船用中速燃气发动机爆震与失火试验研究及监测系统开发

摘要

面对国际海事组织(International Maritime Organization, IMO)愈发严格的排放法规，以天然气作为燃料的中速燃气发动机在控制排放和降低运营成本等方面具有明显优势和应用前景，已成为船用中速发动机的研究热点。但是燃气发动机的可靠工作范围较窄，在工作过程中易发生爆震和失火故障，存在很大安全隐患，因此开展中速燃气发动机爆震和失火故障的监测诊断技术研究意义重大。目前，国内针对大功率船用中速燃气发动机爆震和失火故障的相关研究较少，文章以ACD320型船用中速燃气发动机为研究对象，进行中速燃气发动机爆震和失火监测诊断技术的试验研究，主要研究内容和结论如下： （1）归纳分析发动机爆震和失火故障的检测与分析方法，研究中速燃气发动机爆震和失火的监测诊断机理，采用振动法与瞬时转速法进行中速燃气发动机爆震和失火故障监测诊断的试验研究。 （2）在ACD320型船用中速燃气发动机试验台架上进行爆震故障试验，同步测量发动机不同工况下不同控制参数时的气缸压力、机体振动和上止点信号。通过分析气缸压力信号判别发动机爆震故障状态，对发动机正常工作状态和爆震故障状态下的机体振动信号进行频域和时域分析研究。研究发现：中速燃气发动机处于正常工作状态时燃烧段振动信号的能量主要集中在低频率段；处于爆震故障状态时燃烧段振动信号的能量向高频率段转移，且该频率段内振动信号的均方根值、方差、峰度等参数较发动机正常工作状态变化明显。最终提取了表征爆震燃烧产生的振动信号能量占整个燃烧段振动信号能量百分比的爆震相对能量和燃烧段机体振动信号爆震特征频率段内的均方根值、方差、峰度作为中速燃气发动机爆震故障诊断的依据，提出了基于发动机燃烧段振动信号的爆震指数。 （3）在ACD320型船用中速燃气发动机试验台架上进行失火故障试验，测量发动机不同工况下正常工作状态与失火故障状态的瞬时转速和上止点信号，并分析不同工况、不同工作状态下中速燃气发动机瞬时转速信号的波形图和频谱图。研究发现：中速燃气发动机在失火故障状态下低谐次谐波幅值变化明显，且失火故障缸对应的瞬时转速波动率峰值较其他正常发火缸明显降低。最终提取了中速燃气发动机瞬时转速的谐波幅值比进行失火故障的判别，并利用各缸瞬时转速波动率峰值进行失火缸的定位，建立了中速燃气发动机失火故障的判断准则。 （4）开发基于LabVIEW平台的船用中速燃气发动机安全监测系统，实现中速燃气发动机爆震故障、失火故障和燃气供给管路状态异常的在线监测与报警。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 船用中速燃气发动机

1.3 船用中速燃气发动机安全问题

1.4 国内外研究现状

1.5 本文主要研究工作

1.6 本章小结

第2章 船用中速燃气发动机试验平台及试验方案

2.1 ACD320型船用中速燃气发动机

2.2 中速燃气发动机试验台架

2.3 试验测试系统及测点布置

2.4 故障试验

2.5 本章小结

第3章 基于振动信号的发动机爆震故障监测诊断试验研究

3.1 发动机爆震故障的检测方法

3.2 振动法监测诊断机理

3.3 振动信号分析方法

3.4 中速燃气发动机的爆震特征参数提取

3.5 本章小结

第4章 基于瞬时转速的发动机失火故障监测诊断试验研究

4.1 发动机失火检测方法

4.2 瞬时转速测量原理

4.3 瞬时转速法监测诊断机理

4.4 燃气发动机失火特征参数提取

4.5 本章小结

第5章 中速燃气发动机安全监测系统开发

5.1 安全监测系统需求分析

5.2 中速燃气发动机安全监测系统的设计

5.3 中速燃气发动机安全监测系统主程序设计

5.4 数据库设计

5.5 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文