一种具测扭功能的紧凑型涡轮轴结构的制作方法

本发明属于涡轮发动机技术领域，具体是一种具测扭功能的紧凑型涡轮轴结构。

背景技术：

涡轮轴为涡轮发动机的重要零件，看起来只是简单的一根金属管，但实际上它是一个肩负120000至160000rpm转动及超高温的精密零件，其精细的加工工差、精深的材料运用和处理正是所有涡轮厂最为核心的技术。目前，航空涡轴发动机通常要在发动机内部涡轮轴上设计测扭结构来监测发动机瞬时扭矩，通常采用的测扭原理为电相位法。

电相位法的具体原理是在动力涡轮轴外侧或内部设置基准轴，基准轴一端与动力涡轮轴通过销钉来连接，保证此端处基准轴与动力涡轮轴周向位移始终保持一致，在基准轴另一端出设置一个测扭环(基准轴在此处与动力涡轮轴保持大的径向间隙配合，保证此处基准轴可以自由转动，不受动力涡轮轴限制)，在此处同样通过销钉将测扭环与动力涡轮轴连接起来，使得测扭环在此处与动力涡轮轴的周向位移始终保持一致。在发动机工作过程中，动力涡轮涡轮工作叶片将直接将气体膨胀做的功直接传递给动力涡轮轴，动力涡轮轴将产生扭矩，动力涡轮轴在承受扭矩的时候，不同轴向位置将发生不同的周向位移，也就是说动力涡轮轴在基准轴的两端所处位置将发生不同的周向位移，基准轴一端与动力涡轮轴通过销钉连接，另一端与动力涡轮轴保持大径向间隙配合，不受动力涡轮轴影响，使得基准轴与左端销钉连接处所示的周向位移相同，而测扭环与右端销钉连接处周向位移相同，发动机工作时，左端销钉连接处与右端销钉连接处的周向位移存在位移差，动力涡轮轴承受的扭矩越大，这个扭矩差就越大，基准轴与测扭轴的齿之间的夹角将发生变化，扭矩传感器通过基准轴与测扭环的切割磁感线感知基准轴与测扭环的相位和频率，随着扭矩的不断变大，基准轴与测扭环的夹角将发生变化，夹角的变化将由扭矩传感器直接通过相位角的变化感知，扭矩传感器通过相位角的变化来感知动力涡轮轴的瞬时扭矩，从而获取发动机的瞬时功率，上述即为电相位测扭的基本原理。

能够在动力涡轮采用电相位测扭的多为前输出型发动机，这是因为前输出型发动机通常长度较长，同时为考虑动力涡轮轴可以从燃气发生器芯部穿过，轴的外径通常不大，轴自身的抗扭刚度不大，在发动机的设计功率下通常可以实现一个较大的扭转角，可以保证一个较好的测扭精度。但是，目前航空涡轴发动机在朝向紧凑型发展，对于功率后输出的发动机，动力涡轮轴的跨距通常较短，同时受到发动机的结构限制，动力涡轮转子多为悬臂转子，为满足动力涡轮抓着你顺利通过临界转速，此时往往需要涡轮轴具有较大的抗弯刚度，即轴外径足够大，而涡轮轴外径过大势必会造成轴的抗扭刚度也大，从而造成扭角过小，过小的扭角通常精度较低，实际工程意义不大，因此在此种情况下，涡轴发动机就不能在发动机内部测扭。

因此，本领域技术人员提供了一种具测扭功能的紧凑型涡轮轴结构，以解决上述背景技术中提出的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种具测扭功能的紧凑型涡轮轴结构，以解决上述背景技术中提出的问题和缺陷的至少一个方面。

根据本发明的一个方面，提供一种具测扭功能的紧凑型涡轮轴结构，包括：动力涡轮轴，所述动力涡轮轴一端为动力输入端，另一端为动力输出端，所述动力输入端与动力输出端之间为细轴；加强筋，所述加强筋设有若干个，且其均匀设于所述细轴外周壁；基准轴，其一端适于装配在所述动力输入端上，另一端适于装配在所述动力输出端上；测扭环，所述测扭环适于装配在所述动力输出端上，与基准轴配合使用来测量扭矩。

根据本发明的一个实例性的实施例，所述动力输入端靠近细轴的一端设有轴环，所述动力输入端在所述轴环与细轴之间均匀设有第一销孔；所述动力输出端靠近细轴的一端设有轴肩，所述轴肩上均匀设有第二销孔。

根据本发明的另一个实例性的实施例，所述细轴可以为实心，也可以为空心，根据发动机实际需求进行选择。

根据本发明的另一个实例性的实施例，所述加强筋数量选取为质数，加强筋的具体数量与具体尺寸根据实际情况，通过计算和试验分析最终确定出合适尺寸；因为加强筋周向不连续，所以本具测扭功能的紧凑型涡轮轴测扭段的扭转刚度主要由细轴承担，加强筋对抗扭刚度的贡献较小；同时，外部加强筋结构类似于工字梁结构，工字梁在其纵截面方向具有较高的抗弯刚度，解决了细轴抗弯能力不足的问题。

根据本发明的另一个实例性的实施例，所述基准轴的轴向长度小于动力涡轮轴但大于细轴，基准轴套设在动力涡轮轴上，基准轴一端与轴环的立面贴合，基准轴另一端套在轴肩上；基准轴靠近轴环一端均匀设有基准轴销孔，基准轴另一端均匀设有第一测扭齿。

根据本发明的另一个实例性的实施例，所述基准轴靠近轴环一端与动力涡轮轴为过渡配合，限制基准轴靠近轴环一端与动力涡轮轴的相对转动；基准轴另一端与轴肩为间隙配合，保证基准轴可以顺利在轴肩上进行转动，使得基准轴与测扭环可以配合使用实现测扭功能。

根据本发明的另一个实例性的实施例，所述基准轴销孔与第一销孔相对应设置，二者与第一销钉配合使用，用于限制基准轴在动力涡轮轴上的轴向位移。

根据本发明的另一个实例性的实施例，所述测扭环套设在轴肩上，测扭环上均匀设有测扭环销孔，且其一端均匀设有第二测扭齿。

根据本发明的另一个实例性的实施例，所述测扭环销孔与第二销孔相对应设置，二者与第二销钉配合使用，用于限制测扭环在动力涡轮轴上的轴向位移。

根据本发明的另一个实例性的实施例，所述第一测扭齿和第二测扭齿在非工作状态时，二者之间呈90°夹角。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、通过本发明设置的细轴与其表面的加强筋，实现紧凑型涡轮轴的测扭功能，由于外部加强筋周向不连续，本具测扭功能的紧凑型涡轮轴测扭段的扭转刚度主要由细轴承担，外部加强筋对抗扭刚度的贡献较小；同时，外部加强筋结构类似于工字梁结构，工字梁在其纵截面方向具有较高的抗弯刚度，解决了细轴抗弯能力不足的问题。

2、通过本发明设置的基准轴，基准轴长度大于细轴及加强筋长度，使得基准轴可以将细轴和加强筋完全包括在内部，从而避免动力涡轮轴直接暴露在油气环境中，减小加强筋摩擦，消除或减弱加强筋所带来的鼓风效应，避免鼓风损失。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为一种具测扭功能的紧凑型涡轮轴结构爆炸图；

图2为一种具测扭功能的紧凑型涡轮轴结构整体装配示意图；

图3为一种具测扭功能的紧凑型涡轮轴结构剖视图；

图4为动力涡轮轴主观图；

图5为空心细轴剖视图；

图6为实心细轴剖视图；

图7为实验涡轮粗轴示意图；

图8为实验涡轮细轴示意图；

图9为测扭环与基准轴非工作状态剖视图；

图10为测扭环与基准轴工作状态剖视图。

图中：1、动力涡轮轴；101、动力输入端；102、动力输出端；103、细轴；104、加强筋；105、轴环；106、轴肩；107、第一销孔；108、第二销孔；2、基准轴；201、基准轴销孔；202、第一测扭齿；3、测扭环；301、测扭环销孔；302、第二测扭齿；4、第一销钉；5、第二销钉；6、实验涡轮粗轴；7、实验涡轮细轴。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。

另外，在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。

根据本发明的一个总体技术构思，提供一种具测扭功能的紧凑型涡轮轴结构，包括：动力涡轮轴1，动力涡轮轴1一端为动力输入端101，另一端为动力输出端102，动力输入端101与动力输出端102之间为细轴103；加强筋104，加强筋104设有若干个，且其均匀设于细轴103外周壁；基准轴2，其一端适于装配在动力输入端101上，另一端适于装配在动力输出端102上；测扭环3，测扭环3适于装配在动力输出端102上，与基准轴2配合使用来测量扭矩。

图1为一种具测扭功能的紧凑型涡轮轴结构爆炸图。图2为一种具测扭功能的紧凑型涡轮轴结构整体装配示意图。图3为一种具测扭功能的紧凑型涡轮轴结构剖视图，图4为动力涡轮轴主观图。

如图1-4所示，在图示的实施例中，动力输入端101靠近细轴103的一端设有轴环105，动力输入端101在轴环105与细轴103之间均匀设有第一销孔107；动力输出端102靠近细轴103的一端设有轴肩106，轴肩106上均匀设有第二销孔108。

优选的，如图1-4所示，在实际使用时，加强筋104数量选取为质数，加强筋104的具体数量与具体尺寸根据实际情况，通过计算和试验分析最终确定出合适尺寸；

具体的，由于细轴103外周壁均匀分布有若干加强筋104，这种结构与传统圆柱截面涡轮轴相比，在其相邻两处加强筋104之间存在抗弯刚度分布不均的问题，对涡轮转子的动力特性有一定的影响，经过分析发现，如果加强筋104数量选取为质数，如选取11处均布而不选取10处均布，则本发明涡轮轴沿相邻两处加强筋104的抗弯截面系数基本不变；同时，加强筋104周向不连续，所以本具测扭功能的紧凑型涡轮轴测扭段的扭转刚度主要由细轴103承担，加强筋104对抗扭刚度的贡献较小，而加强筋104结构类似于工字梁结构，工字梁在其纵截面方向具有较高的抗弯刚度，解决了细轴103抗弯能力不足的问题。

优选的，如图1-4所示，在实际使用时，基准轴2的轴向长度小于动力涡轮轴1但大于细轴103，基准轴2可以将细轴103和加强筋104完全包括在内部，从而避免动力涡轮轴1直接暴露在油气环境中，减小加强筋104摩擦，消除或减弱加强筋104所带来的鼓风效应，避免鼓风损失；基准轴2套设在动力涡轮轴1上，基准轴2一端与轴环105的立面贴合，基准轴2另一端套在轴肩106上；基准轴2靠近轴环105一端均匀设有基准轴销孔201，基准轴2另一端均匀设有第一测扭齿202。

优选的，如图3所示，在实际使用时，基准轴2靠近轴环105一端与动力涡轮轴1为过渡配合，限制基准轴2靠近轴环105一端与动力涡轮轴1的相对转动；基准轴2另一端与轴肩106为间隙配合，保证基准轴2可以顺利在轴肩106上进行转动，使得基准轴2与测扭环3可以配合使用实现测扭功能。

优选的，如图2所示，在实际使用时，基准轴销孔201与第一销孔107相对应设置，二者与第一销钉4配合使用，用于限制基准轴2在动力涡轮轴1上的轴向位移。

优选的，如图1和图2所示，在实际使用时，测扭环3套设在轴肩106上，测扭环3上均匀设有测扭环销孔301，且其一端均匀设有第二测扭齿302。

优选的，如图2所示，在实际使用时，测扭环销孔301与第二销孔108相对应设置，二者与第二销钉5配合使用，用于限制测扭环3在动力涡轮轴1上的轴向位移。

图5为空心细轴剖视图。图6为实心细轴剖视图。

如图5和图6所示，在图示的实施例中，细轴103可以为实心，也可以为空心，根据发动机实际需求进行选择。

以上是对本具测扭功能的紧凑型涡轮轴结构的各部件描述；下面，对于本具测扭功能的紧凑型涡轮轴结构可行性，通过与实验涡轮粗轴6、实验涡轮细轴7进行对比分析进行验证。

图7为实验涡轮粗轴示意图。图8为实验涡轮细轴示意图。图9为测扭环3与基准轴非工作状态剖视图。图10为测扭环3与基准轴工作状态剖视图。

如图7和图8所示，在图示的实施例中，实验涡轮粗轴6外径为φ46mm，实验涡轮细轴7外径为φ24mm；同时，本发明加强筋104外径为φ46mm，内圆外径为φ24mm。

对三种轴进行扭角计算，计算公式为：

式中，为扭转角；t为扭矩；l为扭转段长度；g为剪切模量，为截面极惯性矩；g·ip为扭转刚度。

对三种轴分别施加同样的扭矩，扭矩为700n·m，计算实验涡轮粗轴6、实验涡轮细轴7和本发明涡轮轴轴向长度为193.3mm内的扭角。此时实验涡轮粗轴6扭角为0.3°，实验涡轮细轴7扭角为3.0°，本发明涡轮轴扭角为2.24°。

对三种轴进行挠度计算，计算公式为：

式中，w为挠度；m为弯矩；e为弹性模量；i为截面惯性矩；ei为抗弯刚度。

从(1)可以看出，抗弯刚度ei越大，则挠度w越小，但对于不规则的轴，抗弯刚度ei往往很难计算，因此，可以用挠度w侧面反映抗弯刚度，挠度越小，则可从侧面反映出抗弯刚度越大。

为模拟新型具测扭功能的紧凑型涡轮轴在发动机中实际工作状态，约束三种轴的左右两端，将左端设置为固定铰链，模拟球轴承；右端设计为轴向可滑动铰链，模拟棒轴承；对轴的中间施加一个压轴力，压轴力为1000n。此时实验涡轮粗轴6最大挠度为0.011mm，实验涡轮细轴7最大挠度为0.13mm，本发明涡轮轴最大挠度为0.025mm。

从上述计算分析结果表明：1)实验涡轮粗轴6的扭角是实验涡轮细轴7扭角的0.1倍，本发明涡轮轴的扭角是实验涡轮细轴7扭角的0.75倍；2)实验涡轮细轴7的最大挠度仅是实验涡轮粗轴6的11.8倍，本发明涡轮轴的最大挠度是实验涡轮粗轴6的2.2倍。

因此可看出，本发明涡轮轴在兼顾一定扭角的同时，还可以兼顾轴自身具有较好的抗弯刚度，对于紧凑型涡轴发动机实现内部测扭具有明显的指导意义。

同时，如图9和图10所示，在图示的实施例中，第一测扭齿202和第二测扭齿302在非工作状态时，二者之间呈90°夹角；第一测扭齿202和第二测扭齿302在工作状态时，二者夹角发生变化，从而实现本具测扭功能的紧凑型涡轮轴结构的测扭功能。

本说明书中，用语“一个”、“一”、“该”、“所述”和“至少一个”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包含”、“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等；用语“第一”、“第二”和“第三”等仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。