第一章 绪论
1.1 课题来源
在调研目前涡轮机械上装备的复杂程度不同的状态监视系统的基础上，研究和开发燃气涡轮机械损伤状态参数实时在线监测的原理与方法（基于应力波的机械损伤监测、非介入式磁性磨屑监测）；在这些状态监测和实验测试手段支持下，提出基于多物理量信号的融合技术及燃气涡轮机械复杂系统综合诊断方法；建立基于多信号特征和物理模型的综合预测模型，实现故障的早期有效诊断与预警。本项目的研究成果，可为保障航空发动机、天然气输送管线压缩机、冷-热-电联产发电机及海上钻井平台等的可靠安全运行奠定技术基础。
1.2 课题研究背景
1.2.1 燃气轮机简介及应用现状
燃气轮机是一种将燃料热能转变为机械能并输出功率驱动设备运行的多功能供能机械，一个典型的燃气轮机包含三个主要系统：压气机、燃烧室（或被称为燃气发生器和核心引擎）以及动力涡轮机。整个组件的其他关键系统还包括燃气系统（天然气或液体（泵送）），轴承润滑油系统（包括储槽和过滤器），泵（主要的及预备的），起动辅助装置(通常是气动、液压或变速交流电动机)，冷却系统，控制装置，动力设备和气体密封系统）。在燃机组件中还有其他的辅助系统，包括：外围设备，消防保护，隔音罩，进气系统（含空气过滤器（自动清洁、隔离器和惯性赋能器）和消音器），排气系统（含消音器和排气管），润滑油冷却器（水冷和气冷），电机控制中心，开关柜，中性接地电阻，入口喷雾器和冷却器。
燃气轮机主要有两类：工业用燃气轮机和航空燃气轮机。航改燃机是航空发动机的发展，并且在许多方面和工业燃机有所不同。航改燃机在海上燃气轮机的应用有增长的趋势，尤其应用在天然气开采平台。海上应用的工业燃气轮机，例如由索拉或者Rolls-Royce 生产的，其设计也趋向于轻便，尺寸和重量仿照航改设计。对供应商来说通常的做法是用标准航改燃机匹配现有动力涡轮，例如 GE 的 LM2500 采用 RollsRoyce RB211。美国石油学会 API 将工业重型燃气涡轮机简称为 H 型。标准型或航改燃气轮机被指定为 G 型。燃气轮机可以使用多种燃料，主要燃料为天然气，尽管如此，液化石油气（LPG），炼油气，柴油，汽油及石脑油也作为主要的替代或备用或启动燃料。氢及沼气衍生物也越来越多的被使用，同时燃料中也可包含循环产生的废气。
航改燃机和低辐射燃机对燃料的要求更高。燃气轮机的工作循环与四冲程活塞发动机类似。在燃气轮机中，燃烧发生在一个恒定的压力条件下，包括进气、加压、燃烧和排气这四个阶段。压气机，即压缩机从大气当中连续地吸入空气，之后将空气进行压缩。随后，进入到燃烧室中的压缩空气，和由喷嘴喷入的液体或气体燃料相混合，燃烧之后便成为了高温燃气。高温燃气流入到燃气涡轮当中后膨胀作功，将会推动涡轮叶轮，并带动着压缩机叶轮旋转。高温燃气经加热之后，作功能力将会大幅提高，因而除了带动压缩机之外，燃气涡轮仍有部分余功，可以作为机械功输出。依据燃气轮机的功能，其工作循环的压力体积关系如下图 1-2 所示。在点 A，空气是一个大气压强，其随着曲线 AB，被压缩机压缩压力增加。从点 B 到点 C，在燃气发生器中冲入空气，并在恒定压力下添加燃烧燃料，使空气的体积急剧增大。在燃烧室中，压力损失，其从 B 点降到 C 点。从点 C 到点 D，燃烧膨胀导致气体通过动力涡轮并排放回外部。在这个阶段，一部分膨胀气体的能量转化为涡轮的机械能，就可以用来发电和驱动像压缩机和泵这样的机械设备[2]。
燃气轮机常运用在天然气和石油行业。通常在边远位置，如输送管道，燃气轮机常用来抽气和气体压缩。在这种情况下，燃气轮机能从管道中获取燃料并保证其运行。如果需要，燃气轮机也能够生产电力，例如在一个石油生产平台上面能够提供电力。达到 50MW 的涡轮机可能是工业用燃机或者改进型的航空燃机，然而为特殊目的所建设的更大型的工业燃机功率会达到 330MW 左右。燃气轮机是最为有效的推进和动力装置形式之一。
目前，世界上设计、制造、销售研究燃气轮机的厂商在全世界有一百多家，涵盖了二十多个国家，如美国的 GE、Solar，英国的 JB、RRI，德国 Simens，瑞典 ABB，日本三菱。燃气轮机的种类及型号有数千种，单机功率从0.2MW到28.2MW[3]。燃气轮机的应用遍布于地面动力装置、地面车辆推进装置、舰载动力装置和舰载推进装置，以及飞机推进及其辅助动力系统等领域。此外，燃气涡轮技术也被用于各式汽车的涡轮泵和涡轮增压器中，甚至航天飞机的主发动机也用到了涡轮机械。
1.3 燃气轮机监测及故障诊断技术的发展及现状 ................16-21
1.4 本论文的主要研究内容 ...................21-23
第二章 实验台设计................... 23-37
2.1 实验台设计基本思路 ...................23-25
2.2 实验台结构设计 ...................25-27
2.3 实验台结构的模态分析................... 27-36
2.4 本章小结 ...................36-37
第三章 转子动力学分析及燃气轮机故障仿真 ...................37-67
3.1 转子动力学分析 ...................37-46
3.2 微弱故障信号可监测性研究 ...................46-52
3.3 有限元模型的建立 ...................52-56
3.4 计算分析 ...................56-66
3.5 本章小结 ...................66-67
第四章 燃气轮机轴承故障监测实验研究 ...................67-87
4.1 轴承故障诊断概述 ...................67
4.2 基于轴承缺陷频率的故障诊断研究................... 67-71
4.3 基于轴承固有频率的故障诊断研究 ...................71-85
4.4 本章小结................... 85-87
结论
近年来，随着我国科技和经济的发展，燃气轮机作为一种多功能供能机械，广泛应用于航空、工业和舰船等领域，成为国民经济乃至国防工业的重要装备，对燃气轮机进行故障预测和状态监测尤为必要。状态监测是掌握机械系统运行状态与功能特性的必要环节，对保证设备安全运行，避免事故发生，减少停机维修时间和费用，提高其运行可靠性具有重要的基础作用。依据故障预测和状态监测技术可以早期发现燃气轮机故障及其原因，预报燃机的维修建议以及故障发展趋势，及时对燃机异常状态或者故障做出诊断，为合理状态检修提供科学依据，最终实现燃机的安全、可靠运行，延长燃机的使用寿命，科学管理与维护机组。
本文的研究工作主要围绕航空发动机轴承的故障诊断展开，从数值仿真结合实验的角度，旨在实现基于信号特征和基于物理模型的方法相结合的故障诊断，以实现轴承故障的早期及定量的诊断，为今后的更进一步的实现轴承故障的寿命预测以及健康管理奠定了基础。本文以微弱故障信号复杂路径传递机理为研究对象，成功设计并制造了航空发动机双转子实验台，研究复杂路径故障信号传递方案。该装置的优势是：
1）能够模拟当前航空发动机转子的结构，设计建立双转子系统，两转子之间存在差速，且差速可以调节；
2）能够模拟航空发动机轴承振动信号的发生以及监测现状，模拟复杂路径弱信号的传递；
3）实验台结构，可以用电磁轴承给转子进行加载，以利于今后对轴承故障进行加速实验。从对实验装置进行模态分析的结果来看，本装置的最大实验转速远离临界转速，运转安全可靠，为后期的实验研究创造了良好的条件。
参考文献
[1] Martin Wall, Richard Lee , Simon Frost. Offshore gas turbines (and major driven equipment)integrity and inspection guidance notes[M]. Prepared by ESR Technology Ltd for the Health andSafety Executive 2006
[2] Jack D. Mattingly 著, 赵连春, 张新国等译. 飞机发动机控制——设计、系统分析和健康监视[M]. 北京：航空工业出版社，2011
[3] 冯辅周, 司爱威, 邢伟, 等. 故障预测与健康管理技术的应用与发展[J]. 装甲兵工程学院学报,2009, 23(6): 1-6
[4] 杨虞微. 现代航空燃气涡轮发动机故障分析与智能诊断关键技术研究[D]. 南京：南京航空航天大学, 2007
[5] 刘文涛. 状态监测与故障诊断技术在化工设备维护中的应用[J]. 价值工程, 2011, 30(17): 43-47
[6] George Vachtsevanos, Frank Lewis, Michael Roemer. Intelligent Fault Diagnosis and Prognosis forEngineering System[M]. John Wiley &Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2006
[7] 左宪章,康健,李浩. 故障预测技术综述[J]. 火力与指挥控制,2010,35(1):1-5
[8] Roemer, GeorgeVachtsevanos. An overview of selected prognostic technologies with application toengine health management[C]. ASME Turbo Expo 2006:Power for Land, Sea, and Air.Barcelona,Spain
[9] James M.Sorokes, Thomas A.Soulas, Jay M.Koch. Jose L. GilarranzR.. Full-scale Aerodynamic andRotordynamic Testing for Large Centrifugal Compressor[C]. Proceedings of the Thirty-eighthTurbomachinery Symposium, 2009, Houston, Texas
[10] Soulas, T.A., Kuzdzal, M.J. Rotordynamic Testing and Evaluation of a Large Compressor Using aMagnetic Bearing Exciter[C]. ASME Turbo Expo 2009:Power for Land, Sea, and Air. Orlando, USA
1.1 课题来源
在调研目前涡轮机械上装备的复杂程度不同的状态监视系统的基础上，研究和开发燃气涡轮机械损伤状态参数实时在线监测的原理与方法（基于应力波的机械损伤监测、非介入式磁性磨屑监测）；在这些状态监测和实验测试手段支持下，提出基于多物理量信号的融合技术及燃气涡轮机械复杂系统综合诊断方法；建立基于多信号特征和物理模型的综合预测模型，实现故障的早期有效诊断与预警。本项目的研究成果，可为保障航空发动机、天然气输送管线压缩机、冷-热-电联产发电机及海上钻井平台等的可靠安全运行奠定技术基础。
1.2 课题研究背景
1.2.1 燃气轮机简介及应用现状
燃气轮机是一种将燃料热能转变为机械能并输出功率驱动设备运行的多功能供能机械，一个典型的燃气轮机包含三个主要系统：压气机、燃烧室（或被称为燃气发生器和核心引擎）以及动力涡轮机。整个组件的其他关键系统还包括燃气系统（天然气或液体（泵送）），轴承润滑油系统（包括储槽和过滤器），泵（主要的及预备的），起动辅助装置(通常是气动、液压或变速交流电动机)，冷却系统，控制装置，动力设备和气体密封系统）。在燃机组件中还有其他的辅助系统，包括：外围设备，消防保护，隔音罩，进气系统（含空气过滤器（自动清洁、隔离器和惯性赋能器）和消音器），排气系统（含消音器和排气管），润滑油冷却器（水冷和气冷），电机控制中心，开关柜，中性接地电阻，入口喷雾器和冷却器。
燃气轮机主要有两类：工业用燃气轮机和航空燃气轮机。航改燃机是航空发动机的发展，并且在许多方面和工业燃机有所不同。航改燃机在海上燃气轮机的应用有增长的趋势，尤其应用在天然气开采平台。海上应用的工业燃气轮机，例如由索拉或者Rolls-Royce 生产的，其设计也趋向于轻便，尺寸和重量仿照航改设计。对供应商来说通常的做法是用标准航改燃机匹配现有动力涡轮，例如 GE 的 LM2500 采用 RollsRoyce RB211。美国石油学会 API 将工业重型燃气涡轮机简称为 H 型。标准型或航改燃气轮机被指定为 G 型。燃气轮机可以使用多种燃料，主要燃料为天然气，尽管如此，液化石油气（LPG），炼油气，柴油，汽油及石脑油也作为主要的替代或备用或启动燃料。氢及沼气衍生物也越来越多的被使用，同时燃料中也可包含循环产生的废气。
航改燃机和低辐射燃机对燃料的要求更高。燃气轮机的工作循环与四冲程活塞发动机类似。在燃气轮机中，燃烧发生在一个恒定的压力条件下，包括进气、加压、燃烧和排气这四个阶段。压气机，即压缩机从大气当中连续地吸入空气，之后将空气进行压缩。随后，进入到燃烧室中的压缩空气，和由喷嘴喷入的液体或气体燃料相混合，燃烧之后便成为了高温燃气。高温燃气流入到燃气涡轮当中后膨胀作功，将会推动涡轮叶轮，并带动着压缩机叶轮旋转。高温燃气经加热之后，作功能力将会大幅提高，因而除了带动压缩机之外，燃气涡轮仍有部分余功，可以作为机械功输出。依据燃气轮机的功能，其工作循环的压力体积关系如下图 1-2 所示。在点 A，空气是一个大气压强，其随着曲线 AB，被压缩机压缩压力增加。从点 B 到点 C，在燃气发生器中冲入空气，并在恒定压力下添加燃烧燃料，使空气的体积急剧增大。在燃烧室中，压力损失，其从 B 点降到 C 点。从点 C 到点 D，燃烧膨胀导致气体通过动力涡轮并排放回外部。在这个阶段，一部分膨胀气体的能量转化为涡轮的机械能，就可以用来发电和驱动像压缩机和泵这样的机械设备[2]。
燃气轮机常运用在天然气和石油行业。通常在边远位置，如输送管道，燃气轮机常用来抽气和气体压缩。在这种情况下，燃气轮机能从管道中获取燃料并保证其运行。如果需要，燃气轮机也能够生产电力，例如在一个石油生产平台上面能够提供电力。达到 50MW 的涡轮机可能是工业用燃机或者改进型的航空燃机，然而为特殊目的所建设的更大型的工业燃机功率会达到 330MW 左右。燃气轮机是最为有效的推进和动力装置形式之一。
目前，世界上设计、制造、销售研究燃气轮机的厂商在全世界有一百多家，涵盖了二十多个国家，如美国的 GE、Solar，英国的 JB、RRI，德国 Simens，瑞典 ABB，日本三菱。燃气轮机的种类及型号有数千种，单机功率从0.2MW到28.2MW[3]。燃气轮机的应用遍布于地面动力装置、地面车辆推进装置、舰载动力装置和舰载推进装置，以及飞机推进及其辅助动力系统等领域。此外，燃气涡轮技术也被用于各式汽车的涡轮泵和涡轮增压器中，甚至航天飞机的主发动机也用到了涡轮机械。
1.3 燃气轮机监测及故障诊断技术的发展及现状 ................16-21
1.4 本论文的主要研究内容 ...................21-23
第二章 实验台设计................... 23-37
2.1 实验台设计基本思路 ...................23-25
2.2 实验台结构设计 ...................25-27
2.3 实验台结构的模态分析................... 27-36
2.4 本章小结 ...................36-37
第三章 转子动力学分析及燃气轮机故障仿真 ...................37-67
3.1 转子动力学分析 ...................37-46
3.2 微弱故障信号可监测性研究 ...................46-52
3.3 有限元模型的建立 ...................52-56
3.4 计算分析 ...................56-66
3.5 本章小结 ...................66-67
第四章 燃气轮机轴承故障监测实验研究 ...................67-87
4.1 轴承故障诊断概述 ...................67
4.2 基于轴承缺陷频率的故障诊断研究................... 67-71
4.3 基于轴承固有频率的故障诊断研究 ...................71-85
4.4 本章小结................... 85-87
结论
近年来，随着我国科技和经济的发展，燃气轮机作为一种多功能供能机械，广泛应用于航空、工业和舰船等领域，成为国民经济乃至国防工业的重要装备，对燃气轮机进行故障预测和状态监测尤为必要。状态监测是掌握机械系统运行状态与功能特性的必要环节，对保证设备安全运行，避免事故发生，减少停机维修时间和费用，提高其运行可靠性具有重要的基础作用。依据故障预测和状态监测技术可以早期发现燃气轮机故障及其原因，预报燃机的维修建议以及故障发展趋势，及时对燃机异常状态或者故障做出诊断，为合理状态检修提供科学依据，最终实现燃机的安全、可靠运行，延长燃机的使用寿命，科学管理与维护机组。
本文的研究工作主要围绕航空发动机轴承的故障诊断展开，从数值仿真结合实验的角度，旨在实现基于信号特征和基于物理模型的方法相结合的故障诊断，以实现轴承故障的早期及定量的诊断，为今后的更进一步的实现轴承故障的寿命预测以及健康管理奠定了基础。本文以微弱故障信号复杂路径传递机理为研究对象，成功设计并制造了航空发动机双转子实验台，研究复杂路径故障信号传递方案。该装置的优势是：
1）能够模拟当前航空发动机转子的结构，设计建立双转子系统，两转子之间存在差速，且差速可以调节；
2）能够模拟航空发动机轴承振动信号的发生以及监测现状，模拟复杂路径弱信号的传递；
3）实验台结构，可以用电磁轴承给转子进行加载，以利于今后对轴承故障进行加速实验。从对实验装置进行模态分析的结果来看，本装置的最大实验转速远离临界转速，运转安全可靠，为后期的实验研究创造了良好的条件。
参考文献
[1] Martin Wall, Richard Lee , Simon Frost. Offshore gas turbines (and major driven equipment)integrity and inspection guidance notes[M]. Prepared by ESR Technology Ltd for the Health andSafety Executive 2006
[2] Jack D. Mattingly 著, 赵连春, 张新国等译. 飞机发动机控制——设计、系统分析和健康监视[M]. 北京：航空工业出版社，2011
[3] 冯辅周, 司爱威, 邢伟, 等. 故障预测与健康管理技术的应用与发展[J]. 装甲兵工程学院学报,2009, 23(6): 1-6
[4] 杨虞微. 现代航空燃气涡轮发动机故障分析与智能诊断关键技术研究[D]. 南京：南京航空航天大学, 2007
[5] 刘文涛. 状态监测与故障诊断技术在化工设备维护中的应用[J]. 价值工程, 2011, 30(17): 43-47
[6] George Vachtsevanos, Frank Lewis, Michael Roemer. Intelligent Fault Diagnosis and Prognosis forEngineering System[M]. John Wiley &Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2006
[7] 左宪章,康健,李浩. 故障预测技术综述[J]. 火力与指挥控制,2010,35(1):1-5
[8] Roemer, GeorgeVachtsevanos. An overview of selected prognostic technologies with application toengine health management[C]. ASME Turbo Expo 2006:Power for Land, Sea, and Air.Barcelona,Spain
[9] James M.Sorokes, Thomas A.Soulas, Jay M.Koch. Jose L. GilarranzR.. Full-scale Aerodynamic andRotordynamic Testing for Large Centrifugal Compressor[C]. Proceedings of the Thirty-eighthTurbomachinery Symposium, 2009, Houston, Texas
[10] Soulas, T.A., Kuzdzal, M.J. Rotordynamic Testing and Evaluation of a Large Compressor Using aMagnetic Bearing Exciter[C]. ASME Turbo Expo 2009:Power for Land, Sea, and Air. Orlando, USA
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