一种风力机叶片超声检测的缺陷种类判定方法
【专利摘要】本发明公开了一种风电叶片超声波无损检测中对缺陷类型进行判断的方法。该方法采用超声波探伤技术对风力机叶片进行检测，通过所建立的缺陷物理模型与实际叶片缺陷中声强反射系数的比对，实现判定实际缺陷的种类。该方法由以下几部分组成：叶片典型缺陷分析，缺陷物理模型的建立，物理模型声强反射系数计算，实际叶片缺陷声强反射系数计算，实际叶片缺陷种类确定。
【专利说明】一种风力机叶片超声检测的缺陷种类判定方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及机械行业风力发电【技术领域】，尤其涉及一种风力机叶片超声检测的缺 陷种类判定方法。
【背景技术】
[0002] 风能是一种重要的可再生能源，我国仍处在风力发电高速发展的时期。风力发电 机的寿命和安全性影响着风电利用和发展的脚步，是风能利用能否健康快速发展的重要因 素。风电叶片作为风力发电机基础和关键的部件，其寿命和安全性直接影响着整个风电机 组的寿命和安全状况。在风电叶片生产、运行的过程中，可能会因为生产工艺和运行工况导 致叶片内部复合材料和结构产生损伤。损伤的存在会在叶片运行过程中复杂交变载荷的影 响下进一步扩展，造成局部薄弱区，并最终降低叶片的寿命和运行安全性。为使风电叶片的 寿命和安全性得到保障，有必要对其开展损伤和故障的诊断。这些风电叶片内部的缺陷是 无法通过常规质检、日常维护被发现出来。无损检测是一种不破坏物体结构，发现物体内部 缺陷损伤的检测手段，可以尝试应用于风电叶片中对其内部损伤进行探寻，以保障风电叶 片乃至整个风电机组的安全运行及使用寿命。超声波无损检测具备穿透能力较大，对平面 型缺陷探伤灵敏度较高，可较为准确地测定缺陷的深度和大小，设备轻便，操作安全，易于 实现自动化检验等优点。但由于不同种类的缺陷对风力机叶片性能的影响程度不同，通过 超声波无损检测直接获取的信号，无法对叶片内部缺陷种类进行识别，这将有碍于对风力 机叶片质量的评估和对生产工艺过程的反馈。建立一套应用于风电叶片超声波检测的缺陷 种类判别方法，是开展风电叶片超声检测的重要保障。
[0003] 本专利所提供的方法，基于对风电叶片典型缺陷进行分析，建立缺陷损伤的物理 模型，通过实测叶片与物理模型中声强反射系数的对比，确定缺陷对应的物理模型，并结合 缺陷出现的位置和规模判定缺陷种类。
【发明内容】
[0004] (一）要解决的技术问题
[0005] 针对风力机叶片超声无损检测中，在得到缺陷超声信号的前提下，无法通过直观 的超声反射信号图像确定缺陷种类的问题，需要有一种评估方法，对超声反射波信号进行 评判，确认具体的缺陷种类。
[0006] (二）技术方案
[0007] 本发明提供了一种利用超声波声强反射系数对比的方法，能够有效地对风力机叶 片缺陷种类进行判定。其特征在于，该方法由以下几部分组成：分析典型缺陷；简化物理模 型；计算物理模型声强反射系数；计算实际缺陷声强反射系数；确定缺陷种类。具体步骤如 下：
[0008] 1)分析典型缺陷。本方法适用于如下几种典型缺陷：分层、气孔、夹杂、结构胶缺 胶等缺陷。以上几种缺陷中均出现了声阻抗差异较大介质的界面，如复合材料与空气或者 复合材料与杂质之间。如所待测的叶片缺陷可能属于上述缺陷类型，可采用该方法进行检 测与评定。
[0009] 2)简化物理模型。对于上述几种叶片缺陷中分层、气孔、结构胶缺胶缺陷，可简化 为玻璃钢复合材料-空气物理模型，模型如附图1所示；对于夹杂缺陷，可简化为玻璃钢复 合材料_杂质物理模型，模型如附图2所示。
[0010] 3)计算物理模型声强反射系数。根据不同材料的声阻抗，通过公式
【权利要求】
1. 一种风力机叶片超声检测的缺陷种类判定方法，其特征在于，该方法包括分析叶片 典型缺陷、建立叶片典型缺陷物理模型、计算叶片典型缺陷物理模型声强反射系数、实际测 试并计算实际叶片缺陷声强反射系数和确定实际叶片缺陷种类，具体步骤如下： 1) 分析叶片典型缺陷。本方法适用于如下几种典型缺陷：分层、气孔、夹杂、结构胶缺 胶等缺陷。以上几种缺陷中均出现了声阻抗差异较大介质的界面，如复合材料与空气或者 复合材料与杂质之间。如所待测的叶片缺陷可能属于上述缺陷类型，可采用该方法进行检 测与评定。 2) 简化物理模型。对于上述几种叶片缺陷中分层、气孔、结构胶缺胶缺陷，可简化为玻 璃钢复合材料-空气物理模型；对于夹杂缺陷，可简化为玻璃钢复合材料-杂质物理模型。 3) 计算物理模型声强反射系数。根据不同材料的声阻抗，通过公式 R =I1fI7=(PrZP0)2=?计算步骤2)中所建立的两种物理模型中玻璃钢复合材料 IyZ2 +ZlyI 与空气界面、玻璃钢复合材料与杂质界面的声强反射系数，其中I。指入射波声强，L指反射 波声强，Z1指声波传出材料的声阻抗，Z2指声波传入材料的声阻抗，P。指入射波声压，指 反射波声压。 4) 实际测试并计算实际缺陷声强反射系数。对实际待测叶片进行超声测量，并计算出 缺陷界面的声强反射系数具体过程如下： 以1号位置代表发现缺陷的位置，2号位置代表没有缺陷的位置，0-1代表缺陷位置缺 陷界面的入射波，r-Ι代表缺陷界面反射波；〇-2代表无缺陷位置底面玻璃钢与空气界面的 入射波，r-2代表玻璃钢-空气界面反射波。 通过检测设备获得缺陷界面反射波r-Ι和无缺陷位置底面玻璃钢-空气界面反射波r_2的波高，通过已知的无缺陷位置底面玻璃钢与空气界面反射波r-2的波高推导出缺陷 界面入射波0-1的波高：①将玻璃钢与空气界面反射波r-2波高通过步骤3)中玻璃钢复合 材料-空气物理模型的反射系数，推导出玻璃钢与空气界面入射波〇-2的波高；②通过对不 同厚度同材质的玻璃钢进行测试，记录不同厚度反射信号的分贝值，得到材料衰减曲线和 缺陷深度与地面深度之间的衰减分贝值；③将玻璃钢与空气界面入射波〇-2的波高利用衰 减分贝值推导出缺陷界面入射波0-1的波高。 在得知缺陷界面反射波r-Ι的波高和缺陷界面入射波0-1的波高后，计算出实际缺陷 界面的声强反射系数。 5) 确定缺陷种类。将步骤4)中所获得的实际缺陷界面的声强反射系数与步骤3)中物 理模型声强反射系数进行对比，确定出实际缺陷所对应的相应物理模型，并结合出现缺陷 的位置和规模，判断实际缺陷的具体种类。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法针对风力机叶片分层、气孔、夹杂、 结构胶缺胶等出现声阻抗差异较大介质界面的缺陷。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将分层、气孔、结构胶缺胶等缺陷简化为 玻璃钢复合材料-空气模型；将夹杂缺陷简化为玻璃钢复合材料-杂质模型。
4. 根据权利要求1，权利要求3所述的方法，其特征在于，需要计算两种缺陷物理模型 界面的声强反射系数。
5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，需要根据实际缺陷回波的屏幕波高和底 面回波的屏幕波高，推导出实际界面的声强反射系数。
6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在推导实际界面声强反射系数时，需要考 虑到衰减影响。
7. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过实际缺陷界面的声强反射系数与物 理模型声强反射系数进行对比的方法，确定实际缺陷对应的物理模型，并结合缺陷的位置、 规模判定实际缺陷的种类。
【文档编号】G01N29/04GK104458911SQ201410779635
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月16日 优先权日:2014年12月16日
【发明者】李苏威, 石可重 申请人:中国科学院工程热物理研究所