劉建華，尚四青，張永革，吳會(huì)軍

（1.新鄉(xiāng)學(xué)院，河南新鄉(xiāng) 453003；2.新鄉(xiāng)市科學(xué)技術(shù)局新鄉(xiāng)市科技情報(bào)研究所，河南新鄉(xiāng) 453002；3.新鄉(xiāng)航空工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，河南新鄉(xiāng) 453002）

0 引言

旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)歷來(lái)是比較棘手的問(wèn)題。對(duì)于升壓式渦輪，由于工作范圍要求非常廣，且產(chǎn)品壓氣機(jī)壓比和渦輪膨脹比較大、渦輪出口溫度低，轉(zhuǎn)速高，振動(dòng)問(wèn)題尤其突出[1～4]。根據(jù)廠內(nèi)KPZ-1、KPZ-3及某T-T-C三輪渦輪等產(chǎn)品的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，引起振動(dòng)的主要因素為轉(zhuǎn)子共振和壓氣機(jī)喘振。另外，渦輪出口結(jié)冰、轉(zhuǎn)子松動(dòng)、基礎(chǔ)不牢等會(huì)誘導(dǎo)振動(dòng)的產(chǎn)生，使振動(dòng)烈度加大。振動(dòng)導(dǎo)致的直接后果是產(chǎn)品壽命降低、漏油嚴(yán)重、轉(zhuǎn)子偏磨，甚至卡滯，嚴(yán)重影響著產(chǎn)品質(zhì)量和交付進(jìn)度。

1 共振的原因及解決措施

共振的實(shí)質(zhì)是：轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，殘余不平衡量引起的干擾力頻率與轉(zhuǎn)子固有頻率相等或成倍數(shù)關(guān)系，即轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速達(dá)到了臨界轉(zhuǎn)速，引起轉(zhuǎn)子強(qiáng)烈振動(dòng)。共振是渦輪諸多問(wèn)題中最難解決的問(wèn)題，同時(shí)對(duì)產(chǎn)品危害也最大。強(qiáng)烈的振動(dòng)往往會(huì)使產(chǎn)品定轉(zhuǎn)子嚴(yán)重偏磨，甚至損壞軸承導(dǎo)致產(chǎn)品卡滯［5］。

影響共振的因素很多，內(nèi)部因素包括轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡情況、質(zhì)量分布，支撐方式等。外部因素有：定子的固定方式，管路連接形式，產(chǎn)品工作狀態(tài)等［6］。由于升壓式渦輪工作轉(zhuǎn)速一般接近第一臨界轉(zhuǎn)速（簡(jiǎn)稱一臨）或在一臨和二臨之間，且臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算誤差較大。因此，設(shè)計(jì)階段準(zhǔn)確確定臨界轉(zhuǎn)速比較困難。目前通行的方法是，先根據(jù)已有產(chǎn)品進(jìn)行估算，作為轉(zhuǎn)子零件設(shè)計(jì)的依據(jù)，主要轉(zhuǎn)子零件渦輪盤和壓氣機(jī)葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還要考慮便于以后去除重量，以對(duì)臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，表1給出了已生產(chǎn)的升壓式渦輪臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較。

1.1 改變臨界轉(zhuǎn)速的方法

對(duì)于既定的產(chǎn)品，在整個(gè)運(yùn)行區(qū)間內(nèi)，要避開臨界轉(zhuǎn)速消除共振，或盡量減小共振帶來(lái)的危害，通常采用的方法是增加或減少轉(zhuǎn)子重量[7-9]。增重是為將臨界轉(zhuǎn)速降到合理的低位，以減輕共振對(duì)產(chǎn)品的沖擊。例如，KPZ-1曾采取增大壓氣機(jī)葉輪外徑的方法，雖然轉(zhuǎn)子重量有所增加，臨界轉(zhuǎn)速有所降低，但由于壓比增大，渦輪負(fù)載增加，產(chǎn)品最高工作轉(zhuǎn)速下降更多，可以避開共振點(diǎn)。

表1 升壓式渦輪臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較

減重是為了將臨界轉(zhuǎn)速調(diào)高到產(chǎn)品運(yùn)行范圍外，減重的優(yōu)點(diǎn)是：轉(zhuǎn)子重量減輕后，即使某個(gè)運(yùn)行點(diǎn)發(fā)生共振，對(duì)產(chǎn)品沖擊也會(huì)比較小。另外減重比較易于操作，無(wú)需重新加工零件。

減重一般是減渦輪盤和壓氣機(jī)葉輪重量，因該兩零件占轉(zhuǎn)子重量比例較大，且離軸承最遠(yuǎn)，因此效果最好。確定去重部位的原則為：既不能降低產(chǎn)品性能，也不能影響葉輪強(qiáng)度。減重后的零件應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度校核。圖1為KPZ-3渦輪盤去重位置示意圖。

在某些情況下，只依靠轉(zhuǎn)子重量的改變是很難解決問(wèn)題的，此時(shí)可采取提高部分轉(zhuǎn)子零件與軸的配合精度的方法[10]，如某產(chǎn)品將壓氣機(jī)葉輪與軸的配合由間隙配合改為過(guò)盈配合，臨界轉(zhuǎn)速由64 000 r/min升高到71 000 r/min，效果明顯。具體采取何種方法，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況而定。

1.2 調(diào)試過(guò)程中應(yīng)注意的問(wèn)題

經(jīng)驗(yàn)證明，升壓式渦輪在廠內(nèi)調(diào)試過(guò)程中，以下措施有助于減輕共振的危害。

圖1 KPZ-3渦輪盤減重前后對(duì)比

（1）產(chǎn)品固定應(yīng)牢固可靠。在KPZ-3調(diào)試中，曾發(fā)現(xiàn)由于產(chǎn)品固定不緊，導(dǎo)致產(chǎn)品在共振點(diǎn)附近聲音異常，振動(dòng)加劇，當(dāng)將螺釘固緊后異常聲音消失，振動(dòng)有較大減輕。

（2）保證空氣介質(zhì)干燥。由于升壓式渦輪出口溫度一般低于0℃，若空氣露點(diǎn)溫度過(guò)高，當(dāng)空氣通過(guò)渦輪膨脹降溫后，一部分水分就會(huì)從空氣中析出，形成游離水甚至冰粒，不僅對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤差，且冰粒對(duì)渦輪盤形成沖擊，加劇產(chǎn)品振動(dòng)。更嚴(yán)重的，冰粒逐漸積聚在出口管路調(diào)節(jié)閥門上，造成渦輪出口反壓逐漸升高，試驗(yàn)人員不得不加大閥門開度。隨著冰粒的增多及調(diào)節(jié)閥開度過(guò)大，閥門上的大團(tuán)冰粒被氣流突然吹開，會(huì)使渦輪反壓急速下降，渦輪轉(zhuǎn)速突然升高，導(dǎo)致產(chǎn)品因超速而瞬間卡滯。KPZ-1曾出現(xiàn)兩次此類故障。

判斷空氣析水或結(jié)冰的依據(jù)有三條：管路出口下部有液態(tài)水流出，有時(shí)空氣中含有冰粒；出口空氣出流不均，聲音忽高忽低；出口壓力表失去控制，表針緩慢擺動(dòng)，一般有向上的趨勢(shì)。

（3）測(cè)量轉(zhuǎn)速盡量用小的磁環(huán)。磁環(huán)加在轉(zhuǎn)子軸頭，距離軸承較遠(yuǎn)，且增加了轉(zhuǎn)子不平衡量，對(duì)產(chǎn)品臨界轉(zhuǎn)速及共振烈度有一定影響。KPZ-3前期磨合試驗(yàn)中，曾有一套因磁環(huán)問(wèn)題導(dǎo)致卡滯，后定制了小磁環(huán)，且將固定磁環(huán)的套環(huán)由鋼材改為鋁材，重量由25g減到9g，再?zèng)]有出現(xiàn)類似故障。

（4）裝配時(shí)檢查轉(zhuǎn)子零件是否壓緊。轉(zhuǎn)子零件壓緊程度對(duì)臨界轉(zhuǎn)速有很大影響。KPZ-3曾經(jīng)由于壓緊程度不夠，使轉(zhuǎn)子剛度降低，臨界轉(zhuǎn)速大幅下降，產(chǎn)品出現(xiàn)強(qiáng)烈振動(dòng)，致使渦轉(zhuǎn)子卡滯。

1.3 設(shè)計(jì)階段應(yīng)采取的措施

雖然臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算困難，但設(shè)計(jì)階段可采取一定措施來(lái)減輕共振的危害。

（1）盡量采用已有轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)有產(chǎn)品已經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)考核，在此基礎(chǔ)上確定壓氣機(jī)葉輪和渦輪盤尺寸，進(jìn)而根據(jù)新舊轉(zhuǎn)子質(zhì)量估算新轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速，其準(zhǔn)確性可大大提高。

（2）保證蝸殼流道內(nèi)部盡量光滑，蝸殼內(nèi)壁應(yīng)盡量避免出現(xiàn)較大凸起、截面突變等現(xiàn)象，以免發(fā)生氣流脈動(dòng)現(xiàn)象。

（3）葉輪、擴(kuò)壓器、整流窗等葉片數(shù)選取應(yīng)避免相同或成倍數(shù)關(guān)系，有條件的應(yīng)選成質(zhì)數(shù)，如11、13、17等。

其中，（2）、（3）兩項(xiàng)對(duì)減小壓氣機(jī)喘振同樣有利。

歐美發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)共振問(wèn)題的研究要深入的多，所采取的方法也比較獨(dú)特。如圖2所示為國(guó)外某型機(jī)升壓式渦輪軸承支撐結(jié)構(gòu)，軸承不直接裝入軸承殼體內(nèi)，而是在軸承外圈與軸承殼體之間增加一個(gè)襯套，襯套與軸承配合面沿圓周鋪焊四條軟金屬帶。其工作機(jī)理可以解釋為：轉(zhuǎn)子與定子的接觸為柔性接觸，由轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的振動(dòng)經(jīng)過(guò)軟金屬減震，頻率發(fā)生改變，共振減輕或消除。因此，該柔性支撐結(jié)構(gòu)具有吸振能力。

圖2 國(guó)外某升壓式渦輪軸承支撐結(jié)構(gòu)

2 壓氣機(jī)喘振及措施

由于渦輪冷卻器驅(qū)動(dòng)的壓氣機(jī)具有壓比大、流量小、轉(zhuǎn)速極高等特點(diǎn)，為追求產(chǎn)品最小的重量和體積，葉輪往往采用徑向葉片。這些因素非常容易導(dǎo)致喘振發(fā)生[11]。喘振最明顯的現(xiàn)象為產(chǎn)品聲音出現(xiàn)忽高忽低，伴隨壓氣機(jī)入口壓力表劇烈抖動(dòng)，有時(shí)每個(gè)測(cè)壓點(diǎn)均出現(xiàn)表針抖動(dòng)現(xiàn)象。喘振使產(chǎn)品內(nèi)部流動(dòng)嚴(yán)重失穩(wěn)，同樣會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品卡滯。

消除喘振的常用措施為：增大葉輪出口氣流角，減小擴(kuò)壓器葉片進(jìn)口構(gòu)造角，采用無(wú)葉擴(kuò)壓器等。對(duì)于既定的產(chǎn)品，一般是采取增大葉輪出口氣流角的方法，具體是減小擴(kuò)壓器葉片高度，這樣既能解決問(wèn)題，又不報(bào)廢零部件。由于改動(dòng)較小，試驗(yàn)證明不會(huì)打破產(chǎn)品整個(gè)的受力平衡。如在解決KPZ-1的喘振過(guò)程中，將擴(kuò)壓器葉片高度由2.9 mm減小到2.8 mm，產(chǎn)品發(fā)生喘振的機(jī)率大大降低，一次調(diào)試合格率由不足20%提高到90%以上。

在設(shè)計(jì)階段，為避免喘振發(fā)生，除1.3節(jié)中所述外，通常在保證效率的前提下，適當(dāng)增大喘振余度。如減小擴(kuò)壓器葉片數(shù)(條件允許也可采取無(wú)葉擴(kuò)壓器)，葉片盡量采用圓弧形，以使擴(kuò)壓過(guò)程較緩等；在計(jì)算基礎(chǔ)上適當(dāng)減小擴(kuò)壓器進(jìn)口構(gòu)造角等。實(shí)踐證明，這些措施均可有效避免喘振的發(fā)生。

3 總結(jié)

共振和喘振是影響升壓式渦輪壽命及可靠性的最主要因素。共振是由于產(chǎn)品運(yùn)行在臨界轉(zhuǎn)速附近，共振是所有轉(zhuǎn)子固有特性，不能避免，只能設(shè)法調(diào)整，使產(chǎn)品運(yùn)行區(qū)間避開臨界轉(zhuǎn)速，或采取措施盡量減輕共振的危害。喘振是由于壓氣機(jī)體積流量偏向了小流量點(diǎn)的喘振區(qū)。喘振是壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)發(fā)生變化，采取一定措施完全可以避免。

共振對(duì)產(chǎn)品的危害遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于喘振，是升壓式渦輪研制中首先要考慮的問(wèn)題。

在設(shè)計(jì)、調(diào)試運(yùn)行過(guò)程中，采取一定補(bǔ)救措施可大大減小共振對(duì)產(chǎn)品的危害。此外，先進(jìn)的結(jié)構(gòu)形式可減輕或消除共振危害，應(yīng)予于重視。

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