年輕工程師揭示大山深處水電站的塵封奧秘
時間：2022-12-15 14:40 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
挑戰：為水電站的巨型引水管進行三維掃描，制作CAD模型。
使用工具：Artec Eva, Artec Studio, Solidworks
效果：借助Artec Eva三維掃描儀，在5小時內完整捕獲巨型引水管。隨后基于掃描數據，創建毫米級精度的CAD模型。將數據發送給渦輪機制造商，用于水電站新渦輪機的設計與制造。
法國，汝拉山脈的深處——達米安·德爾蒙特手里拿著一臺Artec Eva三維掃描儀，站在于黑暗中蜿蜒前伸的混凝土引水管內，頭頂四米開外就是一臺紋絲不動的巨型渦輪機，兩個舊閥門擋住了另一頭洶涌磅礴的水流——是時候開工了。這里是法國汝拉山脈的一處水電站，自建成至今已有87年的歷史。在接下來的五個小時里，達米安和他的同事紀堯姆·德馬爾什一同在漆黑的管道中摸索前進，使用Artec Eva精準采集了巨型引水管的每個部位。
這座水電站滿負荷運轉時，發電量超過10兆瓦，足以為5000個家庭供電。而現在，水電站按下了“暫停鍵”。渦輪機關閉的每一小時，都會造成巨額損失。因此工時非常緊張，達米安的團隊必須爭分奪秒。
不僅如此，他們的工作還面臨著相當的危險：水庫水位已經上升至危險等級，人員隨時都有可能被迫疏散。
01
87年以來第一次改造
1934年，作為第一次世界大戰戰敗國賠償的一部分，一位德國工程師為法國人主持建造了這座水電站。自建成以來，水電站始終處于運行狀態。近日，水電站迎來了第一次“大保養”。項目承包商計劃對水電站的混流式水輪機進行更換。
為了設計并制造出性能優異的渦輪機，必須首先對巨型引水管的尺寸進行精確采集。
如果采集到的測量數據不夠精確，那么安裝上去的新渦輪機可能就無法達到額定功率，無法滿足發電站的標準。
更糟糕的是，測量數據的誤差過大不僅可能引發功率損失、汽蝕等問題，甚至可能導致渦輪機振動頻率過高，重演2009年薩揚-舒申斯克水電站的悲劇。
編者按
2009年8月17日，俄羅斯薩揚-舒申斯克水電站發生重大事故，造成75人死亡；10臺機組不同程度破壞，廠房被摧毀；事故造成該地區25%的電力缺口；40噸變壓器油溢出，400噸養殖鮭魚死亡 ；直接經濟損失達130億美元。
事故直接原因是超負荷運轉導致2#水輪機劇烈振動，機組頂蓋固定螺栓發生疲勞破壞，導致2#水輪機上蓋及轉子射出，水柱從水輪機處的空腔噴入主廠房，淹沒主廠房發電機層及下面各層。
02
精準決定了一切
引水管的原始圖紙還在。但在87年的時間里，在水流的日夜沖刷下，引水管的尺寸已經產生了一定變化。原始圖紙已不能作為可靠的工程圖來使用。
不合規范的、誤差過大的數據不僅可能會造成設備損傷，帶來安全隱患；也會讓渦輪機制造商和水電站改造項目承包商面臨罰款、訴訟等嚴重后果。
于是，項目承包商找到了3DLM公司的達米安。達米安是三維掃描工業應用方面的專家，非常擅長為老舊結構或零部件進行逆向工程。
達米安解釋道：“如果引水管的幾何形態比較簡單，就能輕松使用傳統測繪工具采集數據。但是此處的引水管形態非常復雜。所以如果要制作毫米級別的CAD模型，我們必須選擇三維掃描。”
03
尋找合適的三維掃描儀
達米安找到了Artec3D金牌授權經銷商Boreal3D公司，結識了三維掃描工程師紀堯姆。紀堯姆向他推薦了Artec Eva。這是一款手持式專業三維掃描儀，精度達到0.1mm，深受世界各地的逆向工程師青睞。
達米安補充道：“本項目工期很緊。但有了Artec Eva，僅用了短短五個小時，我們就完整地捕獲了12米長的引水管。所生成的CAD模型可進一步用于CFD計算機流體力學模擬，在精確數據的全面指導下設計并制造新的渦輪機。”
04
巨型管道掃描挑戰
考慮到項目復雜，工作量巨大，達米安請紀堯姆到項目現場協助。經過一番精心策劃后，他們進入水電站發電機組引水管，迅速開展行動。
他們將引水管劃分成10個獨立部分，分別進行掃描。并且在引水管內壁涂上了噴漆，作為數據拼接的參照。
達米安補充道：“本項目工期很緊。但有了Artec Eva，僅用了短短五個小時，我們就完整地捕獲了12米長的引水管。所生成的CAD模型可進一步用于CFD計算機流體力學模擬，在精確數據的全面指導下設計并制造新的渦輪機。”
04
巨型管道掃描挑戰
考慮到項目復雜，工作量巨大，達米安請紀堯姆到項目現場協助。經過一番精心策劃后，他們進入水電站發電機組引水管，迅速開展行動。
他們將引水管劃分成10個獨立部分，分別進行掃描。并且在引水管內壁涂上了噴漆，作為數據拼接的參照。
達米安進一步補充道：“此前我聽說，三維掃描儀在透過水掃描時精度表現會嚴重下降。但Eva卻沒有出現任何問題。為保險起見，我們對部分積水區域用激光遙測法驗證了精度，發現Eva的數據仍然保持一貫的精度。”
整根水管劃分成10個區域，每個區域的掃描時間約為半小時。整個水管的掃描從頭到尾共耗時5個小時左右。
05
創建CAD模型
引水管內壁有一層5-10mm厚的礦物層，這是數十年來水流沖刷水管留下的沉積物。我們需要在3D模型上準確地重現礦物層，以便在后續CFD模擬中精確地再現水在管道中的流速。
掃描結束后，我們需要對原始數據進行后處理，進一步生成CAD模型。
紀堯姆表示：“我在Artec Studio中刪除了一些多余數據，隨后把十塊區域對齊，就迅速合成了引水管的網格3D模型。”
下一步，利用Artec Studio的逆向功能，達米安創建了一些基礎圖元，并將圖元擬合到引水管3D模型上。接下來，他將所有圖元以STP格式導出至Solidworks軟件，并以圖元為參考，快速完成了草圖、繪制以及CAD模型擠壓等工序。
“掃描完成后，可以在Artec Studio中直接創建CAD基礎圖元，這樣的操作能幫我們大幅縮短工作流程。”達米安對AS的逆向功能贊不絕口。
06
一次搞定，無需返工
達米安補充道：“有了Eva，我們信心十足。甚至這樣一個形態不規則的巨型引水管也可以一次搞定。也就是說，我們不需要二次掃描，不需要返工。”
“如果你已經回到了辦公室，正在做數據后處理，突然發現某個部位的數據缺失，那么重新回到項目現場進行補掃，成本將非常昂貴。但我們不一樣——掃描完的那一刻，我們對自己的數據就胸有成竹，精度始終在線，完整度有保證。”
達米安趕在交付日期前完成了CAD模型。他將CAD模型發送給項目承包商，再由承包商轉發給渦輪機制造商。制造商對數據質量非常滿意，立刻投入了渦輪機設計工作。
數周后，掃描團隊又一次來到水電站，掃描了另一根引水管，通過類似的工作流程同樣制作了CAD模型。
07
原始圖紙散佚？不是問題
“掃描巨型物體，例如引水管，最大的挑戰是如何獲得理想的精度效果。巨型物體各個部分的復雜程度不同。所以，要根據每個部分來動態調整采集方式。”
達米安說道：“在我們日常接到的項目中，約有70%的項目原始圖紙早已散佚。而Artec Eva圓滿地完成了每一個任務，解決了原始圖紙缺失的問題。”
“有了Eva，我們可以精準采集測量數據，制作CAD模型，從幾厘米到幾米長都沒問題。我認為Eva最大的優勢之一就是適用范圍非常廣泛。對改造、檢驗、維護等多種工作而言，制成的CAD模型都能發揮關鍵作用。”
使用工具：Artec Eva, Artec Studio, Solidworks
效果：借助Artec Eva三維掃描儀，在5小時內完整捕獲巨型引水管。隨后基于掃描數據，創建毫米級精度的CAD模型。將數據發送給渦輪機制造商，用于水電站新渦輪機的設計與制造。
△工程師使用Artec Eva對水力發電站引水管末端進行掃描。
法國，汝拉山脈的深處——達米安·德爾蒙特手里拿著一臺Artec Eva三維掃描儀，站在于黑暗中蜿蜒前伸的混凝土引水管內，頭頂四米開外就是一臺紋絲不動的巨型渦輪機，兩個舊閥門擋住了另一頭洶涌磅礴的水流——是時候開工了。這里是法國汝拉山脈的一處水電站，自建成至今已有87年的歷史。在接下來的五個小時里，達米安和他的同事紀堯姆·德馬爾什一同在漆黑的管道中摸索前進，使用Artec Eva精準采集了巨型引水管的每個部位。
這座水電站滿負荷運轉時，發電量超過10兆瓦，足以為5000個家庭供電。而現在，水電站按下了“暫停鍵”。渦輪機關閉的每一小時，都會造成巨額損失。因此工時非常緊張，達米安的團隊必須爭分奪秒。
不僅如此，他們的工作還面臨著相當的危險：水庫水位已經上升至危險等級，人員隨時都有可能被迫疏散。
01
87年以來第一次改造
1934年，作為第一次世界大戰戰敗國賠償的一部分，一位德國工程師為法國人主持建造了這座水電站。自建成以來，水電站始終處于運行狀態。近日，水電站迎來了第一次“大保養”。項目承包商計劃對水電站的混流式水輪機進行更換。
△工程師正在監測水位。
為了設計并制造出性能優異的渦輪機，必須首先對巨型引水管的尺寸進行精確采集。
如果采集到的測量數據不夠精確，那么安裝上去的新渦輪機可能就無法達到額定功率，無法滿足發電站的標準。
更糟糕的是，測量數據的誤差過大不僅可能引發功率損失、汽蝕等問題，甚至可能導致渦輪機振動頻率過高，重演2009年薩揚-舒申斯克水電站的悲劇。
編者按
2009年8月17日，俄羅斯薩揚-舒申斯克水電站發生重大事故，造成75人死亡；10臺機組不同程度破壞，廠房被摧毀；事故造成該地區25%的電力缺口；40噸變壓器油溢出，400噸養殖鮭魚死亡 ；直接經濟損失達130億美元。
事故直接原因是超負荷運轉導致2#水輪機劇烈振動，機組頂蓋固定螺栓發生疲勞破壞，導致2#水輪機上蓋及轉子射出，水柱從水輪機處的空腔噴入主廠房，淹沒主廠房發電機層及下面各層。
02
精準決定了一切
引水管的原始圖紙還在。但在87年的時間里，在水流的日夜沖刷下，引水管的尺寸已經產生了一定變化。原始圖紙已不能作為可靠的工程圖來使用。
不合規范的、誤差過大的數據不僅可能會造成設備損傷，帶來安全隱患；也會讓渦輪機制造商和水電站改造項目承包商面臨罰款、訴訟等嚴重后果。
于是，項目承包商找到了3DLM公司的達米安。達米安是三維掃描工業應用方面的專家，非常擅長為老舊結構或零部件進行逆向工程。
達米安解釋道：“如果引水管的幾何形態比較簡單，就能輕松使用傳統測繪工具采集數據。但是此處的引水管形態非常復雜。所以如果要制作毫米級別的CAD模型，我們必須選擇三維掃描。”
03
尋找合適的三維掃描儀
達米安找到了Artec3D金牌授權經銷商Boreal3D公司，結識了三維掃描工程師紀堯姆。紀堯姆向他推薦了Artec Eva。這是一款手持式專業三維掃描儀，精度達到0.1mm，深受世界各地的逆向工程師青睞。
達米安補充道：“本項目工期很緊。但有了Artec Eva，僅用了短短五個小時，我們就完整地捕獲了12米長的引水管。所生成的CAD模型可進一步用于CFD計算機流體力學模擬，在精確數據的全面指導下設計并制造新的渦輪機。”
04
巨型管道掃描挑戰
考慮到項目復雜，工作量巨大，達米安請紀堯姆到項目現場協助。經過一番精心策劃后，他們進入水電站發電機組引水管，迅速開展行動。
他們將引水管劃分成10個獨立部分，分別進行掃描。并且在引水管內壁涂上了噴漆，作為數據拼接的參照。
達米安補充道：“本項目工期很緊。但有了Artec Eva，僅用了短短五個小時，我們就完整地捕獲了12米長的引水管。所生成的CAD模型可進一步用于CFD計算機流體力學模擬，在精確數據的全面指導下設計并制造新的渦輪機。”
04
巨型管道掃描挑戰
考慮到項目復雜，工作量巨大，達米安請紀堯姆到項目現場協助。經過一番精心策劃后，他們進入水電站發電機組引水管，迅速開展行動。
他們將引水管劃分成10個獨立部分，分別進行掃描。并且在引水管內壁涂上了噴漆，作為數據拼接的參照。
△紀堯姆正在使用Artec Eva掃描引水管內壁。
達米安進一步補充道：“此前我聽說，三維掃描儀在透過水掃描時精度表現會嚴重下降。但Eva卻沒有出現任何問題。為保險起見，我們對部分積水區域用激光遙測法驗證了精度，發現Eva的數據仍然保持一貫的精度。”
整根水管劃分成10個區域，每個區域的掃描時間約為半小時。整個水管的掃描從頭到尾共耗時5個小時左右。
05
創建CAD模型
引水管內壁有一層5-10mm厚的礦物層，這是數十年來水流沖刷水管留下的沉積物。我們需要在3D模型上準確地重現礦物層，以便在后續CFD模擬中精確地再現水在管道中的流速。
掃描結束后，我們需要對原始數據進行后處理，進一步生成CAD模型。
紀堯姆表示：“我在Artec Studio中刪除了一些多余數據，隨后把十塊區域對齊，就迅速合成了引水管的網格3D模型。”
△在Artec Studio中經過后處理的引水管3D模型。
下一步，利用Artec Studio的逆向功能，達米安創建了一些基礎圖元，并將圖元擬合到引水管3D模型上。接下來，他將所有圖元以STP格式導出至Solidworks軟件，并以圖元為參考，快速完成了草圖、繪制以及CAD模型擠壓等工序。
“掃描完成后，可以在Artec Studio中直接創建CAD基礎圖元，這樣的操作能幫我們大幅縮短工作流程。”達米安對AS的逆向功能贊不絕口。
06
一次搞定，無需返工
達米安補充道：“有了Eva，我們信心十足。甚至這樣一個形態不規則的巨型引水管也可以一次搞定。也就是說，我們不需要二次掃描，不需要返工。”
“如果你已經回到了辦公室，正在做數據后處理，突然發現某個部位的數據缺失，那么重新回到項目現場進行補掃，成本將非常昂貴。但我們不一樣——掃描完的那一刻，我們對自己的數據就胸有成竹，精度始終在線，完整度有保證。”
達米安趕在交付日期前完成了CAD模型。他將CAD模型發送給項目承包商，再由承包商轉發給渦輪機制造商。制造商對數據質量非常滿意，立刻投入了渦輪機設計工作。
△引水管CAD模型。
數周后，掃描團隊又一次來到水電站，掃描了另一根引水管，通過類似的工作流程同樣制作了CAD模型。
07
原始圖紙散佚？不是問題
“掃描巨型物體，例如引水管，最大的挑戰是如何獲得理想的精度效果。巨型物體各個部分的復雜程度不同。所以，要根據每個部分來動態調整采集方式。”
達米安說道：“在我們日常接到的項目中，約有70%的項目原始圖紙早已散佚。而Artec Eva圓滿地完成了每一個任務，解決了原始圖紙缺失的問題。”
“有了Eva，我們可以精準采集測量數據，制作CAD模型，從幾厘米到幾米長都沒問題。我認為Eva最大的優勢之一就是適用范圍非常廣泛。對改造、檢驗、維護等多種工作而言，制成的CAD模型都能發揮關鍵作用。”
(責任編輯：admin)
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