CN107202663B - 转子轴向力测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种转子轴向力测量装置及测量方法，用于对安装于带轴承外圈的弹性支承上的转子进行轴向力测量，弹性支承包括安装边及与安装边相对的自由端，自由端设有轴承外圈，安装边与自由端之间部分镂空形成沿周向间隔分布的多个弹条，该测量装置包括沿弹性支承的中心轴对称布置于弹条上的多个应变片，多个应变片串联后经信号线引出并连接至应变监测仪，应变监测仪用于根据多个应变片检测的应变输出值得到设于弹性支承上转子的轴向力测量结果。通过在弹性支承的弹条上设置应变片并连接成全桥来感应转子的轴向力，不需要额外的附加结构，简化了原有的轴向力测量系统。且克服了带轴承外圈的弹性支承上转子轴向力无法测量的难题。

Description

转子轴向力测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及航空发动机轴向力测量领域，特别地，涉及一种转子轴向力测量装置及测量方法。

背景技术

弹性支承广泛用于航空发动机等旋转机械的转子系统支承中，它能在转子通过临界转速时有效降低转子的振幅，使转子平稳可靠工作。压气机转子工作时会产生向前的轴向载荷，涡轮转子工作时会产生向后的轴向载荷，轴向载荷必须保持在合适的范围之内。过大的轴向载荷有可能超过轴承的许用载荷，较小的轴向载荷则会导致轴承轻载打滑，进而造成轴承磨损失效。因此，在发动机工作过程中，对转子进行径向振动监测的同时，必须对其轴向载荷进行测量，以保证转子安全可靠工作。

现有的转子轴向力测量主要针对轴承外圈与弹性支承为分体结构的情形，轴承安装在弹性支承的轴承腔内，轴承内圈与转子轴颈紧配合，轴承外圈与弹性支承的轴承腔内壁间隙配合，轴承外环与应变环贴合，应变环的另一侧抵着轴承腔的底部，应变环两侧有交错布置的凸台，且一侧粘贴有应变片组成全桥。转子的轴向载荷通过轴承传递到应变环上，从而引起应变环的变形，通过测量应变环变形时的应变量可以换算出此时转子的轴向力大小。

现有针对转子轴向力的测量方法只适用于轴承外圈和弹性支承为两个单独元件的转子。随着航空发动机不断向着轻量化方向发展，一种带轴承外圈的弹性支承正逐渐得到应用，转子安装在带轴承外圈的弹性支承上，由于轴承外圈无法移动，也就无法放置应变环。因此，现有的轴向力测量方法无法实施。而目前并无一种航空发动机转子安装在带轴承外圈的弹性支承上的轴向力测量方法，使得对于安装在这种弹性支承结构上的转子的轴向力测量无法进行。

发明内容

本发明提供了一种转子轴向力测量装置及测量方法，以解决现有的带轴承外圈的弹性支承上的转子轴向力无法测量的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

根据本发明的一个方面，提供一种转子轴向力测量装置，用于对安装于带轴承外圈的弹性支承上的转子进行轴向力测量，弹性支承包括安装边及与安装边相对的自由端，自由端设有轴承外圈，安装边与自由端之间部分镂空形成沿周向间隔分布的多个弹条，测量装置包括沿弹性支承的中心轴对称布置于弹条上的多个应变片，多个应变片串联后经信号线引出并连接至应变监测仪，应变监测仪用于根据多个应变片检测的应变输出值得到设于弹性支承上转子的轴向力测量结果。

进一步地，多个应变片分布于沿弹性支承的中心轴对称的四个弹条上，每个弹条上对应设有沿轴向延伸的纵向应变片及沿周向延伸的横向应变片，成对设置的弹条上的纵向应变片串联形成两个纵向应变片组，成对设置的弹条上的横向应变片串联形成两个横向应变片组，纵向应变片组与横向应变片组间隔串联形成应变片全桥，且各串接点经信号线引出连接至应变监测仪。

进一步地，轴承外圈的内壁上设有滚珠外跑道。

根据本发明的另一方面，还提供一种转子轴向力测量方法，采用上述的测量装置，本发明测量方法包括：

将转子经轴承内圈安装于弹性支承上，轴承内圈经滚珠与轴承外圈连接；

转子工作时，弹性支承所受转子的轴向力通过轴承内圈、滚珠传到轴承外圈上，进而传递到弹条上；

应变监测仪接收设于弹条上的应变片的应变输出值；并根据轴向力与应变输出值的对应关系获得设于弹性支承上转子的轴向力测量结果。

进一步地，在测量转子轴向力之前，还包括：

对轴向力与应变输出值的对应关系进行标定的步骤。

进一步地，对轴向力与应变输出值的对应关系进行标定的步骤包括：

将弹性支承固定在加载器上；

对弹性支承两端施加一系列的加载力，同时记录应变监测仪获得的相应的应变输出值；

计算得出弹性支承所受到的加载力和其上的应变片全桥的输出应变输出值之间的系数。

本发明具有以下有益效果：

本发明转子轴向力测量装置及测量方法，通过在弹性支承的弹条上设置应变片并连接成全桥来感应转子的轴向力，不需要额外的附加结构(如弹性环)来测量转子的轴向力，从而简化了原有的轴向力测量系统。另外，本发明测量装置及测量方法适用于带轴承外圈的弹性支承上的轴向力测量，克服了该弹性支承上转子轴向力无法测量的难题，具有极大推广应用价值。

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。下面将参照附图，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中弹性支承与应变片结合的结构示意图；

图2为图1中沿A-A线的横向剖视示意图；

图3为图2中沿B-B线的横向剖视示意图；

图4为图1中沿C-C线的横向剖视示意图；

图5为图1中D处的局部放大示意图；

图6为图4中E处的局部放大示意图；

图7为本发明优选实施例中应变片全桥的接线示意图。

附图标记说明：

1、安装边；2、弹条；3、轴承外圈；30、滚珠外跑道；

40～47、应变片。

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。

航空发动机工作过程中，压气机转子由于压缩气体做功，使得气体压比增大，气体反过来对叶片有向前的反作用力，这些反作用力通过转子作用在球轴承上。相反，气体推动涡轮叶片做功，涡轮转子作受到向后的作用力。对于航空发动机整机的转子来说，转子的轴向力则是作用在压气机转子上向前的轴向力和作用在涡轮转子上向后的轴向力的合力。转子的轴向力必须控制在一定范围内，既不能太大也不能太小，更不能频繁换向，以免损坏轴承，进而造成转子的破坏和发动机的损毁。因此，需要进行转子轴向力的测量，以保证转子和轴承的安全可靠工作。

本发明的优选实施例提供了一种转子轴向力测量装置，用于对安装于带轴承外圈的弹性支承上的转子进行轴向力测量，参照图1至图6，本实施例中，弹性支承包括安装边1及与安装边1相对的自由端，自由端设有轴承外圈3，安装边1与自由端之间部分镂空形成沿周向间隔分布的多个弹条2，测量装置包括沿弹性支承的中心轴对称布置于弹条2上的多个应变片，多个应变片串联后经信号线引出并连接至应变监测仪，应变监测仪用于根据多个应变片检测的应变输出值得到设于弹性支承上转子的轴向力测量结果。

本实施例测量装置工作时，当转子受到轴向力时，轴向力通过轴承内圈、滚珠传到轴承外圈3上，然后传到弹性支承的弹条2上，弹条2则受到压缩或拉伸变形，则通过粘贴在其上的横向和纵向应变片全桥，可以监测出相应的应变输出值。本实施例通过在弹性支承的弹条上设置应变片并连接成全桥来感应转子的轴向力，不需要额外的附加结构(如弹性环)来测量转子的轴向力，从而简化了原有的轴向力测量系统。另外，本发明测量装置及测量方法适用于带轴承外圈的弹性支承上的轴向力测量，克服了该弹性支承上转子轴向力无法测量的难题，具有极大推广应用价值。

本实施例中，优选地，多个应变片分布于沿弹性支承的中心轴对称的四个弹条2上，每个弹条2上对应设有沿轴向延伸的纵向应变片及沿周向延伸的横向应变片，成对设置的弹条2上的纵向应变片串联形成两个纵向应变片组，成对设置的弹条2上的横向应变片串联形成两个横向应变片组，纵向应变片组与横向应变片组间隔串联形成应变片全桥，且各串接点经信号线引出连接至应变监测仪。本实施例中，轴承外圈3的内壁上有滚珠外跑道30。参照图1至图6，在弹性支承的垂直面和水平面的4根弹条2上各粘贴有一个横向和纵向的应变片42、43、46、47和40、41、44、45。如图7所示，将横向和纵向的应变片两两串联后再将其串联组成全桥。本实施例，通过在弹性支承垂直和水平四根弹条上各粘贴一个横向和纵向的应变片，并连接成全桥，能有效减少偏载荷引起的误差和增加轴向力测量传感器的灵敏度。弹条2发生压缩或拉伸变形，相应的应变全桥会输出正的或负的应变值，进而可以判断转子轴向力的方向。根据事先已获知的轴向力和输出应变的对应关系，即可得到此时转子所受的轴向力的大小。本发明测量装置能实现对航空发动机转子轴向力的大小和方向的同步测量。

根据本发明的另一方面，还提供一种转子轴向力测量方法，采用上述实施例的测量装置，本发明测量方法包括：

将转子经轴承内圈安装于弹性支承上，轴承内圈经滚珠与轴承外圈3连接；

转子工作时，弹性支承所受转子的轴向力通过轴承内圈、滚珠传到轴承外圈3上，进而传递到弹条2上；

应变监测仪接收设于弹条2上的应变片的应变输出值；并根据轴向力与应变输出值的对应关系获得设于弹性支承上转子的轴向力测量结果。

优选地，在测量转子轴向力之前，还包括：

对轴向力与应变输出值的对应关系进行标定的步骤。

本实施例中，对轴向力与应变输出值的对应关系进行标定的步骤包括：

将弹性支承固定在加载器上；

对弹性支承两端施加一系列的加载力，同时记录应变监测仪获得的相应的应变输出值；

计算得出弹性支承所受到的加载力和其上的应变片全桥的输出应变输出值之间的系数。

从验证结果来看，弹性支承所受的转子轴向力和应变监测仪的应变输出值之间的线性关系好。

在一个具体实施例中，如图7所示，将横向和纵向的应变片两两串联后再将其串联组成全桥。转子轴颈(未示出)与轴承内圈(未示出)紧配合，轴承内圈和轴承外圈之间3安放有滚珠(未示出)。将弹性支承固定在加载器上进行加载力和输出应变之间的系数标定，通过对弹性支承两端施加一系列的加载力，同时记录应变监测仪上相应的应变输出值，则可计算出该弹性支承所受到的加载力和其上的应变片全桥输出应变之间的系数。实际工作过程中，当转子(未示出)受到轴向力时，轴向力通过轴承内圈、滚珠传到轴承外圈3上，然后传到弹性支承的弹条2上，弹条2则受到压缩或拉伸变形，则通过粘贴在其上的横向和纵向应变片全桥，可以监测出相应的输出应变值。通过事先获得的弹性支承所获得的加载力和其上应变全桥的输出应变之间的系数，可以得到此时转子所受的轴向力大小和方向。当发动机未开车时，对应变片的全桥电路进行平衡清零，若转子受到向前的轴向力时，弹条2发生压缩变形，应变全桥输出的应变值为正值；若转子受到向后的轴向力时，弹条2发生拉伸变形，应变全桥输出的应变值为负值。因此，可以根据应变全桥的输出应变的正负值判断转子所受轴向力的方向。

本实施例中，在弹条2上的横向和纵向上各粘贴一个应变片，并组成全桥，能有效减少偏载荷引起的误差，并且能增加传感器输出灵敏度。理论上，应变片的输出应变为其中A为弹条2的横截面积，E为弹条2的弹性模量，μ为弹条2的泊松比，F为轴向力。

从以上的描述可以得知，本实施例具有以下有益效果：

1)、在弹性支承的弹条上粘贴应变片并连接成全桥来感应转子的轴向力，不需要额外的附加结构(如弹性环)来测量转子的轴向力，从而简化了原有的轴向力测量系统。另外，对带轴承外圈的弹性支承而言，由于受其结构特征所限制，也无法按照原有方式安放测量轴向力的传感器，因此，本发明解决了受此限制条件下的轴向力测量难题。

2)、在弹性支承垂直和水平四根弹条上各粘贴一个横向和纵向的应变片，并连接成全桥，能有效减少偏载荷引起的误差和增加轴向力测量传感器的灵敏度。本发明所述的航空发动机转子轴向力测量方法能同时测量轴向力的大小和方向。

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 (5)

1.一种转子轴向力测量装置，其特征在于，用于对安装于带轴承外圈(3)的弹性支承上的转子进行轴向力测量，所述弹性支承包括安装边(1)及与所述安装边(1)相对的自由端，所述自由端设有轴承外圈(3)，所述安装边(1)与所述自由端之间部分镂空形成沿周向间隔分布的多个弹条(2)，所述测量装置包括沿所述弹性支承的中心轴对称布置于所述弹条(2)上的多个应变片，所述多个应变片串联后经信号线引出并连接至应变监测仪，所述应变监测仪用于根据所述多个应变片检测的应变输出值得到设于所述弹性支承上转子的轴向力测量结果；

所述多个应变片分布于沿所述弹性支承的中心轴对称的四个弹条(2)上，每个弹条(2)上对应设有沿轴向延伸的纵向应变片及沿周向延伸的横向应变片，成对设置的弹条(2)上的纵向应变片串联形成两个纵向应变片组，成对设置的弹条(2)上的横向应变片串联形成两个横向应变片组，所述纵向应变片组与所述横向应变片组间隔串联形成应变片全桥，且各串接点经信号线引出连接至所述应变监测仪。

2.根据权利要求1所述的转子轴向力测量装置，其特征在于，

所述轴承外圈(3)的内壁上设有滚珠外跑道(30)。

3.一种转子轴向力测量方法，其特征在于，采用如权利要求1或2所述的测量装置，所述测量方法包括：

将转子经轴承内圈安装于所述弹性支承上，所述轴承内圈经滚珠与所述轴承外圈(3)连接；

转子工作时，弹性支承所受转子的轴向力通过所述轴承内圈、所述滚珠传到所述轴承外圈(3)上，进而传递到弹条(2)上；

应变监测仪接收设于所述弹条(2)上的应变片的应变输出值；并根据轴向力与应变输出值的对应关系获得设于所述弹性支承上转子的轴向力测量结果。

4.根据权利要求3所述的转子轴向力测量方法，其特征在于，在测量转子轴向力之前，还包括：

对所述轴向力与应变输出值的对应关系进行标定的步骤。

5.根据权利要求4所述的转子轴向力测量方法，其特征在于，

对所述轴向力与应变输出值的对应关系进行标定的步骤包括：

将弹性支承固定在加载器上；

对所述弹性支承两端施加一系列的加载力，同时记录所述应变监测仪获得的相应的应变输出值；

计算得出所述弹性支承所受到的加载力和其上的应变片全桥的输出应变输出值之间的系数。