透平膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)及其結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)研究.pdf

1、隨著近年來(lái)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，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(duì)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(jī)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(guò)程的一種有效機(jī)械，是空氣分離類成套裝備的心臟部機(jī)之一。透平膨脹機(jī)具有多界面、大溫差、高轉(zhuǎn)速與通流帶液的特點(diǎn)，而空氣分離類成套裝備的超大型化與低能耗化對(duì)其設(shè)計(jì)與制造帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。超大型化意味著特殊的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性，而低能耗化則對(duì)

2、透平膨脹機(jī)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)提出了更高的要求。本論文以透平膨脹機(jī)為研究對(duì)象，開(kāi)展了轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)兩方面研究，旨在解決上述問(wèn)題，為超大型化透平膨脹機(jī)的低能耗化設(shè)計(jì)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(yǔ)言Modelica建立了含故障轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)快速樣機(jī)庫(kù)，并基于此庫(kù)搭建了透平膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子快速樣機(jī)模型。建立了由實(shí)際透平膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)抽象而成的考慮大溫差的滑動(dòng)軸承支撐嚴(yán)格

3、對(duì)稱雙懸臂轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)模型。基于Couette流模型與低溫?zé)崤蛎浝碚?，建立了考慮溫度梯度的可傾瓦軸承支撐透平膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)模型。
　　建立了考慮大溫差的透平膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)，詳述了試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)組成與測(cè)試系統(tǒng)，概述在此試驗(yàn)臺(tái)基礎(chǔ)上進(jìn)行的模態(tài)測(cè)試、油膜力測(cè)試與溫度試驗(yàn)，并重點(diǎn)詳述不平衡溫度影響下的軸系振動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，透平膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)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(jī)轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)基礎(chǔ)上改建了轉(zhuǎn)子在線健康監(jiān)測(cè)試驗(yàn)臺(tái)，詳述了該試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)組成與測(cè)試系統(tǒng)，概述在此試驗(yàn)臺(tái)基礎(chǔ)上進(jìn)行的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下超聲導(dǎo)波傳播特性與損傷檢測(cè)試驗(yàn)。
　　基于滑動(dòng)軸承支撐雙懸臂轉(zhuǎn)子模型進(jìn)行了一維與二維非線性動(dòng)力學(xué)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(jìn)入擬周期運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)速越高，在達(dá)到一定值后維持不變。膨脹輪與壓縮輪間運(yùn)動(dòng)特性保持一致，僅由于滑動(dòng)軸承的油膜渦動(dòng)與油膜振蕩產(chǎn)生了振動(dòng)幅值間的差異。基

5、于考慮低溫?zé)崤蛎浀目蓛A瓦軸承支撐透平膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子模型進(jìn)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(huì)提前擬周期運(yùn)動(dòng)并破壞膨脹端與壓縮端的平衡振動(dòng)。
　　基于Beta分布與Bernoulli分布建立了透平膨脹機(jī)氣液兩相流中液滴沖擊隨機(jī)激勵(lì)力模型，并將其應(yīng)用于透平膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子模型上進(jìn)行了時(shí)域分析與統(tǒng)計(jì)動(dòng)力學(xué)分析。時(shí)域分析表明，液滴沖擊會(huì)對(duì)膨脹輪的振動(dòng)產(chǎn)生擾動(dòng)，發(fā)生液滴沖擊的流道

6、數(shù)越多，擾動(dòng)越劇烈?；贛onte Carlo方法的統(tǒng)計(jì)動(dòng)力學(xué)分析表明，含液滴沖擊的透平膨脹機(jī)能夠承受一定程度上的變工況運(yùn)行，同時(shí)為了降低液滴沖擊對(duì)膨脹輪振動(dòng)的擾動(dòng)，在膨脹輪設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)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(jī)轉(zhuǎn)子快速樣機(jī)模型分析了裂紋、碰摩與基礎(chǔ)松動(dòng)故障的振動(dòng)特性。分析結(jié)果顯示，裂紋故障對(duì)剛度較大的透平膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子振

7、動(dòng)影響較小，碰摩故障使透平膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)入擬周期運(yùn)動(dòng)，松動(dòng)故障使透平膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生較大改變。當(dāng)三種故障同時(shí)發(fā)生時(shí)，難以通過(guò)振動(dòng)信號(hào)、軸心軌跡、頻譜、相軌跡與Poincaré圖中對(duì)三種故障進(jìn)行診斷。進(jìn)而獲取了含裂紋故障、碰摩故障與基礎(chǔ)松動(dòng)故障的透平膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子非線性動(dòng)力學(xué)特性。使用改進(jìn)的DEEMD方法對(duì)仿真獲取的含耦合故障透平膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行多故障分解，并將該方法應(yīng)用在透平膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)調(diào)試階段采集的不對(duì)中碰摩故障耦合振動(dòng)信號(hào)

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(dòng)信號(hào)。
　　基于動(dòng)態(tài)圣維南原理對(duì)淺裂紋轉(zhuǎn)子的可測(cè)性進(jìn)行了分析。分析結(jié)果顯示，淺裂紋轉(zhuǎn)子裂紋力滿足動(dòng)態(tài)圣維南原理的條件一，即動(dòng)態(tài)合力為0。當(dāng)淺裂紋轉(zhuǎn)子特征頻率低于截止頻率時(shí)滿足動(dòng)態(tài)圣維南原理的條件二，應(yīng)力波對(duì)支撐無(wú)影響。此時(shí)淺裂紋轉(zhuǎn)子滿足動(dòng)態(tài)圣維南原理。針對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)淺裂紋故障，通過(guò)試驗(yàn)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(wú)損檢測(cè)策略，并通過(guò)有限元仿真進(jìn)行了