透平膨脹機轉(zhuǎn)子動力學及其結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研究.pdf

1、隨著近年來國民經(jīng)濟的增長，大型冶金、大型石化、大型火電等重要行業(yè)的集約化發(fā)展對空氣分離類成套裝備提出了超大型化、低能耗化與高可靠性的需求。透平膨脹機是使氣體膨脹輸出功以產(chǎn)生冷量的設(shè)備，是能夠?qū)崿F(xiàn)接近絕熱等熵膨脹過程的一種有效機械，是空氣分離類成套裝備的心臟部機之一。透平膨脹機具有多界面、大溫差、高轉(zhuǎn)速與通流帶液的特點，而空氣分離類成套裝備的超大型化與低能耗化對其設(shè)計與制造帶來了新的挑戰(zhàn)。超大型化意味著特殊的轉(zhuǎn)子動力學特性，而低能耗化則對

2、透平膨脹機的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測提出了更高的要求。本論文以透平膨脹機為研究對象，開展了轉(zhuǎn)子動力學與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測兩方面研究，旨在解決上述問題，為超大型化透平膨脹機的低能耗化設(shè)計與制造提供理論支撐。本文主要研究工作如下所述。
　　使用具有非因果性、多領(lǐng)域性以及面向?qū)ο笮缘慕７抡嬲Z言Modelica建立了含故障轉(zhuǎn)子動力學快速樣機庫，并基于此庫搭建了透平膨脹機轉(zhuǎn)子快速樣機模型。建立了由實際透平膨脹機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)抽象而成的考慮大溫差的滑動軸承支撐嚴格

3、對稱雙懸臂轉(zhuǎn)子動力學模型。基于Couette流模型與低溫熱膨脹理論，建立了考慮溫度梯度的可傾瓦軸承支撐透平膨脹機轉(zhuǎn)子動力學模型。
　　建立了考慮大溫差的透平膨脹機轉(zhuǎn)子試驗臺，詳述了試驗臺的結(jié)構(gòu)組成與測試系統(tǒng)，概述在此試驗臺基礎(chǔ)上進行的模態(tài)測試、油膜力測試與溫度試驗，并重點詳述不平衡溫度影響下的軸系振動試驗。試驗結(jié)果表明，透平膨脹機轉(zhuǎn)子振動幅值隨環(huán)境溫度下降而下降，隨轉(zhuǎn)速上升而上升，并且環(huán)境溫度越低，幅值關(guān)于轉(zhuǎn)速的敏感度越高，反之亦

4、然。在透平膨脹機轉(zhuǎn)子試驗臺基礎(chǔ)上改建了轉(zhuǎn)子在線健康監(jiān)測試驗臺，詳述了該試驗臺的結(jié)構(gòu)組成與測試系統(tǒng)，概述在此試驗臺基礎(chǔ)上進行的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下超聲導波傳播特性與損傷檢測試驗。
　　基于滑動軸承支撐雙懸臂轉(zhuǎn)子模型進行了一維與二維非線性動力學分析。結(jié)果顯示，膨脹端軸承與壓縮端軸承溫差越高，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進入擬周期運動的轉(zhuǎn)速越高，在達到一定值后維持不變。膨脹輪與壓縮輪間運動特性保持一致，僅由于滑動軸承的油膜渦動與油膜振蕩產(chǎn)生了振動幅值間的差異?；?/p>

5、于考慮低溫熱膨脹的可傾瓦軸承支撐透平膨脹機轉(zhuǎn)子模型進行了線性與非線性分析。線性分析結(jié)果表明，溫度梯度能夠一定程度上使轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)定。非線性分析結(jié)果顯示，溫度梯度會提前擬周期運動并破壞膨脹端與壓縮端的平衡振動。
　　基于Beta分布與Bernoulli分布建立了透平膨脹機氣液兩相流中液滴沖擊隨機激勵力模型，并將其應用于透平膨脹機轉(zhuǎn)子模型上進行了時域分析與統(tǒng)計動力學分析。時域分析表明，液滴沖擊會對膨脹輪的振動產(chǎn)生擾動，發(fā)生液滴沖擊的流道

6、數(shù)越多，擾動越劇烈?；贛onte Carlo方法的統(tǒng)計動力學分析表明，含液滴沖擊的透平膨脹機能夠承受一定程度上的變工況運行，同時為了降低液滴沖擊對膨脹輪振動的擾動，在膨脹輪設(shè)計過程中應當在滿足功能性的前提下降低膨脹輪流道數(shù)量，盡可能使液滴沖擊發(fā)生得均勻，并盡可能降低一次液滴碰撞、攜帶與液膜甩出的可能性。
　　基于透平膨脹機轉(zhuǎn)子快速樣機模型分析了裂紋、碰摩與基礎(chǔ)松動故障的振動特性。分析結(jié)果顯示，裂紋故障對剛度較大的透平膨脹機轉(zhuǎn)子振

7、動影響較小，碰摩故障使透平膨脹機轉(zhuǎn)子進入擬周期運動，松動故障使透平膨脹機轉(zhuǎn)子振動狀態(tài)產(chǎn)生較大改變。當三種故障同時發(fā)生時，難以通過振動信號、軸心軌跡、頻譜、相軌跡與Poincaré圖中對三種故障進行診斷。進而獲取了含裂紋故障、碰摩故障與基礎(chǔ)松動故障的透平膨脹機轉(zhuǎn)子非線性動力學特性。使用改進的DEEMD方法對仿真獲取的含耦合故障透平膨脹機轉(zhuǎn)子振動信號進行多故障分解，并將該方法應用在透平膨脹機轉(zhuǎn)子試驗臺調(diào)試階段采集的不對中碰摩故障耦合振動信號

8、的分解上。結(jié)果表明，DEEMD方法可以有效地分解多故障耦合振動信號。
　　基于動態(tài)圣維南原理對淺裂紋轉(zhuǎn)子的可測性進行了分析。分析結(jié)果顯示，淺裂紋轉(zhuǎn)子裂紋力滿足動態(tài)圣維南原理的條件一，即動態(tài)合力為0。當淺裂紋轉(zhuǎn)子特征頻率低于截止頻率時滿足動態(tài)圣維南原理的條件二，應力波對支撐無影響。此時淺裂紋轉(zhuǎn)子滿足動態(tài)圣維南原理。針對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)淺裂紋故障，通過試驗方法規(guī)劃出基于壓電換能器陣列的轉(zhuǎn)子靜止與旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的無損檢測策略，并通過有限元仿真進行了