第九章有效功率和轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)距的測量

第九章有效功率和轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)距的測量第1頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月主要內(nèi)容有效功率的計算測功器的原理與類型測功器的選用原則及測量誤差轉(zhuǎn)矩的測量（轉(zhuǎn)矩儀）轉(zhuǎn)速的測量第2頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月9.1內(nèi)燃機的有效功率一、功率和轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的關系功率和轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩是表征發(fā)動機動力性能的重要指標。發(fā)動機通過飛輪對外輸出的功率稱為有效功率，用Pe表示，單位為kW發(fā)動機通過飛輪對外輸出的轉(zhuǎn)矩稱為有效轉(zhuǎn)矩，用Te表示，單位為N·m第3頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月內(nèi)燃機飛輪端帶負載達到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。將飛輪受力簡化為邊緣受到負載的抵抗力F。此時轉(zhuǎn)速為n，相應的曲軸旋轉(zhuǎn)的角速度為ω。則輸出功率：而：將2帶入1，得到：123圖3.1飛輪受力示意圖第4頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月將3的單位化成kW則有：簡化上式則有：這個公式就是我們測量內(nèi)燃機有效功率的根本依據(jù)。Pe——內(nèi)燃機有效功率(kW)Te——內(nèi)燃機有效轉(zhuǎn)矩(N.m)N——內(nèi)燃機輸出軸轉(zhuǎn)速(r/min)第5頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月有效功率的測量是間接測量，得到有效功率的前提是測量到轉(zhuǎn)矩Te和轉(zhuǎn)速n。轉(zhuǎn)速的測量常見的測量方法是使用各種轉(zhuǎn)速傳感器，如：磁電轉(zhuǎn)速傳感器、光電轉(zhuǎn)速傳感器和霍爾轉(zhuǎn)速傳感器等等。Te的測量是如何實現(xiàn)的呢？在實驗室內(nèi)燃機臺架試驗中，通常是使用測功器來測量Te。第6頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月9.2測功器的工作原理和類型一、測功器的目的根據(jù)有效功率的公式：測功器的目的就是要準確測量到Te和n的值。第7頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月二、測功器的基本工作原理和類型1.基本工作原理內(nèi)燃機不帶負載情況下是沒有功率而言的（飛輪其實是內(nèi)燃機自身帶的負載）。對外做功輸出轉(zhuǎn)矩必須要帶載。因此測量轉(zhuǎn)矩Te就要人為的給內(nèi)燃機加上一個負載，而測功器就起到這個負載的作用。而通常情況下，測功器的負載量是可以調(diào)節(jié)的，這樣就可實現(xiàn)內(nèi)燃機在不同工況下有效功率的測量。基本原理：根據(jù)測功器作用力矩與測功器反作用力大小相等、方向相反的原理來測量轉(zhuǎn)矩的第8頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月2.結(jié)構(gòu)組成測功器一般由制動器、測力機構(gòu)和測速裝置等幾部分組成。通常測速裝置也可以獨立出去，而稱測速裝置以外的部分為測功器。制動器——調(diào)節(jié)內(nèi)燃機的負載，并把從內(nèi)燃機輸出軸輸出的功率轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，如熱能或電能。測力機構(gòu)——用來測量Te測速機構(gòu)——用來測量n第9頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月為了適應測力機構(gòu)的讀數(shù)方便，公式通常被寫成：如果把L設計成為L=0.9550m，則K=10000，上式大大簡化。F–測力機構(gòu)的讀數(shù)NL–測力機構(gòu)的臂長mK–測功器常數(shù)第10頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月3.測功器的分類測功器是按照制動器的工作原理進行分類的。機械測功器-輸出轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為機械摩擦產(chǎn)生的制動力矩氣力測功器-輸出轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為螺旋槳或葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的制動力矩水力測功器-輸出轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為以水為工作介質(zhì)的制動力矩電力測功器–輸出功轉(zhuǎn)化為電磁力制動力矩

不常用或淘汰

常用第11頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月4.測功器應滿足的要求(1)在內(nèi)燃機全部轉(zhuǎn)速和負荷范圍內(nèi)能正常運轉(zhuǎn)(2)能平順而又精細的調(diào)節(jié)負載(3)能足夠準確的測量負載(4)操作簡單，安全可靠第12頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月三、機械測功器（了解）1.工作原理利用機械摩擦曲軸–制動鼓/輪–閘片或皮帶–旋臂裝置–測力裝置2.固有特性和工作范圍固有特性：測功器在某一調(diào)節(jié)位置下，測功器轉(zhuǎn)速與其吸收轉(zhuǎn)矩或吸收功率之間的關系。Temax、Pemax、nmax由于工作范圍小，測量精度低，摩擦系數(shù)不能保持恒定，工作不穩(wěn)定?！苌偈褂玫?3頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月第14頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月四、水力測功器（應該掌握）1.工作原理和結(jié)構(gòu)利用水為工作介質(zhì)水力測功器由主機部分、測力機構(gòu)、測速機構(gòu)、進水管件、水門執(zhí)行機構(gòu)、校正裝置等部件組成曲軸–轉(zhuǎn)子–水–外殼–旋臂–測力裝置根據(jù)轉(zhuǎn)子–水–外殼的作用方式可分為：圓盤式、葉輪式、渦流式和銷釘式結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)區(qū)別）i.渦流式/凹坑式（例如啟動測功器廠YP系列水力測功器）其主結(jié)構(gòu)是由一架于滾動軸承上可擺動的外殼和架于主軸上的轉(zhuǎn)子組成。（動力機械的輸出功率轉(zhuǎn)變成熱量消耗掉）第15頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月1.底座2.左右軸承座3.主軸部件4.聯(lián)軸節(jié)5.軸承壓板6.骨架油封7.軸套8、9.雙金屬軸套10.左右軸承外殼11.左右側(cè)殼12.螺塞13.轉(zhuǎn)子14.外殼15.封水圈16.測速齒輪17.轉(zhuǎn)速傳感器18.溢水管19.旋塞渦流式水力測功器第16頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月第17頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月水力測功器工作時，水箱里的水進入左右環(huán)形腔，流入渦流室，發(fā)動機帶動測功器主軸旋轉(zhuǎn)，水在渦流室內(nèi)作強烈的渦流運動，產(chǎn)生很大的動能，作用于定子，而左右兩定子與外殼相聯(lián)。因此發(fā)動機輸出的扭矩通過水的作用，從轉(zhuǎn)子傳遞到擺動的殼體上，在由力臂將力作用與拉壓力傳感器。水門執(zhí)行機構(gòu)由出水管組件、蝶形排水閥、電控執(zhí)行器及同步步形帶等見組成，可以由控制系統(tǒng)通過執(zhí)行器對蝶形閥開度大小進行自動調(diào)節(jié)以改變排水量測力機構(gòu)采用拉壓力傳感器，轉(zhuǎn)速測量采用非接觸型轉(zhuǎn)速傳感器，傳感器將受力和轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電壓信號，輸入發(fā)動機控制系統(tǒng)，即可顯示出轉(zhuǎn)速、扭矩、功率等測定值。第18頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月主要特點：轉(zhuǎn)子、定子均采用不銹鋼材料，凹坑式結(jié)構(gòu)。采用無接觸密封技術。通過控制排水蝶閥來改變內(nèi)腔工作壓力，從而改變吸收負載。快速響應。因為通過改變排水閥的開度，內(nèi)腔工作壓力瞬間變化，通過電子控制儀器的自動閉環(huán)控制，可方便、迅速地穩(wěn)定到所需要的負荷值。從一個工況到另一個工況的過渡時間為4秒。體積小、安裝容易、維護方便、使用壽命長。適用范圍廣，功率型譜全。最小功率檔為1～20kW，最大檔可測試10000kW（國內(nèi)引進的最大測試功率為35000kW）。測試精度高，工作穩(wěn)定可靠。第19頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月ii.銷釘式/柱銷式（D系列水力測功器）主體為銷釘式結(jié)構(gòu)。其工作原理是通過轉(zhuǎn)子、定子上的多個銷釘攪拌水產(chǎn)生阻力，傳遞給外殼，通過機械式磅稱測力機構(gòu)或拉壓力傳感器，負荷表指示負荷值（或扭矩值），轉(zhuǎn)速由電子轉(zhuǎn)速表顯示。測功器的工況是通過調(diào)節(jié)進水量來改變的。進水的多少決定內(nèi)腔水環(huán)厚薄和相應測量負荷值的大小。排水閥開度大小可以調(diào)節(jié)出水溫度。因為對于相同的測量功率，單位是間內(nèi)通過測功器的水量多，內(nèi)腔水溫低，反之則高。第20頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月1.主軸2.測速齒輪3.磁電轉(zhuǎn)速傳感器4.油嘴5.端蓋6.轉(zhuǎn)子螺栓7.轉(zhuǎn)子8.定子9.水斗10.側(cè)殼11.主軸承12.擺動軸承13.軸承蓋14.定子螺栓圖3.3銷釘式水力測功器第21頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月主要特點結(jié)構(gòu)簡單，使用、維護方便。純機械式，對操作人員的技術水平要求不高。指針指示負荷值，精度相對YP系列水力測功器及DW系列電渦流測功器的精度要差些。測功器與發(fā)動機之間采用彈性聯(lián)接。第22頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月2.固有特性和工作范圍水力測功器的簡圖第23頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月設轉(zhuǎn)子圓盤外半徑為R0，測功器不工作時放水的內(nèi)半徑為Ri，工作時水被攪動起來，由于離心力的作用形成一個圓環(huán)，則水環(huán)厚度為R0-Ri在距離圓盤中心為R處，選擇一個無限小環(huán)形水層面積為dF設摩擦阻力系數(shù)為Φ，半徑為R處圓周速度為V，由于水和圓盤旋轉(zhuǎn)不是同步，用K來修正相對速度。圖3.4水層厚度示意圖第24頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月則圓盤兩側(cè)與水摩擦時對微小圓環(huán)與水的摩擦扭矩dTi的關系式：其中：第25頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月將上式在Ri到R0范圍內(nèi)積分，得到：由上式可見，制動力矩Ti與系數(shù)μ成正比，與轉(zhuǎn)速n的平方成正比，與圓環(huán)外內(nèi)半徑的5次方差成正比。當摩擦系數(shù)μ不變時，則：而功率的關系則有：第26頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月特性曲線和工作范圍圖3.5水力測功器扭矩\功率特性曲線圖第27頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月線段A為測功機在最大負荷位置（最大水層位置）時的性能曲線（固有特性），虛線為其他調(diào)節(jié)位置下（水層厚度減小）的性能曲線；線段B相當于測功機轉(zhuǎn)子和軸允許的最大轉(zhuǎn)矩下的強度限制線；線段C為測功機出水溫度達到最大允許值的功率限制線，即測功機能測量的最大功率；線段D為受離心力或軸承允許轉(zhuǎn)速所限制的最高轉(zhuǎn)速限制線；線段E相當于測功機空轉(zhuǎn)時能測量最小轉(zhuǎn)矩和功率特性，此時制動器內(nèi)腔的水完全放凈，其阻力矩由轉(zhuǎn)子與空氣之間的摩擦以及軸承的摩擦所產(chǎn)生的。第28頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月水力測功器與內(nèi)燃機特性曲線的匹配圖3.7水力測功器與內(nèi)燃機特性曲線的匹配圖從圖中可以看出，該測功器不適合用于內(nèi)燃機1，適合用于內(nèi)燃機2在3000r/min以上的工況，適合用于內(nèi)燃機3全部工況。第29頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月五、電力測功器基本工作原理：電力測功器的工作原理與電機基本相同，其轉(zhuǎn)子和定子都是以磁通作為傳遞媒介進行工作的，轉(zhuǎn)子和定子之間的作用力和反作用力大小相等、方向相反，所以只要將其定子做成能繞其軸線自由擺動的結(jié)構(gòu)，即可測定其轉(zhuǎn)子的制動轉(zhuǎn)矩，即定子的反力矩。分類：直流電力測功器、交流電力測功器和電渦流測功器第30頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）直流電力測功器1.工作原理內(nèi)燃機與電機一起旋轉(zhuǎn)，電機的電樞繞組切割定子繞組產(chǎn)生的磁力線，在轉(zhuǎn)子電樞中產(chǎn)生感應電動勢。當電樞回路中有感應電流通過時，便在磁場中受到電磁力的作用，從而產(chǎn)一個與轉(zhuǎn)向相反的制動力矩，電機做發(fā)電機來運行，以達到用來測功的目的當電樞回路有電流通過時，在磁場中受到電磁力的作用而產(chǎn)生一個與轉(zhuǎn)向相同的驅(qū)動力矩，電機當作電動機來運行，用來倒拖內(nèi)燃機，用于測量發(fā)動機的摩擦功。第31頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月K1——電機電勢系數(shù)Φ

——定子激磁繞組的磁通量n——轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速(r/min)設感應電動勢為E，則根據(jù)法拉第電磁定律有：第32頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月如果電機作為發(fā)電機被內(nèi)燃機驅(qū)動，由電磁力產(chǎn)生的制動力矩（發(fā)動機輸出扭矩）Tt與定子磁場強度及電樞電流成正比，即：電樞回路中串聯(lián)負載電阻R,忽略電樞電阻，I=E/R可見，發(fā)電機所吸收的功率與Φ2及n2成正比，與負載R成反比，改變?nèi)齻€參數(shù)的任何一個都可以改變吸收的扭矩與功率值。K2,K3為比例系數(shù)第33頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月2.常用直流電力測功器最簡單的直流電力測功器就是由內(nèi)燃機直接驅(qū)動普通直流發(fā)電機，得到有效功率的以下關系式：發(fā)電機的效率包含工作時的銅損失、鐵損失、摩擦損失和風扇損失等，所以η是一個隨工況變化的值。所以這種簡單直流發(fā)電機的方法很難精確測量內(nèi)燃機有效功率。Pe——內(nèi)燃機有效功率kWU——發(fā)電機電壓VI——發(fā)電機輸出電流Aη

——發(fā)電機效率第34頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月第35頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月第36頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月線段A為最大電流線，此時對應最大的勵磁電流和和最小的負荷電阻，即為負荷調(diào)節(jié)置于最大位置時的固有特性；A1,A2為負荷調(diào)節(jié)處于中間某一適當位置時的固有特性；線段B為最大轉(zhuǎn)矩線，受電樞的機械強度所限；線段C為最大功率線，受電機散熱條件所限；線段D為最高轉(zhuǎn)速限制線，受旋轉(zhuǎn)部分所能承受的最大離心力負荷所限；線段E為最小吸收轉(zhuǎn)矩和功率線，此時無勵磁電流通過，但仍存在軸承及空氣阻力，因而在E線之下存在不能測定區(qū)。第37頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）交流電力測功器（簡單了解）1.三項同步電機測功器2.繞線式異步電機測功器3.無換向器電機測功器第38頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）電渦流測功器（掌握）1.結(jié)構(gòu)定子：勵磁線圈和渦流環(huán)轉(zhuǎn)子：由帶齒輪凹凸形的感應子和轉(zhuǎn)軸組成測力機構(gòu)：拉壓傳感器第39頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月第40頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月2.工作原理當激磁繞組通以直流電流時，由感應子、空氣隙、渦流環(huán)、定子磁軛等形成的閉合磁路中產(chǎn)生靜止磁通。因感應子的外圓制成齒狀凹凸，在齒頂處的空氣隙很小，其磁通密度大，齒槽處的空氣隙大，其磁通密度小。當感應子旋轉(zhuǎn)時，渦流環(huán)相應部位的磁通密度不斷增減變化。由電磁感應定律可知，此時在渦流環(huán)的表面將產(chǎn)生感應電勢而形成渦電流，力圖阻止磁通的變化，從而產(chǎn)生對感應子的制動作用。第41頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月2.電渦流測功器的固有特性和控制方式圖3.9等激磁電流特性圖（固有特性）第42頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月當轉(zhuǎn)子在低轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)制動力矩隨激磁電流和轉(zhuǎn)速的增加而迅速增大，但當激磁電流一定時，在某一轉(zhuǎn)速附近的扭矩幾乎飽和了，當轉(zhuǎn)速超過這一轉(zhuǎn)速而進一步提高時，扭矩幾乎不再增加。而當轉(zhuǎn)速不變時，扭矩隨激磁電流的增大而增大，只有當激磁電流增大到使此路的磁通發(fā)生飽和時扭矩則不再增加，因此，接近等扭矩特性的范圍很寬。另外兩種特性曲線（等轉(zhuǎn)速特性、增壓控制特性）第43頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月控制方式圖3.10手動控制E–內(nèi)燃機EDy–電渦流測功器RE–激磁調(diào)節(jié)電阻TD–轉(zhuǎn)速傳感器AD–電流傳感器圖3.11自動控制第44頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月六、其它類型測功器（了解）1.慣性無外載測功器僅以內(nèi)燃機自身運動部件的轉(zhuǎn)動慣量為負載，無需施加外部載荷，發(fā)動機也不必從動力裝置上拆卸，即可測功。測功原理當轉(zhuǎn)動物體處在加速狀態(tài)時，所產(chǎn)生的慣性扭矩為：Tt–物體的慣性扭矩N.mI–物體的轉(zhuǎn)動慣量kg.m2ω–物體的角速度rad/s第45頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)質(zhì)點動靜法，當內(nèi)燃機在無負載情況下，有效扭矩Te必然與慣性扭矩Tt相平衡，Te=Tt。可見如果內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)動慣量已知，若能測得標定轉(zhuǎn)速附近的角速度，就可以求出內(nèi)燃機在標定轉(zhuǎn)速時的有效扭矩。然后再計算有效功率。加速度的測定有一定的難度，平均加速扭矩法成功地解決這一問題。所謂平均加速扭矩，定義為：實際測量中，根據(jù)工況的差異需要經(jīng)過修正能夠測定內(nèi)燃機標定工況的有效功率。Tt–平均加速扭矩N.mt1,t2–曲軸轉(zhuǎn)一圈的起止時間sΦ–角位移rad/s第46頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月9.3測功器的使用技術一、測功器的選型必須保證使實驗內(nèi)燃機的外特性全部落在所選測功器工作范圍內(nèi)，在測量低速大扭矩內(nèi)燃機時，測功器應具有良好的低速制動特性，其固有特性曲線以陡直走向為好。測功器測量精度應能滿足測量的要求，在可以滿足上條要求的條件下，應優(yōu)先選用滿量程標定值最小的測功器，或者使內(nèi)燃機的最大功率與測功器的最大吸收功率之比為3:4，以獲得較好的測量準確度。測功器響應速度快。通常，測功器外形尺寸小的，其轉(zhuǎn)子部件的轉(zhuǎn)動慣量也小，則響應速度也快。測功器的測力機構(gòu)以及其選用的傳感器的動態(tài)特性要好，動態(tài)誤差要小，能迅速反映內(nèi)燃機的特性。第47頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月二、測量誤差的來源和消除1.風阻引起的誤差2.定子擺動引起的誤差3.水管、導線引起的誤差4.測功器主軸不水平和外殼不平衡引起的誤差5.測力機構(gòu)幾何關系失真和裝配不當引起的誤差第48頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月9.4扭矩儀一、應用范圍內(nèi)燃機作為船舶用主機需要進行有效功率的測定時，由于功率巨大而遠遠超出測功器的工作范圍，以上所講述的測功器是無法完成。或者與齒輪箱、發(fā)電機、水泵等設備儀器工作，需要測定它們各自的效率時。扭矩儀可以完成上述兩種測量。第49頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月二、工作原理扭矩儀的作用原理是通過測量軸、特制的聯(lián)軸節(jié)或?qū)嶋H的傳動軸等傳遞扭矩的部件，在扭矩的作用下所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)變形來測量扭矩的。當一圓軸在扭矩Tt作用下，相距L(基長)的兩個截面所產(chǎn)生的相對扭角φ由下式?jīng)Q定：圖3.12扭矩儀工作原理示意圖G–軸材料的剪切彈性模量(Pa)Ip–軸截面的極慣性矩(m4)L-被測扭轉(zhuǎn)軸長度(m)Tt-轉(zhuǎn)矩(N.m)第50頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月為了簡化扭矩儀