[发明专利]一种用于测量超高转速叶轮转轴扭矩的装置

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种用于测量超高转速叶轮转轴扭矩的装置，可精确测量叶轮功率。

背景技术

叶轮机械在国民经济尤其是整个重工业体系中占有十分重要的地位。其主要分支之一——燃气轮机——已广泛用于航空、电站、舰船、导弹、坦克、重载机车等高端领域的核心动力以及冶金、勘探、化工、土木等一般工业领域的主要或辅助动力，燃气轮机的生产水平已成为衡量一个国家工业整体实力的最重要标志之一。近年来，随着微细加工、精密加工工艺的发展，微小型叶轮机械获得了快速发展，广泛应用于微型涡轮喷气发动机、微型燃气发电机、车用涡轮增压器等领域，叶轮尺寸减小为厘米量级，而转速则超过了10万转/分，转轴扭矩＜20N·m。以南京航空航天大学研制的微型涡轮发动机12厘米直径原理样机为例，转速12.5万转/分，转轴扭矩6.7 N·m，轴肩跨度70mm，转轴最大扭角0.131°。超高速叶轮功率的精确测量对估算叶轮效率、衡量叶轮性能非常关键，但目前的测功设备最高测试转速仅能达到3～4万转/分，不能满足超高转速功率的测量需求。

发明内容

本发明提出的是一种用于测量超高转速叶轮转轴扭矩的装置，其目的旨在克服现有技术所存在的上述缺陷。

本发明的技术解决方案：其结构包括转轴、A光栅盘、B光栅盘、光源、光敏元件和信号放大数据采集系统，其中A光栅盘、B光栅盘对称布置并固定连接在转轴上，A光栅盘、B光栅盘周向对应位置的一组栅槽构成一条光路，光源发出的光线通过该光路被光敏元件接收，转化为周期性占空比信号输出给信号放大数据采集系统，由信号放大数据采集系统将放大的信号传输给PC机进行数据处理、显示、保存；当转轴接受扭矩作用时产生扭转变形，A光栅盘、B光栅盘栅槽重合部分变小，光路宽度变窄，光敏元件接受到的光强信号减弱，占空比信号减小，占空比信号与扭矩负载存在线性关系，通过扭矩负载标定试验确定这一线性关系，即可实现高速转轴的扭矩精确测量。

本发明的优点：能够实现精确测量10～20万转/分的超高速转轴扭矩，可实现测量精度不低于1％。可将光强信号与转轴扭转角表示为线性关系，通过测量光强信号获得转轴扭转角，并根据扭转角与扭矩的线性关系，得到转轴扭矩，实现高速转轴的功率测量。本发明属非接触式测量，精度高，工作可靠，对环境条件要求不高，结构简单，有现成的电子元件可供选择，易于实现。

附图说明

附图1是用于测量超高转速叶轮转轴扭矩的装置的结构示意图。

附图2 是转轴结构示意图。附图3 是光电扭矩传感器转子系统示意图。

图中的1是A光栅盘，2是B光栅盘，3 是光源，4是透镜，5是光敏原件，6是凸台，7是销钉孔，8是压气机，9是转轴，10是A、B光栅盘，11是涡轮，12是轴承。

具体实施方式

对照附图1，其结构包括转轴、A光栅盘、B光栅盘、光源3、光敏元件5和信号放大数据采集系统，其中A光栅盘、B光栅盘对称布置并固定连接在转轴上，A光栅盘、B光栅盘周向对应位置的一组栅槽构成一条光路，光源发出的光线通过该光路被光敏元件接收，转化为周期性占空比信号输出给信号放大数据采集系统，由信号放大数据采集系统将放大的信号传输给PC机进行数据处理、显示、保存。

当转轴受扭矩作用时产生扭转变形，A光栅盘、B光栅盘栅槽重合部分变小，光路宽度变窄，光敏元件接受到的光强信号减弱，占空比信号减小，占空比信号与扭矩负载存在线性关系，通过扭矩负载标定试验确定这一线性关系，即可实现高速转轴的扭矩精确测量。

转轴传递受测叶轮的扭矩；对称布置的两光栅盘与转轴连接，可感知连接处的扭转变形，光栅盘外缘的栅槽作为光路通道；光源与光敏元件组成光电系统，光源发出的光线被光敏元件接收后，将光强信号输出为电流信号，并转化为周期性的占空比信号；采集系统接收占空比信号，表征为转轴扭转角大小，最终转化为扭矩大小。当转轴不受扭矩作用时，两光栅盘的栅槽完全重合，此时光路最宽，通过的光线最多，光敏元件感知的光强最强；当转轴受扭矩作用时产生扭转变形，两光栅盘周向错位，栅槽重合部分变小，通过的光线减少，光敏元件感知的光强减弱，占空比减小。随着扭矩的增大，转轴扭转变形增加，两光栅盘周向错位变大，通过的光线减少，光敏元件感知的光强减弱，光敏元件输出脉冲的占空比变小。通过扭矩载荷试验标定，即可获得不同占空比对应的扭矩值，并应用于高速转轴扭矩的测量。