1.一种透平机械故障的诊断方法,其特征在于,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、第二到达时间和第三到达时间,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和第二振动位移,分析转子叶片振动的特征;和
4)基于所述每一个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。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述方法还包括步骤:
5)基于所述透平机械的故障类型进行报警。
3.如权利要求1或2所述的方法,其特征在于:
所述透平机械上键相参考为真实物理存在的相位参考或者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;和
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。
4.如权利要求3所述的方法,其特征在于所述步骤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:
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,
l为所述第二目标位置和第三目标位置沿透平机械机轴线的距离,
下角标b表示所述转子叶片的编号,且b=1,2,3…nb,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,和
上角标2表示转子叶片后缘。
5.如权利要求4所述的方法,其特征在于所述步骤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
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
其中,
(g)根据以下方法分析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:
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
对
(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,根据以下公式计算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。
6.如权利要求5所述的方法,其特征在于所述步骤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,则判断转子叶片发生了同步振动;
(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)基于所述每一个转子叶片的第一振动位移、第二振动位移,判断是否发生了转子不平衡振动,叶片运行过程中由转子不平衡引起的径向振动会使不平衡位置处的转子叶片叶尖间隙发生变化,导致不平衡位置处的转子叶片的第一振动位移、第二振动位移增大或减小,因此,若转子叶片运行时,某一转子叶片的第一振动位移、第二振动位移与其余转子叶片的第一振动位移、第二振动位移存在差值,则判断透平机械发生了转子不平衡故障。
7.如权利要求6所述的方法,其特征在于所述透平机械为航空发动机或燃气轮机。
8.一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(610):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(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、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,判断透平机械的故障类型;
报警模块(650):其用于基于所述透平机械的故障类型进行报警。
9.如权利要求8所述的装置,其特征在于:
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(615)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;
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;
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频谱及全叶片第二振动位移簇的频谱;
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;
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;
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转子叶片的第一振动位移、第二振动位移,判断是否发生了转子不平衡振动;
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,当转子叶片发生同步振动时,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),其用于指示是否发生了转子不平衡振动,当发生转子不平衡振动时,第八报警指示灯亮。
10.一种电子设备,其特征在于所述电子设备包括处理器(1210)、存储器(1220)和总线(1230),当所述电子设备运行时,所述处理器(1210)与所述存储器(1220)之间通过总线(1230)通信,
所述存储器(1220)存储有所述处理器(1210)可执行的机器可读指令,所述机器可读指令被所述处理器(1210)执行时,执行实施权利要求1-7中任一项所述的方法。