Trodimenzionalna digitalizacija turbina u hidroelektranama

Optički sustav za 3D-digitalizaciju ATOS poduzeća GOM mbH iz Njemačke zajedno s fotogrametrijskim sustavom TRITOP omogućava izuzetno detaljno bilježenje oblika kompliciranih objekata veličine i do desetak ili više metara. Oprema je lako prenosiva i robusna (slika 1), tako da se digitalizacija bez problema provodi na mjestu gdje se mjerni objekt nalazi (npr. u industrijskim pogonima, halama itd.), umjesto da se objekt prenosi u mjerni laboratorij, što je uobičajeno kod mnogih klasičnih metoda mjerenja.

Slika 1. Unašanje mjernih sustava ATOS i TRITOP kroz mali otvor i provedba mjerenja u unutrašnjosti turbine u hidroelektrani.

Topomatika d.o.o. ostvarila je vrlo plodonosnu suradnju sa Institutom građevinarstva Hrvatske i Hrvatskom elektroprivredom. Provedena je digitalizacija turbina u više hidroelektrana u cilju ustanovljavanja njihovog stanja, kontrole geometrije, pripreme rekonstrukcije itd.

3D digitalizacija rotora peltonove turbine

Peltonove turbine su karakteristične za hidroelektrane s visokim padom (tlakom) i manjim protocima vode (slika 2). Budući da se vrte velikim brojem okretaja, važna je pravilnost geometrije rotora i njegova dobra uravnoteženost.

Postupak digitalizacije rotora započinje fotogrametrijskim snimanjem pomoću profesionalne digitalne kamere (slika 3). Obradom snimljenih fotografija u programu TRITOP izračunava se prostorni položaj referentnih točaka nalijepljenih na rotor.

Slika 2. Rotor peltonove turbine.	Slika 3. Fotogrametrijsko snimanje.

Oblik turbinskih lopatica između referentnih točaka određuje se pomoću sustava ATOS koji na njihovu površinu projicira guste linije i snima ih pomoću dvije izkalibrirane digitalne kamere. Za 2 sekunde, koliko traje pojedinačno snimanje, dobije se i do četiri milijuna trodimenzionalnih mjernih točaka koje vrlo precizno opisuju oblik snimanoga segmenta lopatice. Snimanja se ponavljaju dok odabrane turbinske lopatice ili cijeli rotor nisu trodimenzionalno snimljeni sa svih strana. Poklapanje pojedinih snimaka u jednu cjelinu, odnosno zajednički koordinatni sustav, provodi se automatski koristeći fotogrametrijski određene referentne točke.

Konačni rezultat digitalizacije rotora peltonove turbine prikazan je na slici 4. i sastoji se od više milijuna trodimenzionalnih mjernih točaka. Tipična je gustoća od 10 mjernih točaka po kvadratnom milimetru, odnosno razmak točaka od 0.3 mm. Prema potrebi i željenoj rezoluciji mjerenja ATOS se može lako namjestiti da određuje još gušće ili rijeđe mjerne točke.

Slika 4. Rezultat digitalizacije rotora peltonove turbine sustavima ATOS i TRITOP.

Ovako detaljan trodimenzionalni digitalni model idealan je za pronalaženje i vrlo malih nepravilnosti geometrije rotora turbine. Stvarni oblik turbinskih lopatica može se usporediti s projektiranim oblikom (ako postoji CAD model) ili se uspoređuju lopatice međusobno (slika 5). Odstupanja oblika prikazana su pomoću različitih boja u skladu sa skalom na desnoj strani slike. Dobro su vidljiva područja gdje se oblik lopatica razlikuje za dva i više milimetara (crvena i plava boja).

Mjerne točke mogu biti prorijeđene (slika 6), kako bi rezultat bio prikladan za obradu u klasičnim CAD sustavima koji u pravilu teško rukuju s velikom količinom podataka.

Slika 5. Međusobna odstupanja oblika dviju lopatica.	Slika 6. Segment rotora turbine.

3D digitalizacija rotora francisove turbine

Francisove turbine vrlo su rasprostranjene u hidroelektranama po Hrvatskoj (slika 7). Koriste se za srednje padove i protoke vode, a odlikuje ih visoka učinkovitost kod različitih režima rada.

Slika 7. Rotor turbine na vratilu.	Slika 8. Rotor pripremljen za 3D digitalizaciju.

Rotor francisove turbine ima vrlo zakrivljene i gusto postavljene lopatice, koje se u pravilu na kraju proizvodnje ručno bruse i poliraju. Budući da su kanali za protok vode vrlo nepristupačni, izrada ovih turbina vrlo je teška i podložna netočnostima, a kontrola oblika lopatica klasičnim je postupcima skoro nemoguća.

Digitalizacija rotora francisove turbine sustavima ATOS i TRITOP provodi se na ist način kao i kod peltonovih turbina. Rezultat je digitalizirani model s više milijuna mjernih točaka (slika 9), a značajno je da se usprkos nepristupačnosti u pravilu može trodimenzionalno snimiti kompletna površina lopatica (slika 10).

Slika 9. Digitalizirani model rotora.	Slika 10. Jedna od lopatica rotora.

Ovakav cjeloviti rezultat digitalizacije omogućava kontrolu oblika rotora, određivanje dimenzija potrebnih za rekonstrukciju turbine, proizvodnju zamjenskog rotora, izradu vjernih umanjenih kopija prikladnih za modelska ispitivanja, izradu CAD modela itd. Digitalizirani rezultat se prema potrebi daljnje analize može reducirati na manji broj točaka (slika 11) ili prikazati pomoću u tehnici uobičajenih paralelnih presjeka (slika 12).

Slika 11. Reducirani digitalizirani model.	Slika 12. Prikaz paralelnih presjeka.

Kontrola geometrije kaplanovih cijevnih turbina

Topomatika d.o.o. provela je tijekom 2001. i 2002. godine kontrolu oblika i položaja lopatica dvaju radnih kola kaplanovih cijevnih turbina u hidroelektrani Dubrava na Dravi (slika 13). Prilikom rada tih agregata dolazi do štetne pojave cikličkog njihanja snage kod svakog okretaja, što je posebno izraženo na agregatu A1. Zbog utvrđivanja stanja trebalo je točno odrediti stupanj geometrijske sličnosti lopatica i pravilnost njihove montaže na glavčinu rotora turbina. Provedena je detaljna trodimenzionalna digitalizacija lopatica oba agregata sustavima ATOS i TRITOP u različitim položajima i otvorenostima radnih kola.

Slika 13. Priprema radnoga kola (promjer 5,4 m) turbine za trodimenzionalnu digitalizaciju.	Slika 14. Rezultat digitalizacije lopatica sustavima ATOS i TRITOP.

Rezultati digitalizacije (slika 14) omogućuju detaljnu usporedbu oblika lopatica. Na slici 15. prikazani su poprećni presjeci prednjeg ulaznog brida sve četiri lopatice agregata A2. Veća međusobna odstupanja vidljiva su pogotovo kod presjeka A-A, uz glavčinu radnoga kola. Budući da su rotacijom radnoga kola sve lopatice digitalizirane u istom položaju, određene su i nepravilnosti ugradnje lopatica na vratila (slika 16).

Slika 15. Oblik lopatica duž presjeka u okolici prednjeg, ulaznog brida.

Slika 16. Odstupanja površina 1. i 4. lopatice agregata A1 uzrokovana nepravilnostima njihovog oblika i ugradnje na vratilo.

Tabela 1. Razlika napadnog kuta ostalih lopatica u odnosu na 1. lopaticu agregata A1 i A2.

Tabela 1. prikazuje razlike kuta lopatica za agregate A1 i A2. Kod agregata A1 lopatice 3 i 4 su primjetno zatvorenije od lopatica 1 i 2 (negativan kut). Kod agregata A2 su lopatice 2 i 3 zatvorenije od 1 i 4, ali odstupanja ne prelaze iznos od 0,08°. Očito je da su odstupanja napadnoga kuta lopatica agregata A1 skoro tri puta veća nego ista ta odstupanja kod agregata A2.

Usprkos teškim uvjetima za mjerenja u protočnom traktu turbine, pouzdanost određivanja položaja prosječno je iznosila oko 0,1 mm, a kuta oko 0,01°, što je potvrđeno na temelju više kriterija.

Institutu građevinarstva Hrvatske i Hrvatskoj elektroprivredi zahvaljujemo na višegodišnjoj suradnji i povjerenju.