[发明专利]一种汽轮机组轴系故障诊断数据库的快速建立方法

权利要求书

1.一种汽轮机组轴系故障诊断数据库的快速建立方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立无轴承支撑、无故障的汽轮机组轴系动力学方程；

2)建立边界自由度向量，包括轴承节点自由度以及与不平衡故障不对中故障和裂纹故障相关的节点自由度，基于边界自由度向量，采用模态综合法，建立无轴承支撑、无故障的汽轮机组轴系的缩减动力学方程；

3)在无轴承支撑、无故障的汽轮机组轴系动力学方程中添加轴承系数矩阵和故障载荷或故障矩阵，形成含有故障的汽轮机组轴系的缩减动力学方程；轴承系数矩阵为：

其中C_i和K_i为第i个轴承的阻尼系数矩阵和刚度系数矩阵，且：

不平衡故障载荷为：

F_unb＝{0 f₁…f_n 0} (9)

其中f_i为第i个不平衡故障的故障载荷，且f_i＝{mecos(Ωt)mesin(Ωt)}，其中me为不平衡量；

平行不对中故障载荷和故障矩阵为：

其中和f_i^m1为第i个平行不对中故障载荷和故障矩阵，其中：

f_i^m1＝Nk_bδ_p[sin(ωt) 1-cos(ωt) 0 0]^Τ (12)

其中，N为螺栓个数，k_b为平行不对中附加刚度，δ_p为平行不对中相对位移；

角度不对中故障载荷和故障矩阵为：

其中和f_i^m2为第i个角度不对中故障载荷和故障矩阵，其中：

其中，k为螺栓轴向刚度，k'为螺栓切向刚度，δ_p为角度不对中相对角度，r为半径；

裂纹故障矩阵为：

其中为第i个裂纹故障载荷，且：

其中，I₁和I₂分别为裂纹在x方向和y方向的两个截面矩损失；

综合以上故障，含有故障的汽轮机组轴系的缩减动力学方程写为：

4)采用复指数谐波平衡法将时域中的含有故障的汽轮机组轴承的缩减动力学方程变换到频域，具体过程为：

转子系统的非线性动力学稳态响应是周期的，因此由响应控制的激振力也是周期的，则展开为复数形式的傅里叶级数：

其中n为展开阶数；

将式(19)代入式(18)，并将正余弦函数用欧拉公式转换为复指数形式，得到频率内含有故障的汽轮机组轴承的缩减动力学方程：

Z(Ω)X-F_nl(X)-F_l＝0 (20)

其中和F_l为F_nl(X)式(18)中的线性力和非线性力的总和，有：

Z(Ω)＝diag{A_-n…A₀…A_n} (21)

X＝{X_-n…X₀…X_n} (22)

且：

5)建立含有故障的汽轮机组轴系非线性动力学响应快速求解技术，获得非线性动力学响应，建立汽轮机组轴系结构-故障-响应数据库；

采用时频转换技术结合自动微分算子技术获得雅克比矩阵，式(20)的解表示为：

其中为雅克比矩阵，进而获得转子系统的非线性动力学响应。

2.根据权利要求1所述的一种汽轮机组轴系故障诊断数据库的快速建立方法，其特征在于，所述步骤2)中，根据实际情况，建立任何故障工况下，无轴承支撑、无故障的汽轮机组轴系的缩减动力学方程，具体过程如下：

无轴承支撑、无故障的汽轮机组轴系动力学方程为：

式中，M为质量矩阵；C_s为结构阻尼矩阵；Ω为转速；C_cor为陀螺矩阵；K为刚度矩阵；

为简化表达，令C＝C_s+ΩG，将上式记为

将转子系统的自由度分为边界自由度和内部自由度，其中边界自由度包括轴承节点自由度以及与不平衡故障不对中故障和裂纹故障相关的节点自由度，表示为：

{u_b}＝{u_b,brn,u_b,unb,u_b,mis,u_b,crk} (3)

式中，u_b为边界自由度，u_b,brn为轴承自由度，u_b,unb为不平衡故障自由度，u_b,mis为不对中故障自由度，u_b,crk为裂纹故障自由度；

采用固定界面模态综合法对以上方程进行缩减，坐标转换方程表示为：

其中u_i为内部自由度向量；Φ_i,k为主模态向量，通过对式(2)进行无阻尼模态分析获得，分析时需要约束边界自由度；Φ_i,b为约束模态矩阵，通过对式(2)进行静力分析获得，分析时依次在边界自由度上施加单位位移；Φ为变换矩阵；

基于以上分析，建立无轴承支撑、无故障的汽轮机组轴系的缩减动力学方程：

式中：