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申请/专利权人：昆明理工大学

摘要：本发明公开了一种基于倍频的水轮机转轮叶片裂纹识别方法，首先，构建处于工作流道中的1种健康叶片转轮和12种裂纹叶片转轮模型；其次，对所建的13种模型进行网格划分；再次，设置有限元分析的边界条件；从次，基于有限元分析软件求解湿模态的固有频率，并求解裂纹叶片转轮与健康叶片转轮之间的各阶频率差值；最后，对频率差值较大的阶数的频率结果进行倍频转换，绘制不同裂纹形态下叶片转轮的频率差值与倍频的关系图，得到其倍频规律。在待测水轮机停机时，利用外加激励源，测量转轮的频率响应信号，提取出其频率，转换成倍频，根据倍频规律识别转轮叶片是否产生裂纹。上述方法可为含长短叶片的混流式水轮机转轮上叶片裂纹识别提供一定指导。

主权项：1.一种基于倍频的水轮机转轮叶片裂纹识别方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、选取处于工作流道中的1种健康叶片转轮和12种不同的裂纹叶片转轮模型，所述的12种不同的裂纹叶片转轮模型是代表分别位于4个不同位置的长薄、短薄、长厚各3种裂纹叶片转轮形态情况；所述工作流道指实际转轮外侧的水体；所述水轮机为混流式水轮机；步骤2、对步骤1中所建的13种模型进行网格划分，以便进行有限元分析；网格划分采用的是四面体网格，网格尺寸占转轮直径的2％～20％；步骤3、设置有限元分析的边界条件，包含转轮轴承处的位移约束、水体的阻抗边界条件；步骤4、求解湿模态的固有频率，并求解裂纹叶片转轮与健康叶片转轮之间的各阶频率差值，所述湿模态指考虑水介质对结构的影响的模态；所述求解湿模态的固有频率基于有限元分析软件；设置所需求解的阶数进行求解；所述频率差值指健康叶片转轮的频率减去对应阶数的裂纹叶片转轮的频率；求解的阶数设置1-20阶；步骤5、对频率差值较大的阶数的频率结果进行倍频转换，绘制不同裂纹形态下叶片转轮的频率差值与倍频的关系图，得到其倍频规律，所述频率差值较大的阶数为3-10阶；所述倍频指裂纹叶片转轮的频率与健康叶片转轮的转频之比；步骤6、在待测水轮机停机时，利用外加激励源，测量转轮的频率响应信号，提取出其频率，转换成倍频，根据倍频规律识别转轮叶片是否产生裂纹；所述倍频规律是待测水轮机转轮的倍频偏离健康叶片转轮的倍频，且在第3-10阶为15-73时，可识别转轮叶片产生裂纹；步骤4进行求解时，需考虑影响结构的动力平衡方程、声学控制方程、声流固耦合方程；其中，当忽略周围介质对结构的影响时，所述考虑影响的结构动力平衡方程表示为如式1所示的离散化的线性结构动力方程： 式中[MS]、[CS]和[KS]分别为n×n的质量矩阵、n×n的阻尼矩阵和n×n的刚度矩阵，n为自由度；{u}分别为加速度、速度和位移；{FS}为施加的荷载矢量；在流固耦合系统中，在结构表面需考虑水压{Fpr}如式2所示： 所述声学控制方程的推导过程为，假设流体是可压缩、无粘性耗散、无旋、没有平均流动，流体域不同区域的平均密度和压力变化很小，则线性化的连续性方程表示为如式3所示： 式中，va是声速，pa是压力，是流体介质中的声速；线性化的Navier-Stokes方程表示为如式4所示： 联立线性化连续性方程3和线性化Navier-Stokes方程4则得到如式5所示的声波方程： 对声波方程5进行离散化，通过矩阵表示法离散的波动方程如式6所示： 式中[MF]，[CF]和[KF]分别为n×n的声流体质量矩阵、n×n的声流体阻尼矩阵和n×n的声流体刚度矩阵，n为自由度；{pe}是节点压力矢量，[R]为声流体边界矩阵，声流体质量密度常数；为了统一式2、6，{Fpr}可以表示如下：{Fpr}＝[R]{pe}7所述声流固耦合方程通过同时求解转轮结构动力方程2和声学控制方程6而得到，表示为如式8所示：

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