发动机转子预紧力测量方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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：
[0004] 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CN103439035A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CN103335825A公开了《一种螺 栓拧紧力系数测量方法》。
[0005] 2)也有将应变计直接粘贴到螺栓上进行测量，如CN104075831A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。
[0006] 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：
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 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】
[0011] 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。
[0012] 本发明采用的技术方案如下：
[0013] 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：
[0014] 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；
[0015] 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；
[0016] 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；
[0017] 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。
[0018] 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；
[0019] 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。
[0020] 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；
[0021] 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。
[0022] 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：
[0023] 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；
[0024] 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；
[0025] 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。
[0026] 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。
[0027] 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：
[0028] 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；
[0029] 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；
[0030] 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；
[0031] 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；
[0032] 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。。
[0033] 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。
[0034] 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。
[0035] 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。
[0036] 本发明具有以下有益效果：
[0037] 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