一种航空发动机旋转轴间隙的测量方法与流程

本发明涉及航空发动机测试技术领域，尤其涉及一种航空发动机旋转轴间隙的测量方法。

背景技术：

航空发动机的某支点石墨封严装置如图1所示，如果在空中出现故障，将直接影响发动机的使用可靠性。为查找支点石墨封严装置失效的故障机理，需要在线测量支点石墨封严组件故障部位的间隙变化情况。

由于支点石墨封严组件的测点位置在发动机内部，传感器安装空间狭小(高度不足10mm)，只能使用属于尖端科技产品的微型间隙传感器进行测量，并且要求在发动机工作状态下进行间隙测量，而测量部位的工作介质为空气和滑油的混合气体(油雾)，油雾浓度随着发动机的状态随时变化，温度上限160℃，因此在实际测量中选用如图2所示的小型电容传感器作为间隙测量工具。

电容传感器基本测试原理是利用传感器的测量平面和待测平面间形成的电容值与距离间的函数关系确定测量间隙值。

实际测量中，安装在封严盖上的探头可以认为是平行板电容器的一个电极，而锁紧螺母是电容器的另一个电极。测得的电容是电极两极板几何尺寸、距离、介质(材料)的函数。测量的电容值与间隙的关系如下公式所示：

d＝ere0a/c

其中：d为电极间隔，er为电极间介质的相对介电常数，e0为真空中的介电常数，a为电极面积，c为测量电容。

在发动机正常工作状态下，封严盖与锁紧螺母之间的油雾浓度随时在变化，且温度和压力也是变数，再加上测量空间的限制，使得介质的相对介电常数er难以实时测量，其事先标定过程也非常困难。因此使用电容间隙传感器进行间隙测量过程中，电容传感器的标定成为技术难题。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种航空发动机旋转轴间隙的测量方法，实现对航空发动机的支点石墨封严装置故障部位的间隙进行测量。

一种航空发动机旋转轴间隙的测量方法，包括以下步骤：

步骤1、根据电容传感器尺寸，在航空发动机的支点封严装置的封严盖上端加工通孔；将带安装限位环的电容传感器从封严盖上方置于所述通孔内，采用点焊金属片的方式将电容传感器固定在封严盖上；再使用相同方法在封严盖水平方向上的两侧布置两只电容传感器，该两只电容传感器与封严盖上端的电容传感器的中心角均为90度；

步骤2、分别测量三个电容传感器在封严盖端面的回缩值h1、h2和h3，以及支点封严装置的锁紧螺母的直径dl、封严盖的水平内径ds和封严盖的垂直内径dc，且保证各回缩值均大于等于0.2mm，小于0.3mm；

步骤3、根据电容与电压之间的关系，通过各测点测得的电容变化量得到各测点的输出电压值v1、v2和v3；在同一时刻，各测点的输出电压值v1、v2和v3与实际测量的各电容传感器与锁紧螺母间的间隙值c1、c2和c3为线性关系，如下三个公式所示：

c1/(c1+c2)＝v1/(v1+v2)

c2/(c1+c2)＝v2/(v1+v2)

c3/(c1+c2)＝v3/(v1+v2)

其中，c1+c2＝js+h1+h2，js＝ds-dl为封严盖与锁紧螺母之间的水平直径间隙；

令b＝js+h1+h2，进一步得到各电容传感器与锁紧螺母间的距离为：

c1＝bv1/(v1+v2)

c2＝bv2/(v1+v2)

c3＝bv3/(v1+v2)

某一时刻，各测点处封严盖与锁紧螺母之间的间隙jx1、jx2和jx3与各电容传感器与锁紧螺母间的间隙值c1、c2和c3满足以下关系式：

jx1＝c1-h1＝bv1/(v1+v2)-h1，

jx2＝c2-h2＝bv2/(v1+v2)-h2，

jx3＝c3-h3＝bv3/(v1+v2)-h3。

步骤4、求出封严盖与锁紧螺母之间瞬时圆周最小间隙及其所处位置的夹角；

封严盖的圆心为基础坐标系的坐标原点o，锁紧螺母轴心坐标为o′(ox,oy)，则锁紧螺母轴心坐标满足以下两个关系式：

ox＝(jx1-jx2)/2

oy＝jc/2-jx3

其中，jc＝dc-dl为封严盖与锁紧螺母之间的垂直直径间隙；

进而得出封严盖与锁紧螺母之间瞬时圆周最小间隙为：

封严盖与锁紧螺母之间瞬时圆周最小间隙所处位置的夹角为：

wzmin＝tan^-1(oy/ox)。

由上述技术方案可知，本发明的有益效果在于：本发明提供的一种航空发动机旋转轴间隙的测量方法，通过三只电容传感器安装位置的特定布置及对测量数据的处理，无需对电容传感器进行标定，即可得到可靠的测试数据，解决了电容传感器在旋转轴间隙测量中标定困难的难题，免除了事先标定或试验中实时标定的复杂工作及其带来的较大误差的问题，保障了测试数据的使用可靠性。

附图说明

图1为某航空发动机的某支点石墨封严装置的结构示意图；

图2为作为间隙测量工具的某小型电容传感器的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种航空发动机旋转轴间隙的测量方法的流程图；

图4为本实施例提供的三个电容传感器在封严盖上的安装位置示意图；

图5为本实施例提供的带电容传感器的封严装置的部分结构示意图；

图6本实施例提供的电容传感器在封严装置中的安装位置尺寸示意图；

图7为本实施提供的封严盖与锁紧螺母之间的间隙各参数在坐标系的示意图。

图中：1、封严盖；2、锁紧螺母；3、封严盖上端的电容传感器；4、封严盖水平方向两侧的电容传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本实施例以某航空发动机的某支点石墨封严装置为例，使用本发明方法对封严盖与锁紧螺母间的间隙进行测量。

一种航空发动机旋转轴间隙的测量方法，如图3所示，包括以下步骤：

步骤1、根据电容传感器尺寸，在航空发动机的支点封严装置的封严盖1上端加工通孔；将带安装限位环的电容传感器3从封严盖上端置于所述通孔内，采用点焊金属片的方式将电容传感器3固定在封严盖上；再使用相同方法在封严盖1水平方向上的两侧布置两只电容传感器4，该两只电容传感器4与封严盖上端的电容传感器3的中心角均为90度；

本实施例中，三个电容传感器在封严盖上1的安装位置如图4所示，封严盖上端的电容传感器3在封严装置中的安装位置如图5所示。安装的三支电容传感器均采用如图2所示的电容传感器cp200，该电容传感器尺寸为8×8.5mm，测量范围为0.2-2mm，测量分辨率为5μm，工作温度≯200℃。

步骤2、分别测量三个电容传感器在封严盖端面的回缩值h1、h2和h3以及支点封严装置的锁紧螺母2的直径dl、封严盖的水平内径ds和封严盖的垂直内径dc，且保证各回缩值h1、h2和h3均大于等于0.2mm，小于0.3mm；

步骤3、根据电容与电压之间的关系，通过各测点测得的电容变化量得到各测点的输出电压值v1、v2和v3；发动机在工作状态下某一时刻封严盖1与锁紧螺母2之间隙内的油雾浓度在各测点理论上是均匀的，温度、压力等环境参数也基本一致，在此前提下，某一时刻的相对介电常数er在各测点应该是一致的；因此，在同一时刻，各测点的输出电压值v1、v2和v3与实际测量的各电容传感器与锁紧螺母2间的间隙值c1、c2和c3为线性关系，如下三个公式所示：

c1/(c1+c2)＝v1/(v1+v2)

c2/(c1+c2)＝v2/(v1+v2)

c3/(c1+c2)＝v3/(v1+v2)

其中，c1+c2＝js+h1+h2，js＝ds-dl为封严盖1与锁紧螺母2之间的水平直径间隙；

令b＝js+h1+h2，进一步得到各电容传感器与锁紧螺母2间的距离为：

c1＝bv1/(v1+v2)

c2＝bv2/(v1+v2)

c3＝bv3/(v1+v2)

封严盖上端的电容传感器3在封严装置中的安装位置尺寸如图6所示，某一时刻，各测点处封严盖1与锁紧螺母2之间的间隙jx1、jx2和jx3与各电容传感器与锁紧螺母1间的间隙c1、c2和c3满足以下关系式：

jx1＝c1-h1＝bv1/(v1+v2)-h1，

jx2＝c2-h2＝bv2/(v1+v2)-h2，

jx3＝c3-h3＝bv3/(v1+v2)-h3。

步骤4、求出封严盖1与锁紧螺母2之间瞬时圆周最小间隙及其所处位置的夹角，如图7所示；

封严盖1的圆心为基础坐标系的坐标原点o，锁紧螺母2轴心坐标为o′(ox,oy)，则锁紧螺母2轴心坐标满足以下两个关系式：

ox＝(jx1-jx2)/2

oy＝jc/2-jx3

其中，jc＝dc-dl为封严盖1与锁紧螺母2之间的垂直直径间隙；

进而得出封严盖1与锁紧螺母2之间瞬时圆周最小间隙为：

封严盖1与锁紧螺母2之间瞬时圆周最小间隙所处位置的夹角为：

wzmin＝tan^-1(oy/ox)。

本实施例中，采用hbmmx840a数据采集系统将电容传感器信号转换为数字信号，采样频率1200hz/ch，采用hbmcx22w数据记录仪存储试验数据，由计算机对试验数据进行后期处理。

本实施例中，测得的三个电容传感器在封严盖1端面的回缩值分别为h1＝0.2755，h2＝0.2234，h3＝0.2469。测得的锁紧螺母2的直径为dl＝211.3275mm，封严盖1的水平内径为ds＝210.9834mm，封严盖1的垂直内径为dc＝211.0613mm。

试验全过程瞬时圆周最小间隙jxmin范围在0.18-0.83mm之间，转数越低，瞬时圆周间隙值越小，随着转数升高间隙变大。

瞬时最小间隙位置wzmin分布在整个圆周内，出现于上部11点钟和底部6点钟附近的占多数，较小间隙的位置均在底部。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。