方案的比選，最后得到水力性能優(yōu)異的進(jìn)出水流道方案。經(jīng)過優(yōu)化后總體性能得到了較大的提升，正向運(yùn)行計(jì)算工況點(diǎn)的最高效率為74.53%，反向運(yùn)行計(jì)算工況點(diǎn)最高效率為60.91%。正向運(yùn)行時(shí)，方案五在最大流量工況1.22Q 下效率提升至60.17%，比方案三的57.44%提升2.73%;反向運(yùn)行時(shí)，在30m3/s 流量工況下效率提升至60.91%，比59.87%提升1.0%。反向運(yùn)行時(shí)，方案三根據(jù)適當(dāng)控制斷面面積的變化，在小流量工況下性能發(fā)揮比較好，但是方案五對(duì)于平均運(yùn)行揚(yáng)程在1m 左右的泵站表現(xiàn)更為優(yōu)異。

圖1 本項(xiàng)目的技術(shù)路線圖

以最終優(yōu)化得到的方案5 進(jìn)出水流道方案作為最終設(shè)計(jì)方案，泵站為雙向豎井軸流泵裝置，正向進(jìn)水采用雙向豎井流道進(jìn)水，出水采用圓變方直管出水流道; 反向雙向豎井流道出水，圓變方直管進(jìn)水。雙向模型泵采用SZM35 水泵水力模型。輪轂比為0.4，采用4 片葉片，把黃銅材料利用數(shù)控加工成型。進(jìn)出水流道采用鋼板焊接加工制作，模型泵葉輪室通過觀察窗觀測(cè)葉片處的水流和汽蝕。對(duì)該泵站豎井貫流泵裝置進(jìn)行模型試驗(yàn)測(cè)試。

根據(jù)《離心泵、混流泵和軸流泵水力性能試驗(yàn)規(guī)范(精密級(jí))》(GB/T 18149-2000)和《水泵模型及裝置模型驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程》(SL140-2006)標(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)葉片安放角必須確保不少于15 點(diǎn)的性能試驗(yàn)點(diǎn)，按流量保持常數(shù)確定臨界汽蝕余量，確定改變有效NPSH 值至效率下降1%。

能量試驗(yàn)結(jié)果表明，泵裝置在葉片安放角-4 度下:模型泵裝置正向設(shè)計(jì)揚(yáng)程為3.05m 時(shí)，流量為312.62L/s，泵裝置效率達(dá)到70.95%，高效區(qū)運(yùn)行范圍較寬;對(duì)應(yīng)原型泵裝置正向揚(yáng)程3.05m 時(shí)，流量為31.26m3/s，略高于設(shè)計(jì)流量30m3/s 的運(yùn)行要求;模型泵最大運(yùn)行揚(yáng)程超過4.0m，超過定波水利樞紐雙向泵正向最大揚(yáng)程3.29m 的運(yùn)行要求。模型泵裝置反向設(shè)計(jì)揚(yáng)程為1.43m 時(shí)，流量為301.64 L/s，泵裝置效率達(dá)到57.39%，高效區(qū)運(yùn)行范圍較寬，對(duì)應(yīng)原型泵裝置反向揚(yáng)程1.43m 時(shí)，流量為30.16m3/s，達(dá)到泵站運(yùn)行要求;模型泵最大運(yùn)行揚(yáng)程超過4.0m，超過定波水利樞紐雙向泵反向最大揚(yáng)程2.87m 的運(yùn)行要求。模型泵及原型泵裝置性能曲線如圖3 所示。

圖2 模型試驗(yàn)實(shí)物圖

圖3 泵裝置正反向綜合特性曲線圖

汽蝕試驗(yàn)的結(jié)果表明，原型泵裝置在葉片安放角-4 度下:正、反向設(shè)計(jì)揚(yáng)程附近汽蝕性能達(dá)到最優(yōu)，臨界必需汽蝕余量處于8m 以下，滿足定波水利樞紐雙向泵正、反向臨界必需汽蝕余量的運(yùn)行要求。水泵汽蝕圖片如圖4 所示。

圖4 水泵汽蝕性能實(shí)物圖

前期的數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)得到了一系列的有用數(shù)據(jù)，進(jìn)一步挖掘數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性，為定波樞紐水泵制造安裝打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3 應(yīng)用內(nèi)容

3.1 基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的原型泵裝置3D 模型重構(gòu)

采用本單位新購買的三維手持式便捷掃描儀分別對(duì)定波樞紐工程進(jìn)、出水流道、葉輪室和導(dǎo)葉體外形輪廓進(jìn)行三維數(shù)據(jù)掃描，得到各過流部件的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并與原型泵裝置設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行對(duì)比，分析各部件的主要結(jié)構(gòu)尺寸誤差和制造精度。著重探討三維掃描中數(shù)據(jù)的采集方法，使用三維光學(xué)掃描儀測(cè)量獲得原型泵裝置構(gòu)件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，研究曲面重構(gòu)及模型重建的方法，建立構(gòu)件的模型，利用商業(yè)CFD 軟件對(duì)模型進(jìn)行模擬計(jì)算，得到存在加工誤差條件下的泵裝置能量特性及其內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。

3.2 定波樞紐原型泵裝置現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

針對(duì)定波樞紐工程實(shí)際運(yùn)行水位模擬存在加工誤差條件下泵裝置的能量性能，并在該水位條件下分別對(duì)原型泵裝置進(jìn)行流量、揚(yáng)程及軸功率測(cè)試，分析真機(jī)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)能量特性，利用數(shù)值模擬對(duì)能量性能的預(yù)測(cè)結(jié)果來驗(yàn)證其有效性，對(duì)模型試驗(yàn)換算的泵裝置性能進(jìn)行誤差分析，提出基于尺寸誤差的泵裝置模型試驗(yàn)換算公式的修正系數(shù)。

3.3 基于尺寸偏差的原、模型性能對(duì)比分析

針對(duì)泵站單機(jī)組分別進(jìn)行準(zhǔn)確結(jié)構(gòu)尺寸和誤差尺寸的數(shù)值模擬計(jì)算，通過數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)和真機(jī)測(cè)試結(jié)果對(duì)泵裝置原型內(nèi)流情況和特性曲線進(jìn)行深入的研究，探索內(nèi)流規(guī)律，將原型和模型的尺寸、數(shù)模得到的性能等參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，得到主要結(jié)構(gòu)尺寸誤差引起的流量降低、工況偏移等不良結(jié)果的影響規(guī)律，揭示加工誤差與原型泵裝置性能曲線之間的規(guī)律，為泵站的安全穩(wěn)定與高效運(yùn)行提供參考。

4 應(yīng)用意義

本項(xiàng)目擬通過真機(jī)試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)合的方法研究由于尺寸誤差引起的泵站流量下降、工況偏移的關(guān)鍵科學(xué)問題，具體研究目標(biāo)如下：

4.1 探討三維掃描中數(shù)據(jù)的采集方法，研究曲面重構(gòu)及模型重建的方法，建立泵裝置各過流部件的三維模型，利用CFD軟件對(duì)模型進(jìn)行模擬計(jì)算，得到存在加工誤差條件下的原型泵裝置能量特性及其內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。

4.2 利用原型泵裝置性能曲線和模型泵裝置性能曲線的對(duì)比，驗(yàn)證模型試驗(yàn)換算的泵裝置性能，從尺寸誤差的角度提出泵裝置模型試驗(yàn)換算公式的修正系數(shù)。

4.3 將模型泵試驗(yàn)結(jié)果、真機(jī)試驗(yàn)結(jié)果以及CFD 結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到各過流部件主要結(jié)構(gòu)尺寸誤差引起的流量降低、工況偏移等不良結(jié)果，揭示加工誤差與原型泵裝置性能曲線之間的規(guī)律，為泵站的安全穩(wěn)定與高效運(yùn)行提供參考。

5 應(yīng)用總結(jié)

5.1 技術(shù)路線

本項(xiàng)目針對(duì)定波樞紐工程擬通過真機(jī)試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)合的方法研究基于三維激光掃描的泵裝置原模型校驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，具體思路及技術(shù)路線如圖5 所示。

圖5 本項(xiàng)目的技術(shù)路線圖

5.2 應(yīng)用關(guān)鍵點(diǎn)

5.2.1 泵裝置原型三維模型的建立，包括三維激光掃描中構(gòu)件關(guān)鍵點(diǎn)的處理，三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分析與重構(gòu)。

5.2.2 解決由于真機(jī)的加工誤差（包括葉輪、導(dǎo)葉和進(jìn)出水流道等）引起的過流能力下降、運(yùn)行工況偏移的關(guān)鍵問題。

6 結(jié)論

6.1 利用三維激光掃描方法針對(duì)定波樞紐構(gòu)建泵裝置各過流部件的三維模型，研究形狀不規(guī)則過流部件成型后的檢測(cè)方法，提出契合于工程施工條件的允許偏差范圍，對(duì)生產(chǎn)、施工過程進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

6.2 對(duì)三維模型進(jìn)行分析，利用CFD 進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，揭示加工制造誤差與流量下降、工況偏移之間的關(guān)系，建立泵裝置各過流部件加工制造精度與原型泵裝置性能曲線之間的關(guān)系。

6.3 對(duì)比原模型的CFD 仿真計(jì)算結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，分析內(nèi)流規(guī)律及影響結(jié)果的因素，建立基于尺寸誤差考慮的模型泵裝置試驗(yàn)結(jié)果預(yù)測(cè)真機(jī)泵裝置能量特性的修正換算數(shù)學(xué)模型。