2.5.2 軸功率的測(cè)量

液力透平軸功率的測(cè)量方法有天平式測(cè)功機(jī)和轉(zhuǎn)矩式測(cè)功機(jī)。

1.天平式測(cè)功機(jī)

用天平式測(cè)功機(jī)測(cè)量轉(zhuǎn)矩是傳統(tǒng)測(cè)量方法之一，可用普通交流電動(dòng)機(jī)改裝，如圖2?21所示。

把電動(dòng)機(jī)的定子用軸承支起來(lái)，電動(dòng)機(jī)定子通電后，由于電磁轉(zhuǎn)換關(guān)系，給轉(zhuǎn)子以旋轉(zhuǎn)力矩，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，而轉(zhuǎn)子給定子以大小相等、方向相反的反作用力矩。此力矩使定子以軸承為支點(diǎn)擺動(dòng)，其大小可以用砝碼質(zhì)量來(lái)平衡。

圖2?21 測(cè)功電動(dòng)機(jī)

天平測(cè)功機(jī)的不靈敏度Δ即引起天平離開(kāi)平衡位置的最小負(fù)荷，當(dāng)力臂長(zhǎng)度等于0.974m時(shí)，其不靈敏度不得超過(guò)表2?6規(guī)定。當(dāng)力臂長(zhǎng)度大于或小于0.974m時(shí)，負(fù)荷Δ數(shù)值可以成比例地減小或增加。

表2?6 不同轉(zhuǎn)速下天平測(cè)功計(jì)允許不靈敏度極限值 （單位：N·m）

測(cè)量時(shí)，先將天平測(cè)功機(jī)的聯(lián)軸器與透平脫開(kāi)空轉(zhuǎn)，調(diào)整砝碼，使兩力臂平衡，當(dāng)天平測(cè)功機(jī)與透平連接后測(cè)得的力矩，即是透平軸上的轉(zhuǎn)矩M，此時(shí)軸功率即為

式中 ω——角速度（rad/s）；

n——轉(zhuǎn)速（r/min）；

M——透平軸上的轉(zhuǎn)矩（N·m），M=mgL；

m——砝碼質(zhì)量（kg）；

L——力臂長(zhǎng)度（m）。

一種自動(dòng)電動(dòng)機(jī)?天平測(cè)功機(jī)如圖2?22所示，其構(gòu)成也是按天平原理設(shè)計(jì)的。將步進(jìn)電動(dòng)機(jī)6懸掛在支架上，形成一個(gè)擺動(dòng)系統(tǒng)，由一個(gè)力矩傳感器、一個(gè)平衡傳感器和一個(gè)測(cè)速傳感器組成，與數(shù)字式轉(zhuǎn)矩?轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x配套構(gòu)成轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)。力矩傳感器固定在擺動(dòng)體上，它由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)6、絲桿2和游碼5組成，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)6與絲桿2直接連接，能正反旋轉(zhuǎn)，使游碼5做左右移動(dòng)。平衡傳感器裝在固定的龍門(mén)架上，擺桿左右觸及時(shí)發(fā)出信號(hào)。轉(zhuǎn)速傳感器用齒盤(pán)裝在電動(dòng)機(jī)軸端，采用前面介紹的磁電式測(cè)速法。

圖2?22 自動(dòng)電動(dòng)機(jī)?天平測(cè)功機(jī)

1—平衡配重 2—絲桿 3—電動(dòng)機(jī)定子 4—電觸點(diǎn) 5—游碼 6—步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 7—固定砝碼

當(dāng)透平轉(zhuǎn)矩發(fā)生ΔM1變化時(shí)，自動(dòng)測(cè)功機(jī)的平衡傳感器發(fā)生偏擺，產(chǎn)生了不平衡信號(hào)，通過(guò)數(shù)字式轉(zhuǎn)矩?轉(zhuǎn)速儀的控制，使力矩傳感器的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)絲桿，使絲桿上的游碼移動(dòng)了L距離后，擺動(dòng)系統(tǒng)達(dá)到新的平衡。

游碼移動(dòng)后所產(chǎn)生的力矩為

ΔM2=mgL=mgKN（2?23）

式中 K——一個(gè)工作脈沖，是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)游碼所移動(dòng)的步距量，是測(cè)功機(jī)絲桿確定的常數(shù)，K=0.05mm；

m——游碼質(zhì)量（kg）；

N——轉(zhuǎn)矩?轉(zhuǎn)速儀傳送給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作脈沖。

按力的反作用原理，ΔM2=-ΔM1。使用時(shí)，先在測(cè)功機(jī)的擺動(dòng)系統(tǒng)的固定臂桿上放置一定數(shù)量的砝碼（按測(cè)量范圍定），配重砝碼對(duì)擺動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)力矩M1，在轉(zhuǎn)矩?轉(zhuǎn)速儀上預(yù)置M1的數(shù)。當(dāng)測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出軸功率時(shí)，測(cè)功機(jī)擺動(dòng)系統(tǒng)除了平衡M1的力矩外，再驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，使游碼移動(dòng)，產(chǎn)生ΔM的力矩，此時(shí)力矩M=M1+ΔM，使測(cè)功機(jī)的平衡系統(tǒng)達(dá)到平衡，則在儀器上的數(shù)碼顯示M=M1+M2，直接反映了測(cè)功機(jī)的轉(zhuǎn)矩量[27]。

天平式測(cè)功機(jī)的使用范圍存在一定限制，不同轉(zhuǎn)速、不同輸出功率的試驗(yàn)透平就需要配不同的天平測(cè)功機(jī)。

2.轉(zhuǎn)矩傳感器

（1）磁電式轉(zhuǎn)矩傳感器這是利用轉(zhuǎn)軸受扭后產(chǎn)生的彈性變形來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)矩大小的轉(zhuǎn)矩傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖2?23所示。

傳感器中間為一根標(biāo)準(zhǔn)的彈性軸1、兩端安裝有兩個(gè)相同的齒輪3，在兩個(gè)齒輪的外側(cè)各安裝一塊繞有線圈的磁鋼4。當(dāng)彈性軸1轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于磁鋼4與齒輪3間隙磁導(dǎo)的變化，在信號(hào)線圈2中分別感應(yīng)出兩個(gè)電動(dòng)勢(shì)u1和u2。當(dāng)外加轉(zhuǎn)矩為零時(shí)，這兩個(gè)電動(dòng)勢(shì)有一個(gè)恒定的初始相位差θ0。θ0只與兩只齒輪在軸上安裝的相對(duì)位置和兩個(gè)磁鋼的相對(duì)位置有關(guān)。當(dāng)外加轉(zhuǎn)矩時(shí)，彈性軸產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，軸的一端相對(duì)另一端產(chǎn)生一個(gè)偏轉(zhuǎn)角Δθ，當(dāng)軸在彈性限度內(nèi)，其扭轉(zhuǎn)角Δθ與外加轉(zhuǎn)矩M成正比，即Δθ=KM，此時(shí)，在兩個(gè)信號(hào)線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)u1和u2的相位差也隨之發(fā)生變化，這一相位差變化的絕對(duì)值與外加轉(zhuǎn)矩M成正比。

圖2?23 磁電式轉(zhuǎn)矩傳感器結(jié)構(gòu)

1—彈性軸 2—信號(hào)線圈 3—齒輪 4—磁鋼

兩個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)分別為

u1=UmsinZωt（2?24）

u2=Umsin（Zωt+2θ）（2?25）

式中 Z——齒輪的齒數(shù)；

ω——軸的角速度（rad/s）；

θ——兩個(gè)齒輪間的空間偏轉(zhuǎn)角（rad）。

θ角由兩部分組成：一部分是齒輪安裝時(shí)的初始角θ0；另一部分是由于受轉(zhuǎn)矩M后，彈性軸變形而產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)角Δθ=KM。因此

u1=UmsinZωt

u2=Umsin[Zωt+Z（θ0+Δθ）] （2?26）=Umsin（Zωt+Zθ0+ZKM）

相位差式傳感器的兩路電動(dòng)勢(shì)u1和u2，分別經(jīng)過(guò)放大整形后送入檢相器。檢相器輸出為矩形波，其寬度t1正比于u1和u2的相位差Zθ，即

其波形如圖2?24所示。

因此，轉(zhuǎn)矩的測(cè)量就是兩個(gè)電動(dòng)勢(shì)的相位差的測(cè)量。數(shù)字轉(zhuǎn)矩顯示儀就是用適當(dāng)?shù)碾娐穼?biāo)準(zhǔn)時(shí)間脈沖填入相位差信號(hào)，從而達(dá)到轉(zhuǎn)矩測(cè)量的數(shù)字顯示。

另外，兩個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)u1和u2的頻率f與轉(zhuǎn)速及齒輪數(shù)的乘積成正比，即

f=Zn （2?28）

這種測(cè)量方法對(duì)轉(zhuǎn)矩傳感器的安裝有下述要求：

圖2?24 檢相器輸出波形圖

1）試驗(yàn)透平、傳感器、負(fù)載三者應(yīng)安裝在同一穩(wěn)固的基礎(chǔ)上，必須避免各部件發(fā)生振動(dòng)。

2）為了避免在傳感器彈性軸上產(chǎn)生彎矩，安裝時(shí)必須使試驗(yàn)透平、傳感器和負(fù)載三者具有較好的同心度。當(dāng)存在彎矩時(shí)，不但降低測(cè)量精度，而且在某種情況下甚至?xí)箯椥暂S損壞。

3）在可能的條件下，應(yīng)盡量減小聯(lián)軸器的質(zhì)量。

（2）應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩傳感器應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩傳感器的檢測(cè)敏感元件是電阻應(yīng)變橋。將專用的測(cè)扭應(yīng)變片用應(yīng)變膠粘貼在被測(cè)彈性軸上以組成應(yīng)變電橋，只要向應(yīng)變電橋提供電源，即可測(cè)得該彈性軸受扭的電信號(hào)；然后將該應(yīng)變信號(hào)放大，再經(jīng)過(guò)壓/頻轉(zhuǎn)換變成與扭應(yīng)變成正比的頻率信號(hào)。傳感器的能源輸入及信號(hào)輸出是由兩組帶間隙的特殊環(huán)形旋轉(zhuǎn)變壓器承擔(dān)的，因此可實(shí)現(xiàn)能源及信號(hào)的無(wú)接觸傳遞，如圖2?25所示。

圖2?25 應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩傳感器測(cè)量原理