第一章 概述

1.2.4 喘振机理

    涡轮增压器压气机在工作中由于各种原因使进入压气机的空气流量减少，导致气流在扩压器中发生旋涡分离，甚至出现回流或倒流，产生压力波动，因而引起涡轮增压器的结构振动，并发出巨大的喘息声。喘振是一种不正常的工作状态，它属于几十赫兹的低频振动。喘振不仅影响到离心压气机的流量范围和工作效率，还直接影响发动机系统的安全性、可靠性。所以深入研究离心压气机喘振的机理及其发生发展过程，并对喘振进行控制具有重要意义和价值。

    图1-1是内燃机和涡轮增压器压气机运行特性示意图，其中喘振线左边为喘振区，喘振线右边为工作稳定区。由该图可见，只要涡轮增压器压气机的空气流量及效率不稳定，就有可能发生喘振。目前国内外一般采用试验与数值计算、理论分析相结合的方法进行喘振机理和控制的研究。

图1-1 内燃机和涡轮增压器压气机运行特性示意图

    马朝臣、朱智富采用试验测量和计算模拟相结合的方法进行喘振研究，他们在对某型号增压器的试验过程中发现，在12万r/min最高压比点附近压气机出现不稳定现象，但当流量进一步减小后压气机又开始趋于稳定直至喘振发生，在此期间的压气机压比先稍有下降后有所上升；他们对获得的动态压力信号进行了频域分析，发现喘振频率不仅受压缩系统参数的影响，并且在喘振发生发展过程中也是不断变化的，因此采用捕捉低频压力振荡频率来预测和判断压气机发生喘振的方法在工程实际中很难实施；在对临近喘振的流量进行分析时，发现临近喘振的流量也受到压缩系统参数的影响。他们最后分析了不同工况下压气机各工作部件的性能，发现在喘振前压气机各部件性能处于不同状态，有的趋于恶化,有的趋于好转，总体上使压气机压升维持在一个平稳发展阶段。但在临近喘振的工况，压气机所有部件性能均趋于恶化，压气机工作能力达到极限状态，从而明确了压气机发生喘振的原因是由于压气机工作性能达到极限所致。

    武汉理工大学的申小明、郭汝绯对船舶柴油机涡轮增压器喘振的实验研究表明，导致压气机喘振的根本原因就是小流量、高背压，并通过改变压气机扩压器的结构构造使压气机流通面积与扩压器匹配来控制喘振。

1.2.5 浮环轴承振动机理及控制

    涡轮增压器的转子-轴承系统中采用的是高速轻载的浮环轴承。浮环轴承是一种高效率、高稳定性的轴承，如图1-2所示。早在20世纪20～30年代，英国人就已经将它广泛应用于Bristol飞机发动机的活塞杆支承上。后来，高速透平压缩机上原有的轴承出现了过度的温升和剧烈的振动问题，为解决此问题，Shaw和Nussdorfer、Hill等对液体浮环轴承进行了研究。Hill在小型透平机械的实验中发现浮环轴承能有效地抑制共振，其摩擦功耗也很低，甚至可与“抗摩轴承”相媲美。

图1-2 浮环轴承的构造

1—转子轴2—浮环3—轴承体

    从20世纪60年代后期到90年代，浮环轴承吸引了更多的研究者对其进行研究，取得了丰富的成果。如周晓光等利用热平衡方法计算内外膜粘度比，并在考虑供油压力的影响下对浮环轴承的静态特性进行了研究；张瑞乾、池长青等则引入了当量普通轴承和等间隙普通轴承的概念进行了分析，为轴承设计方案提供了一定的依据；Richard和Dennis则从理论和实验两方面研究了浮环转速和轴转速之比；Mokhtar则以无限长轴解为基础，以摩擦力最小或承载力最大为目标对其进行了分析；Wilcock则对其承载效率进行了分析。与对其静态特性的研究相比，对其动态特性的研究更引人注目。M.A.Rezvani和E.J.Hahn建立了挤压油膜浮环轴承模型，研究阻尼和质量对轴承的影响；郑州工业大学的梁辉、郭红、陶浩和岑少起等对新型结构的动静压轴承推力径向联合浮环动静压轴承进行了系统的理论分析与实验研究。在转子动力学的研究中大都是将轴承的影响看做是两个互相垂直方向的油膜力，油膜力与轴颈位移和速度之间的关系是相当复杂的非线性关系，一般是由雷诺方程导出油膜压力分布，然后根据不同边界条件对压力进行积分得出油膜力。在进行稳定性和响应特性分析时，一般是用油膜力在轴颈的静平衡位置附近的线性化表达式, 这一线性化表达式中有4个油膜刚度系数和4个油膜阻尼系数，它们统称为油膜动力特性系数，可以通过计算和实验的方法得到不同种类流体动力轴承在各个转速下的特性系数。在8个油膜力特性系数的基础上，有些学者导出了考虑油膜惯性影响或轴颈倾斜等不同情况下的油膜动力特性系数。Orcutt和Ng计算了8个动力特性系数并进行了实验室研究。Tanaka和Hori利用半Sommerfeld条件下的无限短轴承解，分别用“8个动力特性系数”和“非线性轴心轨迹法”分析了浮环轴承的稳定性。

    由于油膜力特性系数之间缺乏内在联系且很繁杂，有些学者提出了一种基于实验和连续油膜假设的简化的轴承动力特性模型,用一称为流体周向平均流速比的参数来表征轴承的动力特性，取得了较好的效果。但这一模型无法用于如油膜出现破裂和空穴等情况，也不太适用于严格的理论分析。随着转子转速的提高，油膜会由层流变为湍流，油膜惯性的影响越来越大，在高转速、大不平衡的情况下会发生油膜破裂和油膜空穴现象。实际使用中的轴承温度场是随转速和运行时间变化的，而轴承的特性受油膜温度的影响又很大，对这些情况下油膜压力的分布和油膜力特性的研究工作尽管已开展了一些，但到目前为止还有许多问题没有研究清楚，尤其是建立尽可能符合实际情况的力学模型工作难度很大。浮环轴承动力特性中最大的一个问题是可能造成油膜涡动等失稳现象，因此把该轴承油膜的振动机理弄清楚，并研制出能有效地提供良好润滑并抑制油膜涡动的轴承一直是专家们的梦想。