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随着近年来国民经济的增长，大型冶金、大型石化、大型火电等重要行业的集约化发展对空气分离类成套装备提出了超大型化、低能耗化与高可靠性的需求。透平膨胀机是使气体膨胀输出功以产生冷量的设备，是能够实现接近绝热等熵膨胀过程的一种有效机械，是空气分离类成套装备的心脏部机之一。透平膨胀机具有多界面、大温差、高转速与通流带液的特点，而空气分离类成套装备的超大型化与低能耗化对其设计与制造带来了新的挑战。超大型化意味着特殊的转子动力学特性，而低能耗化则对透平膨胀机的结构健康监测提出了更高的要求。本论文以透平膨胀机为研究对象，开展了转子动力学与结构健康监测两方面研究，旨在解决上述问题，为超大型化透平膨胀机的低能耗化设计与制造提供理论支撑。本文主要研究工作如下所述。 使用具有非因果性、多领域性以及面向对象性的建模仿真语言Modelica建立了含故障转子动力学快速样机库，并基于此库搭建了透平膨胀机转子快速样机模型。建立了由实际透平膨胀机转子系统抽象而成的考虑大温差的滑动轴承支撑严格对称双悬臂转子动力学模型。基于Couette流模型与低温热膨胀理论，建立了考虑温度梯度的可倾瓦轴承支撑透平膨胀机转子动力学模型。 建立了考虑大温差的透平膨胀机转子试验台，详述了试验台的结构组成与测试系统，概述在此试验台基础上进行的模态测试、油膜力测试与温度试验，并重点详述不平衡温度影响下的轴系振动试验。试验结果表明，透平膨胀机转子振动幅值随环境温度下降而下降，随转速上升而上升，并且环境温度越低，幅值关于转速的敏感度越高，反之亦然。在透平膨胀机转子试验台基础上改建了转子在线健康监测试验台，详述了该试验台的结构组成与测试系统，概述在此试验台基础上进行的转子旋转状态下超声导波传播特性与损伤检测试验。 基于滑动轴承支撑双悬臂转子模型进行了一维与二维非线性动力学分析。结果显示，膨胀端轴承与压缩端轴承温差越高，转子系统进入拟周期运动的转速越高，在达到一定值后维持不变。膨胀轮与压缩轮间运动特性保持一致，仅由于滑动轴承的油膜涡动与油膜振荡产生了振动幅值间的差异。基于考虑低温热膨胀的可倾瓦轴承支撑透平膨胀机转子模型进行了线性与非线性分析。线性分析结果表明，温度梯度能够一定程度上使转子系统稳定。非线性分析结果显示，温度梯度会提前拟周期运动并破坏膨胀端与压缩端的平衡振动。 基于Beta分布与Bernoulli分布建立了透平膨胀机气液两相流中液滴冲击随机激励力模型，并将其应用于透平膨胀机转子模型上进行了时域分析与统计动力学分析。时域分析表明，液滴冲击会对膨胀轮的振动产生扰动，发生液滴冲击的流道数越多，扰动越剧烈。基于Monte Carlo方法的统计动力学分析表明，含液滴冲击的透平膨胀机能够承受一定程度上的变工况运行，同时为了降低液滴冲击对膨胀轮振动的扰动，在膨胀轮设计过程中应当在满足功能性的前提下降低膨胀轮流道数量，尽可能使液滴冲击发生得均匀，并尽可能降低一次液滴碰撞、携带与液膜甩出的可能性。 基于透平膨胀机转子快速样机模型分析了裂纹、碰摩与基础松动故障的振动特性。分析结果显示，裂纹故障对刚度较大的透平膨胀机转子振动影响较小，碰摩故障使透平膨胀机转子进入拟周期运动，松动故障使透平膨胀机转子振动状态产生较大改变。当三种故障同时发生时，难以通过振动信号、轴心轨迹、频谱、相轨迹与Poincaré图中对三种故障进行诊断。进而获取了含裂纹故障、碰摩故障与基础松动故障的透平膨胀机转子非线性动力学特性。使用改进的DEEMD方法对仿真获取的含耦合故障透平膨胀机转子振动信号进行多故障分解，并将该方法应用在透平膨胀机转子试验台调试阶段采集的不对中碰摩故障耦合振动信号的分解上。结果表明，DEEMD方法可以有效地分解多故障耦合振动信号。 基于动态圣维南原理对浅裂纹转子的可测性进行了分析。分析结果显示，浅裂纹转子裂纹力满足动态圣维南原理的条件一，即动态合力为0。当浅裂纹转子特征频率低于截止频率时满足动态圣维南原理的条件二，应力波对支撑无影响。此时浅裂纹转子满足动态圣维南原理。针对转子系统浅裂纹故障，通过试验方法规划出基于压电换能器阵列的转子静止与旋转状态下的无损检测策略，并通过有限元仿真进行了验证。该策略可以总结为，相较于无损伤情况，裂纹损伤轴向方向上超声导波纵向模式L(0,4)与L(0,6)能量下降。裂纹损伤方向按转子轴线对称的方向上L(0,4)与L(0,6)能量同样下降，但幅度较低。其他方向上L(0,4)与L(0,6)能量由于折射与反射均有所上升。