CN112326081A - 一种航空发动机扭矩监测方法及装置 - Google Patents

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朱永凯
陈晓晖
李海斌
刘佳伟
周志成
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    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
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    • G01M15/14—Testing gas-turbine engines or jet-propulsion engines

Abstract

本发明公开了一种航空发动机扭矩监测方法，利用设置于航空发动机输出轴表面的光纤光栅传感器阵列对航空发动机扭矩进行实时监测；所述阵列包括至少一个传感器组，每一个传感器组由沿航空发动机输出轴的周向等间隔设置的至少三个光纤光栅传感器构成，每个光纤光栅传感器的布设角度均大于0度且小于180度；在进行扭矩监测时，对于每一个传感器组，首先依据其中各光纤光栅传感器所测得应变量变化情况之间的最大差异度是否大于预设标准，来判断该传感器组所在处是否存在弯矩载荷，如是，则进行弯矩和扭矩的解耦。本发明还公开了一种航空发动机扭矩监测装置。本发明判定是否存在弯矩干扰并实现弯扭解耦，从而快速准确的获得扭矩及弯矩信息。

Description

一种航空发动机扭矩监测方法及装置
技术领域
本发明涉及机械设备健康监测领域，具体涉及一种航空发动机扭矩监测方法。
背景技术
目前国内外航空发动机扭矩监测方式主要有相位差式，电阻应变式，光电式，钢弦式，磁致伸缩式，液压式等。其中应用最多的为相位差式，其优点是传感器和轴齿间隙变化不敏感。但其只能安装在发动机主轴的一端，因此只能实现单点测量，无法满足发动机整体扭矩传递过程的监测，而其他几类扭矩传感器多受电磁干扰及机械结构制约。
光纤光栅传感器可以实现对温度、应变等物理量的直接测量，因其良好的抗干扰能力和体积小的优势，目前已被广泛应用于轴系的扭矩测量。但现有的光纤光栅扭矩传感器布设方式很少考虑到轴系弯矩的影响，多采用单个光纤光栅传感器或互成90度的两个传感器进行扭矩测量，类似布设方式在存在弯矩时测量值将受到严重的误差影响。现有的一种弯扭分离传感器布设方式及算法[Li T,Shi C,Tan Y,Fiber Bragg Grating Sensing-Based Online Torque Detection on Coupled Bending and Torsional Vibration ofRotating Shaft]，将两个光纤光栅传感器与转轴母线成45度相对布设于轴表面，通过差分的方式消除轴自重带来的弯矩干扰。但发动机实际运行过程中的弯曲方向未知，因此该方法无法准确消除弯矩干扰。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有基于光纤光栅传感器的扭矩监测技术所存在的不足，提供一种能够准确消除发动机运转过程中弯矩干扰的航空发动机扭矩监测方法。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种航空发动机扭矩监测方法，利用设置于航空发动机输出轴表面的光纤光栅传感器阵列对航空发动机扭矩进行实时监测；所述光纤光栅传感器阵列包括至少一个传感器组，每一个传感器组由沿航空发动机输出轴的周向等间隔设置的至少三个光纤光栅传感器构成，每个光纤光栅传感器的布设角度均大于0度且小于180度；在进行扭矩监测时，对于每一个传感器组，首先依据其中各光纤光栅传感器所测得应变量变化情况之间的最大差异度是否大于预设标准，来判断该传感器组所在处是否存在弯矩载荷，如是，则利用以下方法进行弯矩和扭矩的解耦：对光纤光栅传感器测得的应变量进行泰勒级数展开，得到前两项以及余项，第一项为弯曲引起的应变项，第二项为扭转引起的应变项，结合三个光纤光栅传感器的测量结果求得转轴扭矩、曲率和弯曲方向。
优选地，具体通过对以下方程组中的任意三个方程进行联立求解实现弯矩和扭矩的解耦，得到该传感器组所在处航空发动机输出轴的曲率k，弯曲方向与光纤光栅的夹角η，以及扭转角θ：
Figure BDA0002753351910000021
其中，εf1,εf2,εf3,...,εfn依次为该传感器组中第1至第n个光纤光栅传感器测得的应变量，α1,α2,α3,...,αn依次为该传感器组中第1至第n个光纤光栅传感器的布设角度，β1,β2,β3,...,βn-1依次为该传感器组中第2至第n个光纤光栅传感器与第1个光纤光栅传感器之间的夹角，n为该传感器组中光纤光栅传感器的总数，r为光纤光栅传感器中心与航空发动机输出轴中心线的距离，h为光纤光栅传感器沿航空发动机输出轴轴向的投影长度。
优选地，每个光纤光栅传感器的布设角度均为45度或135度。
优选地，所述传感器组的布设位置与轴系连接处相距至少10cm。
优选地，所述光纤光栅传感器阵列中所有光纤光栅传感器的中心波长各不相同，且所有光纤光栅传感器依次串联后接入同一套解调系统。
基于同一发明构思还可以得到以下技术方案：
一种航空发动机扭矩监测装置，利用设置于航空发动机输出轴表面的光纤光栅传感器阵列对航空发动机扭矩进行实时监测；所述光纤光栅传感器阵列包括至少一个传感器组，每一个传感器组由沿航空发动机输出轴的周向等间隔设置的至少三个光纤光栅传感器构成，每个光纤光栅传感器的布设角度均大于0度且小于180度；该装置在进行扭矩监测时，对于每一个传感器组，首先依据其中各光纤光栅传感器所测得应变量变化情况之间的最大差异度是否大于预设标准，来判断该传感器组所在处是否存在弯矩载荷，如是，则利用以下方法进行弯矩和扭矩的解耦：对光纤光栅传感器测得的应变量进行泰勒级数展开，得到前两项以及余项，第一项为弯曲引起的应变项，第二项为扭转引起的应变项，结合三个光纤光栅传感器的测量结果求得转轴扭矩、曲率和弯曲方向。
优选地，具体通过对以下方程组中的任意三个方程进行联立求解实现弯矩和扭矩的解耦，得到该传感器组所在处航空发动机输出轴的曲率k，弯曲方向与光纤光栅的夹角η，以及扭转角θ：
Figure BDA0002753351910000031
其中，εf1,εf2,εf3,...,εfn依次为该传感器组中第1至第n个光纤光栅传感器测得的应变量，α1,α2,α3,...,αn依次为该传感器组中第1至第n个光纤光栅传感器的布设角度，β1,β2,β3,...,βn-1依次为该传感器组中第2至第n个光纤光栅传感器与第1个光纤光栅传感器之间的夹角，n为该传感器组中光纤光栅传感器的总数，r为光纤光栅传感器中心与航空发动机输出轴中心线的距离，h为光纤光栅传感器沿航空发动机输出轴轴向的投影长度。
优选地，每个光纤光栅传感器的布设角度均为45度或135度。
优选地，所述传感器组的布设位置与轴系连接处相距至少10cm。
优选地，所述光纤光栅传感器阵列中所有光纤光栅传感器的中心波长各不相同，且所有光纤光栅传感器依次串联后接入同一套解调系统。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
本发明可定性判定出光纤光栅传感器的应变测量信号中是否存在弯矩干扰，并实现弯矩和扭矩的解耦(下文简称弯扭解耦)，从而快速准确的获得扭矩及弯矩信息，进而为航空发动机的健康监测提供实时的准确数据。
附图说明
图1为光纤光栅传感器在航空发动机输出轴上的布设示意图；
图2为本发明航空发动机扭矩监测装置的监测流程示意图；
图3为实施例一中单个传感器组的传感器布设结构示意图；
图4为弯扭耦合情况下三个光纤光栅传感器的应变量变化情况；
图5为实施例二中单个传感器组的传感器布设结构示意图；
图6为实施例二中单个传感器组的解调结果。
图中包含以下附图标记：1、光纤光栅传感器，2、航空发动机输出轴。
具体实施方式
针对现有基于光纤光栅传感器的扭矩监测技术所存在的不足，本发明的解决思路是是基于一种特殊的多传感器布设方案实现对光纤光栅传感器的应变测量信号中是否存在弯矩干扰的定性判定以及定量的弯扭解耦，从而快速准确的获得扭矩及弯矩信息。
本发明所提出的航空发动机扭矩监测方法，具体如下：
利用设置于航空发动机输出轴表面的光纤光栅传感器阵列对航空发动机扭矩进行实时监测；所述光纤光栅传感器阵列包括至少一个传感器组，每一个传感器组由沿航空发动机输出轴的周向等间隔设置的至少三个光纤光栅传感器构成，每个光纤光栅传感器的布设角度均大于0度且小于180度；在进行扭矩监测时，对于每一个传感器组，首先依据其中各光纤光栅传感器所测得应变量变化情况之间的最大差异度是否大于预设标准，来判断该传感器组所在处是否存在弯矩载荷，如是，则利用以下方法进行弯矩和扭矩的解耦：对光纤光栅传感器测得的应变量进行泰勒级数展开，得到前两项以及余项，第一项为弯曲引起的应变项，第二项为扭转引起的应变项，结合三个光纤光栅传感器的测量结果求得转轴扭矩、曲率和弯曲方向。
图1为光纤光栅传感器在航空发动机输出轴上的布设示意图，其为轴表面展开图，OB为传感器初始位置，记为传感器初始长度l，α为传感器OB与水平线夹角即布设角度，OA为传感器水平方向投影长度，AB为传感器沿轴方向的投影长度，记为h。当传感器仅受到扭矩载荷时被拉长至OB′位置，当传感器仅受到弯矩载荷时被拉长至OC位置，当传感器同时承受弯矩和扭矩载荷时被拉长至OC′位置，记为传感器受载荷后长度l′。为了使传感器能感知输出轴扭转和弯曲应变，α应大于0度且小于180度。
本发明航空发动机扭矩监测装置的监测流程如图2所示，首先依据同一传感器组中各光纤光栅传感器的应变测量数据判断输出轴是否存在弯矩载荷，判断原理和方法具体如下：当输出轴仅承受扭矩载荷时，传感器1至n号(n为该传感器组中光纤光栅传感器的总数)之间的中心波长测量值基本相同，由于白噪声及振动影响存在一定误差，即使由于扭矩载荷变化而导致各传感器的应变测量数据产生变化，但各传感器的应变测量数据变化情况也基本相同；当输出轴存在弯矩载荷时，由于弯曲方向与各个光纤光栅传感器的相对位置的差异，在弯矩产生并达到最大的过程中，如果扭矩不变，各个光纤光栅测得的应变将会产生一个上升或下降的变化，如果扭矩在此过程中也发生变化，各个光纤光栅测得的应变会根据扭矩增大或减小相应地在上述变换情况的基础上增大或减小一个相同的值，其整体变化情况为弯扭共同作用的结果，且各光纤光栅的变化情况基本各不相同，即使在弯矩产生的位置和方向使得部分传感器的应变测量数据变化相同的极少量特殊情况下，也至少有一个传感器的应变测量数据变化情况与其它传感器不同。因此，可以依据其中各光纤光栅传感器所测得应变量变化情况之间的最大差异度是否大于预设标准，来判断该传感器组所在处的输出轴是否存在弯矩载荷。所述应变测量数据变化情况以及应变量变化情况之间的差异度，可根据实际需要定义其具体度量方式。例如，可以用前后两个应变量的差值、比值或变化斜率作为应变测量数据变化情况的度量，或者使用连续若干个应变量测量数据的方差作为应变测量数据变化情况的度量；也可以用应变测量数据变化情况度量值之间的差值、比值等作为差异度度量。
当仅存在扭矩载荷时，采用现有常规算法即可求得输出轴扭矩，其值为：
Figure BDA0002753351910000061
其中，T为扭矩，G为剪切弹性模量，Ip为极惯性矩，r为光纤光栅中心到输出轴轴线的距离，Δλi为i号光纤光栅的中心波长变化量，λi为i号光纤光栅中心波长初始值，αi为i号光纤光栅布设角。
当同时存在扭矩和弯矩载荷时，光纤光栅承受总应变为：
Figure BDA0002753351910000062
其中，ε为轴向应变，r为光纤中心与被测轴中心线的距离，θ为扭转角度，α为传感器布设角度。利用泰勒展开，上式可近似为：
Figure BDA0002753351910000063
其中第一项为弯曲分量，第二项为扭转分量，且弯曲分量可利用曲率进行表示：
ε＝kr cosη
其中k代表传感点曲率，η代表弯曲方向与光纤光栅的夹角。
联立1至n号传感器的应变方程：
Figure BDA0002753351910000064
其中εf1,εf2,εf3,...,εfn依次为1至n号传感器测得的总应变，α1,α2,α3,...,αn依次为传感器布设角度，β1,β2,β3,...,βn-1依次为第2至n号传感器与第一个传感器之间的夹角，这三组均为已知量。未知量为传感点曲率k，弯曲方向与光纤光栅的夹角η，以及扭转角θ。因此，理论上仅需要任意三个传感器的数据即可求解出被测点曲率，弯曲方向和扭转角。任取i，j，k三个传感器进行计算，即可求得扭转角为：
Figure BDA0002753351910000071
其中，系数
Figure BDA0002753351910000072
扭矩为：T＝GIpθ/h，弯曲方向与光纤光栅i的夹角为：
Figure BDA0002753351910000073
曲率为：
Figure BDA0002753351910000074
为了便于公众理解，下面通过两个具体实施例并结合附图来对本发明的技术方案进行进一步详细说明：
实施例一、
本实施例中单个传感器组中的光纤光栅传感器数量为3个，其布设方式如图3所示。三个光纤光栅传感器1在输出轴2表面周向等间距布设，两两成120度。该方案选用了最少的传感器数量，以减小布设难度，减少成本；传感器布设角α均设置为45度(或135度)以使灵敏度达到最大，其理论值为r sin 2α/2h。传感器组的布设位置与轴系连接处相距至少10cm，以避免上述位置应力集中对测量造成的影响。
传感器组中选用相同中心波长的光纤光栅传感器，光纤光栅中心波长与应变关系为：ΔλB/λB＝(1-pe)ε，其中ΔλB为光纤光栅中心波长变化量，λB为光纤光栅固有中心波长，pe为弹光系数，ε为应变。由于解调系统有分辨率的限制，尽管不同光纤光栅中心波长变化量的测量精度可视为相等，但是在除以固有中心波长后各光纤光栅传感器的应变计算精度将不再相同。因此，为了各光纤光栅传感器的应变测量精度相同应选用相同中心波长的光纤光栅传感器。
首先，进行判断弯矩是否存在，采用ANSYS仿真分析的方法建立有限元模型，对输出轴施加额定100Nm的扭矩，当弯矩逐渐由零增至最大值时，三根光纤光栅传感器测得的应变产生梯度变化，且同时存在正梯度和负梯度，以此判断输出轴存在弯矩载荷。如图4所示，三条实线表示的是1至3号光纤光栅传感器测得的应变随弯矩的变化情况，由于给定弯矩方向与各传感器的角度不同，它们的变化趋势不同。
利用算法进行弯扭解耦，1至3号传感器的应变方程：
Figure BDA0002753351910000081
其中εf1,εf2,εf3依次为1至3号传感器测得的总应变，α1,α2,α3依次为传感器布设角度，在此实施例中均为π/4，β1,β2依次为第2至3号传感器与第一个传感器之间的夹角，分别为2π/3和-2π/3，这三组均为已知量。未知量为传感点曲率k，弯曲方向与光纤光栅的夹角η，以及扭转角θ。求解方程组，即可求得扭矩：
Figure BDA0002753351910000082
弯曲方向与1号光纤光栅的夹角为：
Figure BDA0002753351910000083
曲率为：
Figure BDA0002753351910000091
实施例二、
本实施例中单个传感器组中的光纤光栅传感器数量为6个，其布设方式如图5所示。六个光纤光栅传感器1在输出轴2表面周向等间距布设，两两成60度。该方案选用了多于三个传感器的布设数量，以增大曲率和弯曲角测量精度；传感器布设角α设置为45度使灵敏度达到最大，其理论值为r sin 2α/2h。
本实施例中选用6个具有不同中心波长的光纤光栅传感器以实现波分复用。由于传感器数量较多，如果采用相同中心波长的光纤光栅传感器进行测量则需要和传感器数量一致的解调通道，而解调设备的体积与其通道数成正比，体积过大将严重影响设备在飞行器上的搭载甚至影响飞行性能。为了减小设备空间占用率，选用6个不同中心波长的光纤光栅传感器，将它们串连成一根光纤，这样仅需要单通道光纤光栅解调仪即可完成信号解调。为防止传感器间发生串扰，且尽量使中心波长范围处于解调设备中间波段，选取波长分别为1540nm，1545nm，1550nm，1555nm，1560nm，1565nm的光纤光栅传感器进行布设，中心波长间隔5nm。单通道解调结果如图6所示，可以看到六个明显的类似脉冲的波形。
首先，进行判断弯矩是否存在。当弯矩逐渐由零增至最大值时，六根光纤光栅传感器测得的应变产生梯度变化，且同时存在正梯度和负梯度，以此可判断输出轴存在弯矩载荷。由于给定弯矩方向与各传感器的角度不同，它们的变化趋势各不相同。
利用算法进行弯扭解耦，选择1、3、5号三个不相邻传感器进行计算，应变方程如下：
Figure BDA0002753351910000092
其中εf1,εf3,εf5依次为1至3号传感器测得的总应变，α1,α3,α5依次为传感器布设角度，在此实施例中均为π/4，β2,β4依次为第3和5号传感器与第一个传感器之间的夹角，在此实施例中分别为2π/3和-2π/3，这三组均为已知量。未知量为传感点曲率k，弯曲方向与光纤光栅的夹角η，以及扭转角θ。求解方程组，即可求得扭矩：
Figure BDA0002753351910000101
弯曲方向与1号光纤光栅的夹角为：
Figure BDA0002753351910000102
曲率为：
Figure BDA0002753351910000103
为了提高弯曲方向与1号光纤光栅的夹角和曲率的测量精度，在利用上述过程计算出夹角η后，选取离弯曲方向最接近的三个光纤光栅传感器重复上述过程，得到的夹角η为更加精确的值。
上述传感器组可以沿发动机轴向设置多个，从而可对发动机输出轴多个不同位置的扭矩进行实时监测，同样可以采用波分复用方式实现一套解调系统对多个传感器的解调。

Claims (10)

1.一种航空发动机扭矩监测方法，利用设置于航空发动机输出轴表面的光纤光栅传感器阵列对航空发动机扭矩进行实时监测；其特征在于，所述光纤光栅传感器阵列包括至少一个传感器组，每一个传感器组由沿航空发动机输出轴的周向等间隔设置的至少三个光纤光栅传感器构成，每个光纤光栅传感器的布设角度均大于0度且小于180度；在进行扭矩监测时，对于每一个传感器组，首先依据其中各光纤光栅传感器所测得应变量变化情况之间的最大差异度是否大于预设标准，来判断该传感器组所在处是否存在弯矩载荷，如是，则利用以下方法进行弯矩和扭矩的解耦：对光纤光栅传感器测得的应变量进行泰勒级数展开，得到前两项以及余项，第一项为弯曲引起的应变项，第二项为扭转引起的应变项，结合三个光纤光栅传感器的测量结果求得转轴扭矩、曲率和弯曲方向。
2.如权利要求1所述航空发动机扭矩监测方法，其特征在于，具体通过对以下方程组中的任意三个方程进行联立求解实现弯矩和扭矩的解耦，得到该传感器组所在处航空发动机输出轴的曲率k，弯曲方向与光纤光栅的夹角η，以及扭转角θ：
Figure FDA0002753351900000011
其中，εf1,εf2,εf3,...,εfn依次为该传感器组中第1至第n个光纤光栅传感器测得的应变量，α1,α2,α3,...,αn依次为该传感器组中第1至第n个光纤光栅传感器的布设角度，β1,β2,β3,...,βn-1依次为该传感器组中第2至第n个光纤光栅传感器与第1个光纤光栅传感器之间的夹角，n为该传感器组中光纤光栅传感器的总数，r为光纤光栅传感器中心与航空发动机输出轴中心线的距离，h为光纤光栅传感器沿航空发动机输出轴轴向的投影长度。
3.如权利要求1所述航空发动机扭矩监测方法，其特征在于，每个光纤光栅传感器的布设角度均为45度或135度。
4.如权利要求1所述航空发动机扭矩监测方法，其特征在于，所述传感器组的布设位置与轴系连接处相距至少10cm。
5.如权利要求1所述航空发动机扭矩监测方法，其特征在于，所述光纤光栅传感器阵列中所有光纤光栅传感器的中心波长各不相同，且所有光纤光栅传感器依次串联后接入同一套解调系统。
6.一种航空发动机扭矩监测装置，利用设置于航空发动机输出轴表面的光纤光栅传感器阵列对航空发动机扭矩进行实时监测；其特征在于，所述光纤光栅传感器阵列包括至少一个传感器组，每一个传感器组由沿航空发动机输出轴的周向等间隔设置的至少三个光纤光栅传感器构成，每个光纤光栅传感器的布设角度均大于0度且小于180度；该装置在进行扭矩监测时，对于每一个传感器组，首先依据其中各光纤光栅传感器所测得应变量变化情况之间的最大差异度是否大于预设标准，来判断该传感器组所在处是否存在弯矩载荷，如是，则利用以下方法进行弯矩和扭矩的解耦：对光纤光栅传感器测得的应变量进行泰勒级数展开，得到前两项以及余项，第一项为弯曲引起的应变项，第二项为扭转引起的应变项，结合三个光纤光栅传感器的测量结果求得转轴扭矩、曲率和弯曲方向。
7.如权利要求6所述航空发动机扭矩监测装置，其特征在于，具体通过对以下方程组中的任意三个方程进行联立求解实现弯矩和扭矩的解耦，得到该传感器组所在处航空发动机输出轴的曲率k，弯曲方向与光纤光栅的夹角η，以及扭转角θ：
Figure FDA0002753351900000021
其中，εf1,εf2,εf3,...,εfn依次为该传感器组中第1至第n个光纤光栅传感器测得的应变量，α1,α2,α3,...,αn依次为该传感器组中第1至第n个光纤光栅传感器的布设角度，β1,β2,β3,...,βn-1依次为该传感器组中第2至第n个光纤光栅传感器与第1个光纤光栅传感器之间的夹角，n为该传感器组中光纤光栅传感器的总数，r为光纤光栅传感器中心与航空发动机输出轴中心线的距离，h为光纤光栅传感器沿航空发动机输出轴轴向的投影长度。
8.如权利要求6所述航空发动机扭矩监测装置，其特征在于，每个光纤光栅传感器的布设角度均为45度或135度。
9.如权利要求6所述航空发动机扭矩监测装置，其特征在于，所述传感器组的布设位置与轴系连接处相距至少10cm。
10.如权利要求6所述航空发动机扭矩监测装置，其特征在于，所述光纤光栅传感器阵列中所有光纤光栅传感器的中心波长各不相同，且所有光纤光栅传感器依次串联后接入同一套解调系统。
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