80000字硕士毕业论文燃气轮机转子动力学及故障诊断分析
论文类型：硕士毕业论文
论文字数：80000字
论点：燃气轮机,涡轮,故障
论文概述：
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、工业和舰船等地方，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
论文正文：
第一章引言
1.1主题来源
在研究目前安装在涡轮机上的不同复杂程度的状态监测系统的基础上，研究和开发了燃气涡轮机损伤状态参数实时在线监测的原理和方法(基于应力波的机械损伤监测、非侵入式磁性碎片监测)。在这些状态监测和实验测试方法的支持下，提出了一种基于多物理信号的融合技术和燃气轮机复杂系统的综合诊断方法。建立了基于多信号特征和物理模型的综合预测模型，实现了早期有效的故障诊断和预警。该项目的研究成果可为航空空发动机、天然气输送管道压缩机、冷热电联供发电机和海上钻井平台的可靠安全运行奠定技术基础。
1.2研究背景
1.2.1燃气轮机介绍及应用现状
燃气轮机是一种将燃料热能转化为机械能并输出动力驱动设备运转的多功能供能机。典型的燃气轮机包括三个主要系统:压缩机、燃烧室(或称为燃气发生器和核心发动机)和动力涡轮。整个总成的其他关键系统包括气体系统(天然气或液体(泵送))、轴承润滑油系统(包括储罐和过滤器)、泵(主泵和备用泵)、启动辅助装置(通常为气动、液压或变速交流电机)、冷却系统、控制装置、动力设备和气体密封系统。燃气轮机总成中还有其他辅助系统，包括:外围设备、防火、隔音罩、进气系统(包括空空气过滤器(自动清洗、隔离器和惯性激励器)和消音器)、排气系统(包括消音器和排气管)、润滑油冷却器(水冷和空冷)、电机控制中心、开关柜、中性接地电阻、进气喷雾器和冷却器。
燃气轮机主要有两种类型:工业燃气轮机和航空空燃气轮机。航空燃气轮机是航空空发动机的发展，在许多方面不同于工业燃气轮机。航空发动机应用于海上燃气轮机，尤其是天然气开采平台的趋势越来越明显。海上应用的工业燃气轮机，如索拉或罗尔斯·罗伊斯生产的，在设计上也倾向于重量轻，其尺寸和重量与航空改型设计相似。供应商通常会将现有的动力涡轮机与通用电气公司的LM2500等标准航空发动机搭配使用。空气污染指数重力空气污染指数将工业重型燃气轮机称为氢型。标准或转换后的燃气轮机被指定为G型。燃气轮机可以使用多种燃料，主要燃料是天然气。然而，液化石油气、精炼气、柴油、汽油和石脑油也用作主要替代燃料或备用燃料或起始燃料。氢和甲烷衍生物也被越来越多地使用。与此同时，燃料还可以包含再循环产生的废气。
航空柴油和低排放燃气轮机需要更多的燃料。燃气轮机的工作循环类似于四冲程活塞式发动机。在燃气轮机中，燃烧发生在恒压条件下，包括四个阶段:进气、增压、燃烧和排气。压缩机，即压缩机连续从大气中吸入空气体，然后压缩空气体。随后，进入燃烧室的压缩空气体与从喷嘴喷射的液体或气体燃料混合，并在燃烧后变成高温气体。高温气体流入燃气轮机，膨胀做功，推动涡轮叶轮，带动压缩机叶轮旋转。高温气体加热后，其工作力将大大增加，因此除了驱动压缩机外，燃气轮机还有一些剩余功，可以作为机械功输出。根据燃气轮机的功能，其工作循环的压力-容积关系如下图1-2所示。在点a，空气体是大气压力，它随着压缩机压缩压力的曲线AB而增加。从点B到点C，空气体被冲入气体发生器，燃烧燃料在恒定压力下加入，使得空气体的体积急剧增加。在燃烧室中，压力损失从点b到点C减小。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。在这一阶段，膨胀气体的部分能量被转化为涡轮机的机械能，该机械能可用于发电和驱动机械设备，例如压缩机和泵[2】。
燃气轮机经常用于天然气和石油工业。通常在偏远的地方，如管道，燃气轮机通常用于提取和气体压缩。在这种情况下，燃气轮机可以从管道中获得燃料并确保其运行。如有必要，燃气轮机也可以发电，例如在采油平台上。高达50MW的涡轮机可以是工业燃气涡轮机或改型飞机空燃气涡轮机，然而，为特殊目的而建造的较大工业燃气涡轮机的功率约为330MW。燃气轮机是推进和动力装置最有效的形式之一。
目前，全球有100多家设计、制造和销售燃气轮机的制造商，覆盖20多个国家，如美国的通用电气和太阳能、英国的JB和RRI、德国的西门子、瑞典的ABB和日本的三菱。燃气轮机有数千种类型和型号，单机功率范围从0.2MW到28.2MW[3]。燃气轮机广泛用于地面发电厂、地面车辆推进装置、船上发电厂和船上推进装置，以及飞机推进及其辅助动力系统。此外，燃气轮机技术还用于各种汽车的涡轮泵和涡轮增压器，甚至航天飞机的主机也用于涡轮机。
1.3燃气轮机监测与故障诊断技术的发展与现状……16-21
1.4本文的主要研究内容是...................21-23
第二章实验台的设计设计基本思路...................23-37
2.1实验台...................23-25
2.2实验台结构设计...................25-27
2.3实验台结构模态分析...................27-36 [/BR/] 2.4本章概述...................36-37
第三章转子动力学分析和燃气轮机故障模拟...................37-67
3.1转子动力学分析...................37-46 [/BR/] 3.2微弱故障信号监测研究...................46-52 [/BR/] 3.3有限元模型的建立...................52-56
3.4计算和分析...................56-66
3.5本章概述...................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 [/BR/] 4.2基于轴承缺陷频率的故障诊断研究...................67-71 [/BR/] 4.3基于轴承固有频率的故障诊断研究...................71-85[/溴/] 4.4本章概述...................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，广泛应用于航空空领域、工业和船舶领域，已成为国民经济乃至国防工业的重要设备。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和功能特性的必要环节，对确保设备安全运行、避免事故、减少停机和维护成本、提高运行可靠性具有重要的基础性作用。本发明能够早期发现燃气轮机故障及其原因，预测燃气轮机维护建议和故障发展趋势，及时诊断燃气轮机异常状况或故障，为合理的状态维护提供科学依据，最终实现燃气轮机安全可靠运行，延长燃气轮机使用寿命，科学管理和维护机组。
本文的研究工作主要集中在航空空发动机轴承的故障诊断上。从数值模拟和实验的角度来看，目的是实现基于信号特征和物理模型方法相结合的故障诊断，从而实现轴承故障的早期定量诊断，为今后进一步实现轴承故障的寿命预测和健康管理奠定基础。本文以微弱故障信号的复杂路径传输机理为研究对象，成功设计制造了航空空发动机双转子试验台，用于研究复杂路径故障信号传输方案。该装置的优点如下:
1)可以模拟当前导航空发动机的转子结构，设计并建立双转子系统，两个转子之间有差速，差速可调；
2)可以模拟航空空发动机轴承振动信号的发生和监测状态，模拟微弱信号在复杂路径中的传输。
3)试验台的结构可用于给转子加载电磁轴承，以便于将来对轴承故障进行加速试验。从实验装置的模态分析结果来看，该装置的最大实验速度远离临界速度，运行安全可靠，为以后的实验研究创造了良好的条件。
参考
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