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中图分类号：U263.11
我国燃气轮机设计制造经历了仿研阶段，经过多年消化吸收现已逐步进入了独立研发阶段，需要对其各部件的性能进行深入研究。随着燃气轮机功率的不断增大，输出轴的速度不断提升，与此同时，也会带来很多问题，其中之一是制造和装配中不可避免的准确度问题，会导致产生的轴向力不能满足轴承的设计要求。轴向力过大，会导致轴承长期处在超负荷状态下工作，其直接的影响就是使轴承发热，降低轴承的使用寿命，严重时会影响到整机的使用寿命和可靠性；而轴向力过小，又会导致转子处于轻载打滑的状态下工作，更易使轴承损坏。因此，在试车阶段，对燃气轮机产生的轴向力进行准确的测量是燃气轮机机组安全工作的前提和基础。
燃机出厂时必须验证其轴向力的大小是否符合设计要求，因此轴向力测量的需求很大。单从国外引进进口设备会花费昂贵费用，并存在订货周期长等弊端。为此，迫切需要对燃气轮机轴向力测量校准技术进行研究，研制燃气轮机轴向力测量校准仪器设备，并有效促进轴向力测量技术和测量能力的全面提高，从而提高燃气轮机的生产质量，增加燃气轮机工作可靠性和寿命。
一、轴向力传感器的结构、原理
燃气轮机出厂前需对其高压转子轴承前、后端和低压转子轴承后端的轴向力进行检测，燃气轮机结构示意图图如下图1所示。
图1 燃气轮机结构示意图
燃气轮机输出的轴向力作用在测力环的弹性元件凸起上，凸起受轴向力作用产生弹性形变，电阻应变片将轴向力测力环受应力作用产生的应变信号转换成电阻变化信号，动静态电阻应变仪将电阻应变片输出的电阻的变化信号转换成电压变化信号，电阻应变仪采集的电压变化信号通过多路信号适调放大器对其进行放大处理，多通道采集分析系统对采集来的电压进行读取并换算成燃机轴向力信号在上位机上进行显示。轴向力测试系统框图如下图2所示。
图2 轴向力测试系统框图
弹性环结构如图3所示。其结构尺寸近似等于主轴推力轴承外环尺寸。轴承的轴瓦与测力环接触，使之感知由轴承传递的轴向力。
图3 应变片式测力环示意图
试验安装时将轴承外环与测力环上高度较高的凸台接触，外环所施加的力均匀地作用于3个凸台上。这样的结构特点决定了测力环的变形规律可按任意两个凸台间的弧段简化成两端刚性固支，作用力施加于再弧段中点的单跨梁进行计算。而且它们能够测量的最大轴向力只是使测力环最大变形的力值，当超过此力值后，再增加力也不会使测力环再产生形变，这样可保证燃气轮机正常工作。
图4 电阻应变片式测力环原理图
轴向力传感器能以静态和动态方式对燃机轴向力进行检测，测量原理如图4所示。轴向力作用在凸台后，弹性环发生弹性形变，电阻应变片将弹性环的形变转换成电阻阻值的变化，阻值的变化通过电桥转换成电压信号，经过放大电路后输出。
可以按照简化的两端固支、中间作用集中力的梁挠度计算公式对测力环进行初步估算：
为了优化测力环的结构参数，缩短轴向力测力环的开发周期，可以采用ANSYS有限元分析软件辅助测力环的设计。通过ANSYS仿真测力软件对燃气轮机轴向力测力环进行结构设计和有限元建模，在ANSYS仿真软件中对测力环施加轴向力载荷，绘制等效应力和等效应变云图。从等效应力云图中可以分析测力环受力情况，得出应力最大值的出现位置，并根据应力最大值的数值对测力环是否满足设计要求进行校核。从等效应变云图中可以分析测力环受力后产生的应变情况，为测力环的设计提供参考和依据。
二、技术难点与技术指标
1、技术难点
燃机轴向力测量技术的重点和难点是测力环的结构设计和电阻应变片的粘贴工艺流程。燃气轮机轴向力测量是在燃气轮机的推力轴承处直接安装测力传感器来完成的，由于压气机转子工作转速高、振动大，测力传感器直接装入燃气轮机轴承腔内，因此其空间尺寸受到限制。又因为传感器受油浸泡同时工作环境温度高，在如此恶劣的工作条件下，须保证测量结果的真实性和准确性，上述条件对轴向力测力环的结构设计及其材质的选择和电阻应变片的粘贴提出了相当高的要求。
开展该项目可研，需要解决的关键计量技术如下：
1） 根据船舶燃气轮机轴向力的测量参数，设计适合的测力传感器（电阻应变式测力环）
测力环弹性元件设计的好坏直接影响到轴向力参数测量的质量，因此，测力环弹性元件的材料和机械参数都很关键。
测力环弹性环的主要机械参数有环的厚度H，弹性环外径D，弹性环内径d，两侧凸台的高度等。
图5 测力环主要参数
通过ANSYS仿真测力软件对燃气轮机轴向力测力环进行结构设计和有限元建模。在仿真软件中对测力环施加轴向力载荷，绘制等效应力和等效应变云图。从等效应力云图中可以分析测力环受力情况，得出应力最大值的出现位置，并根据应力最大值的数值对测力环是否满足设计要求进行校核。从等效应变云图中可以分析测力环受力后产生的应变情况，为测力环的设计提供参考和依据。根据ANSYS仿真结果，确定测力环的具体结构参数，例如环的厚度H，弹性环外径D，弹性环内径d，两侧凸台的高度等。
2） 电阻应变片的粘贴工艺流程
船舶燃气轮机轴向力参数是现场测量，燃机运行过程中测力环的工作环境十分恶劣，这对电阻应变片的粘贴工艺流程提出了很高的要求。
为了提高测试的可靠性，降低贴片的离散性，选用高温胶和精选高温应变片，由同一个人进行规范操作，其中需要对应变片的粘贴、防油处理、连线、绝缘、成型等环节进行严格控制。
为保证传感器各引出导线受环境的影响相同，传感器的所有引线应选用长度、规格相同的耐温、耐油导线并且将所有引线困扎成一束电缆，使每根导线从燃气轮机内部到外部测量仪器所经历的环境条件相同。
应变片的粘贴工艺流程及工序需要进行反复的分析和试验后确定，以测力环应变片表面涂防油硅胶层为例，因为正常标定需在标准压力机上反复三次加力测试，胶层极易被压扁、挤出，厚度过大的胶层可能对试验数据产生很大的影响，这就需要进行对比标定试验，判断胶层厚度对测力环标定曲线的影响。
因此，电阻应变片粘贴的每一道工序都需要制定严谨的操作标准。只有按照电阻应变片的粘贴工艺流程对电阻应变片进行粘贴才能保证测力环的采集数据准确可靠。
2、技术指标
轴向力传感器的具体参数可根据不同的测量需求而定，笔者针对船用燃气轮机轴向力参数测量装置的技术指标如下：
1）测量范围：（0～30）kN；
2）分辨率：0.01kN；
3）最大允许误差：0.1kN；
4）能够在下列工作环境下稳定工作：介质工作温度为（10～160）℃；加速度为20g，频率范围为10Hz～1000Hz的正弦振动；声压值为140Db，频率范围为30Hz～10kHz的噪声；工作压力达到3.0Mpa；滑油-空气介质的作用。
三、应用前景
该项技术研究可以建立燃机轴向力参数的测量平台，大大提升船舶燃气轮机轴向力参数的测量校准水平，并形成系列的标准化产品，应用到其他转子发动机轴向力参数的测量校准中，具有很好的经济和社会效益。
我国燃气轮机设计制造经历了仿研阶段，经过多年消化吸收现已逐步进入了独立研发阶段，需要对其各部件的性能进行深入研究。随着燃气轮机功率的不断增大，输出轴的速度不断提升，与此同时，也会带来很多问题，其中之一是制造和装配中不可避免的准确度问题，会导致产生的轴向力不能满足轴承的设计要求。轴向力过大，会导致轴承长期处在超负荷状态下工作，其直接的影响就是使轴承发热，降低轴承的使用寿命，严重时会影响到整机的使用寿命和可靠性；而轴向力过小，又会导致转子处于轻载打滑的状态下工作，更易使轴承损坏。因此，在试车阶段，对燃气轮机产生的轴向力进行准确的测量是燃气轮机机组安全工作的前提和基础。
燃机出厂时必须验证其轴向力的大小是否符合设计要求，因此轴向力测量的需求很大。单从国外引进进口设备会花费昂贵费用，并存在订货周期长等弊端。为此，迫切需要对燃气轮机轴向力测量校准技术进行研究，研制燃气轮机轴向力测量校准仪器设备，并有效促进轴向力测量技术和测量能力的全面提高，从而提高燃气轮机的生产质量，增加燃气轮机工作可靠性和寿命。
一、轴向力传感器的结构、原理
燃气轮机出厂前需对其高压转子轴承前、后端和低压转子轴承后端的轴向力进行检测，燃气轮机结构示意图图如下图1所示。
图1 燃气轮机结构示意图
燃气轮机输出的轴向力作用在测力环的弹性元件凸起上，凸起受轴向力作用产生弹性形变，电阻应变片将轴向力测力环受应力作用产生的应变信号转换成电阻变化信号，动静态电阻应变仪将电阻应变片输出的电阻的变化信号转换成电压变化信号，电阻应变仪采集的电压变化信号通过多路信号适调放大器对其进行放大处理，多通道采集分析系统对采集来的电压进行读取并换算成燃机轴向力信号在上位机上进行显示。轴向力测试系统框图如下图2所示。
图2 轴向力测试系统框图
弹性环结构如图3所示。其结构尺寸近似等于主轴推力轴承外环尺寸。轴承的轴瓦与测力环接触，使之感知由轴承传递的轴向力。
图3 应变片式测力环示意图
试验安装时将轴承外环与测力环上高度较高的凸台接触，外环所施加的力均匀地作用于3个凸台上。这样的结构特点决定了测力环的变形规律可按任意两个凸台间的弧段简化成两端刚性固支，作用力施加于再弧段中点的单跨梁进行计算。而且它们能够测量的最大轴向力只是使测力环最大变形的力值，当超过此力值后，再增加力也不会使测力环再产生形变，这样可保证燃气轮机正常工作。
图4 电阻应变片式测力环原理图
轴向力传感器能以静态和动态方式对燃机轴向力进行检测，测量原理如图4所示。轴向力作用在凸台后，弹性环发生弹性形变，电阻应变片将弹性环的形变转换成电阻阻值的变化，阻值的变化通过电桥转换成电压信号，经过放大电路后输出。
可以按照简化的两端固支、中间作用集中力的梁挠度计算公式对测力环进行初步估算：
为了优化测力环的结构参数，缩短轴向力测力环的开发周期，可以采用ANSYS有限元分析软件辅助测力环的设计。通过ANSYS仿真测力软件对燃气轮机轴向力测力环进行结构设计和有限元建模，在ANSYS仿真软件中对测力环施加轴向力载荷，绘制等效应力和等效应变云图。从等效应力云图中可以分析测力环受力情况，得出应力最大值的出现位置，并根据应力最大值的数值对测力环是否满足设计要求进行校核。从等效应变云图中可以分析测力环受力后产生的应变情况，为测力环的设计提供参考和依据。
二、技术难点与技术指标
1、技术难点
燃机轴向力测量技术的重点和难点是测力环的结构设计和电阻应变片的粘贴工艺流程。燃气轮机轴向力测量是在燃气轮机的推力轴承处直接安装测力传感器来完成的，由于压气机转子工作转速高、振动大，测力传感器直接装入燃气轮机轴承腔内，因此其空间尺寸受到限制。又因为传感器受油浸泡同时工作环境温度高，在如此恶劣的工作条件下，须保证测量结果的真实性和准确性，上述条件对轴向力测力环的结构设计及其材质的选择和电阻应变片的粘贴提出了相当高的要求。
开展该项目可研，需要解决的关键计量技术如下：
1） 根据船舶燃气轮机轴向力的测量参数，设计适合的测力传感器（电阻应变式测力环）
测力环弹性元件设计的好坏直接影响到轴向力参数测量的质量，因此，测力环弹性元件的材料和机械参数都很关键。
测力环弹性环的主要机械参数有环的厚度H，弹性环外径D，弹性环内径d，两侧凸台的高度等。
图5 测力环主要参数
通过ANSYS仿真测力软件对燃气轮机轴向力测力环进行结构设计和有限元建模。在仿真软件中对测力环施加轴向力载荷，绘制等效应力和等效应变云图。从等效应力云图中可以分析测力环受力情况，得出应力最大值的出现位置，并根据应力最大值的数值对测力环是否满足设计要求进行校核。从等效应变云图中可以分析测力环受力后产生的应变情况，为测力环的设计提供参考和依据。根据ANSYS仿真结果，确定测力环的具体结构参数，例如环的厚度H，弹性环外径D，弹性环内径d，两侧凸台的高度等。
2） 电阻应变片的粘贴工艺流程
船舶燃气轮机轴向力参数是现场测量，燃机运行过程中测力环的工作环境十分恶劣，这对电阻应变片的粘贴工艺流程提出了很高的要求。
为了提高测试的可靠性，降低贴片的离散性，选用高温胶和精选高温应变片，由同一个人进行规范操作，其中需要对应变片的粘贴、防油处理、连线、绝缘、成型等环节进行严格控制。
为保证传感器各引出导线受环境的影响相同，传感器的所有引线应选用长度、规格相同的耐温、耐油导线并且将所有引线困扎成一束电缆，使每根导线从燃气轮机内部到外部测量仪器所经历的环境条件相同。
应变片的粘贴工艺流程及工序需要进行反复的分析和试验后确定，以测力环应变片表面涂防油硅胶层为例，因为正常标定需在标准压力机上反复三次加力测试，胶层极易被压扁、挤出，厚度过大的胶层可能对试验数据产生很大的影响，这就需要进行对比标定试验，判断胶层厚度对测力环标定曲线的影响。
因此，电阻应变片粘贴的每一道工序都需要制定严谨的操作标准。只有按照电阻应变片的粘贴工艺流程对电阻应变片进行粘贴才能保证测力环的采集数据准确可靠。
2、技术指标
轴向力传感器的具体参数可根据不同的测量需求而定，笔者针对船用燃气轮机轴向力参数测量装置的技术指标如下：
1）测量范围：（0～30）kN；
2）分辨率：0.01kN；
3）最大允许误差：0.1kN；
4）能够在下列工作环境下稳定工作：介质工作温度为（10～160）℃；加速度为20g，频率范围为10Hz～1000Hz的正弦振动；声压值为140Db，频率范围为30Hz～10kHz的噪声；工作压力达到3.0Mpa；滑油-空气介质的作用。
三、应用前景
该项技术研究可以建立燃机轴向力参数的测量平台，大大提升船舶燃气轮机轴向力参数的测量校准水平，并形成系列的标准化产品，应用到其他转子发动机轴向力参数的测量校准中，具有很好的经济和社会效益。