CN105241598B - 发动机转子预紧力测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发动机转子预紧力测量方法及系统，该测量方法包括：选取测量截面；安装光纤光栅应变传感器；发射光信号给光纤光栅应变传感器并接收经光纤光栅应变传感器反射的光束，其中，反射的光束感应中心拉杆的轴向力以产生中心波长偏移；根据接收的光纤光栅应变传感器反射的光束的中心波长偏移得到光纤光栅应变传感器的应变值，进而得到中心拉杆的轴向预紧力。通过在中心拉杆上设置光纤光栅应变传感器以感应中心拉杆的轴向力，且通过光纤将光信号传递引出中心拉杆，并通过对光纤光栅应变传感器的检测信号进行处理得到中心拉杆的轴向预紧力，无需在发动机转子中额外设置弹性体，且经光信号传递及检测实现了发动机转子试车过程中的在线检测。

Description

发动机转子预紧力测量方法及系统

技术领域

本发明涉及预紧力测量领域，特别地，涉及一种发动机转子预紧力测量方法及系统。

背景技术

现有的航空发动机转子经常有多级轮盘、离心叶轮、鼓筒轴等零件，通过中心拉杆进行预紧。其结构形式复杂多样，有的同一根中心拉杆还是分为前后两段式预紧，前后两段之间互相影响。一般中心拉杆通过两端的螺纹预紧，或者一端通过螺纹预紧、另一端经台阶端面直接压紧的方式预紧。故在装配时，需要事先预紧，让中心拉杆承受一定的拉力并使得多级轮盘、离心叶轮、鼓筒轴等零件套在中心拉杆上被压紧。其中的预紧力保证转子能在航空发动机工作状态带来的各种的松弛力和压紧力的双重作用下不脱开并让转子整体具有一定的刚度。

航空发动机转子预紧力的确定有通过目标函数理论计算和测量获得两种方式。但具体的测量方法未见到相关文献。发明人查阅现有的相关文献，仅查到关于螺纹预紧力测量的方法。现有技术有如下几种方法：

1)在中心拉杆(或长螺栓)外部增加一个受压的弹性体，并通过测量弹性体的变形间接反映预紧力，如CN 103439035A公开了《一种螺纹紧固件预紧力测量方法及其测量装置》，或者直接把增加的弹性体做成传感器进行测量，如CN 103335825A公开了《一种螺栓拧紧力系数测量方法》。

2)也有将应变计直接粘贴到螺栓上进行测量，如CN 104075831A公开了《一种高强螺栓预紧力测量装置》，以及CN103528723A公开了《一种二力杆轴向力测量方法》。但是这两种方案都要解决应变计测试线引线问题，并且一般用于非转动条件下的测量。

但现有技术主要针对实心螺栓的测力，而发动机转子的预紧与螺栓的预紧是完全不同的两种方法。原因如下：

a)中心拉杆结构不同。发动机转子预紧多使用中空薄壁结构的中心拉杆，其结构特点、受载荷状态与实心高强度螺栓或者实心轴有较大区别。

b)受载情况不同。由于中心拉杆是薄壁结构，预紧装配时往往存在一定的偏心载荷或应力集中，即附加了一定的弯矩载荷，导致理论上不能当作纯粹的受拉二力杆来测量预紧力。

c)加载方式不同。由于其需要的预紧力载荷较大，装配时加载一般不能采取直接拧紧螺纹的方式，否则即难以拧紧到需要的拧紧力矩，同时也会容易损坏螺纹。而是采取工装实现压紧后拧紧螺栓，然后松开工装的方式。

对于第一种现有技术，由于需要增加一个额外的弹性体或者传感器作为测量单元，改变了发动机转子结构而不能较客观的模拟真实转子的装配状态。另外，额外的测量单元在压缩刚度、粗糙度、材料接触面的摩擦系数都会与实际转子存在差异。对于第二种现有技术，没有考虑发动机转子的结构特点，以及中心拉杆加载方式不同，并不适合发动机转子预紧力的测量。此外，两种现有技术均只适合地面装配时采用，不适用于转子旋转工况下的试验测量。因此，亟需设计一种适用于发动机转子预紧力测量的方法及系统，以克服现有技术无法实现对发动机转子预紧力进行在线测量的问题。

发明内容

本发明提供了一种发动机转子预紧力测量方法及系统，以解决现有技术无法实现对发动机转子预紧力进行在线测量的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

根据本发明的一个方面，提供一种发动机转子预紧力测量方法，该测量方法包括：

选取测量截面，在发动机转子的中心拉杆上选取与其余零件不会干涉的横截面作为测量截面；

安装光纤光栅应变传感器，在测量截面的圆周外沿上设置光纤光栅应变传感器；

发射光信号给光纤光栅应变传感器并接收经光纤光栅应变传感器反射的光束，其中，反射的光束感应中心拉杆的轴向力以产生中心波长偏移；

根据接收的光纤光栅应变传感器反射的光束的中心波长偏移得到光纤光栅应变传感器的应变值，进而得到中心拉杆的轴向预紧力。

进一步地，在测量截面的圆周外沿上对称间隔设置四处测量点，每处测量点对应一组光纤光栅应变传感器，每组光纤光栅应变传感器包括沿中心拉杆的轴向布置的光纤光栅和沿中心拉杆的周向布置的光纤光栅；

反射的光束包括各测量点处光纤光栅应变传感器反射的光线以反映各测量点处光纤光栅应变传感器的应变值，通过数据处理得到中心拉杆的轴向预紧力。

进一步地，四组光纤光栅应变传感器中的各光栅光分布式波长应用共用同一根光纤传递光信号，且光纤引出至中心拉杆的端部并经第一自准仪将光束转换为平行光沿中心拉杆的轴线出射；

发动机机匣上安装第二自准仪，第二自准仪与第一自准仪耦合，用于将激光源光束经第一自准仪输出至光纤光栅应变传感器并接收光纤光栅应变传感器的反射光束以传递至信号解调仪。

进一步地，根据接收的光纤光栅应变传感器反射的光束的中心波长偏移得到光纤光栅应变传感器的应变值，进而得到中心拉杆的轴向预紧力的步骤包括：

逐级加载中心拉杆上的预紧载荷并测量测量点处光纤光栅应变传感器输出的应变值；

根据预紧载荷与测量得到的应变值的关系拟合得到中心拉杆的载荷-应变曲线斜率；

在发动机转子试车过程中测量光纤光栅应变传感器的应变值，并根据载荷-应变曲线斜率换算得到发动机转子的中心拉杆的实际轴向预紧力。

进一步地，对于多段预紧的发动机转子，在中心拉杆上相应设置多个测量截面及与测量截面匹配的光纤光栅应变传感器。

根据本发明的另一方面，提供一种发动机转子预紧力测量系统，该测量系统包括：

光纤光栅应变传感器，安装于发动机转子的中心拉杆上，用于感应中心拉杆的轴向力；

第一自准仪，与发动机转子相对固定，经光纤连接光纤光栅应变传感器；

第二自准仪，安装于发动机机匣上，与第一自准仪耦合，用于将激光源光束经第一自准仪输出至光纤光栅应变传感器并接收光纤光栅应变传感器的反射光束；

信号解调仪，用于将激光源的出射光束传递给第二自准仪和接收并解调经第二自准仪传递的光纤光栅应变传感器的反射光束；

处理器，连接信号解调仪，用于根据光纤光栅应变传感器的反射光束中心波长的变化换算得到光纤光栅应变传感器的应变值以及中心拉杆的轴向预紧力。。

进一步地，中心拉杆的测量截面圆周外沿上对称间隔设置四处测量点，每处测量点对应一组光纤光栅应变传感器，每组光纤光栅应变传感器包括沿中心拉杆的轴向布置的光纤光栅和沿中心拉杆的周向布置的光纤光栅。

进一步地，四组光纤光栅应变传感器中的各光栅光分布式波长应用共用同一根光纤传递光信号。

进一步地，对于多段预紧的发动机转子，在中心拉杆上相应设置多个测量截面及与测量截面匹配的光纤光栅应变传感器。

本发明具有以下有益效果：

本发明发动机转子预紧力测量方法及系统，通过在中心拉杆上设置光纤光栅应变传感器以感应中心拉杆的轴向力，且通过光纤将光信号传递引出中心拉杆，并通过对光纤光栅应变传感器的检测信号进行处理得到中心拉杆的轴向预紧力，无需在发动机转子中额外设置弹性体，且经光信号传递及检测实现了发动机转子试车过程中的在线检测。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例发动机转子预紧力测量方法的流程示意图；

图2是本发明优选实施例发动机转子预紧力测量系统的结构示意图；

图3是本发明优选实施例光纤光栅应变传感器的安装示意图；

图4是图3的测试侧视示意图；

图5是本发明优选实施例光纤光栅传感器的原理示意图；

图6是本发明优选实施例工装预紧载荷与中心拉杆拉伸应变值拟合曲线示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明的优选实施例提供了一种发动机转子预紧力测量方法，参照图1，该测量方法包括：

步骤S10，选取测量截面，在发动机转子的中心拉杆上选取与其余零件不会干涉的横截面作为测量截面。

作为一种优选的方式，选取中心拉杆上相对均匀对称的部分的某一横截面作为测量截面，且该截面布置测点不会跟其余零件干涉。

步骤S20，安装光纤光栅应变传感器，在测量截面的圆周外沿上设置光纤光栅应变传感器。

作为一种较佳的实施方式，在测量截面的圆周360度范围内，参照图3，选取0度、90度、180度、270度母线位置设置四处测量点，每处测量点分别设置光纤光栅应变传感器并编号T1、T2、T3、T4。本实施例中，各测量点处光纤光栅应变传感器的沿轴向和周向各安装一个光纤光栅并分别编号，参照图4，比如T1-1和T1-2代表0度母线沿轴向和周向的光纤光栅，T2-1，T2-2代表90度母线沿轴向和周向的光纤光栅，T3-1，T3-2，T4-1，T4-2依此类推。本实施例通过设置四组光纤光栅应变传感器，且每组光纤光栅传感器包括沿轴向和沿轴向的光纤光栅，可以避免检测转子预紧力时载荷的偏心对检测结果造成的影响，提高了检测精度。

步骤S30，发射光信号给光纤光栅应变传感器并接收经光纤光栅应变传感器反射的光束，其中，反射的光束感应中心拉杆的轴向力以产生中心波长偏移。

本实施例中，光纤光栅利用紫外曝光技术在光纤芯内形成的折射率的周期性分布结构，如图5所示。当一束入射宽带光入射到光纤光栅时，折射率的周期性结构使得某个特定波长的窄带光被反射，反射光波长满足Brag散射条件，即

λ_B＝2n_effΛ (1)

公式(1)中，λ_B为反射光的中心波长，n_eff和Λ分别为光纤光栅的有效折射率和光栅周期。

光纤光栅在轴向力变化时，引起其光栅周期以及纤芯折射率的变化，进而使光纤光栅反射光的中心波长发生偏移，通过检测波长的偏移情况，即可以获得待测应力的变化情况。波长的偏移量与光纤光栅沿轴向应变的关系为：

公式(2)中，λ_B为反射光的中心波长，Δλ_B为布拉格波长偏移量，P_e为光纤的弹光系数，Δε为光纤光栅沿轴向的应变大小。

步骤S40，根据接收的光纤光栅应变传感器反射的光束的中心波长偏移得到光纤光栅应变传感器的应变值，进而得到中心拉杆的轴向预紧力。

作为一种较佳的实施方式，本实施例四组光纤光栅应变传感器中的各光栅光分布式波长应用共用同一根光纤传递光信号，参照图2，光纤引出至中心拉杆10的端部并经第一自准仪20将光束转换为平行光沿中心拉杆10的轴线出射；

发动机机匣上安装第二自准仪30，第二自准仪30与第一自准仪20耦合，用于将激光源光束经第一自准仪20输出至光纤光栅应变传感器和接收光纤光栅应变传感器的反射光束并传递至信号解调仪40。

本实施例通过第一自准仪20和第二自准仪30的耦合，实现光信号从旋转部件到固定部件间的传输。两个自准仪通过调节两排成正交分布的小螺钉实现调节耦合透镜的的前后、左右和上下位置以及仰俯角度，将输出光束转换为平行光束。两个自准仪之间有1～3mm左右的空气光路，光强损失小，接入损耗要求不高，不需要经过复杂的光滑环的耦合，节约了成本，提高了工作效率。

作为一种较佳的实施方式，本实施例根据接收的光纤光栅应变传感器反射光束的中心波长偏移得到光纤光栅应变传感器的应变值，进而得到中心拉杆的轴向预紧力的步骤包括：

(1)、逐级加载中心拉杆上的预紧载荷并测量测量点处光纤光栅应变传感器输出的应变值；

经加载工装60及锁紧螺母50的配合，压紧中心拉杆10上各级盘、离心叶轮、鼓筒轴等零件。逐级加载预紧并同时记录各测量点应变值的大小和工装载荷，采用(3)的计算值作为衡量中心拉杆预紧力大小的指标。

公式(3)中，μ为中心拉杆材料的泊松比，T为光纤光栅应变传感器的应变值，其中，T1-1和T1-2代表0度母线沿轴向和周向的光纤光栅，T2-1和T2-2代表90度母线沿轴向和周向的光纤光栅，T3-1和T3-2代表180度母线沿轴向和周向的光纤光栅，T4-1和T4-2代表270度母线沿轴向和周向的光纤光栅，ε_T作为中心拉杆的应变值指标。

(2)、根据工装的预紧载荷与测量得到的应变值的关系拟合得到中心拉杆的载荷-应变曲线斜率；

拧紧锁紧螺母50，然后将工装卸载并记录应变值填入表1。并且绘制工装预紧载荷与中心拉杆拉伸的应变值指标的曲线，如图6，标定出中心拉杆的载荷-应变曲线斜率。标定过程可重复2～3次，以减少随机误差。表1如下：

表1装配预紧力测量表

本实施例拟合得到曲线斜率K＝542.77με/kN。

(3)、在发动机转子的装配工装卸载后以及试车过程中测量光纤光栅应变传感器的应变值，并根据载荷-应变曲线斜率换算得到发动机转子的中心拉杆的实际轴向预紧力。

本实施例发动机转子在试验台试车过程中，依旧使用上述测量装置，将测得的应变值ε_T通过载荷预紧力曲线斜率K转换为实时的转子预紧力。

优选地，对于多段预紧的发动机转子，在中心拉杆上相应设置多个测量截面及与测量截面匹配的光纤光栅应变传感器。

根据本发明的另一方面，提供一种发动机转子预紧力测量系统，参照图2，该测量系统包括：

光纤光栅应变传感器，安装于发动机转子的中心拉杆10上，用于感应中心拉杆10的轴向力；

第一自准仪20，与发动机转子相对固定，经光纤连接光纤光栅应变传感器；

第二自准仪30，安装于发动机机匣上，与第一自准仪20耦合，用于将激光源光束经第一自准仪20输出至光纤光栅应变传感器和接收光纤光栅应变传感器的反射光束；

信号解调仪40，用于将激光源的出射光束传递给第二自准仪和接收并解调经第二自准仪传递的光纤光栅应变传感器的反射光束；

处理器，连接信号解调仪40，用于根据光纤光栅应变传感器的反射光束中心波长的变化换算得到光纤光栅应变传感器的应变值以及中心拉杆的轴向预紧力。。

本实施例，优选地，中心拉杆的测量截面圆周外沿上对称间隔设置四处测量点，每处测量点对应一组光纤光栅应变传感器，每组光纤光栅应变传感器包括沿中心拉杆的轴向布置的光纤光栅和沿中心拉杆的周向布置的光纤光栅。

优选地，四组光纤光栅应变传感器中的各光栅光分布式波长应用共用同一根光纤传递光信号。

优选地，对于多段预紧的发动机转子，在中心拉杆上相应设置多个测量截面及与测量截面匹配的光纤光栅应变传感器。

本实施例发动机转子预紧力测量方法及系统，通过在中心拉杆上设置光纤光栅应变传感器以感应中心拉杆的轴向力，且通过自准仪将光信号传递引出中心拉杆，并通过对光纤光栅应变传感器的检测信号进行处理得到中心拉杆的轴向预紧力，无需在发动机转子中额外设置弹性体，且经光信号传递及检测实现了发动机转子试车过程中的在线检测。

本实施例采用光纤光栅传感器在中心拉杆截面上4个对称位置沿轴向、周向方向同时测量预紧力，克服了弯矩、剪力对测量预紧力的影响，准确的测量轴向预紧力。

本实施例中心拉杆经过装配状态的预紧力标定，保证试车状态测量预紧力准确度。

本实施例光纤连接简单，从转动端到固定端传输信号方便，光纤光栅采用波长调制方式，不受耦合光强损耗的影响，对测试精度无影响。

本实施例自准仪对准操作简单，经过准直后直接沿转动轴线通过空气传输，不需要增加光滑环等转换元件。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种发动机转子预紧力测量方法，其特征在于，包括：

选取测量截面，在发动机转子的中心拉杆上选取与其余零件不会干涉的横截面作为测量截面；

安装光纤光栅应变传感器，在所述测量截面的圆周外沿上对称间隔设置四处测量点，每处测量点对应一组光纤光栅应变传感器，每组所述光纤光栅应变传感器包括沿所述中心拉杆的轴向布置的光纤光栅和沿所述中心拉杆的周向布置的光纤光栅；

四组所述光纤光栅应变传感器中的各光栅光经分布式波长应用共用同一根光纤传递光信号，且所述光纤引出至所述中心拉杆的端部并经第一自准仪将光束转换为平行光沿所述中心拉杆的轴线出射；发动机机匣上安装第二自准仪，所述第二自准仪与所述第一自准仪耦合，用于将激光源光束经所述第一自准仪输出至所述光纤光栅应变传感器并接收光纤光栅应变传感器的反射光束以传递至信号解调仪；

发射光信号给所述光纤光栅应变传感器并接收经所述光纤光栅应变传感器反射的光束，其中，所述反射的光束感应所述中心拉杆的轴向力以产生中心波长偏移；

根据接收的所述光纤光栅应变传感器反射的光束的中心波长偏移得到所述光纤光栅应变传感器的应变值，进而得到所述中心拉杆的轴向预紧力；所述反射的光束包括各测量点处光纤光栅应变传感器反射的光线以反映各测量点处光纤光栅应变传感器的应变值，通过数据处理得到所述中心拉杆的轴向预紧力。

2.根据权利要求1所述的发动机转子预紧力测量方法，其特征在于，根据接收的所述光纤光栅应变传感器反射的光束的中心波长偏移得到所述光纤光栅应变传感器的应变值，进而得到所述中心拉杆的轴向预紧力的步骤包括：

逐级加载中心拉杆上的预紧载荷并测量测量点处光纤光栅应变传感器输出的应变值；

根据预紧载荷与测量得到的应变值的关系拟合得到中心拉杆的载荷-应变曲线斜率；

在发动机转子试车过程中测量光纤光栅应变传感器的应变值，并根据所述载荷-应变曲线斜率换算得到发动机转子的中心拉杆的实际轴向预紧力。

3.根据权利要求2所述的发动机转子预紧力测量方法，其特征在于，

对于多段预紧的发动机转子，在所述中心拉杆上相应设置多个测量截面及与所述测量截面匹配的光纤光栅应变传感器。

4.一种发动机转子预紧力测量系统，其特征在于，包括：

光纤光栅应变传感器，安装于发动机转子的中心拉杆上，用于感应所述中心拉杆的轴向力；

第一自准仪，与所述发动机转子相对固定，经光纤连接所述光纤光栅应变传感器；

第二自准仪，安装于发动机机匣上，与所述第一自准仪耦合，用于将激光源光束经所述第一自准仪输出至所述光纤光栅应变传感器和接收光纤光栅应变传感器的反射光束；

信号解调仪，用于将激光源的出射光束传递给所述第二自准仪和接收并解调经所述第二自准仪传递的所述光纤光栅应变传感器的反射光束；

处理器，连接所述信号解调仪，用于根据所述光纤光栅应变传感器的反射光束中心波长的变化换算得到所述光纤光栅应变传感器的应变值以及中心拉杆的轴向预紧力。

5.根据权利要求4所述的发动机转子预紧力测量系统，其特征在于，

所述中心拉杆的测量截面圆周外沿上对称间隔设置四处测量点，每处测量点对应一组光纤光栅应变传感器，每组所述光纤光栅应变传感器包括沿所述中心拉杆的轴向布置的光纤光栅和沿所述中心拉杆的周向布置的光纤光栅。

6.根据权利要求5所述的发动机转子预紧力测量系统，其特征在于，

四组所述光纤光栅应变传感器中的各光栅光经分布式波长应用共用同一根光纤传递光信号。

7.根据权利要求4至6任一所述的发动机转子预紧力测量系统，其特征在于，

对于多段预紧的发动机转子，在所述中心拉杆上相应设置多个测量截面及与所述测量截面匹配的光纤光栅应变传感器。