CN111121709B - 小尺寸大扩张比喷管发动机推力线的测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了小尺寸大扩张比喷管发动机推力线的测量系统及方法，测量基座具有对接部，对接部的轴线与测量基座的轴线大致重合；测量装置包括主轴、测量部和喉部定位组件，主轴上还设有喷管出口端面定位组件，主轴、测量部、喉部定位组件和喷管出口端面定位组件同轴设置；外型面扫描仪用于扫描测量基座和测量部的外型面；计算设备与外型面扫描仪相连，根据外型面拟合测量基座的轴线和测量部的轴线，并根据预设算法计算测量基座的轴线和测量部的轴线间的夹角，得到发动机推力线的偏斜值，和/或测量基座的轴线和测量部的轴线在对接部上交点间的距离，得到发动机推力线的横移值。本发明适用于小尺寸大扩张比喷管的发动机推力线偏斜和横移测量。

Description

小尺寸大扩张比喷管发动机推力线的测量系统及方法

技术领域

本发明涉及发动机推力线测量技术领域，具体涉及小尺寸大扩张比喷管发动机推力线的测量系统及方法。

背景技术

发动机推力线为发动机推力室的喉部横截面中心与喷管出口端面中心的连线，因各种制造、装配、安装误差累计使得安装后的发动机与预先设计的姿态存在偏斜和横移，造成实际推力线与设计的推力线无法重合，使得发动机在工作过程中产生偏向力矩，直接影响姿态控制，导致系统增加新的姿态控制及校正对比程序，严重情况下甚至导致发动机不可用。为保证发动机推力线偏斜和横移误差在允差范围内，需要对发动机单机推力线或者发动机单机安装于动力系统舱段时的推力线进行测量，以及为总体确定发动机推力线在舱体坐标系中的位置。

目前主要由非接触测量和接触测量两大类，其中：

非接触测量方法有：水平测量仪(经纬仪)、激光雷达、激光跟踪仪等，均已运用到发动机推力线测量中，均是通过获得发动机内型面轮廓参数，再计算得到推力线。但上述非接触测量手段，不能称为严格意义上的非接触测量，例如：激光跟踪仪测量时，需将激光跟踪仪反射器放置到喉部位置，对于尺寸较小、大扩张比喷管测量时，喉部位置处无无操作空间、无法测量，或需借助工装夹具引入测量误差。

接触测量方法有：(1)早期的推力线测量采用千分表等机械测量仪表进行测量，测量精度较低；(2)三坐标测量，对于尺寸较小的发动机单机或总装舱段，可整体放置于三坐标测量设备下时，通过三坐标的探针接触测量喉部截面、喷管出口端面、基准参数，计算得到推力线偏斜和横移，操作方便、测量结果准确，当被测对象空间尺寸超过三坐标测量设备的可测范围时，则不能使用。接触测量只适合于小发动机单机推力线测量，一旦小发动机安装于整个动力系统舱段之后，被测对象就超过了接触测量设备的测量范围。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供小尺寸大扩张比喷管发动机推力线的测量系统及方法，将发动机推力线转换至空间更为开阔的发动机外部进行测量，适用于尺寸较小、大扩张比喷管的发动机推力线偏斜和横移测量。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种小尺寸大扩张比喷管发动机推力线的测量系统，其包括：

测量基座，其具有用于与发动机对接固定的对接部，所述对接部的轴线与测量基座的轴线大致重合；

测量装置，其用于插接在发动机内，其包括主轴以及分别组设于所述主轴两端的测量部和喉部定位组件，所述主轴上还设有位于测量部和喉部定位组件之间的喷管出口端面定位组件，所述主轴、测量部、喉部定位组件和喷管出口端面定位组件同轴设置；

外型面扫描仪，其用于扫描所述测量基座和测量部的外型面；

计算设备，其与所述外型面扫描仪相连，所述计算设备用于根据外型面拟合所述测量基座的轴线和测量部的轴线，并根据预设算法计算所述测量基座的轴线和测量部的轴线间的夹角，得到发动机推力线的偏斜值，和/或所述测量基座的轴线和测量部的轴线在对接部上交点间的距离，得到发动机推力线的横移值。

进一步地，所述喉部定位组件包括：

喉部调心轴承，其内环组设于所述主轴外壁；

喉部衬套，其组设于所述喉部调心轴承外环外，且所述喉部衬套外壁与发动机喉部内型面相适配。

进一步地，所述喉部衬套内壁沿径向凸设并形成有第一承载部，所述喉部调心轴承承载在所述第一承载部上；

所述喉部定位组件还包括喉部轴承压环，所述喉部轴承压环底部与所述喉部调心轴承外环接触或抵持，其顶部朝远离主轴方向延伸并形成第一外沿部，所述第一外沿部通过第一连接件与所述喉部衬套固定。

进一步地，所述喉部定位组件还包括防脱件，所述防脱件螺接于所述主轴上，且其顶部与所述喉部调心轴承内环接触或抵持。

进一步地，所述喷管出口端面定位组件包括：

端面调心轴承，其内环组设于所述主轴外壁；

端面定位盘，其组设于所述端面调心轴承外环外，且所述端面定位盘外壁与发动机喷管内型面相适配。

进一步地，所述端面定位盘内壁沿径向凸设并形成有第二承载部，所述端面调心轴承承载在所述第二承载部上；

所述喷管出口端面定位组件还包括端面轴承压环，所述端面轴承压环底部与所述端面调心轴承外环接触或抵持，其顶部朝远离主轴方向延伸并形成第二外沿部，所述第二外沿部通过第二连接件与所述端面定位盘固定。

进一步地，所述端面调心轴承通过轴承滑套与所述主轴相连，且所述轴承滑套与所述主轴间隙配合。

本发明还提供了一种小尺寸大扩张比喷管发动机推力线的测量系统，其包括：

测量装置，其用于插接在发动机内，其包括主轴以及分别组设于所述主轴两端的测量部和喉部定位组件，所述主轴上还设有位于测量部和喉部定位组件之间的喷管出口端面定位组件，所述主轴、测量部、喉部定位组件和喷管出口端面定位组件同轴设置；

外型面扫描仪，其用于扫描发动机所安装固定的舱段以及所述测量部的外型面；

计算设备，其与所述外型面扫描仪相连，所述计算设备用于根据外型面拟合所述舱段的轴线和测量部的轴线，并根据预设算法计算所述舱段的轴线和测量部的轴线间的夹角，得到发动机推力线的偏斜值，和/或所述舱段的轴线和测量部的轴线在舱段内姿控板上交点间的距离，得到发动机推力线的横移值。

本发明还提供了一种使用如上所述的测量系统测量发动机推力线的方法，包括如下步骤：

将发动机安装于所述对接部上；

将所述测量装置插接于所述发动机上；

扫描所述测量基座和测量部的外型面；

根据外型面拟合所述测量基座的轴线和测量部的轴线；

根据预设算法计算所述测量基座的轴线和测量部的轴线间的夹角，得到发动机推力线的偏斜值，和/或所述测量基座的轴线和测量部的轴线在对接部上交点间的距离，得到发动机推力线的横移值。

本发明还提供了一种使用如上所述的测量系统测量发动机推力线的方法，包括如下步骤：

将所述测量装置插接于发动机上；

扫描所述发动机所安装固定的舱段以及所述测量部的外型面；

根据外型面拟合所述舱段的轴线和测量部的轴线；

根据预设算法计算所述舱段的轴线和测量部的轴线间的夹角，得到发动机推力线的偏斜值，和/或所述舱段的轴线和测量部的轴线在舱段内姿控板上交点间的距离，得到发动机推力线的横移值。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明将发动机推力线转换至空间更为开阔的发动机外部进行测量，适用于尺寸较小、大扩张比喷管的发动机推力线偏斜和横移测量。

本发明操作、安装简单，可重复使用，一定程度上降低了成本。

附图说明

图1为本发明实施例提供的测量系统示意图；

图2为本发明实施例提供的测量装置示意图；

图3为本发明实施例提供的原理图；

图4为图2中B处局部放大图；

图5为图2中A处局部放大图。

图中：1、测量基座；2、测量装置；20、主轴；21、测量部；22、喉部定位组件；220、喉部调心轴承；221、喉部衬套；222、第一承载部；223、喉部轴承压环；224、第一外沿部；225、第一连接件；226、防脱件；23、喷管出口端面定位组件；230、端面调心轴承；231、端面定位盘；232、第二承载部；233、端面轴承压环；234、第二外沿部；235、第二连接件；236、轴承滑套；3、计算设备；4、发动机。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图1和图2所示，本发明实施例提供了一种小尺寸大扩张比喷管发动机推力线的测量系统，本实施例针对于发动机单机的推力线测量，该测量系统包括测量基座1、测量装置2、外型面扫描仪和计算设备3；其中，

测量基座1具有用于与发动机4对接固定的对接部，对接部呈圆环装结构，正好与发动机4对接，或者对接部采用发动机舱段内的姿控板，且对接部与测量基座1轴线大致重合；测量基座1可以采用圆柱体、圆柱筒或立方体等结构。

测量装置2用于插接在发动机4内，其包括主轴20以及分别组设于主轴20两端的测量部21和喉部定位组件22，主轴20上还设有位于测量部21和喉部定位组件22之间的喷管出口端面定位组件23，主轴20、测量部21、喉部定位组件22和喷管出口端面定位组件23同轴设置；测量部21可以采用圆柱体、圆柱筒或立方体等规则形状。

外型面扫描仪(图中未示出)可以采用三坐标测量仪、激光跟踪仪、3D扫描测量仪等，用于扫描测量基座1和测量部21的外型面；

计算设备3与外型面扫描仪相连，计算设备3包括显示器、主机等，计算设备3用于根据外型面拟合测量基座1的轴线和测量部21的轴线，并根据预设算法计算测量基座1的轴线和测量部21的轴线间的夹角，得到发动机推力线的偏斜值，和/或计算测量基座1的轴线和测量部21的轴线在对接部上交点间的距离，得到发动机推力线的横移值，其中测量基座1的轴线和测量部21的轴线在对接部上的交点，是以对接部上表面作为基准平面，故测量基座1的轴线和测量部21的轴线在对接部上的交点指的是测量基座1的轴线和测量部21的轴线与该基准平面的交点。该预设算法包括常用的发动机推力线的偏斜值计算公式以及发动机推力线的横移值计算公式。

参见图3所示，本发明的原理如下：

(1)测量基座1的对接部是与发动机4对接固定，故对接部的轴线为理论发动机推力线，为了便于测量，对接部与测量基座1轴线大致重合，则测量基座1轴线为理论发动机推力线；

(2)由于现有技术中采用的方法对于小尺寸大扩张比喷管发动机测量存在困难，故本发明提供了测量装置2，测量装置2的喉部定位组件22和喷管出口端面定位组件23分别与发动机4的喉部内型面以及喷管出口端面内型面相配合，将发动机推力线转换至发动机外部，加之主轴20、测量部21、喉部定位组件22和喷管出口端面定位组件23同轴设置，故测量部21的轴线为实际发动机推力线；

(3)通过外型面扫描仪对测量基座1和测量部21的外型面进行扫描，计算并拟合出测量基座1的轴线和测量部21的轴线，并根据预设算法计算测量基座1的轴线和测量部21的轴线间的夹角β，得到发动机推力线的偏斜值，以及测量基座1和测量部21的轴线在对接部上交点间的距离L，得到发动机推力线的横移值。

适用上述测量系统测量发动机推力线，包括如下步骤：

A1：将发动机4安装于测量基座1的对接部上，使发动机4竖直停放；

A2：将测量装置2插接于发动机4上，使喉部定位组件22和喷管出口端面定位组件23分别贴合在喉部和喷管出口端面，采用游标卡尺测量喷管出口端面定位组件23上表面与喷管出口端面的距离，要求沿周向均匀测量多处，这些距离中最大值与最小值偏差不大于2％；

A3：对测量基座1的外型面均匀采样，构造虚拟回转曲面，拟合该回转曲面的轴线，即为测量基座1的轴线，对测量部21的外型面均匀采样，构造虚拟回转曲面，拟合该回转曲面的轴线，即为测量部21的轴线；

A4：在三维空间坐标系下，根据预设算法计算测量基座1的轴线和测量部21的轴线间的夹角β，得到发动机推力线的偏斜值，计算测量基座1的轴线和测量部21的轴线在对接部上两个交点间的距离L，得到发动机推力线的横移值。

参见图1和2所示，本发明实施例还提供了一种小尺寸大扩张比喷管发动机推力线的测量系统，本实施例针对于发动机单机已经安装在动力系统舱段时的推力线测量，该测量系统包括测量装置2、外型面扫描仪和计算设备3；其中，

测量装置2用于插接在发动机4内，其包括主轴20以及分别组设于主轴20两端的测量部21和喉部定位组件22，主轴20上还设有位于测量部21和喉部定位组件22之间的喷管出口端面定位组件23，主轴20、测量部21、喉部定位组件22和喷管出口端面定位组件23同轴设置；

外型面扫描仪用于扫描发动机4所安装固定的舱段以及测量部21的外型面；

计算设备3与外型面扫描仪相连，计算设备3用于根据外型面拟合舱段和测量部21的轴线，并根据预设算法计算舱段的轴线和测量部21的轴线间的夹角，得到发动机推力线的偏斜值，和/或计算舱段的轴线和测量部21的轴线在舱段内姿控板上交点间的距离，得到发动机推力线的横移值。

本实施例的原理与上一个实施例的原理基本上相同，其区别在于：由于本实施例是针对于发动机单机已经安装在动力系统舱段时的推力线测量，故此时不需要测量基座1，因为动力系统舱段内具有姿控板，该姿控板是用来对接安装发动机4，姿控板的轴线为理论发动机推力线，而姿控板与舱段同轴，所以舱段相当于测量基座1，姿控板的上表面为基准平面。

因此，在使用本实施例提供的测量系统测量发动机推力线时，包括如下步骤：

B1：将测量装置2插接于发动机4上，使喉部定位组件22和喷管出口端面定位组件23分别贴合在喉部和喷管出口端面，采用游标卡尺测量喷管出口端面定位组件23上表面与喷管出口端面的距离，要求沿周向均匀测量多处，这些距离中最大值与最小值偏差不大于2％；

B2：对舱段的外型面均匀采样，构造虚拟回转曲面，拟合该回转曲面的轴线，即为舱段的轴线，对测量部21的外型面均匀采样，构造虚拟回转曲面，拟合该回转曲面的轴线，即为测量部21的轴线；

B3：在三维空间坐标系下，根据预设算法计算舱段的轴线和测量部21的轴线间的夹角β，得到发动机推力线的偏斜值，计算舱段的轴线和测量部21的轴线在舱段内姿控板上的两个交点间的距离L，得到发动机推力线的横移值。

参见图4所示，喉部定位组件22包括喉部调心轴承220和喉部衬套221，喉部调心轴承220内环组设于主轴20外壁；喉部衬套221组设于喉部调心轴承220外环外，且喉部衬套221外壁与发动机4喉部内型面相适配，由于使用的是调心轴承，通过调节，可以使喉部衬套221与喉部内型面相贴合。

参见图4所示，喉部衬套221内壁沿径向凸设并形成有第一承载部222，喉部调心轴承220承载在第一承载部222上，第一承载部222在本实施例中呈环形；喉部定位组件22还包括喉部轴承压环223，喉部轴承压环223底部与喉部调心轴承220外环接触或抵持，其顶部朝远离主轴20方向延伸并形成第一外沿部224，第一外沿部224通过第一连接件225与喉部衬套221固定，其中本实施例中的第一连接件225使用螺钉。

参见图4所示，喉部定位组件22还包括防脱件226，防脱件226螺接于主轴20上，且其顶部与喉部调心轴承220内环接触或抵持，本实施例中防脱件226采用螺母。

参见图5所示，喷管出口端面定位组件23包括端面调心轴承230和端面定位盘231，端面调心轴承230内环组设于主轴20外壁；端面定位盘231组设于端面调心轴承230外环外，且端面定位盘231外壁与发动机4喷管内型面相适配，由于使用的是调心轴承，通过调节，可以使端面定位盘231与喷管内型面相贴合。

参见图5所示，端面定位盘231内壁沿径向凸设并形成有第二承载部232，端面调心轴承230承载在第二承载部232上，第二承载部232在本实施例中呈环形；喷管出口端面定位组件23还包括端面轴承压环233，端面轴承压环233底部与端面调心轴承230外环接触或抵持，其顶部朝远离主轴20方向延伸并形成第二外沿部234，第二外沿部234通过第二连接件235与端面定位盘231固定，其中本实施例中的第二连接件235使用螺钉。

参见图5所示，端面调心轴承230通过轴承滑套236与主轴20相连，且轴承滑套236与主轴20间隙配合，由于轴承滑套236与主轴20间隙配合，故轴承滑套236可以沿主轴20轴向移动，从而可以调整端面定位盘231相对于主轴20的位置，使得本发明可以适用于多种发动机。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种小尺寸大扩张比喷管发动机推力线的测量系统，其特征在于，其包括：

测量基座(1)，其具有用于与发动机(4)对接固定的对接部，所述对接部的轴线与测量基座(1)的轴线大致重合；

测量装置(2)，其用于插接在发动机(4)内，其包括主轴(20)以及分别组设于所述主轴(20)两端的测量部(21)和喉部定位组件(22)，所述主轴(20)上还设有位于测量部(21)和喉部定位组件(22)之间的喷管出口端面定位组件(23)，所述主轴(20)、测量部(21)、喉部定位组件(22)和喷管出口端面定位组件(23)同轴设置；

外型面扫描仪，其用于扫描所述测量基座(1)和测量部(21)的外型面；

计算设备(3)，其与所述外型面扫描仪相连，所述计算设备(3)用于根据外型面拟合所述测量基座(1)的轴线和测量部(21)的轴线，并根据预设算法计算所述测量基座(1)的轴线和测量部(21)的轴线间的夹角，得到发动机推力线的偏斜值，和/或所述测量基座(1)的轴线和测量部(21)的轴线在对接部上交点间的距离，得到发动机推力线的横移值；其中，

所述喷管出口端面定位组件(23)包括：

端面调心轴承(230)，其内环通过轴承滑套(236)组设于所述主轴(20)外壁，且所述轴承滑套(236)与所述主轴(20)间隙配合；

端面定位盘(231)，其组设于所述端面调心轴承(230)外环外，且所述端面定位盘(231)外壁与发动机(4)喷管内型面相适配。

2.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述喉部定位组件(22)包括：

喉部调心轴承(220)，其内环组设于所述主轴(20)外壁；

喉部衬套(221)，其组设于所述喉部调心轴承(220)外环外，且所述喉部衬套(221)外壁与发动机(4)喉部内型面相适配。

3.如权利要求2所述的测量系统，其特征在于：

所述喉部衬套(221)内壁沿径向凸设并形成有第一承载部(222)，所述喉部调心轴承(220)承载在所述第一承载部(222)上；

所述喉部定位组件(22)还包括喉部轴承压环(223)，所述喉部轴承压环(223)底部与所述喉部调心轴承(220)外环接触或抵持，其顶部朝远离主轴(20)方向延伸并形成第一外沿部(224)，所述第一外沿部(224)通过第一连接件(225)与所述喉部衬套(221)固定。

4.如权利要求2所述的测量系统，其特征在于：所述喉部定位组件(22)还包括防脱件(226)，所述防脱件(226)螺接于所述主轴(20)上，且其顶部与所述喉部调心轴承(220)内环接触或抵持。

5.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于：

所述端面定位盘(231)内壁沿径向凸设并形成有第二承载部(232)，所述端面调心轴承(230)承载在所述第二承载部(232)上；

所述喷管出口端面定位组件(23)还包括端面轴承压环(233)，所述端面轴承压环(233)底部与所述端面调心轴承(230)外环接触或抵持，其顶部朝远离主轴(20)方向延伸并形成第二外沿部(234)，所述第二外沿部(234)通过第二连接件(235)与所述端面定位盘(231)固定。

6.一种小尺寸大扩张比喷管发动机推力线的测量系统，其特征在于，其包括：

测量装置(2)，其用于插接在发动机(4)内，其包括主轴(20)以及分别组设于所述主轴(20)两端的测量部(21)和喉部定位组件(22)，所述主轴(20)上还设有位于测量部(21)和喉部定位组件(22)之间的喷管出口端面定位组件(23)，所述主轴(20)、测量部(21)、喉部定位组件(22)和喷管出口端面定位组件(23)同轴设置；

外型面扫描仪，其用于扫描发动机(4)所安装固定的舱段以及所述测量部(21)的外型面；

计算设备(3)，其与所述外型面扫描仪相连，所述计算设备(3)用于根据外型面拟合所述舱段的轴线和测量部(21)的轴线，并根据预设算法计算所述舱段的轴线和测量部(21)的轴线间的夹角，得到发动机推力线的偏斜值，和/或所述舱段的轴线和测量部(21)的轴线在舱段内姿控板上交点间的距离，得到发动机推力线的横移值；其中，

所述喷管出口端面定位组件(23)包括：

端面调心轴承(230)，其内环通过轴承滑套(236)组设于所述主轴(20)外壁，且所述轴承滑套(236)与所述主轴(20)间隙配合；

端面定位盘(231)，其组设于所述端面调心轴承(230)外环外，且所述端面定位盘(231)外壁与发动机(4)喷管内型面相适配。

7.一种使用如权利要求1所述的测量系统测量发动机推力线的方法，其特征在于，包括如下步骤：

将发动机(4)安装于所述对接部上；

将所述测量装置(2)插接于所述发动机(4)上；

扫描所述测量基座(1)和测量部(21)的外型面；

根据外型面拟合所述测量基座(1)的轴线和测量部(21)的轴线；

根据预设算法计算所述测量基座(1)的轴线和测量部(21)的轴线间的夹角，得到发动机推力线的偏斜值，和/或所述测量基座(1)的轴线和测量部(21)的轴线在对接部上交点间的距离，得到发动机推力线的横移值。

8.一种使用如权利要求6所述的测量系统测量发动机推力线的方法，其特征在于，包括如下步骤：

将所述测量装置(2)插接于发动机(4)上；

扫描所述发动机(4)所安装固定的舱段以及所述测量部(21)的外型面；

根据外型面拟合所述舱段的轴线和测量部(21)的轴线；

根据预设算法计算所述舱段的轴线和测量部(21)的轴线间的夹角，得到发动机推力线的偏斜值，和/或所述舱段的轴线和测量部(21)的轴线在舱段内姿控板上交点间的距离，得到发动机推力线的横移值。

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