轉子軸向力測量裝置及測量方法與流程
2023-05-21 20:21:31
本發明涉及航空發動機軸向力測量領域，特別地，涉及一種轉子軸向力測量裝置及測量方法。
背景技術：
彈性支承廣泛用於航空發動機等旋轉機械的轉子系統支承中，它能在轉子通過臨界轉速時有效降低轉子的振幅，使轉子平穩可靠工作。壓氣機轉子工作時會產生向前的軸向載荷，渦輪轉子工作時會產生向後的軸向載荷，軸向載荷必須保持在合適的範圍之內。過大的軸向載荷有可能超過軸承的許用載荷，較小的軸向載荷則會導致軸承輕載打滑，進而造成軸承磨損失效。因此，在發動機工作過程中，對轉子進行徑向振動監測的同時，必須對其軸向載荷進行測量，以保證轉子安全可靠工作。
現有的轉子軸向力測量主要針對軸承外圈與彈性支承為分體結構的情形，軸承安裝在彈性支承的軸承腔內，軸承內圈與轉子軸頸緊配合，軸承外圈與彈性支承的軸承腔內壁間隙配合，軸承外環與應變環貼合，應變環的另一側抵著軸承腔的底部，應變環兩側有交錯布置的凸臺，且一側粘貼有應變片組成全橋。轉子的軸向載荷通過軸承傳遞到應變環上，從而引起應變環的變形，通過測量應變環變形時的應變量可以換算出此時轉子的軸向力大小。
現有針對轉子軸向力的測量方法只適用於軸承外圈和彈性支承為兩個單獨元件的轉子。隨著航空發動機不斷向著輕量化方向發展，一種帶軸承外圈的彈性支承正逐漸得到應用，轉子安裝在帶軸承外圈的彈性支承上，由於軸承外圈無法移動，也就無法放置應變環。因此，現有的軸向力測量方法無法實施。而目前並無一種航空發動機轉子安裝在帶軸承外圈的彈性支承上的軸向力測量方法，使得對於安裝在這種彈性支承結構上的轉子的軸向力測量無法進行。
技術實現要素：
本發明提供了一種轉子軸向力測量裝置及測量方法，以解決現有的帶軸承外圈的彈性支承上的轉子軸向力無法測量的技術問題。
本發明採用的技術方案如下：
根據本發明的一個方面，提供一種轉子軸向力測量裝置，用於對安裝於帶軸承外圈的彈性支承上的轉子進行軸向力測量，彈性支承包括安裝邊及與安裝邊相對的自由端，自由端設有軸承外圈，安裝邊與自由端之間部分鏤空形成沿周向間隔分布的多個彈條，測量裝置包括沿彈性支承的中心軸對稱布置於彈條上的多個應變片，多個應變片串聯後經信號線引出並連接至應變監測儀，應變監測儀用於根據多個應變片檢測的應變輸出值得到設於彈性支承上轉子的軸向力測量結果。
進一步地，多個應變片分布於沿彈性支承的中心軸對稱的四個彈條上，每個彈條上對應設有沿軸向延伸的縱向應變片及沿周向延伸的橫向應變片，成對設置的彈條上的縱向應變片串聯形成兩個縱向應變片組，成對設置的彈條上的橫向應變片串聯形成兩個橫向應變片組，縱向應變片組與橫向應變片組間隔串聯形成應變片全橋，且各串接點經信號線引出連接至應變監測儀。
進一步地，軸承外圈的內壁上設有滾珠外跑道。
根據本發明的另一方面，還提供一種轉子軸向力測量方法，採用上述的測量裝置，本發明測量方法包括：
將轉子經軸承內圈安裝於彈性支承上，軸承內圈經滾珠與軸承外圈連接；
轉子工作時，彈性支承所受轉子的軸向力通過軸承內圈、滾珠傳到軸承外圈上，進而傳遞到彈條上；
應變監測儀接收設於彈條上的應變片的應變輸出值；並根據軸向力與應變輸出值的對應關係獲得設於彈性支承上轉子的軸向力測量結果。
進一步地，在測量轉子軸向力之前，還包括：
對軸向力與應變輸出值的對應關係進行標定的步驟。
進一步地，對軸向力與應變輸出值的對應關係進行標定的步驟包括：
將彈性支承固定在加載器上；
對彈性支承兩端施加一系列的加載力，同時記錄應變監測儀獲得的相應的應變輸出值；
計算得出彈性支承所受到的加載力和其上的應變片全橋的輸出應變輸出值之間的係數。
本發明具有以下有益效果：
本發明轉子軸向力測量裝置及測量方法，通過在彈性支承的彈條上設置應變片並連接成全橋來感應轉子的軸向力，不需要額外的附加結構(如彈性環)來測量轉子的軸向力，從而簡化了原有的軸向力測量系統。另外，本發明測量裝置及測量方法適用於帶軸承外圈的彈性支承上的軸向力測量，克服了該彈性支承上轉子軸向力無法測量的難題，具有極大推廣應用價值。
除了上面所描述的目的、特徵和優點之外，本發明還有其它的目的、特徵和優點。下面將參照附圖，對本發明作進一步詳細的說明。
附圖說明
構成本申請的一部分的附圖用來提供對本發明的進一步理解，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定。在附圖中：
圖1是本發明優選實施例中彈性支承與應變片結合的結構示意圖；
圖2為圖1中沿a-a線的橫向剖視示意圖；
圖3為圖2中沿b-b線的橫向剖視示意圖；
圖4為圖1中沿c-c線的橫向剖視示意圖；
圖5為圖1中d處的局部放大示意圖；
圖6為圖4中e處的局部放大示意圖；
圖7為本發明優選實施例中應變片全橋的接線示意圖。
附圖標記說明：
1、安裝邊；2、彈條；3、軸承外圈；30、滾珠外跑道；
40～47、應變片。
具體實施方式
需要說明的是，在不衝突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特徵可以相互組合。下面將參考附圖並結合實施例來詳細說明本發明。
航空發動機工作過程中，壓氣機轉子由於壓縮氣體做功，使得氣體壓比增大，氣體反過來對葉片有向前的反作用力，這些反作用力通過轉子作用在球軸承上。相反，氣體推動渦輪葉片做功，渦輪轉子作受到向後的作用力。對於航空發動機整機的轉子來說，轉子的軸向力則是作用在壓氣機轉子上向前的軸向力和作用在渦輪轉子上向後的軸向力的合力。轉子的軸向力必須控制在一定範圍內，既不能太大也不能太小，更不能頻繁換向，以免損壞軸承，進而造成轉子的破壞和發動機的損毀。因此，需要進行轉子軸向力的測量，以保證轉子和軸承的安全可靠工作。
本發明的優選實施例提供了一種轉子軸向力測量裝置，用於對安裝於帶軸承外圈的彈性支承上的轉子進行軸向力測量，參照圖1至圖6，本實施例中，彈性支承包括安裝邊1及與安裝邊1相對的自由端，自由端設有軸承外圈3，安裝邊1與自由端之間部分鏤空形成沿周向間隔分布的多個彈條2，測量裝置包括沿彈性支承的中心軸對稱布置於彈條2上的多個應變片，多個應變片串聯後經信號線引出並連接至應變監測儀，應變監測儀用於根據多個應變片檢測的應變輸出值得到設於彈性支承上轉子的軸向力測量結果。
本實施例測量裝置工作時，當轉子受到軸向力時，軸向力通過軸承內圈、滾珠傳到軸承外圈3上，然後傳到彈性支承的彈條2上，彈條2則受到壓縮或拉伸變形，則通過粘貼在其上的橫向和縱向應變片全橋，可以監測出相應的應變輸出值。本實施例通過在彈性支承的彈條上設置應變片並連接成全橋來感應轉子的軸向力，不需要額外的附加結構(如彈性環)來測量轉子的軸向力，從而簡化了原有的軸向力測量系統。另外，本發明測量裝置及測量方法適用於帶軸承外圈的彈性支承上的軸向力測量，克服了該彈性支承上轉子軸向力無法測量的難題，具有極大推廣應用價值。
本實施例中，優選地，多個應變片分布於沿彈性支承的中心軸對稱的四個彈條2上，每個彈條2上對應設有沿軸向延伸的縱向應變片及沿周向延伸的橫向應變片，成對設置的彈條2上的縱向應變片串聯形成兩個縱向應變片組，成對設置的彈條2上的橫向應變片串聯形成兩個橫向應變片組，縱向應變片組與橫向應變片組間隔串聯形成應變片全橋，且各串接點經信號線引出連接至應變監測儀。本實施例中，軸承外圈3的內壁上有滾珠外跑道30。參照圖1至圖6，在彈性支承的垂直面和水平面的4根彈條2上各粘貼有一個橫向和縱向的應變片42、43、46、47和40、41、44、45。如圖7所示，將橫向和縱向的應變片兩兩串聯後再將其串聯組成全橋。本實施例，通過在彈性支承垂直和水平四根彈條上各粘貼一個橫向和縱向的應變片，並連接成全橋，能有效減少偏載荷引起的誤差和增加軸向力測量傳感器的靈敏度。彈條2發生壓縮或拉伸變形，相應的應變全橋會輸出正的或負的應變值，進而可以判斷轉子軸向力的方向。根據事先已獲知的軸向力和輸出應變的對應關係，即可得到此時轉子所受的軸向力的大小。本發明測量裝置能實現對航空發動機轉子軸向力的大小和方向的同步測量。
根據本發明的另一方面，還提供一種轉子軸向力測量方法，採用上述實施例的測量裝置，本發明測量方法包括：
將轉子經軸承內圈安裝於彈性支承上，軸承內圈經滾珠與軸承外圈3連接；
轉子工作時，彈性支承所受轉子的軸向力通過軸承內圈、滾珠傳到軸承外圈3上，進而傳遞到彈條2上；
應變監測儀接收設於彈條2上的應變片的應變輸出值；並根據軸向力與應變輸出值的對應關係獲得設於彈性支承上轉子的軸向力測量結果。
優選地，在測量轉子軸向力之前，還包括：
對軸向力與應變輸出值的對應關係進行標定的步驟。
本實施例中，對軸向力與應變輸出值的對應關係進行標定的步驟包括：
將彈性支承固定在加載器上；
對彈性支承兩端施加一系列的加載力，同時記錄應變監測儀獲得的相應的應變輸出值；
計算得出彈性支承所受到的加載力和其上的應變片全橋的輸出應變輸出值之間的係數。
從驗證結果來看，彈性支承所受的轉子軸向力和應變監測儀的應變輸出值之間的線性關係好。
在一個具體實施例中，如圖7所示，將橫向和縱向的應變片兩兩串聯後再將其串聯組成全橋。轉子軸頸(未示出)與軸承內圈(未示出)緊配合，軸承內圈和軸承外圈之間3安放有滾珠(未示出)。將彈性支承固定在加載器上進行加載力和輸出應變之間的係數標定，通過對彈性支承兩端施加一系列的加載力，同時記錄應變監測儀上相應的應變輸出值，則可計算出該彈性支承所受到的加載力和其上的應變片全橋輸出應變之間的係數。實際工作過程中，當轉子(未示出)受到軸向力時，軸向力通過軸承內圈、滾珠傳到軸承外圈3上，然後傳到彈性支承的彈條2上，彈條2則受到壓縮或拉伸變形，則通過粘貼在其上的橫向和縱向應變片全橋，可以監測出相應的輸出應變值。通過事先獲得的彈性支承所獲得的加載力和其上應變全橋的輸出應變之間的係數，可以得到此時轉子所受的軸向力大小和方向。當發動機未開車時，對應變片的全橋電路進行平衡清零，若轉子受到向前的軸向力時，彈條2發生壓縮變形，應變全橋輸出的應變值為正值；若轉子受到向後的軸向力時，彈條2發生拉伸變形，應變全橋輸出的應變值為負值。因此，可以根據應變全橋的輸出應變的正負值判斷轉子所受軸向力的方向。
本實施例中，在彈條2上的橫向和縱向上各粘貼一個應變片，並組成全橋，能有效減少偏載荷引起的誤差，並且能增加傳感器輸出靈敏度。理論上，應變片的輸出應變為其中a為彈條2的橫截面積，e為彈條2的彈性模量，μ為彈條2的泊松比，f為軸向力。
從以上的描述可以得知，本實施例具有以下有益效果：
1)、在彈性支承的彈條上粘貼應變片並連接成全橋來感應轉子的軸向力，不需要額外的附加結構(如彈性環)來測量轉子的軸向力，從而簡化了原有的軸向力測量系統。另外，對帶軸承外圈的彈性支承而言，由於受其結構特徵所限制，也無法按照原有方式安放測量軸向力的傳感器，因此，本發明解決了受此限制條件下的軸向力測量難題。
2)、在彈性支承垂直和水平四根彈條上各粘貼一個橫向和縱向的應變片，並連接成全橋，能有效減少偏載荷引起的誤差和增加軸向力測量傳感器的靈敏度。本發明所述的航空發動機轉子軸向力測量方法能同時測量軸向力的大小和方向。
以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。