2.5.2 軸功率的測量

液力透平軸功率的測量方法有天平式測功機和轉矩式測功機。

1.天平式測功機

用天平式測功機測量轉矩是傳統測量方法之一，可用普通交流電動機改裝，如圖2?21所示。

把電動機的定子用軸承支起來，電動機定子通電后，由于電磁轉換關系，給轉子以旋轉力矩，使轉子旋轉，而轉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擺動，其大小可以用砝碼質量來平衡。

圖2?21 測功電動機

天平測功機的不靈敏度Δ即引起天平離開平衡位置的最小負荷，當力臂長度等于0.974m時，其不靈敏度不得超過表2?6規定。當力臂長度大于或小于0.974m時，負荷Δ數值可以成比例地減小或增加。

表2?6 不同轉速下天平測功計允許不靈敏度極限值 （單位：N·m）

測量時，先將天平測功機的聯軸器與透平脫開空轉，調整砝碼，使兩力臂平衡，當天平測功機與透平連接后測得的力矩，即是透平軸上的轉矩M，此時軸功率即為

式中 ω——角速度（rad/s）；

n——轉速（r/min）；

M——透平軸上的轉矩（N·m），M=mgL；

m——砝碼質量（kg）；

L——力臂長度（m）。

一種自動電動機?天平測功機如圖2?22所示，其構成也是按天平原理設計的。將步進電動機6懸掛在支架上，形成一個擺動系統，由一個力矩傳感器、一個平衡傳感器和一個測速傳感器組成，與數字式轉矩?轉速測量儀配套構成轉矩、轉速測量系統。力矩傳感器固定在擺動體上，它由步進電動機6、絲桿2和游碼5組成，步進電動機6與絲桿2直接連接，能正反旋轉，使游碼5做左右移動。平衡傳感器裝在固定的龍門架上，擺桿左右觸及時發出信號。轉速傳感器用齒盤裝在電動機軸端，采用前面介紹的磁電式測速法。

圖2?22 自動電動機?天平測功機

1—平衡配重 2—絲桿 3—電動機定子 4—電觸點 5—游碼 6—步進電動機 7—固定砝碼

當透平轉矩發生ΔM1變化時，自動測功機的平衡傳感器發生偏擺，產生了不平衡信號，通過數字式轉矩?轉速儀的控制，使力矩傳感器的步進電動機轉動，從而帶動絲桿，使絲桿上的游碼移動了L距離后，擺動系統達到新的平衡。

游碼移動后所產生的力矩為

ΔM2=mgL=mgKN（2?23）

式中 K——一個工作脈沖，是步進電動機帶動游碼所移動的步距量，是測功機絲桿確定的常數，K=0.05mm；

m——游碼質量（kg）；

N——轉矩?轉速儀傳送給步進電動機的工作脈沖。

按力的反作用原理，ΔM2=-ΔM1。使用時，先在測功機的擺動系統的固定臂桿上放置一定數量的砝碼（按測量范圍定），配重砝碼對擺動系統產生一個力矩M1，在轉矩?轉速儀上預置M1的數。當測功機轉動，輸出軸功率時，測功機擺動系統除了平衡M1的力矩外，再驅動步進電動機，使游碼移動，產生ΔM的力矩，此時力矩M=M1+ΔM，使測功機的平衡系統達到平衡，則在儀器上的數碼顯示M=M1+M2，直接反映了測功機的轉矩量[27]。

天平式測功機的使用范圍存在一定限制，不同轉速、不同輸出功率的試驗透平就需要配不同的天平測功機。

2.轉矩傳感器

（1）磁電式轉矩傳感器這是利用轉軸受扭后產生的彈性變形來測量轉矩大小的轉矩傳感器，其結構如圖2?23所示。

傳感器中間為一根標準的彈性軸1、兩端安裝有兩個相同的齒輪3，在兩個齒輪的外側各安裝一塊繞有線圈的磁鋼4。當彈性軸1轉動時，由于磁鋼4與齒輪3間隙磁導的變化，在信號線圈2中分別感應出兩個電動勢u1和u2。當外加轉矩為零時，這兩個電動勢有一個恒定的初始相位差θ0。θ0只與兩只齒輪在軸上安裝的相對位置和兩個磁鋼的相對位置有關。當外加轉矩時，彈性軸產生扭轉變形，軸的一端相對另一端產生一個偏轉角Δθ，當軸在彈性限度內，其扭轉角Δθ與外加轉矩M成正比，即Δθ=KM，此時，在兩個信號線圈中的感應電動勢u1和u2的相位差也隨之發生變化，這一相位差變化的絕對值與外加轉矩M成正比。

圖2?23 磁電式轉矩傳感器結構

1—彈性軸 2—信號線圈 3—齒輪 4—磁鋼

兩個感應電動勢分別為

u1=UmsinZωt（2?24）

u2=Umsin（Zωt+2θ）（2?25）

式中 Z——齒輪的齒數；

ω——軸的角速度（rad/s）；

θ——兩個齒輪間的空間偏轉角（rad）。

θ角由兩部分組成：一部分是齒輪安裝時的初始角θ0；另一部分是由于受轉矩M后，彈性軸變形而產生的偏轉角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勢u1和u2，分別經過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，轉矩的測量就是兩個電動勢的相位差的測量。數字轉矩顯示儀就是用適當的電路將標準時間脈沖填入相位差信號，從而達到轉矩測量的數字顯示。

另外，兩個感應電動勢u1和u2的頻率f與轉速及齒輪數的乘積成正比，即

f=Zn （2?28）

這種測量方法對轉矩傳感器的安裝有下述要求：

圖2?24 檢相器輸出波形圖

1）試驗透平、傳感器、負載三者應安裝在同一穩固的基礎上，必須避免各部件發生振動。

2）為了避免在傳感器彈性軸上產生彎矩，安裝時必須使試驗透平、傳感器和負載三者具有較好的同心度。當存在彎矩時，不但降低測量精度，而且在某種情況下甚至會使彈性軸損壞。

3）在可能的條件下，應盡量減小聯軸器的質量。

（2）應變式轉矩傳感器應變式轉矩傳感器的檢測敏感元件是電阻應變橋。將專用的測扭應變片用應變膠粘貼在被測彈性軸上以組成應變電橋，只要向應變電橋提供電源，即可測得該彈性軸受扭的電信號；然后將該應變信號放大，再經過壓/頻轉換變成與扭應變成正比的頻率信號。傳感器的能源輸入及信號輸出是由兩組帶間隙的特殊環形旋轉變壓器承擔的，因此可實現能源及信號的無接觸傳遞，如圖2?25所示。

圖2?25 應變式轉矩傳感器測量原理