CN110907186A - 一种用于航空发动机试车台的转子振动相位测算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于航空发动机故障监测技术领域，具体涉及一种用于航空发动机试车台的转子振动相位测算方法。本发明所述方法在不破坏、不改变航空发动机结构的前提下，利用与发动机内部转子具有直接、确定传动关系的中央锥齿轮副和附件机匣齿轮箱，设计逆变齿轮箱并安装在摇转手柄插孔处，通过摇转手柄花键轴使逆变齿轮箱输出齿轮轴与发动机内部转子的转动状态一致，在逆变齿轮箱输出齿轮轴测量振动相位，从而实现对转子振动相位的提取，该方法突破了现有航空发动机转子振动相位测量存在的瓶颈，满足航空发动机转子类故障分析与诊断的应用需求。

Description

一种用于航空发动机试车台的转子振动相位测算方法
技术领域
本发明属于航空发动机故障监测技术领域，具体涉及一种用于航空发动机试车台的转子振动相位测算方法。
背景技术
随着航空发动机研发技术的不断发展，发动机的应用越来越广泛，为保障飞机的飞行安全，航空发动机振动监测与诊断技术的研究成为了更加被关注的热点，且提高航空发动机的检维修效率也成为了当前亟待解决的问题。
特别地，在航空发动机振动监测与诊断技术领域中，转子的工频振动参考相位(下称振动相位)能够为航空发动机转子类故障的分析与诊断提供重要依据。然而，目前绝大多数型号的航空发动机在设计时并没有考虑转子振动相位测量的需求，且其发动机内部转子-机匣结构复杂、紧凑，如图1所示，转子工作在高温高压环境下，且为保证流场均匀，发动机涵道不允许有异物，不具备直接安装电涡流传感器或光电传感器的条件，故无法测量转子振动的相位。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种用于航空发动机试车台的转子振动相位测算方法，在不破坏、不改变航空发动机结构的前提下，利用与发动机内部转子具有直接、确定传动关系的中央锥齿轮副和附件机匣齿轮箱，设计逆变齿轮箱并安装在摇转手柄插孔处，通过摇转手柄花键轴使逆变齿轮箱输出齿轮轴与发动机内部转子的转动状态一致，在逆变齿轮箱输出齿轮轴测量振动相位，从而实现对转子振动相位的提取，该方法突破了现有航空发动机转子振动相位测量存在的瓶颈，满足航空发动机转子类故障分析与诊断的应用需求。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种用于航空发动机试车台的转子振动相位测算方法，所述方法步骤如下：
(1)设计、加工逆变齿轮箱
航空发动机内部的一个转子一般通过一对中央锥齿轮和附件机匣齿轮箱中的齿轮系驱动燃油泵、滑油泵、转速传感器以及摇转手柄花键轴；同理，可以由附件机匣齿轮箱上的摇转手柄花键轴反向驱动齿轮系对该转子进行盘车。在不改变航空发动机内部转子至与其对应的摇转手柄花键轴之间传动齿轮系精确传动比的前提下，将转子与摇转手柄花键轴之间的传动齿轮系进行等效逆向约减，约减后的齿轮副对数即为逆变齿轮箱中齿轮副的对数；
所述逆变齿轮箱包括箱体、输入齿轮轴、输出齿轮轴、一个以上传动齿轮轴、滚动轴承以及花键套，滚动轴承分别与输入齿轮轴、一个以上传动齿轮轴以及输出齿轮轴相配合，输入齿轮轴、一个以上传动齿轮轴、输出齿轮轴之间按顺序相啮合，输入齿轮轴和输出齿轮轴位于箱体外，一个以上传动齿轮轴和滚动轴承位于箱体内，花键套固定安装在输入齿轮轴一端，箱体上还加工有润滑油入口以及润滑油出口；
(2)安装逆变齿轮箱
通过安装组件将逆变齿轮箱安装在试车台上，并且使花键套与附件机匣齿轮箱上的摇转手柄花键轴相啮合；
所述安装组件的要求如下：一方面为逆变齿轮箱提供良好的轴向约束，有效限制逆变齿轮箱的轴向窜动，另一方面可对逆变齿轮箱在与发动机水平半径相平行、垂直的两个方向进行位置调整并固定，为输入齿轮轴与摇转手柄花键轴之间的装配提供良好的对中状态；其中，所述轴向与输入齿轮轴的轴向一致；
(3)搭建逆变齿轮箱的润滑系统
根据发动机转子实际运行转速范围，选取适用型号的润滑油，将泵、油箱、管路、换热器以及节流阀按照试车台实际情况进行组合，并接入逆变齿轮箱上的润滑油入口以及润滑油出口，搭建逆变齿轮箱的润滑系统可以对齿轮和滚动轴承组件进行润滑和冷却，防止上述部件发生严重磨损、胶合等损伤；
(4)转子振动相位测量
在逆变齿轮箱输出齿轮轴上做出可触发传感器电平转换的物理标记，并将物理标记作为转子振动的“0相位”参考点，使传感器处于被触发状态，同时在转子机匣的外表面上安装振动传感器；先保持转子静止状态，孔探仪穿过转子机匣上的孔探孔，记录下与该孔探孔对应的叶盘上的叶片号(从1开始按顺序标记叶片号，且叶片号标记顺序与转子旋转方向一致)；然后在试车台运转时，同步采集振动信号与键相信号，根据采集的信号先计算出未统一基准的振动相位，再按照如下公式换算得到转子相对于统一基准(以孔探孔对应的该级叶盘上的1号叶片起始位置的振动相位作为基准)的振动相位；
Figure BDA0002266412310000031
式中，F为相对于统一基准的振动相位，F’为未统一基准的振动相位，N为孔探孔对应叶盘上的叶片号，Z为孔探孔对应叶盘的叶片总数。
进一步地，步骤(2)中所述安装组件包括水平支撑板、垂直支撑板、轴向压板、径向压板以及U型径向支撑板；其中，垂直支撑板的上侧面为斜面，U型径向支撑板封闭端端面以及垂直支撑板下侧面上分别加工有长通孔；
U型径向支撑板封闭端的端面与垂直支撑板上侧面连接，轴向压板垂直于垂直支撑板上侧面且与U型径向支撑板连接，径向压板平行于垂直支撑板上侧面且与U型径向支撑板的开放端连接形成闭合中空框架，垂直支撑板下侧面与水平支撑板呈垂直关系连接；水平支撑板与试车台固定连接，逆变齿轮箱安装在闭合中空框架中，通过轴向压板对逆变齿轮箱进行轴向位移限制，并分别通过U型径向支撑板以及垂直支撑板上的长通孔对逆变齿轮箱在与发动机水平半径相平行、垂直的两个方向进行位置调整并固定，使花键套与附件机匣齿轮箱上的摇转手柄花键轴相啮合，同时确保逆变齿轮箱输入齿轮轴与摇转手柄花键轴处于良好对中状态。
进一步地，步骤(4)中，选用电涡流传感器时，所做的物理标记是在输出齿轮轴上开键槽；选用光电传感器时，所做的物理标记是在输出齿轮轴上粘贴反光片。
有益效果：
1)本发明所述方法涉及的机械部件装配关系简单，质量轻、尺寸小、可靠性高，便于安装和拆卸；
2)本发明所述方法不破坏、不改变航空发动机的原有结构，不对发动机试车造成任何影响；
3)本发明所述方法中涉及的逆变齿轮箱，其齿轮传动系统只存在随机的系统误差，且该系统误差可通过机械加工精度等因素进行控制，不会对振动相位测量带来累积误差。
综上所述，本发明所述方法突破了现有航空发动机转子振动相位测量存在的瓶颈，可以为航空发动机转子类故障的分析与诊断提供重要依据，特别是能够对航空发动机的在翼动平衡提供直接指导，具有很大的应用价值。
附图说明
图1为目前航空发动机内部转子-机匣结构的示意图。
图2为逆变齿轮箱与航空发动机的装配关系示意图。
图3为实施例中所述逆变齿轮箱的结构示意图。
图4为实施例中所述逆变齿轮箱内部的齿轮副的结构示意图。
图5为实施例中所述安装组件与逆变齿轮箱装配后的正视图。
图6为实施例中所述安装组件与逆变齿轮箱装配后的俯视图。
图7为实施例中所述安装组件的结构示意图。
图8为实施例中所述花键套的结构示意图。
图9为实施例中光电传感器与输出齿轮轴上反光片的装配示意图。
图10为实施例中逆变齿轮箱的润滑系统结构示意图。
其中，1-低压转子；2-附件机匣齿轮箱；3-中央锥齿轮副；4-高压动叶片；5-高压转子；6-高压压气机涵道；7-高压涡轮涵道；8-燃烧室；9-摇转手柄花键轴；10-摇转手柄插孔；11-低压压气机涵道；12-低压动叶片；13-输入齿轮轴；14-箱体；15-输出齿轮轴；16-花键套；17-齿轮副Ⅰ；18-齿轮副Ⅱ；19-齿轮副Ⅲ；20-U型径向支撑板；21-垂直支撑板；22-轴向压板；23-径向压板；24-长通孔；25-水平支撑板；26-卡箍Ⅰ；27-卡箍Ⅱ；28-销钉；29-反光片；30-漫反射光线；31-光电传感器；32-节流阀；33-换热器；34-泵；35-油箱；36-管路。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步阐述。
实施例1
(1)设计、加工逆变齿轮箱
在不改变航空发动机内部转子至与其对应的附件机匣齿轮箱2中的摇转手柄花键轴9之间传动齿轮系精确传动比的前提下，对中央锥齿轮以及附件机匣齿轮箱2中的齿轮系进行等效逆向约减，将从转子到摇转手柄花键轴9之间的多对复杂齿轮副传动系统约减至三对齿轮副，约减后的齿轮副对数即为逆变齿轮箱中齿轮副的对数，即图4中标记的齿轮副Ⅰ17、齿轮副Ⅱ18以及齿轮副Ⅲ19，以此来实现附件机匣齿轮2内部传动关系的逆变；
如图3和图4所示，所述逆变齿轮箱包括箱体14、输入齿轮轴13、输出齿轮轴15、传动齿轮轴、与上述各齿轮轴配合的滚动轴承以及花键套16，滚动轴承分别与输入齿轮轴13、传动齿轮轴以及输出齿轮轴15相配合，输入齿轮轴13、传动齿轮轴、输出齿轮轴15之间按顺序相啮合，输入齿轮轴13以及输出齿轮轴15位于箱体14外，传动齿轮轴以及滚动轴承位于箱体14内，花键套16通过销钉28安装在输入齿轮轴13一端(如图8所示)，箱体14上还加工有润滑油入口以及润滑油出口；
(2)安装逆变齿轮箱
如图7所示，安装组件包括卡箍Ⅰ26、卡箍Ⅱ27、水平支撑板25、垂直支撑板21、轴向压板22、径向压板23以及U型径向支撑板20；垂直支撑板21的上侧面为斜面，轴向压板22以及径向压板23上分别加工有安装通孔，U型径向支撑板20封闭端端面以及垂直支撑板21下侧面上分别加工有长通孔24；
U型径向支撑板20封闭端端面上的长通孔24与垂直支撑板21上侧面相应位置的螺纹盲孔通过螺栓方式进行安装，使U型径向支撑板20的两个侧面垂直于垂直支撑板21上侧面；轴向压板22垂直于垂直支撑板21上侧面且与U型径向支撑板20相应位置的螺纹盲孔通过螺栓连接方式进行安装；径向压板23平行于垂直支撑板21上侧面且与U型径向支撑板20的开放端相应位置的螺纹盲孔通过螺栓连接方式进行安装，径向压板23与U型径向支撑板20形成闭合的矩形中空框架；垂直支撑板21下侧面上的长通孔24与水平支撑板25上表面相应位置的螺纹盲孔通过螺栓连接方式进行安装；卡箍Ⅰ26和卡箍Ⅱ27对应安装在水平支撑板25相对的两个侧面上，使卡箍Ⅰ26和卡箍Ⅱ27垂直于水平支撑板25的上表面；
如图5和图6所示，安装组件通过卡箍Ⅰ26、卡箍Ⅱ27与试车台连接，逆变齿轮箱安装在矩形中空框架中，通过轴向压板22对逆变齿轮箱进行轴向位移限制，并分别通过改变U型径向支撑板20以及垂直支撑板21上的长通孔24与连接螺栓所在螺纹盲孔的相对位置对逆变齿轮箱在与发动机水平半径相平行、垂直的两个方向进行位置调整并固定，使花键套16与附件机匣齿轮箱2上的摇转手柄花键轴9相啮合(如图2所示)，同时确保逆变齿轮箱输入齿轮轴13与摇转手柄花键轴9处于良好对中状态；将逆变齿轮箱的输入齿轮轴13通过花键套16与摇转手柄花键轴9进行连接后，发动机内部转子转动时，摇转手柄花键轴9会驱动逆变齿轮箱中的齿轮机构，使逆变齿轮箱的输出齿轮轴15与转子本身同步等转速转动，进而通过在逆变齿轮箱的输出齿轮轴15上测量振动相位，即可实现对振子振动相位的提取；
(3)搭建逆变齿轮箱的润滑系统
根据发动机转子实际运行转速范围，选取适用型号的润滑油，将泵34、装有润滑油的油箱35、管路(橡胶软管)36、换热器33以及节流阀32按照试车台实际情况进行组合，并接入逆变齿轮箱上的润滑油入口以及润滑油出口，如图10所示，搭建逆变齿轮箱的润滑系统可以对其内的齿轮及滚动轴承组件进行润滑和冷却，防止上述部件发生严重磨损、胶合等损伤；
(4)转子振动相位测量
在逆变齿轮箱输出齿轮轴15上粘贴反光片29，并将粘贴反光片29的位置作为转子振动的“0相位”参考点，光电传感器31正对反光片29使其处于被触发状态(如图9所示)，并在转子机匣的外表面上安装振动传感器；
然后保持转子静止状态，孔探仪穿过转子机匣上的孔探孔，记录下与该孔探孔对应的叶盘上的叶片号(从1开始按顺序标记叶片号，且叶片号标记顺序与转子旋转方向一致)；
再使试车台运转，转子从3000rpm升至8000rpm的过程中每隔1000rpm稳定1min，同步采集振动信号与键相信号，利用振动信号波形和键相信号脉冲方波先计算出未统一基准的振动相位，如表1所示；
表1
转速(rpm) 3000 4000 5000 6000 7000 8000
相位(°) 26 73 54 159 237 124
最后按照如下公式换算得到转子相对于统一基准(以孔探孔对应的该级叶盘上的1号叶片起始位置的振动相位为基准)的振动相位；
Figure BDA0002266412310000081
式中，F为相对于统一基准的振动相位，F’为未统一基准的振动相位，N为孔探孔对应叶盘上的叶片号(此叶片号为21)，Z为孔探孔对应叶盘的叶片总数(该级叶盘叶片总数为90)，计算结果如表2所示。
表2
转速(rpm) 3000 4000 5000 6000 7000 8000
相位(°) 302 349 330 75 153 40
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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 (6)

1.一种用于航空发动机试车台的转子振动相位测算方法，其特征在于：所述方法步骤如下：
步骤一、设计、加工逆变齿轮箱
在不改变航空发动机内部转子至与其对应的摇转手柄花键轴(9)之间传动齿轮系精确传动比的前提下，将转子与摇转手柄花键轴(9)之间的传动齿轮系进行等效逆向约减，约减后的齿轮副对数即为逆变齿轮箱中齿轮副的对数；
所述逆变齿轮箱上还加工有润滑油入口以及润滑油出口；
步骤二、安装逆变齿轮箱
通过安装组件将逆变齿轮箱安装在试车台上，安装组件对逆变齿轮箱进行轴向位移限制并对逆变齿轮箱在与发动机水平半径相平行、垂直的两个方向进行位置调整及固定，使逆变齿轮箱中齿轮系的输入端与摇转手柄花键轴(9)相啮合，同时确保逆变齿轮箱中齿轮系的输入端与摇转手柄花键轴(9)的对中状态；其中，所述轴向与逆变齿轮箱中齿轮系的输入端的轴向一致；
步骤三、搭建逆变齿轮箱的润滑系统
将泵(34)、油箱(35)、管路(36)、换热器(33)以及节流阀(32)按照试车台实际情况进行组合，并接入逆变齿轮箱上的润滑油入口以及润滑油出口，搭建逆变齿轮箱的润滑系统；
步骤四、转子振动相位测量
测量逆变齿轮箱中齿轮系输出端的振动相位，由于发动机内部转子转动时，摇转手柄花键轴(9)会驱动逆变齿轮箱中的齿轮系，使逆变齿轮箱中齿轮系输出端与转子同步等转速转动，进而通过在逆变齿轮箱中齿轮系输出端上测量振动相位，即实现对振子振动相位的测量。
2.根据权利要求1所述的用于航空发动机试车台的转子振动相位测算方法，其特征在于：所述逆变齿轮箱包括箱体(14)、输入齿轮轴(13)、输出齿轮轴(15)、一个以上传动齿轮轴、滚动轴承以及花键套(16)，滚动轴承分别与输入齿轮轴(13)、一个以上传动齿轮轴以及输出齿轮轴(15)相配合，输入齿轮轴(13)、一个以上传动齿轮轴、输出齿轮轴(15)之间按顺序相啮合，输入齿轮轴(13)和输出齿轮轴(15)位于箱体(14)外，一个以上传动齿轮轴和滚动轴承位于箱体(14)内，花键套(16)固定安装在输入齿轮轴(13)一端，箱体(14)上还加工有润滑油入口以及润滑油出口；
其中，输入齿轮轴(13)上的花键套(16)与摇转手柄花键轴(9)相啮合，输入齿轮轴(13)与摇转手柄花键轴(9)保持对中状态，通过摇转手柄花键轴(9)实现输出齿轮轴(15)与转子同步等转速转动。
3.根据权利要求1所述的用于航空发动机试车台的转子振动相位测算方法，其特征在于：所述安装组件包括水平支撑板(25)、垂直支撑板(21)、轴向压板(22)、径向压板(23)以及U型径向支撑板(20)；其中，垂直支撑板(21)的上侧面为斜面，U型径向支撑板(20)封闭端端面以及垂直支撑板(21)下侧面上分别加工有长通孔(24)；
U型径向支撑板(20)封闭端的端面与垂直支撑板(21)上侧面连接，轴向压板(22)垂直于垂直支撑板(21)上侧面且与U型径向支撑板(20)连接，径向压板(23)平行于垂直支撑板(21)上侧面且与U型径向支撑板(20)的开放端连接形成闭合中空框架，垂直支撑板(21)下侧面与水平支撑板(25)呈垂直关系连接；水平支撑板(25)与试车台固定连接，逆变齿轮箱安装在闭合中空框架中，通过轴向压板(22)对逆变齿轮箱进行轴向位移限制，并分别通过U型径向支撑板(20)以及垂直支撑板(21)上的长通孔(24)对逆变齿轮箱在与发动机水平半径相平行、垂直的两个方向进行位置调整并固定，使逆变齿轮箱中齿轮系的输入端与摇转手柄花键轴(9)相啮合，同时确保逆变齿轮箱中齿轮系的输入端与摇转手柄花键轴(9)的对中状态。
4.根据权利要求1所述的用于航空发动机试车台的转子振动相位测算方法，其特征在于：转子振动相位测量的具体步骤如下，
在逆变齿轮箱中齿轮系的输出端做出可触发传感器电平转换的物理标记，并将物理标记作为转子振动的“0相位”参考点，使传感器处于被触发状态，同时在转子机匣的外表面上安装振动传感器；
先保持转子静止状态，孔探仪穿过转子机匣上的孔探孔，记录下与该孔探孔对应的叶盘上的叶片号；
然后在试车台运转时，同步采集振动信号与键相信号，根据采集的信号先计算出未统一基准的振动相位，再按照如下公式换算得到转子相对于统一基准的振动相位，
Figure FDA0002266412300000031
式中，F为相对于统一基准的振动相位，F’为未统一基准的振动相位，N为孔探孔对应叶盘上的叶片号，Z为孔探孔对应叶盘的叶片总数；其中，叶片号从1开始按顺序标记，且叶片号标记顺序与转子旋转方向一致，以孔探孔对应的叶盘上的1号叶片起始位置的振动相位作为基准。
5.根据权利要求4所述的用于航空发动机试车台的转子振动相位测算方法，其特征在于：所述传感器选用电涡流传感器时，所做的物理标记是在输出齿轮轴(15)上开键槽。
6.根据权利要求4所述的用于航空发动机试车台的转子振动相位测算方法，其特征在于：所述传感器选用光电传感器(31)时，所做的物理标记是在输出齿轮轴(15)上粘贴反光片(29)。
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