年轻工程师揭示大山深处水电站的尘封奥秘
时间：2022-12-15 14:40 来源：南极熊 作者：admin 阅读：次
使用工具：Artec Eva, Artec Studio, Solidworks
效果：借助Artec Eva三维扫描仪，在5小时内完整捕获巨型引水管。随后基于扫描数据，创建毫米级精度的CAD模型。将数据发送给涡轮机制造商，用于水电站新涡轮机的设计与制造。
△工程师使用Artec Eva对水力发电站引水管末端进行扫描。
法国，汝拉山脉的深处——达米安·德尔蒙特手里拿着一台Artec Eva三维扫描仪，站在于黑暗中蜿蜒前伸的混凝土引水管内，头顶四米开外就是一台纹丝不动的巨型涡轮机，两个旧阀门挡住了另一头汹涌磅礴的水流——是时候开工了。这里是法国汝拉山脉的一处水电站，自建成至今已有87年的历史。在接下来的五个小时里，达米安和他的同事纪尧姆·德马尔什一同在漆黑的管道中摸索前进，使用Artec Eva精准采集了巨型引水管的每个部位。
这座水电站满负荷运转时，发电量超过10兆瓦，足以为5000个家庭供电。而现在，水电站按下了“暂停键”。涡轮机关闭的每一小时，都会造成巨额损失。因此工时非常紧张，达米安的团队必须争分夺秒。
不仅如此，他们的工作还面临着相当的危险：水库水位已经上升至危险等级，人员随时都有可能被迫疏散。
01
87年以来第一次改造
1934年，作为第一次世界大战战败国赔偿的一部分，一位德国工程师为法国人主持建造了这座水电站。自建成以来，水电站始终处于运行状态。近日，水电站迎来了第一次“大保养”。项目承包商计划对水电站的混流式水轮机进行更换。
△工程师正在监测水位。
为了设计并制造出性能优异的涡轮机，必须首先对巨型引水管的尺寸进行精确采集。
如果采集到的测量数据不够精确，那么安装上去的新涡轮机可能就无法达到额定功率，无法满足发电站的标准。
更糟糕的是，测量数据的误差过大不仅可能引发功率损失、汽蚀等问题，甚至可能导致涡轮机振动频率过高，重演2009年萨扬-舒申斯克水电站的悲剧。
编者按
2009年8月17日，俄罗斯萨扬-舒申斯克水电站发生重大事故，造成75人死亡；10台机组不同程度破坏，厂房被摧毁；事故造成该地区25%的电力缺口；40吨变压器油溢出，400吨养殖鲑鱼死亡 ；直接经济损失达130亿美元。
事故直接原因是超负荷运转导致2#水轮机剧烈振动，机组顶盖固定螺栓发生疲劳破坏，导致2#水轮机上盖及转子射出，水柱从水轮机处的空腔喷入主厂房，淹没主厂房发电机层及下面各层。
02
精准决定了一切
引水管的原始图纸还在。但在87年的时间里，在水流的日夜冲刷下，引水管的尺寸已经产生了一定变化。原始图纸已不能作为可靠的工程图来使用。
不合规范的、误差过大的数据不仅可能会造成设备损伤，带来安全隐患；也会让涡轮机制造商和水电站改造项目承包商面临罚款、诉讼等严重后果。
于是，项目承包商找到了3DLM公司的达米安。达米安是三维扫描工业应用方面的专家，非常擅长为老旧结构或零部件进行逆向工程。
达米安解释道：“如果引水管的几何形态比较简单，就能轻松使用传统测绘工具采集数据。但是此处的引水管形态非常复杂。所以如果要制作毫米级别的CAD模型，我们必须选择三维扫描。”
03
寻找合适的三维扫描仪
达米安找到了Artec3D金牌授权经销商Boreal3D公司，结识了三维扫描工程师纪尧姆。纪尧姆向他推荐了Artec Eva。这是一款手持式专业三维扫描仪，精度达到0.1mm，深受世界各地的逆向工程师青睐。
达米安补充道：“本项目工期很紧。但有了Artec Eva，仅用了短短五个小时，我们就完整地捕获了12米长的引水管。所生成的CAD模型可进一步用于CFD计算机流体力学模拟，在精确数据的全面指导下设计并制造新的涡轮机。”
04
巨型管道扫描挑战
考虑到项目复杂，工作量巨大，达米安请纪尧姆到项目现场协助。经过一番精心策划后，他们进入水电站发电机组引水管，迅速开展行动。
他们将引水管划分成10个独立部分，分别进行扫描。并且在引水管内壁涂上了喷漆，作为数据拼接的参照。
达米安补充道：“本项目工期很紧。但有了Artec Eva，仅用了短短五个小时，我们就完整地捕获了12米长的引水管。所生成的CAD模型可进一步用于CFD计算机流体力学模拟，在精确数据的全面指导下设计并制造新的涡轮机。”
04
巨型管道扫描挑战
考虑到项目复杂，工作量巨大，达米安请纪尧姆到项目现场协助。经过一番精心策划后，他们进入水电站发电机组引水管，迅速开展行动。
他们将引水管划分成10个独立部分，分别进行扫描。并且在引水管内壁涂上了喷漆，作为数据拼接的参照。
△纪尧姆正在使用Artec Eva扫描引水管内壁。
达米安进一步补充道：“此前我听说，三维扫描仪在透过水扫描时精度表现会严重下降。但Eva却没有出现任何问题。为保险起见，我们对部分积水区域用激光遥测法验证了精度，发现Eva的数据仍然保持一贯的精度。”
整根水管划分成10个区域，每个区域的扫描时间约为半小时。整个水管的扫描从头到尾共耗时5个小时左右。
05
创建CAD模型
引水管内壁有一层5-10mm厚的矿物层，这是数十年来水流冲刷水管留下的沉积物。我们需要在3D模型上准确地重现矿物层，以便在后续CFD模拟中精确地再现水在管道中的流速。
扫描结束后，我们需要对原始数据进行后处理，进一步生成CAD模型。
纪尧姆表示：“我在Artec Studio中删除了一些多余数据，随后把十块区域对齐，就迅速合成了引水管的网格3D模型。”
△在Artec Studio中经过后处理的引水管3D模型。
下一步，利用Artec Studio的逆向功能，达米安创建了一些基础图元，并将图元拟合到引水管3D模型上。接下来，他将所有图元以STP格式导出至Solidworks软件，并以图元为参考，快速完成了草图、绘制以及CAD模型挤压等工序。
“扫描完成后，可以在Artec Studio中直接创建CAD基础图元，这样的操作能帮我们大幅缩短工作流程。”达米安对AS的逆向功能赞不绝口。
06
一次搞定，无需返工
达米安补充道：“有了Eva，我们信心十足。甚至这样一个形态不规则的巨型引水管也可以一次搞定。也就是说，我们不需要二次扫描，不需要返工。”
“如果你已经回到了办公室，正在做数据后处理，突然发现某个部位的数据缺失，那么重新回到项目现场进行补扫，成本将非常昂贵。但我们不一样——扫描完的那一刻，我们对自己的数据就胸有成竹，精度始终在线，完整度有保证。”
达米安赶在交付日期前完成了CAD模型。他将CAD模型发送给项目承包商，再由承包商转发给涡轮机制造商。制造商对数据质量非常满意，立刻投入了涡轮机设计工作。
△引水管CAD模型。
数周后，扫描团队又一次来到水电站，扫描了另一根引水管，通过类似的工作流程同样制作了CAD模型。
07
原始图纸散佚？不是问题
“扫描巨型物体，例如引水管，最大的挑战是如何获得理想的精度效果。巨型物体各个部分的复杂程度不同。所以，要根据每个部分来动态调整采集方式。”
达米安说道：“在我们日常接到的项目中，约有70%的项目原始图纸早已散佚。而Artec Eva圆满地完成了每一个任务，解决了原始图纸缺失的问题。”
“有了Eva，我们可以精准采集测量数据，制作CAD模型，从几厘米到几米长都没问题。我认为Eva最大的优势之一就是适用范围非常广泛。对改造、检验、维护等多种工作而言，制成的CAD模型都能发挥关键作用。”
(责任编辑：admin)
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