【技术实现步骤摘要】
一种透平机械故障的诊断方法
本专利技术涉及透平机械振动监测及故障诊断领域，尤其是涉及一种透平机械故障的诊断方法。
技术介绍
随着航空发动机、燃气轮机“两机专项”计划的启动实施，我国透平机械相关产业迎来了历史性的发展机遇。透平机械例如航空发动机以其复杂的结构、恶劣的工作环境被誉为“工业皇冠上的明珠”，其研制和生产水平已经成为一个国家科技实力的象征。透平机械的转子-叶片系统在多种循环交变载荷以及气动/结构阻尼的作用下极易发生强迫振动、机械失稳甚至疲劳断裂，同时，由于加工制造误差以及操作磨损引起的转子与静子之间的碰摩、转子的不平衡振动、轴承磨损等故障严重影响着透平机械的安全、平稳、高效运行。因此，对透平机械转子-叶片系统进行振动监测和诊断是很有必要的，通过跟踪振动特征值的变化，可以达到故障诊断及预警的目的。目前，对于转子-叶片系统振动情况的监测诊断，大多是相互独立且互不相关的，即通过对应的监测系统分别监测转子和叶片的振动，这种监测方式没有考虑转子-叶片系统中的振动耦合关系，同时要求传感器数量多，测点布置繁杂，系统调试工作量大，监测诊断成本高昂、效率低。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种透平机械故障的诊断方法，该方法基于转子-叶片系统中的振动耦合关系，通过转子叶片的到达时间信息进行转子-叶片系统典型故障的监测诊断，从而减少了传感器的安装数量，降低成本。具体的，本专利技术提供了一种透平机械故障的诊断方法，所述诊断方法包括以下步骤：1)测量透平机械上键相参考到达第一...
【技术保护点】
1.一种透平机械故障的诊断方法，其特征在于，所述诊断方法包括以下步骤：/n1)测量透平机械上键相参考到达第一目标位置的第一到达时间以及每一个转子叶片前缘到达第二目标位置的第二到达时间和每一个转子叶片后缘到达第三目标位置的第三到达时间；/n2)基于所述第一到达时间、第二到达时间和第三到达时间，计算每一个转子叶片的第一振动位移、第二振动位移、第一转频、第二转频和扭转角；/n3)基于所述每一个转子叶片的第一振动位移和第二振动位移，分析转子叶片振动的特征；和/n4)基于所述每一个转子叶片的第一转频、第二转频、扭转角以及所述转子叶片振动的特征，判断透平机械的故障类型。/n
【技术特征摘要】
1.一种透平机械故障的诊断方法，其特征在于，所述诊断方法包括以下步骤：
1)测量透平机械上键相参考到达第一目标位置的第一到达时间以及每一个转子叶片前缘到达第二目标位置的第二到达时间和每一个转子叶片后缘到达第三目标位置的第三到达时间；
2)基于所述第一到达时间、第二到达时间和第三到达时间，计算每一个转子叶片的第一振动位移、第二振动位移、第一转频、第二转频和扭转角；
3)基于所述每一个转子叶片的第一振动位移和第二振动位移，分析转子叶片振动的特征；和
4)基于所述每一个转子叶片的第一转频、第二转频、扭转角以及所述转子叶片振动的特征，判断透平机械的故障类型。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：
5)基于所述透平机械的故障类型进行报警。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：
所述透平机械上键相参考为真实物理存在的相位参考或者根据转子叶片到达目标位置的时间计算得到的虚拟参考；
所述转子叶片为透平机械风扇转子叶片或压气机转子叶片；
所述第一目标位置为键相传感器测点位置，有键相时为转子周向的某一固定位置，无键相时为虚拟位置；
所述第二目标位置为安装在转子叶片前缘对应的机匣上的传感器的测点位置；和
所述第三目标位置为安装在转子叶片后缘对应的机匣上的传感器的测点位置。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于所述步骤2)包括：
(a)基于所述第一到达时间和所述第二到达时间，根据以下公式分别计算每一个转子叶片的第一振动位移：
(b)基于所述第一到达时间和所述第三到达时间，根据以下公式分别计算每一个转子叶片的第二振动位移：
(c)基于所述第二到达时间，根据以下公式分别计算每一个转子叶片的第一转频：
(d)基于所述第三到达时间，根据以下公式分别计算每一个转子叶片的第二转频：
(e)基于所述第一振动位移和所述第二振动位移，根据以下公式分别计算每一个转子叶片的扭转角：
其中：
为所述每一个转子叶片的第一振动位移，
为所述每一个转子叶片的第二振动位移，
为所述每一个转子叶片的第一转频，
为所述每一个转子叶片的第二转频，
α(b,n)为所述每一个转子叶片的扭转角，
t(k,n)为所述键相参考在第n圈时的第一到达时间，
t(k,n+1)为所述键相参考在第n+1圈时的第一到达时间，
为所述每个转子叶片在第n圈时的第二到达时间，
为所述每个转子叶片第n+1圈时的第二到达时间，
为所述每个转子叶片在第n圈时的第三到达时间，
为所述每个转子叶片在第n+1圈时的第三到达时间，
为所述转子叶片前缘与所述键相参考之间的理论弧长，
为所述转子叶片后缘与所述键相参考之间的理论弧长，
l为所述第二目标位置和第三目标位置沿透平机械机轴线的距离，
为所述转子叶片的叶尖与透平机械机轴线的夹角，
下角标b表示所述转子叶片的编号，且b＝1,2,3…Nb，其中Nb为叶片个数，
下角标k表示所述键相参考，
上角标1表示转子叶片前缘，和
上角标2表示转子叶片后缘。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于所述步骤3)包括：
(f)根据以下方法分析每一个转子叶片的同步振动及异步振动：
基于每个缓冲周期内所述每一个转子叶片的第一振动位移簇或
第二振动位移簇
其中m为每个缓冲周期内转子旋转的圈数，且m＝20，i为缓冲周期个数，
分析的平均值和标准差或
的平均值和标准差
其中，为第一同步振动位移，为第二同步振动位移，为第一异步振动位移，为第二异步振动位移；
(g)根据以下方法分析全叶片第一振动位移簇的频谱及全叶片第二振动位移簇的频谱：
基于每个缓冲周期内的全叶片第一振动位移簇
或
全叶片第二振动位移簇
对或进行短时傅里叶变换，得到全叶片第一振动位移簇的频谱或全叶片第二振动位移簇的频谱
(h)基于至少两个所述全叶片第一振动位移簇的频谱或全叶片第二振动位移簇的频谱，根据以下公式分析转子叶片振动的节径：
其中：
ND为转子叶片振动的节径，
(EO+ND)M为至少两个所述全叶片第一振动位移簇频谱中的主频成分的频率或至少两个所述全叶片第二振动位移簇频谱中的主频成分的频率，
至少两个全叶片第一振动位移簇是所述转子叶片前缘在转动方向上至少两个周向位置处对应的振动位移簇，
至少两个全叶片第二振动位移簇是所述转子叶片后缘在转动方向上至少两个周向位置处对应的振动位移簇；
φ为两个所述全叶片第一振动位移簇频谱中的主频成分的相位差或至少两个所述全叶片第二振动位移簇频谱中的主频成分的相位差，
θ为两个所述第一振动位移簇对应的转动方向上两个周向位置的周向角间距或两个所述第二振动位移簇对应的转动方向上两个周向位置的周向角间距；
(i)基于至少两个所述全叶片第一振动位移簇的频谱或全叶片第二振动位移簇的频谱，以及所述转子叶片振动的节径，根据以下公式计算转子叶片振动的倍频：
EO＝(EO+ND)M-ND；
其中：
EO为转子叶片振动的倍频，且为差频部分，
ND为转子叶片振动的节径，
(EO+ND)M为至少两个所述全叶片第一振动位移簇频谱中的主频成分的频率或至少两个所述全叶片第二振动位移簇频谱中的主频成分的频率。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于所述步骤4)包括：
(j)基于所述每一个转子叶片的扭转角判断转子叶片是否发生了扭转振动，若α(b,n)≠0，则判断转子叶片发生了扭转振动；
(k)基于所述每一个转子叶片的第一同步振动位移和第二同步振动位移判断转子叶片是否发生了同步振动，若转子叶片运转至某一转速时，第一同步振动位移和第二同步振动位移突然增大，则判断转子叶片发生了同步振动；
(l)基于所述每一个转子叶片的第一异步振动位移和第二异步振动位移判断转子叶片是否发生了异步振动，若转子叶片运转至某一转速或载荷发生变化时，第一异步振动位移和第二异步振动位移突然增大，则判断转子叶片发生了异步振动；
(m)基于所述每一个转子叶片的第一异步振动位移、第二异步振动位移、全叶片第一振动位移簇的频谱及全叶片第二振动位移簇的频谱，判断转子叶片是否发生了失速或喘振，若转子叶片运转时，叶尖转速不规律波动，第一异步振动位移及第二异步振动位移增大，全叶片第一振动位移簇的频谱及全叶片第二振动位移簇的频谱中出现了非整数倍频成分，则判断透平机械发生了失速，
(n)失速产生后，若第一异步振动位移及第二异步振动位移持续增大，透平机械噪声波动剧烈，全叶片第一振动位移簇的频谱及全叶片第二振动位移簇的频谱中非整数倍频成分幅值增大，成为主频成分，即(EO+ND)M为非整数，则判断透平机械发生了喘振；
(o)基于所述每一个转子叶片的第一振动位移、第二振动位移、扭转角以及所述转子叶片振动的节径，判断转子叶片是否发生了颤振，若转子叶片运转时，第一振动位移及第二振动位移增大，转子叶片振动形式为节径式弯扭耦合振动，即α(b,n)≠0，ND≠0，则判断透平机械发生了颤振；
(p)基于所述每一个转子叶片...
【专利技术属性】
技术研发人员：王维民，张旭龙，宋禹，余海，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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