Прецизионная диагностика трехмерной геометрии лопастей турбин для гидроэнергетики

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Физика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 681. 786. 42
ПРЕЦИЗИОННАЯ ДИАГНОСТИКА ТРЕХМЕРНОЙ ГЕОМЕТРИИ ЛОПАСТЕЙ ТУРБИН ДЛЯ ГИДРОЭНЕРГЕТИКИ
Двойнишников С. В. х, Меледин В. Г. х, Куликов Д. В. х, Павлов В. А. х, Прибатурин Н. А. 1
1ФГБУН «Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН» Новосибирск (630 090, г. Новосибирск, пр-
т Академика Лаврентьева, 1), е-mail: dv. s@mail. ru_
Представлена прецизионная диагностика трехмерной геометрии лопастей турбин для гидроэнергетики. Представленная технология реализована на сравнительно несложной оптико-электронной системе, осуществляющей прецизионную диагностику лопастей гидротурбин в процессе изготовления. Разработана внутренняя архитектура программного обеспечения оптико-электронной системы, позволяющая использовать в качестве приемника оптического излучения любые цифровые камеры, поддерживающие программные интерфейсы DirectX, и любые цифровые проекторы в качестве источника оптического излучения. Проведены промышленные испытания опытного образца оптико-электронной системы для прецизионной диагностики трехмерной геометрии лопастей гидротурбин. Получен трехмерный профиль лопасти гидротурбины с линейными размерами 2,5×2,0×1,0 м. Показана принципиальная возможность проведения точных бесконтактных измерений в условиях отечественного производства с использованием предложенной прецизионной диагностики трехмерной геометрии лопастей турбин для гидроэнергетики.
Ключевые слова: трехмерная геометрия, бесконтактность, гидротурбина.
PRECISION DIAGNOSTICS OF THREE-DIMENSIONAL GEOMETRY OF TURBINE BLADES FOR HYDROPOWER
Dvoynishnikov S.V. 1, Kulikov D.V. 1, Meledin V.G. 1, Pavlov V.A. 1, Pribaturin N.A. 1
1Institute of thermophysics SB RAS, Novosibirsk (630 090, Novosibirsk, Lavrentiev av., 1), е-mail: dv. s@mail. ru_
Precision diagnostics of three-dimensional geometry of turbine blades for hydroelectric power was presented. The presented technology is implemented on a relatively simple optical-electronic system, carrying out the precise diagnosis of turbine blades in the manufacturing process. An internal software architecture of optical-electronic system which allows to use as receivers of optical radiation any digital camera supported DirectX software interfaces, and any digital projectors as a source of optical radiation was developed. An industrial tests of the prototype of the optic-electronic system for high-precision diagnostics of three-dimensional geometry of turbine blades was carried out. Three-dimensional profile of turbine blade with the linear dimensions of 2,5×2,0×1,0 m was obtained. The possibility of performing accurate non-contact measurements in manufacture conditions using proposed precision diagnostics of three-dimensional geometry of turbine blades for hydroelectric power was shown.
Key words: three-dimensional geometry, contactless, hydroturbine. Введение
Развитие энергетического комплекса России, обеспечение безопасной и бесперебойной работы станций и повышение КПД связано с применением конструктивных элементов со все более сложной геометрией, требующих создания новых методов прецизионной диагностики геометрии элементов энергоагрегатов в процессе их разработки, производства и эксплуатации [5].
В гидроэнергетике безопасность и эффективность зависит от точности реализации геометрии лопастей гидротурбин, являющихся особо сложными крупногабаритными объектами. В процессе изготовления лопастей гидротурбины необходим высокоточный контроль полной трехмерной геометрии заготовок. Погрешности при изготовлении лопастей приводят к снижению КПД и интенсивному образованию вихревых структур за рабочим
колесом гидротурбин, уменьшающих срок их службы, разрушающих водоводы и т. д. Создание методов прецизионной диагностики геометрических параметров гидротурбин на этапе изготовления становится все более актуальной задачей.
Цель исследований
Цель работы заключается в создании и реализации метода диагностики трехмерной геометрии лопастей гидротурбин в процессе их изготовления. Реализующая метод оптико-электронная система должна работать в условиях отечественного машиностроительного производства, обеспечивать точные и достоверные измерения и представлять результаты измерений в открытом цифровом формате систем автоматизации и управления производственно-технологическими процессами.
Методы исследования
Для прецизионной диагностики крупногабаритных лопастей гидротурбин необходимо получать информацию о полной трехмерной геометрии объектов.
Современные методы диагностики ЭБ-геометрии объектов можно разделить на два больших класса — контактные (координатно-измерительные машины, щуповые приборы, измерительные проекторы и т. д.) и бесконтактные, среди которых наиболее распространены методы светового сечения, стереоскопические, интерференционные и растровые методы. Стереоскопические методы [4] измерения отличаются низкой производительностью и высокой погрешностью. Методы светового сечения обладают погрешностью измерения порядка 0,5 мм, однако для измерения полной ЭБ-геометрии необходимо наличие блока сканирования, обеспечивающего механическое перемещение измерителя вдоль измеряемого объекта. Интерференционные методы измерения [6] обладают очень низкой погрешностью (до 1 нм), но работают в узком диапазоне измеряемых расстояний (порядка длин волн источника когерентного излучения).
Растровые методы либо методы, использующие пространственно модулированный источник оптического излучения, являются особенно перспективными [7] и не требуют операции механического перемещения в процессе измерения. Исследуемый объект освещается пространственно модулированным источником оптического излучения и наблюдается с направления, отличного от направления освещения. Наблюдаемое изображение содержит искажения, кодирующие информацию о третьей координате (дальности). Известны различные модификации систем измерения, использующие пространственно модулированный источник оптического излучения, отличающиеся видом пространственной модуляции и алгоритмами дешифровки наблюдаемого изображения. Погрешность зависит от локализации искажений пространственно модулированной засветки на наблюдаемом изображении и светорассеивающих свойств поверхности объекта, и не
всегда мала при их неудачных сочетаниях. Динамическая пространственно-временная модуляция оптического излучения [9] обеспечивает меньшую погрешность измерения (порядка 0,1%), однако требует статичности измеряемого объекта.
Метод фазовых шагов [8] позволил существенно увеличить качество и точность 3D-измерений за счет применения гармонической пространственной модуляции, устойчивой к расфокусировке оптических элементов системы. При обработке изображений, полученных методом фазовых шагов, необходимо согласовывать локальную интенсивность источника структурированного освещения и чувствительность приемной камеры, имеющую ограниченный динамический диапазон. Для произвольных 3D-объектов со значительно отличающимися светорассеивающими свойствами поверхности целесообразно использовать методы, нацеленные на увеличение динамического диапазона приемного устройства, например оптоэлектронный метод бесконтактного восстановления профиля поверхности трехмерных объектов сложной формы [2- 3].
Поскольку требование к статичности измеряемого объекта не противоречит технологии изготовления гидротурбин, реализация оптико-электронной системы для прецизионной диагностики трехмерной геометрии лопастей гидротурбин построена на триангуляционных растровых методах с применением оптоэлектронного метода бесконтактного восстановления профиля поверхности трехмерных объектов сложной формы.
Практическая реализация
Создан экспериментальный образец оптико-электронной системы для прецизионной диагностики трехмерной геометрии лопастей гидротурбин. В качестве источника оптического излучения и пространственного модулятора интенсивности освещения использован цифровой проектор NEC VT570, позволяющий управлять пространственной модуляцией интенсивности излучения с разрешением 1024×768 точек. В качестве фоторегистратора применена цифровая CCD камера KC-383C низкого разрешения, позволяющая получать изображение размером 320×240 пикселей. В качестве цифрового электронного блока и блока регистрации результатов использован стандартный персональный компьютер.
Разработана внутренняя архитектура программного обеспечения оптико-электронной системы (рис. 1), предусматривающая разделение на следующие компоненты. Диспетчер, выполняющий накопление изображений структурированной подсветки, полученной с помощью приемника оптического излучения (цифровая CCD камера). Модуль управления камерой, реализующий интерфейс взаимодействия с камерой с помощью библиотеки DirectShow. Модуль управления проектором, обеспечивающий управление пространственным распределением интенсивности оптического излучения проектора.
Модуль удаленного управления проектором, реализующий интерфейс взаимодействия с модулем управления проектором на базе ЕШегпе^соединения.
Рисунок 1. Внутренняя архитектура программного обеспечения оптико-электронной
системы
Диспетчер реализован в виде исполняющего скрипта в программной системе MATLAB. Модуль управления камерой реализован в виде COM-сервера, реализующего интерфейс IDispatch, обеспечивающий взаимодействие системы MATLAB и СОМ-сервера. Модуль удаленного управления проектором также реализован как COM-сервер. Модуль управления проектором реализован в виде стандартного Windows-приложения.
Основная функция модуля управления проектором — формирование структурированной засветки с заданным распределением интенсивности. Управление реализовано с помощью протокола взаимодействия на основе TCPIP. Протокол предусматривает получение команд от управляющего приложения и отправку подтверждения после обновления излучаемого проектором заданного распределения интенсивности.
Модуль управления проектором реализован в виде Windows-приложения со специальными настройками, обеспечивающими расположение графического окна этого приложения поверх запущенных на компьютере иных приложений.
Промышленные испытания экспериментального образца оптико-электронной системы выполнены на разметочном участке цеха № 19 на территории ОАО «Силовые машины», филиал ЛМЗ в г. Санкт-Петербурге. Проведены измерения геометрии лопасти рабочего колеса лопастно-поворотной турбины Святогорской ГЭС (проба № 33 781). Лопасть имела линейные размеры 2,5×2×1 м.
Расстояние между камерой и проектором составляло 3 м. Расстояние до измеряемого объекта (лопасти) 6 м. Измеряемая область 3x3x2 м. Разрешение проектора 1024×768. Разрешение камеры 320×240. Количество кадров в одном измерении 1000.
Выполнена калибровка путем последовательного измерения локализованных в пространстве перед измеряемой лопастью калибровочных мишеней [1].
Фотография лопасти гидротурбины и ее измеренная поверхность представлены на рисунках 2 и 3. Время полного измерения поверхности лопасти рабочего колеса (сбор и обработка информации о поверхности измеряемого объекта, представление результатов) не превышает 15 минут.
Рисунок 2 — Лопасть рабочего колеса лопастно-поворотной турбины Святогорской ГЭС (проба № 33 781)
У
X
Рисунок 3 — Измеренная поверхность лопасти рабочего колеса лопастно-
поворотной турбины Святогорской ГЭС (проба № 33 781)
Абсолютная случайная погрешность измерения в предварительных экспериментах не превышала величину 5 мм. Оценка погрешности измерения осуществлялась анализом величины отклонения измеренной поверхности лопасти гидротурбины от гладкой подстилающей поверхности (поверхность лопасти была отшлифована и имела шероховатость менее 0,5 мм). Такая сравнительно высокая погрешность измерения обусловлена, главным образом, использованием в качестве приемника оптического излучения камеры с низким разрешением. Относительная погрешность измерения составила 0,2% (погрешность 5 мм на диапазоне измеряемых расстояний 2,5 метра).
Полученные экспериментальные результаты подтвердили работоспособность разработанной оптико-электронной системы для диагностики трехмерной геометрии лопастей гидротурбин. Погрешность измерения может быть существенно снижена, ее величина обусловлена применением недорогих источника и приемника оптического излучения, с низким разрешением, малой глубиной кодирования цвета и слабым световым потоком. При использовании обеспечивающего световой поток 5000 люмен LCD-проектора и цифровой камеры с разрешением 3000×2000 пикселей относительная погрешность составит менее 0,04% или 1 мм, что удовлетворяет требованиям задачи измерения 3D-геометрии крупногабаритной лопасти гидротурбины в процессе производства, имеющей линейные размеры 2,5×2,0×1,0 м.
Выводы
Реализована прецизионная диагностика трехмерной геометрии лопастей турбин для гидроэнергетики на сравнительно несложной оптико-электронной системе, осуществляющей прецизионную диагностику лопастей гидротурбин в процессе изготовления. Разработана внутренняя архитектура программного обеспечения оптико-электронной системы, позволяющая использовать в качестве приемника оптического излучения любые цифровые камеры, поддерживающие программные интерфейсы DirectX, и любые цифровые проекторы в качестве источника оптического излучения.
Выполнены промышленные испытания опытного образца оптико-электронной системы для прецизионной диагностики трехмерной геометрии лопастей гидротурбин. Получен трехмерный профиль лопасти гидротурбины с линейными размерами 2,5×2,0×1,0 м. Показана принципиальная возможность проведения точных бесконтактных измерений в условиях отечественного производства с использованием предложенной прецизионной диагностики трехмерной геометрии лопастей турбин для гидроэнергетики.
Работа выполнена при частичной поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках реализации ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007−2013 годы» (ГК № 11. 519. 11. 6022) и при частичной поддержке Совета по грантам Президента Российской Федерации для поддержки молодых российских ученых и ведущих научных школ (ГК № МК-2762. 2013. 8).
Список литературы
1. Двойнишников С. В., Меледин В. Г. Способ бесконтактного измерения линейных размеров трехмерных объектов: патент РФ № 2 433 372.
2. Двойнишников С. В. Устойчивый метод расшифровки интерферограмм с пошаговым сдвигом // Компьютерная оптика. — 2007. — Т. 31. — № 2. — С. 21−25.
3. Двойнишников С. В., Меледин В. Г., Шпольвинд К. В. Метод компенсации нелинейности тракта источник-приемник оптического излучения при 3Б-измерениях на основе фазовой триангуляции // Измерительная техника. — 2012. — № 2. — С. 12−16.
4. Киричук В. С., Шакенов А. К. Алгоритмы обнаружения точечных объектов по стереоизображениям // Автометрия. — 2005. — Т. 41. — № 2. — С. 14−22.
5. Куликов Д. В., Аникин Ю. А., Двойнишников С. В., Меледин В. Г. Лазерная технология определения геометрии ротора под нагрузкой // Электрические станции. — 2010. — № 7. — С. 39−43.
6. Поташников А. К., Голубев И. В., Куликов Р. В., Сысоев Е. В., Чугуй Ю. В. Оптоэлектронный микрометрический датчик с микропроцессором // Оптический журнал. -2007. — Т. 74. — № 12. — С. 50−54.
7. Chen F., Brown G. M. and Song M. Overview of three-dimensional shape measurement using optical methods // Opt. Eng. — 2000. — V. 39. — P. 10−22.
8. Gruber M., Hausler G. Simple, robust and accurate phase-measuring triangulation // Optik -1992. — № 3. — P. 118−122.
9. Valkenburg R.J. and McIvor A.M. Accurate 3D-measurement using a structured light system Image // Vis. Comput. — 1998. — V. 16. — P. 99−110.
Рецензенты:
Бердников Владимир Степанович, д.ф. -м.н., профессор, зав. лабораторией, Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, г. Новосибирск.
Лежнин Сергей Иванович, д.ф. -м.н., профессор, г. н.с., Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, г. Новосибирск.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой