CN102393268A

CN102393268A - 一种用于测量超高转速叶轮转轴扭矩的装置

Info

Publication number: CN102393268A
Application number: CN2011103587822A
Authority: CN
Inventors: 夏晨; 黄国平; 吉爱红; 王金童; 毛建国
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2011-11-14
Filing date: 2011-11-14
Publication date: 2012-03-28

Abstract

本发明是一种用于测量超高转速叶轮转轴扭矩的装置，结构包括转轴、A光栅盘、B光栅盘、光源、光敏元件和信号放大数据采集系统，其中A光栅盘、B光栅盘对称布置并固接在转轴上，A光栅盘、B光栅盘周向对应位置的一组栅槽构成一条光路，光源发出的光线通过该光路被光敏元件接收，转化为周期性占空比信号输出给信号放大数据采集系统，由信号放大数据采集系统将放大的信号传输给PC机进行数据处理、显示、保存。优点：能实现精确测量10～20万转/分的超高速转轴扭矩，测量精度不低于1％。可将光强信号与转轴扭转角表示为线性关系，通过测量光强信号获得转轴扭转角，并根据扭转角与扭矩的线性关系，得到转轴扭矩，实现高速转轴的功率测量。

Description

一种用于测量超高转速叶轮转轴扭矩的装置

技术领域

本发明涉及的是一种用于测量超高转速叶轮转轴扭矩的装置，可精确测量叶轮功率。

背景技术

叶轮机械在国民经济尤其是整个重工业体系中占有十分重要的地位。其主要分支之一——燃气轮机——已广泛用于航空、电站、舰船、导弹、坦克、重载机车等高端领域的核心动力以及冶金、勘探、化工、土木等一般工业领域的主要或辅助动力，燃气轮机的生产水平已成为衡量一个国家工业整体实力的最重要标志之一。近年来，随着微细加工、精密加工工艺的发展，微小型叶轮机械获得了快速发展，广泛应用于微型涡轮喷气发动机、微型燃气发电机、车用涡轮增压器等领域，叶轮尺寸减小为厘米量级，而转速则超过了10万转/分，转轴扭矩＜20N·m。以南京航空航天大学研制的微型涡轮发动机12厘米直径原理样机为例，转速12.5万转/分，转轴扭矩6.7 N·m，轴肩跨度70mm，转轴最大扭角0.131°。超高速叶轮功率的精确测量对估算叶轮效率、衡量叶轮性能非常关键，但目前的测功设备最高测试转速仅能达到3～4万转/分，不能满足超高转速功率的测量需求。

发明内容

本发明提出的是一种用于测量超高转速叶轮转轴扭矩的装置，其目的旨在克服现有技术所存在的上述缺陷。

本发明的技术解决方案：其结构包括转轴、A光栅盘、B光栅盘、光源、光敏元件和信号放大数据采集系统，其中A光栅盘、B光栅盘对称布置并固定连接在转轴上，A光栅盘、B光栅盘周向对应位置的一组栅槽构成一条光路，光源发出的光线通过该光路被光敏元件接收，转化为周期性占空比信号输出给信号放大数据采集系统，由信号放大数据采集系统将放大的信号传输给PC机进行数据处理、显示、保存；当转轴接受扭矩作用时产生扭转变形，A光栅盘、B光栅盘栅槽重合部分变小，光路宽度变窄，光敏元件接受到的光强信号减弱，占空比信号减小，占空比信号与扭矩负载存在线性关系，通过扭矩负载标定试验确定这一线性关系，即可实现高速转轴的扭矩精确测量。

本发明的优点：能够实现精确测量10～20万转/分的超高速转轴扭矩，可实现测量精度不低于1％。可将光强信号与转轴扭转角表示为线性关系，通过测量光强信号获得转轴扭转角，并根据扭转角与扭矩的线性关系，得到转轴扭矩，实现高速转轴的功率测量。本发明属非接触式测量，精度高，工作可靠，对环境条件要求不高，结构简单，有现成的电子元件可供选择，易于实现。

附图说明

附图1是用于测量超高转速叶轮转轴扭矩的装置的结构示意图。

附图2 是转轴结构示意图。附图3 是光电扭矩传感器转子系统示意图。

图中的1是A光栅盘，2是B光栅盘，3 是光源，4是透镜，5是光敏原件，6是凸台，7是销钉孔，8是压气机，9是转轴，10是A、B光栅盘，11是涡轮，12是轴承。

具体实施方式

对照附图1，其结构包括转轴、A光栅盘、B光栅盘、光源3、光敏元件5和信号放大数据采集系统，其中A光栅盘、B光栅盘对称布置并固定连接在转轴上，A光栅盘、B光栅盘周向对应位置的一组栅槽构成一条光路，光源发出的光线通过该光路被光敏元件接收，转化为周期性占空比信号输出给信号放大数据采集系统，由信号放大数据采集系统将放大的信号传输给PC机进行数据处理、显示、保存。

当转轴受扭矩作用时产生扭转变形，A光栅盘、B光栅盘栅槽重合部分变小，光路宽度变窄，光敏元件接受到的光强信号减弱，占空比信号减小，占空比信号与扭矩负载存在线性关系，通过扭矩负载标定试验确定这一线性关系，即可实现高速转轴的扭矩精确测量。

转轴传递受测叶轮的扭矩；对称布置的两光栅盘与转轴连接，可感知连接处的扭转变形，光栅盘外缘的栅槽作为光路通道；光源与光敏元件组成光电系统，光源发出的光线被光敏元件接收后，将光强信号输出为电流信号，并转化为周期性的占空比信号；采集系统接收占空比信号，表征为转轴扭转角大小，最终转化为扭矩大小。当转轴不受扭矩作用时，两光栅盘的栅槽完全重合，此时光路最宽，通过的光线最多，光敏元件感知的光强最强；当转轴受扭矩作用时产生扭转变形，两光栅盘周向错位，栅槽重合部分变小，通过的光线减少，光敏元件感知的光强减弱，占空比减小。随着扭矩的增大，转轴扭转变形增加，两光栅盘周向错位变大，通过的光线减少，光敏元件感知的光强减弱，光敏元件输出脉冲的占空比变小。通过扭矩载荷试验标定，即可获得不同占空比对应的扭矩值，并应用于高速转轴扭矩的测量。

转轴扭转角与扭矩、转轴长度成正比，与材料抗扭刚度成反比。扭转角越大，两光栅盘周向偏转越明显，光敏元件感知的光强变化幅度越大，测量精度越高。经强度计算得知，在扭矩载荷为6.7 N·m时，转轴直径应不小于10mm。为确保测量精度，本扭矩测量装置在保证转轴强度的前提下，选用长径比（轴肩长度/直径）为11的细长轴，通过增加转轴长度，以降低材料抗扭刚度。

对照图2、3，转轴为典型的台阶轴结构，转轴最粗处为3个凸台，凸台间细轴段与转轴两侧叶轮安装段为转轴直径最小处，该轴径根据转轴扭矩强度确定，凸台直径为转轴最小轴径的1.5～1.6倍，左右两侧凸台用以安装固定光栅盘，中间凸台与光栅盘保持搭接状态；转轴呈中间细两头粗，凸台间细轴段用以减小材料抗扭刚度，增加转轴扭转角；左右两侧外段直径10mm段分别安放压气机8及涡轮4转子，细轴段与粗轴段的台阶面为轴肩位置，安放轴承12。转轴上共有3个凸台6，直径为15mm，凸台之间轴直径减小为10mm，左右两侧凸台用以安装固定光栅盘，中间凸台与光栅盘保持搭接状态。转轴呈中间细两头粗，中间直径10mm段用以减小材料抗扭刚度，增加转轴扭转角。转轴受扭矩作用产生扭转变形，光栅盘固定在转轴上，与连接处产生相同的扭转角，即光栅盘反映的是连接处的扭转角。两光栅盘连接处间距越大，栅槽半径越大，则相对扭转变形量越大，两光栅盘栅槽之间的周向偏转量越大，光路宽度变化越大，光敏元件感知的光强变化幅度越大，测量精度越高。因此，光栅盘主体为外径27mm、内径15mm的圆筒结构，在布置栅槽的一头将直径增大为39mm，在外缘处周向开8个均布的栅槽，槽底导圆，内孔与转轴中间凸台搭接，不需固定；另一头预留销钉孔7，通过销钉将光栅盘与转轴左右两侧凸台固定连接为一体，两光栅盘对称放置。两光栅盘分别与转轴两侧凸台连接，反映的是两侧凸台处的扭转变形，并且栅槽布置在大直径外缘，可将连接处的扭转变形量进一步放大，以增加测量过程中光强的变化幅度，以提高测量精度。

凸台间细轴段与转轴两侧叶轮安装段为转轴直径最小处，该轴径根据转轴扭矩强度确定，凸台直径为转轴最小轴径的1.5～1.6倍，左右两侧凸台用以安装固定光栅盘，中间凸台与光栅盘保持搭接状态；转轴呈中间细两头粗，凸台间细轴段用以减小材料抗扭刚度，增加转轴扭转角。

光栅盘主体为圆筒结构，其内径与转轴凸台直径一致，外径为内径的1.8倍，在布置栅槽的一头将光栅盘外径增大为内径的2.6倍，为受测叶轮直径的0.5～0.6倍，以确保高速旋转过程中光栅盘强度，在外缘处周向开8个均布的栅槽，槽底导圆，内孔与转轴中间凸台搭接，不需固定；另一头预留销钉孔，通过销钉将光栅盘与转轴左右两侧凸台固定连接为一体，两光栅盘对称放置，两光栅盘分别与转轴两侧凸台连接。

转子系统为高速旋转件，受较大的离心载荷，且转子系统动平衡要求很高。考虑到电子元件焊点强度不足以承受较大的离心载荷，因此光源和光敏元件均未布置于旋转件上，以避免电子元件在高速旋转过程中失效，同时降低转子系统动平衡的难度。本发明测试转轴具有很高的转速，以12.5万转/分的转速为例，即转速为480微秒/转，若考虑光敏元件感光区域宽度为0.5mm，则光强脉冲宽度约为2.29微秒，响应时间非常短。针对超过10万转的超高转速，要求光敏元件响应速度快，灵敏度高，线性度好，因此选用Silicon Sensor的快速响应型Pin光电二极管（型号PS0.25-5 T052S1）为光敏元件。根据光敏元件的性能参数以及测量要求，选用Epigap的红外发光二极管ELD-810-525为高亮光源。光电二极管接收光信号并转化为电流信号输出，但输出的电流信号极其微弱，且变化量非常小，因此需要设计调理电路，对光电二极管输出的电流信号进行电压转换、放大、滤波和整形，得到占空比变化的周期信号，以此表征不同转轴扭矩。若被测转速12.5万转/分，每一转480μs，在最大负载作用下，两光栅相互错开的狭缝宽度仅0.0505mm，即经过狭缝时间仅0.193μs，以1%的分辨率为例，则采样速率高达518M。为获得较高的测量精度，选用高速数字化仪NI PCI-5153进行数据采集，采样速率2G/s，测量带宽500M，测量精度0.25%(0.02N﹒m)。

本发明属非接触式测量技术，电磁干扰小，同时光电器件技术相对成熟，具有较高的响应速度，能实现高频信号的采集，作为数字信号输出要求A/D转换的采样频率也较易实现。转轴采用长径比为11的细长轴结构，以降低转轴的抗扭刚度；同时在满足强度的基础上局部增加栅槽位置处的直径，在相同的扭转角情况下获得更大的扭转变形量。采用上述措施增大测量工况下光强的变化幅度，以提高测量精度。电子元件焊点强度无法满足高速旋转工况下的强度需求，故光源与光敏元件均不布置在旋转轴上，这也避免了信号干扰。选用响应速度快、灵敏度高、线性度好的快速响应型Pin光电二极管为光敏元件，选用红外LED作为高亮光源。同时选用高速数字化仪进行光电信号的采集，实现500M/s以上的采样频率和1％以上的测量精度。

从已搭建的中低转速标定试验台（转速0～20000转/分），完成了低速（1000～1500转/分）标定试验，基本验证了负载扭矩与占空比信号的线性关系，即在低速状态下可实现扭矩的测量，测量精度可达1％。

Claims

1.一种用于测量超高转速叶轮转轴扭矩的装置，其特征是包括转轴、A光栅盘、B光栅盘、光源、光敏元件和信号放大数据采集系统，其中A光栅盘、B光栅盘对称布置并固定连接在转轴上，A光栅盘、B光栅盘周向对应位置的一组栅槽构成一条光路，光源发出的光线通过该光路被光敏元件接收，转化为周期性占空比信号输出给信号放大数据采集系统，由信号放大数据采集系统将放大的信号传输给PC机进行数据处理、显示、保存；当转轴接受扭矩作用时产生扭转变形，A光栅盘、B光栅盘栅槽重合部分变小，光路宽度变窄，光敏元件接受到的光强信号减弱，占空比信号减小，占空比信号与扭矩负载存在线性关系，通过扭矩负载标定试验确定这一线性关系，即实现高速转轴的扭矩精确测量。

2.根据权利要求1所述的一种用于测量超高转速叶轮转轴扭矩的装置，其特征是转轴为典型的台阶轴结构，转轴最粗处为3个凸台，凸台间细轴段与转轴两侧叶轮安装段为转轴直径最小处，该轴径根据转轴扭矩强度确定，凸台直径为转轴最小轴径的1.5～1.6倍，左右两侧凸台用以安装固定光栅盘，中间凸台与光栅盘保持搭接状态；转轴呈中间细两头粗，凸台间细轴段用以减小材料抗扭刚度，增加转轴扭转角；左右两侧外段细轴段分别安放压气机及涡轮转子，细轴段与粗轴段的台阶面为轴肩位置，安放轴承。

3.根据权利要求1所述的一种用于测量超高转速叶轮转轴扭矩的装置，其特征是光栅盘主体为圆筒结构，其内径与转轴凸台直径一致，外径为内径的1.8倍，在布置栅槽的一头将光栅盘外径增大为内径的2.6倍，为受测叶轮直径的0.5～0.6倍，以确保高速旋转过程中光栅盘强度，在外缘处周向开8个均布的栅槽，槽底导圆，内孔与转轴中间凸台搭接，不需固定；另一头预留销钉孔，通过销钉将光栅盘与转轴左右两侧凸台固定连接为一体，两光栅盘对称放置，两光栅盘分别与转轴两侧凸台连接。