一种透平机械故障的诊断方法与流程

本发明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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明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，本发明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、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、第二振动位移，分析转子叶片振动的特征；

4)基于所述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。

在一个优选的实施方案中，本发明的诊断方法还包括步骤：

5)基于所述透平机械的故障类型进行报警。

在本发明中，所述透平机械上键相参考可以为真实物理存在的相位参考，也可以为根据转子叶片到达目标位置的时间计算得到的虚拟参考。

优选，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；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。

在一个优选的实施方案中，本发明方法的步骤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在第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为所述第二到达时间和第三到达时间对应的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表示所述转子叶片编号，b＝1,2,3lnb，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，

上角标2表示转子叶片后缘。

在另一个优选的实施方案中，本发明方法的步骤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此时，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方差和频谱及全叶片第二振动位移簇的方差和频谱：

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

将全叶片第一振动位移簇中同一圈内所有叶片的振动位移相加，得到第一振动位移和样本或将全叶片第二振动位移簇中同一圈内所有叶片的振动位移相加，得到第二振动位移和样本

分析的方差或的方差其中，为全叶片第一振动位移簇的方差，为全叶片第二振动位移簇的方差；

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，根据以下方法分析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。

在还另一个优选的实施方案中，本发明方法的步骤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，若同一时刻测得的转子叶片的第一振动位移和第二振动位移不相等，即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，且经过这一转速后又减小至原水平，则判断转子叶片发生了同步振动，若叶片同步振动时对应的转速降低，则判断叶片出现裂纹；

(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，若转子叶片运转至某一转速或气动载荷发生变化时，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，若转子叶片运转至某一转速或气动载荷发生变化时，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的第一振动位移、第二振动位移、第一转频、第二转频，判断是否发生了转子-密封碰摩或转子热弯曲，若转子叶片在低速非共振区运转时，所有转子叶片中的某一个或者部分转子叶片的第一振动位移、第二振动位移、第一转频、第二转频与其余转子叶片存在差异，且随着持续运行时间的增加，这种差异越来越大，则判断透平机械发生了转子-密封碰摩故障，

长时间的转子-密封碰摩将引起转子热弯曲，导致同一工况下各转子叶片的第一振动位移、第二振动位移、第一转频、第二转频差异越来越大；

(q)基于所述每一个转子叶片的第一转频、第二转频，判断是否发生了叶片-机匣碰摩，若转子叶片在运行过程中，某一转子叶片的第一转频或第二转频产生波动，则判断透平机械转子叶片与机匣发生了单点碰摩，碰摩位置为所述第一转频或第二转频发生波动的转子叶片对应的位置；

(r)基于所述每一个全叶片第一振动位移簇的方差、全叶片第二振动位移簇的方差，判断是否出现了轴承损伤，若转子叶片运行时，全叶片第一振动位移簇的方差、全叶片第二振动位移簇的方差增大，则判断靠近转子叶片的轴承出现轻微损伤，随着运行时间的增加，若全叶片第一振动位移簇的方差、全叶片第二振动位移簇的方差逐渐减小并趋于稳定，则判断轴承损伤加重，直至全叶片第一振动位移簇的方差、全叶片第二振动位移簇的方差再次急剧减小，则判断透平机械轴承失效；

另一方面，本发明还提供了一种透平机械故障的诊断装置，其特征在于所述诊断装置包括：

测量模块：其用于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；

计算模块：其用于基于所述第一到达时间、第二到达时间、第三到达时间计算所述透平机械的转子叶片的第一振动位移、第二振动位移、第一转频、第二转频以及扭转角；

分析模块：其用于基于所述每一个转子叶片的第一振动位移、第二振动位移，分析转子叶片振动的特征，包括同步振动、异步振动、方差、频谱、节径以及倍频；

判断模块：其用于基于所述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；和

报警模块：其用于基于所述透平机械的故障类型进行报警。

还一方面，本发明提供了一种电子设备，其包括处理器、存储器和总线，当电子设备运行时，所述处理器与所述存储器之间通过总线通信，所述存储器存储有所述处理器可执行的机器可读指令，所述机器可读指令被所述处理器执行时执行实施如上述的本发明透平机械故障的诊断方法。

还一方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时执行如上述的透平机械故障的诊断方法的步骤。

本发明的诊断方法，通过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，基于所述第一到达时间、第二到达时间、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、扭转角，基于所述每一个转子叶片的第一振动位移、第二振动位移，分析转子叶片振动的特征，基于所述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，来判断透平机械的故障类型，并基于所述透平机械的故障类型进行报警。与现有技术中的透平机械故障的诊断方法相比，本发明可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预警，大量减少了安装调试工作量并节约了监测成本。本发明既可用于透平机械台架试车、地面试车时的振动监测与诊断，也可用于燃气轮机等涡轮机组的监测诊断。

附图说明

为了更清楚地说明本发明，下面将提供附图。应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为航空发动机故障诊断的应用场景下的系统架构图；

图2为一个本发明诊断方法实施例的流程图；

图3为某一转子叶片的第一振动位移的示例图；

图4为转子叶片的第一同步振动位移及第一异步振动位移的示例图；

图5为全叶片第一振动位移簇及其频谱的示例图；

图6为一个本发明故障诊断装置实施例的结构示意图；

图7为图6中所示测量模块的结构示意图；

图8为图6中所示计算模块的结构示意图；

图9为图6中所示分析模块的结构示意图；

图10为图6中所示判断模块的结构示意图；

图11为图6中所示报警模块的结构示意图；

图12为一个本发明电子设备实施例的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在附图中描述和示出的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本申请中，术语“透平机械”包括但不限于航空发动机、燃气轮机、涡轮增压器、各式压缩机及涡轮机等等，优选是指航空发动机和/或燃气轮机。

首先，对本申请可适用的应用场景进行介绍。本发明可以应用于透平机械台架试车、地面试车时的振动监测与诊断，也可用于燃气轮机等涡轮机组的监测诊断。

参阅图1，图1为航空发动机故障诊断的应用场景下的系统架构图。如图1中所示，所述系统包括透平机械故障诊断装置、应用服务器和多个航空发动机，故障诊断装置与应用服务器连接，可以从应用服务器中调用各航空发动机的第一到达时间、第二到达时间和第三到达时间的数据，应用服务器可以收集航空发动机的第一到达时间、第二到达时间和第三到达时间数据。上述示例中，是以故障诊断装置与应用服务器连接，从应用服务器中调取数据，但并不局限于此，在其他示例中，故障诊断装置还可以是在与应用服务器连接的同时，还可以直接与各透平机械例如航空发动机连接，或者与数据库等连接，以调取透平机械例如航空发动机的数据。

经研究发现，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，监测诊断成本高昂、效率低。

基于此，本发明提供了一种透平机械故障的诊断方法，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，从而减少传感器的数量，降低成本。

图2为一个本发明透平机械故障诊断方法实施例的流程图，如图2中所示，该诊断方法包括：

步骤201：测量航空发动机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。

该步骤中，所述航空发动机上键相参考可以为真实物理存在的相位参考，也可以为根据转子叶片到达目标位置的时间计算得到的虚拟参考，所述转子叶片为航空发动机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，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。

步骤202：基于所述第一到达时间、第二到达时间、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。

该步骤中，基于所述第一到达时间和第二到达时间，计算每一个转子叶片的第一振动位移，基于所述第一到达时间和第三到达时间，计算每一个转子叶片的第二振动位移，基于所述第二到达时间，计算每一个转子叶片的第一转频，基于所述第三到达时间，计算每一个转子叶片的第二转频。具体的，可以根据第一到达时间以及转子叶片的叶尖直径计算转子叶片的叶尖线速度，然后通过第二到达时间与第一到达时间的时间差与叶尖线速度计算测量到的叶尖前缘与键相参考之间的弧长，测量到的弧长减去理论的弧长，即可得到叶尖前缘的振动位移，记为第一振动位移，同理，通过第三到达时间与第一到达时间的时间差与叶尖线速度计算测量到的叶尖后缘与键相参考之间的弧长，可得到叶尖后缘的振动位移，记为第二振动位移。每一个转子叶片前缘对应的相邻两圈的两个第二到达时间的时间差的倒数即为对应的转子叶片的第一转频，每一个转子叶片后缘对应的相邻两圈的两个第三到达时间的时间差的倒数即为对应的转子叶片的第二转频。

计算得到所述每一个转子叶片的第一振动位移和第二振动位移后，可以进一步进行计算，使用所述每一个转子叶片的第一振动位移和第二振动位移计算出所述每一个转子叶片的扭转角。具体的，根据安装在叶尖前缘及后缘对应位置的机匣上的第二光学传感器与第三光学传感器的相对位置关系，计算转子叶片叶尖与发动机机轴线的夹角，再减去转子叶片未变形时叶尖与发动机机轴线的夹角，即可得到转子叶片的扭转角。

步骤203：基于所述每一个转子叶片的第一振动位移、第二振动位移，分析转子叶片振动的特征。

该步骤中，通过计算得到所述每一个转子叶片的第一振动位移和第二振动位移后，对第一振动位移和第二振动位移进行分析，分析转子叶片振动的特征，包括同步振动、异步振动、频谱、节径以及倍频。

具体的，首先分析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的平均值和标准差，得到的平均值为同步振动位移，标准差为异步振动位移，转子叶片旋转20圈为一个缓冲周期，叶片在不发生扭转的情况下，由第一振动位移簇和第二振动位移簇分析得到的同步振动位移和异步振动位移是一致的，因此，可以选择第一振动位移簇进行分析，也可以选择第二振动位移簇进行分析。然后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分析方差和频谱，所述每个缓冲周期内的全叶片第一振动位移簇为将转子旋转20圈内的每一个转子叶片的第一振动位移按时间顺序进行排列得到的位移簇，所述每个缓冲周期内的全叶片第二振动位移簇为将转子旋转20圈内的每一个转子叶片的第二振动位移按时间顺序进行排列得到的位移簇，将全叶片第一振动位移簇中同一圈内所有叶片的振动位移相加，得到第一振动位移和样本，分析其方差得到全叶片第一振动位移簇的方差，或将全叶片第二振动位移簇中同一圈内所有叶片的振动位移相加，得到第二振动位移和样本，分析其方差得到全叶片第二振动位移簇的方差，对全叶片第一振动位移簇或全叶片第二振动位移簇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。接着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中的主频成分的相位差，结合两个所述第一振动位移簇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，分析转子叶片振动的节径。最后，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中的主频成分，以及所述转子叶片振动的节径，分析转子叶片振动的倍频，由于该测量方法欠采样性，分析得到的倍频为差频部分。

举例来讲，图3为某一转子叶片的第一振动位移的示例图，分析图3中每个缓冲周期内转子叶片的第一振动位移簇的平均值和标准差，得到的平均值为第一同步振动位移，标准差为第一异步振动位移，图4为转子叶片的第一同步振动位移及第一异步振动位移的示例图，从图3中9375转开始，每个转子叶片的第一振动位移取20转形成一个全叶片第一振动位移簇，图5为全叶片第一振动位移簇及其频谱的示例图，如图5中(1)所示，对全叶片第一振动位移簇进行短时傅里叶变换，得到如图5中(2)所示的全叶片第一振动位移簇的频谱。

步骤204：基于所述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，判断航空发动机、燃气轮机的故障类型。

该步骤中，根据所述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，包括扭转振动、同步振动、异步振动、失速、喘振、颤振、转子-密封碰摩、转子热弯曲、叶片-机匣碰摩以及轴承损伤。

具体的，当所述转子叶片的扭转角不为0时，则判断转子叶片发生了扭转振动；当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，说明转子叶片经过了同步共振点，则判断转子叶片发生了同步振动，若叶片发生同步共振时对应的转速相对于以往运行时同一个同步共振点对应的转速降低，则表明叶片的固有频率降低，判断其出现裂纹；当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；当转子叶片运转至某一转速或气动载荷发生变化时，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，则判断发动机发生了失速，失速为喘振的先兆，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，发动机噪声波动剧烈，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，则判断发动机发生了喘振；当转子叶片运转至某一转速或气动载荷发生变化时，第一振动位移及第二振动位移增大，转子叶片的扭转角及振动节径均不为0，则判断发动机发生了颤振；若转子叶片在低速非共振区运转时，所有转子叶片中的某一个或者部分转子叶片的第一振动位移、第二振动位移、第一转频、第二转频与其余转子叶片存在差异，且随着持续运行时间的增加，这种差异越来越大，则判断发动机发生了转子-密封碰摩故障，长时间的转子-密封碰摩将引起转子热弯曲，导致同一工况下各转子叶片的第一振动位移、第二振动位移、第一转频、第二转频差异越来越大；若转子叶片在运行过程中，某一转子叶片的第一转频或第二转频产生波动，则判断发动机转子叶片与机匣发生了单点碰摩，碰摩位置为所述第一转频或第二转频发生波动的转子叶片对应的位置；基于所述每一个全叶片第一振动位移簇的方差、全叶片第二振动位移簇的方差，判断是否出现了轴承损伤，若转子叶片运行时，全叶片第一振动位移簇的方差、全叶片第二振动位移簇的方差增大，则判断靠近转子叶片的轴承出现轻微损伤，随着运行时间的增加，若全叶片第一振动位移簇的方差、全叶片第二振动位移簇的方差逐渐减小并趋于稳定，则判断轴承损伤加重，直至全叶片第一振动位移簇的方差、全叶片第二振动位移簇的方差再次急剧减小，则判断透平机械轴承失效。

举例来讲，图4中转子叶片的第一异步振动位移突然增大，则判断发动机发生了异步振动，同时图5中(2)全叶片第一振动位移簇的频谱中主频成分为2.55，为非整数，结合图4及图5，就可以判断发动机发生了喘振。

这样，通过转子叶片的振动特征判断航空发动机、燃气轮机的故障类型，仅利用三支光学传感器，结合转子-叶片系统中的振动耦合关系，实现了航空发动机、燃气轮机的转子-叶片系统典型故障的监测诊断，提高了传感器的利用率，大量减少了安装调试工作量并节约了监测成本。

步骤205：基于所述航空发动机、燃气轮机的故障类型进行报警。

该步骤中，得到所述航空发动机、燃气轮机的故障类型后，报警模块基于所述航空发动机、燃气轮机的故障类型进行报警。通过报警可预防故障的进一步恶化，制止事故的发生，同时还可以提示故障的类型与发生故障的位置，从而可以有针对性的进行维修，避免整机检修，节省人力物力投入。

本发明的诊断方法通过测量透平机械例如航空发动机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，基于所述第一到达时间、第二到达时间、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、扭转角，基于所述每一个转子叶片的第一振动位移、第二振动位移，分析转子叶片振动的特征，基于所述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，来判断透平机械例如航空发动机的故障类型，并且能够基于所述透平机械例如航空发动机的故障类型进行报警。

与现有技术中的透平机械故障的诊断方法相比，本发明仅利用三支传感器测量转子叶片的到达时间信息，结合转子-叶片系统中的振动耦合关系，实现转子-叶片系统典型故障的监测预警，大量减少了安装调试工作量并节约了监测成本,可广泛用于透平机械台架试车、地面试车时的振动监测与诊断，也可用于燃气轮机等涡轮机组的监测诊断。

图6为一个本发明故障诊断装置实施例的结构示意图，图7为图6中所示测量模块的结构示意图，图8为图6中所示计算模块的结构示意图，图9为图6中所示分析模块的结构示意图，图10为图6中所示判断模块的结构示意图，图11为图6中所示报警模块的结构示意图。如图6中所示，所述故障诊断装置600包括：

测量模块610：其用于测量透平机械例如航空发动机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。

计算模块620：其用于基于所述第一到达时间、第二到达时间、第三到达时间计算所述透平机械例如航空发动机、燃气轮机的转子叶片的第一振动位移、第二振动位移、第一转频、第二转频以及扭转角。

分析模块630：其用于基于所述每一个转子叶片的第一振动位移、第二振动位移，分析转子叶片振动的特征，包括同步振动、异步振动、方差、频谱、节径以及倍频。

判断模块640：其用于基于所述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，判断透平机械例如航空发动机、燃气轮机的故障类型。

报警模块650：其用于基于所述透平机械例如航空发动机、燃气轮机的故障类型进行报警。

可选的，如图7中所示，所述测量模块610包括：

第一光学传感器611，其安装于转子叶片驱动轴的一侧，用于测量键相参考到达第一目标位置的第一到达时间，并为转子叶片的振动提供基准参考；

第二光学传感器612，其安装在转子叶片前缘位置对应的机匣上，用于测量每一个转子叶片前缘到达第二目标位置的第二到达时间。

第三光学传感器613，其安装在转子叶片后缘位置对应的机匣上，用于测量每一个转子叶片后缘到达第三目标位置的第三到达时间。

激光器614，其用于向所述第一光学传感器、第二光学传感器、第三光学传感器提供光源。

光电转换器615，其用于将所述第一光学传感器、第二光学传感器、第三光学传感器接收到的被测物反射的光信号转换为电信号。

数据采集仪616，其用于采集光电转换器输出的电信号，并根据电信号的电平将其转换为到达时间序列。

可选的，如图8中所示，所述计算模块620包括：

第一计算模块621，其用于基于所述第一到达时间和所述第二到达时间，计算每一个转子叶片的第一振动位移；

第二计算模块622，其用于基于所述第一到达时间和所述第三到达时间，计算每一个转子叶片的第二振动位移；

第三计算模块623，其用于基于所述第二到达时间，计算每一个转子叶片的第一转频；

第四计算模块624，其用于基于所述第三到达时间，计算每一个转子叶片的第二转频；

第五计算模块625，其用于基于所述第一振动位移和所述第二振动位移，计算每一个转子叶片的扭转角。

可选的，如图9中所示，所述分析模块630包括：

第一分析模块631，其用于基于所述每一个转子叶片的第一振动位移、第二振动位移分析每一个转子叶片的同步振动、异步振动；

第二分析模块632，其用于基于所述每一个转子叶片的第一振动位移或第二振动位移分析全叶片第一振动位移簇的方差和频谱以及全叶片第二振动位移簇的方差和频谱；

第三分析模块633，其用于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，分析转子叶片振动的节径；

第四分析模块634，其用于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，分析转子叶片振动的倍频。

可选的，如图10中所示，所述判断模块640包括：

第一判断模块641，其用于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；

第二判断模块642，其用于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或叶片裂纹；

第三判断模块643，其用于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；

第四判断模块644，其用于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；

第五判断模块645，其用于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；

第六判断模块646，其用于基于所述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，判断是否发生了转子-密封碰摩或转子热弯曲；

第七判断模块647，其用于基于所述每一个转子叶片的第一转频、第二转频，判断是否发生了叶片-机匣碰摩；

第八判断模块648，其用于基于所述每一个全叶片第一振动位移簇的方差、全叶片第二振动位移簇的方差，判断是否出现了轴承损伤。

可选的，如图11中所示，所述报警模块650包括：

第一报警指示灯651，其用于指示转子叶片是否发生了扭转振动，当转子叶片发生扭转振动时，第一报警指示灯亮；

第二报警指示灯652，其用于指示转子叶片是否发生了同步振动或叶片裂纹，当转子叶片发生同步振动或叶片裂纹时，第二报警指示灯亮；

第三报警指示灯653，其用于指示转子叶片是否发生了异步振动，当转子叶片发生异步振动时，第三报警指示灯亮；

第四报警指示灯654，其用于指示转子叶片是否发生了失速或喘振，当转子叶片发生失速或喘振时，第四报警指示灯亮；

第五报警指示灯655，其用于指示转子叶片是否发生了颤振，当转子叶片发生颤振时，第五报警指示灯亮；

第六报警指示灯656，其用于指示是否发生了转子-密封碰摩或转子热弯曲，当发生转子-密封碰摩或转子热弯曲时，第六报警指示灯亮；

第七报警指示灯657，其用于指示是否发生了叶片-机匣碰摩，当发生叶片-机匣碰摩时，第七报警指示灯亮；

第八报警指示灯658，其用于指示是否出现了轴承损伤，当发生轴承损伤时，第八报警指示灯亮。

本发明的透平机械故障诊断装置，通过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；基于所述第一到达时间、第二到达时间、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、扭转角，基于所述每一个转子叶片的第一振动位移、第二振动位移，分析转子叶片振动的特征，基于所述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，来判断透平机械的故障类型，并且基于所述透平机械的故障类型进行报警。

与现有技术中的透平机械故障的诊断方法相比，本发明仅利用三支光学传感器测量转子叶片的到达时间信息，结合转子-叶片系统中的振动耦合关系，实现转子-叶片系统典型故障的监测预警，提高了传感器的利用率,大量减少了安装调试工作量并节约了监测成本,可广泛用于透平机械台架试车、地面试车时的振动监测与诊断，也可用于燃气轮机等涡轮机组的监测诊断。

图12为一个本发明电子设备实施例的结构示意图。如图12中所示，电子设备1200包括处理器1210、存储器1220和总线1230。

所述存储器1220存储有所述处理器1210可执行的机器可读指令(比如，图6中的计算模块620、分析模块630、判断模块640和报警模块650对应的执行指令等)，当电子设备1200运行时，所述处理器1210与所述存储器1220之间通过总线1230通信，所述机器可读指令被所述处理器1210执行时，可以执行如上述图2所示方法实施例中的透平机械故障的诊断方法的全部步骤，具体实现方式可参见方法实施例，在此不再赘述。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时可以执行如上述图2所示方法实施例中的透平机械故障的诊断方法的全部步骤，具体实现方式可参见方法实施例，在此不再赘述。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的装置和模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置、模块和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个模块可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个处理器可执行的非易失的计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(read-onlymemory，rom)、随机存取存储器(randomaccessmemory，ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本申请的具体实施方式，用以说明本申请的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请技术方案的精神和范围，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。