升压式涡轮振动原因分析及采取措施

刘建华，尚四青，张永革，吴会军

（1.新乡学院，河南新乡 453003；2.新乡市科学技术局新乡市科技情报研究所，河南新乡 453002；3.新乡航空工业（集团）有限公司，河南新乡 453002）

0 引言

旋转机械的振动历来是比较棘手的问题。对于升压式涡轮，由于工作范围要求非常广，且产品压气机压比和涡轮膨胀比较大、涡轮出口温度低，转速高，振动问题尤其突出[1～4]。根据厂内KPZ-1、KPZ-3及某T-T-C三轮涡轮等产品的调试经验，引起振动的主要因素为转子共振和压气机喘振。另外，涡轮出口结冰、转子松动、基础不牢等会诱导振动的产生，使振动烈度加大。振动导致的直接后果是产品寿命降低、漏油严重、转子偏磨，甚至卡滞，严重影响着产品质量和交付进度。

1 共振的原因及解决措施

共振的实质是：转子旋转过程中，残余不平衡量引起的干扰力频率与转子固有频率相等或成倍数关系，即转子工作转速达到了临界转速，引起转子强烈振动。共振是涡轮诸多问题中最难解决的问题，同时对产品危害也最大。强烈的振动往往会使产品定转子严重偏磨，甚至损坏轴承导致产品卡滞［5］。

影响共振的因素很多，内部因素包括转子动平衡情况、质量分布，支撑方式等。外部因素有：定子的固定方式，管路连接形式，产品工作状态等［6］。由于升压式涡轮工作转速一般接近第一临界转速（简称一临）或在一临和二临之间，且临界转速的计算误差较大。因此，设计阶段准确确定临界转速比较困难。目前通行的方法是，先根据已有产品进行估算，作为转子零件设计的依据，主要转子零件涡轮盘和压气机叶轮结构设计还要考虑便于以后去除重量，以对临界转速进行调整，表1给出了已生产的升压式涡轮临界转速计算值与实测值比较。

1.1 改变临界转速的方法

对于既定的产品，在整个运行区间内，要避开临界转速消除共振，或尽量减小共振带来的危害，通常采用的方法是增加或减少转子重量[7-9]。增重是为将临界转速降到合理的低位，以减轻共振对产品的冲击。例如，KPZ-1曾采取增大压气机叶轮外径的方法，虽然转子重量有所增加，临界转速有所降低，但由于压比增大，涡轮负载增加，产品最高工作转速下降更多，可以避开共振点。

表1 升压式涡轮临界转速计算值与实测值比较

减重是为了将临界转速调高到产品运行范围外，减重的优点是：转子重量减轻后，即使某个运行点发生共振，对产品冲击也会比较小。另外减重比较易于操作，无需重新加工零件。

减重一般是减涡轮盘和压气机叶轮重量，因该两零件占转子重量比例较大，且离轴承最远，因此效果最好。确定去重部位的原则为：既不能降低产品性能，也不能影响叶轮强度。减重后的零件应进行强度校核。图1为KPZ-3涡轮盘去重位置示意图。

在某些情况下，只依靠转子重量的改变是很难解决问题的，此时可采取提高部分转子零件与轴的配合精度的方法[10]，如某产品将压气机叶轮与轴的配合由间隙配合改为过盈配合，临界转速由64 000 r/min升高到71 000 r/min，效果明显。具体采取何种方法，应根据实际情况而定。

1.2 调试过程中应注意的问题

经验证明，升压式涡轮在厂内调试过程中，以下措施有助于减轻共振的危害。

图1 KPZ-3涡轮盘减重前后对比

（1）产品固定应牢固可靠。在KPZ-3调试中，曾发现由于产品固定不紧，导致产品在共振点附近声音异常，振动加剧，当将螺钉固紧后异常声音消失，振动有较大减轻。

（2）保证空气介质干燥。由于升压式涡轮出口温度一般低于0℃，若空气露点温度过高，当空气通过涡轮膨胀降温后，一部分水分就会从空气中析出，形成游离水甚至冰粒，不仅对试验数据产生误差，且冰粒对涡轮盘形成冲击，加剧产品振动。更严重的，冰粒逐渐积聚在出口管路调节阀门上，造成涡轮出口反压逐渐升高，试验人员不得不加大阀门开度。随着冰粒的增多及调节阀开度过大，阀门上的大团冰粒被气流突然吹开，会使涡轮反压急速下降，涡轮转速突然升高，导致产品因超速而瞬间卡滞。KPZ-1曾出现两次此类故障。

判断空气析水或结冰的依据有三条：管路出口下部有液态水流出，有时空气中含有冰粒；出口空气出流不均，声音忽高忽低；出口压力表失去控制，表针缓慢摆动，一般有向上的趋势。

（3）测量转速尽量用小的磁环。磁环加在转子轴头，距离轴承较远，且增加了转子不平衡量，对产品临界转速及共振烈度有一定影响。KPZ-3前期磨合试验中，曾有一套因磁环问题导致卡滞，后定制了小磁环，且将固定磁环的套环由钢材改为铝材，重量由25g减到9g，再没有出现类似故障。

（4）装配时检查转子零件是否压紧。转子零件压紧程度对临界转速有很大影响。KPZ-3曾经由于压紧程度不够，使转子刚度降低，临界转速大幅下降，产品出现强烈振动，致使涡转子卡滞。

1.3 设计阶段应采取的措施

虽然临界转速计算困难，但设计阶段可采取一定措施来减轻共振的危害。

（1）尽量采用已有转子结构。现有产品已经过实验考核，在此基础上确定压气机叶轮和涡轮盘尺寸，进而根据新旧转子质量估算新转子临界转速，其准确性可大大提高。

（2）保证蜗壳流道内部尽量光滑，蜗壳内壁应尽量避免出现较大凸起、截面突变等现象，以免发生气流脉动现象。

（3）叶轮、扩压器、整流窗等叶片数选取应避免相同或成倍数关系，有条件的应选成质数，如11、13、17等。

其中，（2）、（3）两项对减小压气机喘振同样有利。

欧美发达国家对共振问题的研究要深入的多，所采取的方法也比较独特。如图2所示为国外某型机升压式涡轮轴承支撑结构，轴承不直接装入轴承壳体内，而是在轴承外圈与轴承壳体之间增加一个衬套，衬套与轴承配合面沿圆周铺焊四条软金属带。其工作机理可以解释为：转子与定子的接触为柔性接触，由转子产生的振动经过软金属减震，频率发生改变，共振减轻或消除。因此，该柔性支撑结构具有吸振能力。

图2 国外某升压式涡轮轴承支撑结构

2 压气机喘振及措施

由于涡轮冷却器驱动的压气机具有压比大、流量小、转速极高等特点，为追求产品最小的重量和体积，叶轮往往采用径向叶片。这些因素非常容易导致喘振发生[11]。喘振最明显的现象为产品声音出现忽高忽低，伴随压气机入口压力表剧烈抖动，有时每个测压点均出现表针抖动现象。喘振使产品内部流动严重失稳，同样会导致产品卡滞。

消除喘振的常用措施为：增大叶轮出口气流角，减小扩压器叶片进口构造角，采用无叶扩压器等。对于既定的产品，一般是采取增大叶轮出口气流角的方法，具体是减小扩压器叶片高度，这样既能解决问题，又不报废零部件。由于改动较小，试验证明不会打破产品整个的受力平衡。如在解决KPZ-1的喘振过程中，将扩压器叶片高度由2.9 mm减小到2.8 mm，产品发生喘振的机率大大降低，一次调试合格率由不足20%提高到90%以上。

在设计阶段，为避免喘振发生，除1.3节中所述外，通常在保证效率的前提下，适当增大喘振余度。如减小扩压器叶片数(条件允许也可采取无叶扩压器)，叶片尽量采用圆弧形，以使扩压过程较缓等；在计算基础上适当减小扩压器进口构造角等。实践证明，这些措施均可有效避免喘振的发生。

3 总结

共振和喘振是影响升压式涡轮寿命及可靠性的最主要因素。共振是由于产品运行在临界转速附近，共振是所有转子固有特性，不能避免，只能设法调整，使产品运行区间避开临界转速，或采取措施尽量减轻共振的危害。喘振是由于压气机体积流量偏向了小流量点的喘振区。喘振是压气机内部流场发生变化，采取一定措施完全可以避免。

共振对产品的危害远远大于喘振，是升压式涡轮研制中首先要考虑的问题。

在设计、调试运行过程中，采取一定补救措施可大大减小共振对产品的危害。此外，先进的结构形式可减轻或消除共振危害，应予于重视。

［1］杨东，刘忠华.某航空发动机转子弹性支承松动振动故障诊断研究［J］.测控技术，2007，26（4）：7-11.

［2］杨策，施新.径流式叶轮机械理论及设计［M］.北京：国防工业出版社，2004.

［3］陈火红，何君，曹凤兰，等.毅涡轮叶片与涡轮盘热弹塑性蠕变接触分析［J］.航空动力学报，1995，10（1）：9-13.

［4］郭凯，李颂，高晓杰，等.车用增压器涡轮的振动特性分析及试验验证［J］.车用发动机，2012（6）：65-68.

［5］李炳涛，汤小波，李晓茹，等.故障涡轮振动特性的有限元分析［J］.机电工程技术，2008，37（11）：18-22.

［6］（英）伊恩·莫伊尔，（英）阿伦·西布里奇.飞机系统［M］.北京：航空工业出版社，2011.

［7］赵俊生，马朝臣，胡辽平.涡轮减重前后增压器转子动力学分析及试验 ［J］.机械设计与研究，2010，26（4）：33-36.

［8］姚学诗，周传荣.转子系统动力学优化设计研究［J］.发电设备，2003（4）：18-21.

［9］王东华，刘占生，窦唯.一种改进的转子系统临界转速调整方法［J］.航空动力学报，2008，23（8）：1449-1454.

［10］邓旺群，唐广，高德平.转子动力特性及动平衡研究综述［J］.燃气涡轮试验与研究，2008，21（2）：57-61.

［11］ Jun O S.Influence Coefficients on Rotor Having Thick Shaft Elements and Resilient Bearings［J］.Journal of Sound and Vibration，2004（272）：657-673.