一种水轮机转轮叶形测绘仪.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103759697 A (43)申请公布日 2014.04.30 CN 103759697 A (21)申请号 201410039212.0 (22)申请日 2014.01.27 G01B 21/20(2006.01) (71)申请人 国家电网公司 地址 100033 北京市西城区西长安街 86 号 申请人 国网湖南省电力公司 国网湖南省电力公司电力科学研究 院 (72)发明人 唐卫平 (74)专利代理机构 长沙正奇专利事务所有限责 任公司 43113 代理人 马强 (54) 发明名称 一种水轮机转轮叶形测绘仪 (57) 摘要 本发明公开了一种水轮机转轮叶形测绘仪， 。

2、包括机械臂、 信号采集处理系统和上位机， 所述 机械臂包括底座、 竖直导轨、 摆动单元， 所述摆动 单元一端通过第一关节与所述竖直导轨铰接， 所 述摆动单元另一端通过第二关节与探针铰接， 所 述第一关节和第二关节上各安装有一个用于测量 摆动单元或探针摆动角度的码盘 ； 所述信号采集 处理系统包括控制所述摆动单元沿所述竖直导轨 上下移动的电机、 驱动所述电机的电机驱动器、 通 过脉冲卡与所述电机驱动器连接的工业控制计 算机 ； 所述工业控制计算机通过数据采集卡与所 述码盘连接 ； 所述工业控制计算机接入所述上位 机。本发明为高效、 快速、 准确地测量叶片形状提 供了测绘工具。 (51)Int.C。

3、l. 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书3页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103759697 A CN 103759697 A 1/1 页 2 1. 一种水轮机转轮叶形测绘仪， 包括机械臂、 信号采集处理系统和上位机， 其特征在 于， 所述机械臂包括底座 （1） 、 安装在所述底座 （1） 上的竖直导轨 （2） 、 安装在所述竖直导轨 （2） 上可沿竖直导轨 （2） 上下移动和绕所述竖直导轨 （2） 转动的摆动单元， 所述摆动单元一 端通过第一关节与所述竖直导轨 （2） 铰接， 所述摆动单。

4、元另一端通过第二关节与探针 （7） 铰接， 所述第一关节和第二关节上各安装有一个用于测量摆动单元或探针摆动角度的码 盘 ； 所述信号采集处理系统包括控制所述摆动单元沿所述竖直导轨 （2） 上下移动的电机、 驱动所述电机的电机驱动器、 通过脉冲卡与所述电机驱动器连接的工业控制计算机 ； 所述 工业控制计算机通过数据采集卡与所述码盘连接 ； 所述工业控制计算机接入所述上位机。 2.根据权利要求1所述的水轮机转轮叶形测绘仪， 其特征在于， 所述摆动单元包括1 4 节摆动臂 ； 当所述摆动臂数量为 2 节以上时， 靠近所述竖直导轨 （2） 的第一节摆动臂 （3） 通过关节与所述竖直导轨 （2） 铰接，。

5、 远离所述竖直导轨 （2） 的最后一节摆动臂 （6） 末端通过 关节与探针 （7） 铰接， 相邻的摆动臂之间通过关节铰接 ； 所有关节上均安装有码盘。 3.根据权利要求2所述的水轮机转轮叶形测绘仪， 其特征在于， 所述摆动单元包括4节 摆动臂。 4.根据权利要求3所述的水轮机转轮叶形测绘仪， 其特征在于， 所述摆动单元中4节摆 动臂的长度依次为 400 mm、 500 mm、 500 mm、 300 mm， 所述探针 （7） 长度为 150 mm。 权 利 要 求 书 CN 103759697 A 2 1/3 页 3 一种水轮机转轮叶形测绘仪 技术领域 0001 本发明涉及一种空间曲面型线测绘。

6、设备 , 特别是一种水轮机转轮叶形测绘仪。 背景技术 0002 水轮机转轮叶片由于设计或制造原因， 叶型未能达到精确要求， 运行后大修补焊， 更易造成叶片变形， 对水轮机的能量特性、 汽蚀特性及运行稳定性有很大影响。 我国许多水 电站水轮机运行多年， 由于无叶形检测、 控制手段， 几经大修补焊后造成叶片变形、 效率下 降， 机组振动、 转轮裂纹、 磨蚀破坏加剧， 导致检修周期缩短， 工期延长， 检修费用增加。 如刘 家峡水电厂由于转轮变形严重， 扩大性大修的周期从 5 年缩短为 4 年 ； 工期为 4 个多月。八 盘峡水电厂的进口水轮机抗磨蚀破坏明显优于国产机组， 但运行多年几经大修补焊后， 。

7、现 在机组也因叶片变形而破坏。 凤滩水电厂由于叶片严重偏离设计形线， 导致汽蚀裂纹加剧， 最严重时处理一台机汽蚀裂纹耗用的焊条达800kg。 实践使人们认识到， 水轮机转轮叶片的 优化虽然主要依赖于水力设计， 但也与完善的叶片修形密切相关。新安江水电厂曾通过叶 片测绘和修形使汽蚀破坏明显改善。碧口水电厂通过对 3# 机转轮叶片测绘， 找出问题后进 行修形， 出力增加了 5000kW， 效率平均提高 2%， 振动与磨蚀破坏均有明显好转。实践表明， 水轮机转轮叶片修形是在电站现有条件下改善机组主要技术性能的一条重要途径。IEC 也 在水轮机汽蚀破坏评定标准中明文规定 ： 发生意外汽蚀损坏时要进行修。

8、形。 0003 水轮机转轮叶片修型前提是必须事先全面掌握叶片型线的变化， 即必须有叶形测 绘结果作指导。由于水轮机叶片具有形状复杂、 空间扭曲且曲率变化大等特点， 在制造过 程中， 对未组焊成 （水轮机转轮） 整体的单个叶片， 目前尚有比较可靠的测绘方法和手段 （如 数显三坐标法、 双电子经纬仪法等） 。但对已投入运行的转轮， 由于空间、 环境等诸多条件限 制， 进行叶形测绘则存在相当的难度。过去国内常用的投运水轮机转轮叶形测绘的方法有 “靠模法” 、“梳齿测针法” 、“三角形法” 、“直角坐标法” 等， 这些方法在测试精度、 工作量， 测试 速度上都存在相当的缺陷， 与目前机组的检修时间和工。

9、作量上的安排极不适应。 0004 我国水能资源丰富， 在建和已建水电站众多， 不少投运的水轮机转轮均存在不同 程度的汽蚀和裂纹， 有些投产较早的水轮机叶片线型已严重偏离设计值， 由此导致了机组 效率下降、 振动增加、 压力脉动加剧等一系列影响机组安全、 经济、 稳定运行的问题。 为指导 叶片修形， 改善转轮抗汽蚀裂纹及机组运行稳定性， 减少检修工作量， 逐步缩短检修周期， 需要研制一种能高效、 快速、 准确的转轮叶形现场测绘的仪器， 以较少的投入获得较大的经 济效益。 发明内容 0005 本发明所要解决的技术问题是， 针对现有技术不足， 提供一种能高效、 快速、 准确 地测量叶片形状的水轮机转。

10、轮叶形测绘仪， 指导叶片修形， 从而改善转轮抗汽蚀裂纹及机 组运行稳定性， 减少检修工作量， 逐步缩短检修周期。 0006 为解决上述技术问题， 本发明所采用的技术方案是 ： 一种水轮机转轮叶形测绘仪， 说 明 书 CN 103759697 A 3 2/3 页 4 包括机械臂、 信号采集处理系统和上位机， 所述机械臂包括底座、 安装在所述底座上的竖直 导轨、 安装在所述竖直导轨上可沿竖直导轨上下移动和绕所述竖直导轨转动的摆动单元， 所述摆动单元一端通过第一关节与所述竖直导轨铰接， 所述摆动单元另一端通过第二关节 与探针铰接， 所述第一关节和第二关节上各安装有一个用于测量摆动单元或探针摆动角度 。

11、的码盘 ； 所述信号采集处理系统包括控制所述摆动单元沿所述竖直导轨上下移动及绕所述 竖直导轨转动的电机、 驱动所述电机的电机驱动器、 通过脉冲卡与所述电机驱动器连接的 工业控制计算机 ； 所述工业控制计算机通过数据采集卡与所述码盘连接 ； 所述工业控制计 算机接入所述上位机。 0007 所述摆动单元包括14节摆动臂 ； 当所述摆动臂数量为2节以上时， 靠近所述竖 直导轨的第一节摆动臂通过关节与所述竖直导轨铰接， 远离所述竖直导轨的最后一节摆动 臂末端通过关节与探针铰接， 相邻的摆动臂之间通过关节铰接 ； 所有关节上均安装有码盘。 0008 本发明的摆动单元包括 4 节摆动臂。 0009 与现有。

12、技术相比， 本发明所具有的有益效果为 ： 本发明的机械臂采用 5 关节、 6 自 由度、 偏置式结构设计， 测量半径范围可达 2.1 米， 能对叶片水平方向弧向长度 1.6 米左右 的转轮进行现场叶形测绘 ； 信号采集处理系统能实现对测绘臂的控制和信号采集 ； 本发明 的机械臂安装拆卸方便 ； 不论转轮是否吊出机坑， 本发明的测绘仪均可对叶片进行测绘 ； 机械臂转动灵活， 控制方便 ； 采用探针接触式进行测量， 具有测量速度快、 测量精度高的特 点 ； 本发明为高效、 快速、 准确地测量叶片形状提供了测绘工具， 从而为指导叶片修形， 改善 转轮抗汽蚀裂纹及机组运行稳定性， 减少检修工作量， 逐。

13、步缩短检修周期打下了基础。 附图说明 0010 图 1 为本发明一实施例机械臂结构示意图 ； 图 2 为本发明一实施例信号采集处理系统结构框图。 具体实施方式 0011 如图 1 和图 2 所示， 本发明一实施例包括机械臂、 信号采集处理系统和上位机， 所 述机械臂包括底座 1、 安装在所述底座 1 上的竖直导轨 2、 安装在所述竖直导轨 2 上可沿竖 直导轨 2 上下移动和绕所述竖直导轨 2 转动的摆动单元， 所述摆动单元包括四节摆动臂 3、 4、 5、 6 ； 靠近所述竖直导轨 2 的第一节摆动臂 3 通过第一关节 8 与所述竖直导轨 2 铰接， 远 离所述竖直导轨 2 的第四节摆动臂 6。

14、 末端通过第二关节 9 与探针 7 铰接， 相邻的摆动臂之 间 （即第一节摆动臂 3 与第二节摆动臂 4 之间、 第二节摆动臂 4 与第三节摆动臂 5 之间、 第 三节摆动臂 5 与第四节摆动臂 6 之间） 通过关节铰接， 每个关节上各安装有一个用于测量摆 动单元或探针摆动角度的码盘 ； 所述信号采集处理系统包括控制所述摆动单元沿所述竖直 导轨 2 上下移动的电机、 驱动所述电机的电机驱动器、 通过脉冲卡与所述电机驱动器连接 的工业控制计算机 ； 所述工业控制计算机通过数据采集卡与所述码盘连接 ； 所述工业控制 计算机接入所述上位机。 0012 本发明可以测量水电厂水轮机转轮叶片 （空间扭曲）。

15、 形状， 机械臂具有多关节 （多 段臂） 、 多自由度结构。每段臂长度不同， 能灵活的转动和上下移动， 实时搜索和测量复杂的 三维曲面。多自由度机械臂的前端采用探针 （接触式） 进行测量， 具有速度快、 测量精度高的 说 明 书 CN 103759697 A 4 3/3 页 5 特点。 采用饲服电机控制机械臂的移动， 通过码盘测量各关节的转角， 从而根据测量结果计 算确定测点的空间坐标。 0013 摆动单元采用 5 关节、 6 自由度、 偏置式结构， 测量半径范围可达 2.1 米， 能对已 加工成形的转轮进行三维叶形测绘 ； 摆动单元包括 4 段摆动臂和一根探针， 总长 1850 mm， 各段。

16、臂长度分别为 ： 400 mm、 500 mm、 500 mm、 300 mm， 探针长度为 150 mm。其中第二节摆 动臂 4、 第三节摆动臂 5 可根据需要加长， 摆动单元总长最长为 2100 mm。第一节摆动臂 3 绕竖直导轨 2 旋转的最大角度为 100， 其它节摆动臂相对竖直转轴旋转的最大角度为 165 ； 偏置式结构及可更换探针设计， 保证了能在空间狭小的叶片上部进行叶形测绘。 0014 上位机能对机械臂进行实时控制。包括发布指令控制机械臂的移动， 与信号采集 处理系统进行通讯、 数据交换， 进行数据处理， 实时显示探针的空间坐标、 作图显示和打印 输出， 具有友好的人机界面。 0015 使用时， 开启电机， 利用电机控制第一节摆动臂的上下移动， 操作人员可以根据需 要手动旋转其余几节摆动臂和探针， 使探针接触测量部位。 0016 本发明测绘仪测绘精度高， 绝对测量误差 1mm， 重复测量误差 0.5mm。 0017 本发明中各个单件重量不超过 20kg。机械臂的拆卸和组装简单方便。 说 明 书 CN 103759697 A 5 1/1 页 6 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103759697 A 6 。