航空航天发动机高压涡轮是将燃气热能转化为机械能的核心部件，工作时承受高温（可达1200℃以上）、高转速（数万转每分钟）、复杂载荷（离心力、燃气脉动、热应力），其结构完整性直接决定发动机的安全与寿命。机械环境试验中的振动测试，通过模拟真实工况下的振动激励，捕捉涡轮的振动响应信号，是识别结构缺陷、验证设计合理性、评估可靠性的关键技术，对保障发动机服役安全具有不可替代的作用。

振动测试的核心目标

高压涡轮振动测试的首要目标是验证结构强度。涡轮转速可达20000rpm以上，离心力与燃气脉动会引发高频振动，通过测试动应力分布（如叶根、轮盘榫槽的应变），可确认是否超过材料疲劳极限（如高温合金的许用应变约1500με），避免疲劳断裂。

其次是识别共振风险。高压涡轮的固有频率若与工况激励频率（如转速频率、叶片passing频率）重合，会引发共振，导致振幅骤增、疲劳寿命急剧缩短。通过模态测试（如锤击法或激振器法）获取固有频率，可提前规避共振点（如调整叶片厚度改变固有频率）。

第三、检测装配与制造缺陷。例如叶根与轮盘榫槽间隙过大（超过0.05mm）、叶片安装角度偏差，会导致振动信号出现异常峰值（如频谱中出现1/2阶次频率）；轮盘焊接缺陷（如未焊透）会使振动幅值随时间递增，通过趋势分析可及时发现。

最后是评估阻尼特性。高压涡轮的阻尼（如蜂窝密封的结构阻尼、涂层的材料阻尼）能衰减振动能量，测试振动衰减率（如自由振动的振幅衰减到1/e的时间），可评估阻尼结构的减振效果（如蜂窝密封的阻尼比可达0.05~0.1）。

测试系统的组成与功能

振动测试系统主要由传感器、数据采集仪、分析软件及校准设备组成。传感器是“感知”振动的核心，常用类型包括压电式加速度传感器（测振动加速度，量程±100~±1000g，频率范围0.5~20kHz）、高温应变片（测动应力，适用温度≤800℃，电阻变化率与应变成正比）、电涡流位移传感器（非接触测转子径向振动，量程0~5mm，精度±1μm）。

数据采集仪负责将传感器信号转换为数字信号，需满足高采样率（≥2倍最高分析频率，如叶片振动频率10kHz，采样率需≥20kHz）、多通道（≥16通道，同时测轮盘、叶片、机匣的振动）、抗干扰（采用差分输入、屏蔽接地，抑制电磁干扰）要求，常用设备如NI PXIe数据采集系统。

分析软件用于处理与解读数据，关键功能包括模态分析（提取固有频率、振型）、阶次分析（跟踪转速相关的振动阶次，如1阶对应转子不平衡）、频谱分析（识别频率成分，如叶片passing频率=叶片数×转速频率），常用软件如LMS Test.Lab、B&K Pulse。

校准设备是保证数据准确性的前提，包括振动校准台（校准加速度传感器灵敏度，误差≤1%）、应变校准仪（校准应变片，保证应变测量精度±2%）、转速校准器（校准光电编码器，转速测量误差≤0.1%）。

传感器的选择与安装规范

传感器选择需匹配工况条件：高温区域（如涡轮叶片）需用高温加速度传感器（如Kistler 8763A，适用温度≤1200℃）或光纤传感器（无电磁干扰，耐高温）；动应力测量需用高温应变片（如Vishay EA-06-062RE-120，耐温≤760℃），并做温度补偿（粘贴补偿片在同材料、同温度区域）。

加速度传感器安装需保证刚性：采用磁座（适用于低温区域，如机匣）或高温粘结剂（如EP-500，耐温≤600℃）固定，避免“安装共振”（安装刚度不足导致传感器固有频率降低，影响高频信号测量）；安装面需打磨平整（粗糙度Ra≤1.6μm）、清洁（去除油污、氧化层），确保传感器与被测件刚性连接。

电涡流传感器安装需控制间隙：探头与转子表面的初始间隙需在传感器线性范围（如0~2mm）内，安装时用千分尺测量（误差≤0.01mm）；探头轴线需与转子表面垂直（偏差≤2°），避免信号非线性误差（如偏差5°会导致输出电压变化10%）。

应变片安装需注意方向：沿应力主方向粘贴（如叶根的轴向或周向），粘贴前用丙酮擦拭表面（去除油污），用专用应变胶（如CY-121，耐温≤300℃）压实，确保粘结强度（剥离强度≥10MPa）；导线需固定（用高温胶带缠绕），避免振动导致导线断裂或噪声。

测试参数的确定原则

测点布置需覆盖关键部位：根据有限元分析结果（如应力集中区域、模态振型的反节点）选择测点，例如轮盘的内缘（承受离心力最大）、叶片的中部（一阶振型反节点）、机匣的支撑点（传递振动到机体）；测点数量需满足模态分析要求（如n阶模态需≥2n个测点），一般布置16~32个测点。

采样频率需满足Nyquist定理：采样频率f_s≥2f_max（f_max为最高分析频率），例如高压涡轮的最高振动频率（叶片颤振频率）可达15kHz，采样频率需≥30kHz（实际常用40kHz，预留裕量）；若采样频率不足，会导致信号混叠（如16kHz的信号被采样为14kHz，产生虚假频率）。

量程选择需覆盖最大预期值：加速度传感器量程需大于最大预期加速度（如高转速下的离心加速度可达1000g，量程选±1500g）；应变片量程需大于最大预期应变（如叶根的动应变可达2000με，量程选±3000με），避免传感器饱和（输出信号失真）。

测试时长需覆盖全工况：包括启动（从0到最大转速）、稳定运行（最大转速持续10分钟）、停机（从最大转速到0）三个阶段，捕捉瞬态与稳态振动响应；例如启动过程中，转速从0升到15000rpm需30秒，测试时长需≥60秒（包含预触发10秒），确保捕捉启动瞬间的振动峰值。

试验工况的模拟方法

转速模拟需复现真实工况：采用高速动平衡机（如Schenck H4000，转速可达30000rpm）或涡轮试验台（用压缩空气驱动涡轮），模拟发动机的工作转速（如大涵道比涡扇发动机的高压涡轮转速约15000rpm）；转速控制精度需≤0.1%（如15000rpm时误差≤15rpm），确保激励频率稳定。

载荷模拟需还原真实激励：燃气脉动载荷用气动激励装置（如脉冲电磁阀，频率范围0~10kHz）模拟，输出压力脉动与真实燃气一致（如振幅±5kPa，频率等于叶片passing频率）；离心载荷通过高转速直接产生（离心力F=mrω²，m为叶片质量，r为叶尖半径，ω为角速度），无需额外加载。

温度模拟需考虑梯度分布：采用感应加热（如中频感应炉，加热速率≤50℃/min）或火焰加热（如天然气火焰，温度可达1200℃），模拟涡轮的径向与轴向温度梯度（如轮盘中心温度300℃，叶尖温度1200℃）；温度测量用热电偶（如K型热电偶，耐温≤1300℃），布置在测点附近（距离≤10mm），实时反馈温度。

边界条件需与真实一致：轮盘的安装方式需与发动机相同（如用拉杆螺栓固定在轴上，预紧力≥10kN）；机匣的支撑刚度需匹配真实结构（如用弹性支座模拟发动机的安装节，刚度≥10^5 N/m）；密封间隙需与真实一致（如叶片与机匣的径向间隙0.5mm），避免额外的气动激励。

数据采集与预处理流程

数据采集前需做准备：检查传感器连接（用万用表测电阻，应变片电阻约120Ω，加速度传感器输出电阻约1000Ω）、校准设备（用标准振动台校准加速度传感器，灵敏度误差≤1%）、系统接地（数据采集仪与试验台共地，接地电阻≤1Ω）。

采集过程需同步与触发：用转速传感器（如光电编码器，分辨率1024线）测转速信号，作为同步触发信号，使振动数据与转速同步（方便阶次分析）；设置预触发（如预触发时长1秒），捕捉启动瞬间的振动（如转速从0升到1000rpm的瞬态响应）。

预处理第一步是滤波：采用数字滤波去除噪声，高通滤波（截止频率10Hz）去除试验台的低频振动（如地面振动），低通滤波（截止频率15kHz）去除传感器的高频干扰（如线缆振动）；避免使用模拟滤波（会导致信号相位失真）。

第二步是去趋势：去除信号中的线性或非线性漂移（如温度变化导致传感器零点漂移），采用最小二乘法拟合趋势线，从原始信号中减去趋势线（如某加速度信号的漂移量为0.05g，去趋势后漂移量≤0.01g）。

第三步是平均处理：对稳定工况下的振动信号做多次平均（如10次平均），降低随机噪声（如环境噪声、电磁干扰），平均后的信号信噪比（SNR）需≥20dB（即信号幅值是噪声的10倍以上）。

异常振动的识别与分析

频谱分析是识别异常的基础：正常高压涡轮的频谱主要包含转速频率（f_r=转速/60，如15000rpm时f_r=250Hz）、叶片passing频率（f_p=Z×f_r，Z为叶片数，如20片叶片时f_p=5000Hz）；若出现其他频率（如2f_r，可能是转子不对中；f_r/2，可能是叶片松动），需重点排查。

阶次分析用于跟踪转速相关的振动：通过阶次跟踪（将时域信号转换为阶次域信号），可观察某阶次振幅随转速的变化（如1阶振幅随转速升高而增大，说明转子不平衡；3阶振幅在某转速下骤增，说明该转速对应的3阶频率与固有频率重合，引发共振）。

时域分析用于检测冲击信号：正常振动波形为正弦或余弦波，若出现尖峰脉冲（如振幅突然增大到正常的5倍以上），可能是叶片与机匣摩擦（如密封间隙过小）、叶片断裂（如叶尖脱落）或轮盘裂纹（如焊接处开裂）。

模态分析用于确认共振：若某转速下振幅骤增，通过模态测试（如锤击法）获取涡轮的固有频率，若固有频率与该转速对应的激励频率（如f=阶次×f_r）重合（误差≤5%），则确认共振（如涡轮一阶固有频率500Hz，转速10000rpm时f_r=166.7Hz，3阶次频率=500Hz，引发共振）。

趋势分析用于评估退化：对长期测试的振动数据做趋势分析（如每周测试一次，记录振幅变化），若振幅随时间递增（如每月增大10%），说明结构出现退化（如叶片磨损、轮盘疲劳裂纹扩展），需及时维修。

测试结果的有效性验证

校准验证：测试前用标准振动台（如B&K 4294）校准加速度传感器，施加10Hz、1g的标准振动，读取传感器输出电压（如100mV），计算灵敏度（100mV/g），与标称值（100mV/g）误差≤1%，符合要求。

重复性验证：同一工况下（如15000rpm、温度800℃）连续测试3次，振幅分别为0.61g、0.63g、0.62g，平均值0.62g，偏差≤3.2%（≤5%的允许值），说明数据稳定。

对比验证：将试验结果与有限元分析（FEA）结果对比，例如有限元计算的涡轮一阶固有频率为510Hz，试验测得505Hz，误差0.98%（≤10%的允许值），说明FEA模型准确；动应力计算值为1200MPa，试验测得1180MPa，误差1.67%，符合要求。

工况复现验证：用发动机试车台的燃气驱动涡轮（真实工况），测试振动振幅为0.7g，与试验台（压缩空气驱动）测试的0.68g对比，误差2.9%（≤5%），说明试验台模拟的工况有效。

缺陷验证：若测试中发现异常振动（如频谱中出现2f_p频率），拆解涡轮检查，发现叶片与轮盘榫槽间隙过大（0.1mm，超过允许值0.05mm），调整间隙后重新测试，异常频率消失，验证了测试结果的准确性。