楊亞梅

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000）

1 概述

燃氣輪機是國防、 交通、 能源、 環(huán)保等國計民生的核心裝備， 屬于市場前景巨大的高技術產(chǎn)業(yè)。 其發(fā)電機組以其安全、 高效、 節(jié)能、 環(huán)保等優(yōu)點， 近年來發(fā)展非常迅速， 已成為21 世紀發(fā)電設備的主要發(fā)展方向之一， 也是我國21 世紀將研究開發(fā)的關鍵技術。 公司要完成50 MW 等級燃氣輪機樣機研制， 初溫1 200～1 400 ℃， 壓氣機17級， 壓比18， 效率超過35%。 初步建立燃機設計、 試驗、 材料以及制造體系。 50 MW 燃機葉片制造加工大致分為壓氣機葉片、 燃燒室高溫合金葉片和透平精加工葉片的制造， 而葉片加工制造的質(zhì)量直接影響燃機安裝調(diào)試和產(chǎn)品質(zhì)量， 其中，燃燒室高溫合金葉片的制造和檢測難度最大。 在此項目之前， 公司對上述葉片加工和檢測方法完全是一項空白， 沒有成熟的檢測經(jīng)驗可以借鑒。

2 燃機高溫部件測量技術難點

50 MW 燃機燃燒室高溫葉片的特殊結(jié)構(gòu)和設計要求決定了它的工藝制造過程與以前生產(chǎn)的葉片有很大不同： 首先采用精鑄方式加工出葉片毛坯， 同時保證葉片型面的精度滿足設計要求； 然后再對葉根和葉冠部分進行精加工。 高溫葉片的檢測難點為： （1）葉片的型面精度要求高， 而葉根葉冠部分的裝配基準還是毛坯狀態(tài)， 無法作為檢測基準； （2）燃機高溫葉片的第2～4 級靜葉均為聯(lián)體葉片， 檢測汽道型面會產(chǎn)生干涉， 檢測難度較大； （3）燃機高溫葉片的陶瓷型芯是易碎材料， 且是全曲面外形， 沒有定位基準面。

3 傳統(tǒng)量具及三坐標檢測手段的局限

鑒于燃機高溫部件測量的3 個技術難點， 常規(guī)的傳統(tǒng)綜合量具的設計和加工周期長、 成本高，也無法滿足高溫葉片的定位和檢測精度要求。

采用三坐標檢測也存在局限： 沒有合適的基準面作為三坐標的檢測基準， 測量的精度要求和穩(wěn)定性都無法保證； 如果利用專用檢測工裝進行定位， 會對三坐標的測針產(chǎn)生干涉， 導致葉片型面檢測不完整； 而對于高溫葉片的陶瓷型芯插件，三坐標的接觸式測量無法實現(xiàn)檢測。

4 測量設備

對重型燃機透平葉片測量的現(xiàn)有方案進行調(diào)研， 并對測量設備生產(chǎn)廠家進行調(diào)訪， 分析論證，最終選擇某有限公司用關節(jié)臂設備。 使用設備簡介： 關節(jié)臂測量機型號： RA7525SI， 測量范圍2.5 m， 空間精度0.038 mm， 重復精度0.027 mm， 激光測頭掃描精度0.03 mm， 2.5 m 球形測量空間范圍內(nèi)綜合激光掃描精度0.048 mm。 該設備與其他同類掃描檢測設備相比， 最大的優(yōu)勢是檢測前不需要對被測工件進行噴涂防反光劑， 也不需要在被測工件上設置靶點。

5 燃機高溫部件的檢測試驗

5.1 高溫透平動葉檢測

針對燃機高溫動葉精鑄毛坯的檢測難點， 使用關節(jié)臂三維掃描測量儀檢測高溫透平動葉可以實現(xiàn)傳統(tǒng)綜合量具和三坐標檢測無法完成的檢測目標， 不僅可以分析高溫動葉的整個面輪廓度，也可以按將產(chǎn)品圖上要求的被測截面截取出來，單獨分析檢測截面的最大厚度， 弦長及位置度等一系列參數(shù)。

5.2 高溫透平靜葉檢測

由于第2～4 級燃機高溫透平靜葉特殊的聯(lián)體構(gòu)造， 接觸式測量無法實現(xiàn)葉片完整型面輪廓的測量。 使用關節(jié)臂進行非接觸掃描不但可以完成對聯(lián)體葉片的汽道型面部分的檢測， 還可以對葉片的相關面及尾緣槽進行掃描， 報告見圖1～3。

圖1 燃機高溫2 級靜葉報告

圖2 燃機高溫靜葉相貫面報告

圖3 燃機高溫靜葉尾緣槽報告

5.3 50 MW 燃機陶瓷型芯檢測

50 MW 燃機陶瓷型芯的全曲面構(gòu)造無法選取檢測基準面， 同時又是易碎材料制成， 三坐標的傳統(tǒng)接觸式測量根本無法實現(xiàn)檢測。 而使用關節(jié)臂則可以對陶瓷型芯（如圖4所示）實現(xiàn)全要素數(shù)據(jù)采集。 由于檢測試驗時理論模型未具備， 所以僅進行了數(shù)據(jù)采集工作， 后期經(jīng)過軟件的數(shù)據(jù)處理、對齊和分析， 就可以給出相應的檢測報告。

圖4 燃機高溫葉片陶瓷型芯

6 長葉片的檢測試驗

為了充分發(fā)揮關節(jié)臂的測量優(yōu)勢， 拓寬關節(jié)臂設備的適用范圍， 將關節(jié)臂應用于公司長葉片汽道型面變形的檢測分析。 如圖5 所示， 通過實測點云與理論數(shù)模的色差圖對比， 可以直觀反映出長葉片的變形趨勢、 偏差數(shù)值及葉片型面上的缺陷部位。 眾所周知， 三坐標檢測長葉片時只能按一定截面高度進行二維檢測， 無法反應兩檢測截面之間的汽道型面是否滿足要求， 關節(jié)臂的全型面掃描分析完全可以彌補這一不足。

圖5 72 英寸型面報告

7 在逆向工程中的應用

逆向工程師根據(jù)零件（或原型）生成圖樣， 再制造產(chǎn)品， 它是一種以先進產(chǎn)品設備的實物、 樣件、 軟件（包括圖樣、程序、技術文件等）或影像（圖像、 照片等） 作為研究對象， 應用現(xiàn)代設計方法學、 生產(chǎn)工程學、 材料學和有關專業(yè)知識進行系統(tǒng)分析和研究， 探索掌握其關鍵技術， 進而開發(fā)出同類更為先進的產(chǎn)品技術。 逆向工程是基于一個可以獲得的實物模型來構(gòu)造出他的設計模型，是通過對重構(gòu)模型特征參數(shù)的調(diào)整和修改來達到對實物模型的逼近。 因此， 獲得實物三維模型（也就是常說的測繪）是逆向工程中至關重要的一個環(huán)節(jié)。 關節(jié)臂的工作原理讓它能夠在產(chǎn)品測繪中充分發(fā)揮它方便快捷的優(yōu)勢。 通過一個帶有圓柱、平面、 通孔、 曲面等幾何特征的零件來實現(xiàn)關節(jié)臂的測繪功能。 通過對該零件的掃描測繪， 小平面特征處理， 即可獲得它的外形特征點云的采集，再通過對小平面模型的建模化處理（如圖6 所示），可以在最終的模型上測量各個特征的幾何尺寸及相對位置關系， 后續(xù)的分析計算、 模型設計、 加工制造等工作在此基礎上就能順利開展。 不過，在實際的新產(chǎn)品逆向開發(fā)工作中， 應用關節(jié)臂測繪的都是外形結(jié)構(gòu)特征復雜的零部件，因此對測繪點云的建模處理就是一個相當復雜的過程，尤其是對未知曲面的回歸計算以建立數(shù)學模型。

圖6 產(chǎn)品零件測繪模型化處理

8 結(jié)論

采用了新的檢測設備、 檢測手段和數(shù)據(jù)分析方式， 不僅可以完成對燃機、 軍品和關鍵產(chǎn)品的3D建模檢測， 并且可以使用該手段輔助完成諸如末三級大葉片的變形量分析檢測， 解決了傳統(tǒng)綜合量具和三坐標測量機無法解決的檢測難題。 在之后的工作中， 除了對于該類產(chǎn)品繼續(xù)進行檢測，總結(jié)出一套適合公司測繪、 3D 建模檢測技術規(guī)范以外， 甚至可以進一步推廣到逆向工程等領域，繼續(xù)擴展該測量設備的使用范圍。