有效功率和转速、转距的测量.ppt

第九章 有效功率和转速、转矩的测量,主要内容,有效功率的计算测功器的原理与类型测功器的选用原则及测量误差转矩的测量（转矩仪）转速的测量,9.1 内燃机的有效功率,一、功率和转矩、转速的关系功率和转速、转矩是表征发动机动力性能的重要指标。发动机通过飞轮对外输出的功率称为有效功率，用Pe表示，单位为kW 发动机通过飞轮对外输出的转矩称为有效转矩，用Te表示，单位为Nm,内燃机飞轮端带负载达到稳定转速。将飞轮受力简化为边缘受到负载的抵抗力F。此时转速为n，相应的曲轴旋转的角速度为。则输出功率：而：将2带入1，得到：,1,2,3,图3.1 飞轮受力示意图,将3的单位化成kW则有：简化上式则有：这个公式就是我们测量内燃机有效功率的根本依据。,Pe 内燃机有效功率(kW)Te 内燃机有效转矩(N.m)N 内燃机输出轴转速(r/min),有效功率的测量是间接测量，得到有效功率的前提是测量到转矩Te和转速n。转速的测量常见的测量方法是使用各种转速传感器，如：磁电转速传感器、光电转速传感器和霍尔转速传感器等等。Te的测量是如何实现的呢？在实验室内燃机台架试验中，通常是使用测功器来测量Te。,9.2 测功器的工作原理和类型,一、测功器的目的根据有效功率的公式：测功器的目的就是要准确测量到Te和n的值。,二、测功器的基本工作原理和类型1.基本工作原理内燃机不带负载情况下是没有功率而言的（飞轮其实是内燃机自身带的负载）。对外做功输出转矩必须要带载。因此测量转矩Te就要人为的给内燃机加上一个负载，而测功器就起到这个负载的作用。而通常情况下，测功器的负载量是可以调节的，这样就可实现内燃机在不同工况下有效功率的测量。基本原理：根据测功器作用力矩与测功器反作用力大小相等、方向相反的原理来测量转矩的,2.结构组成测功器一般由制动器、测力机构和测速装置等几部分组成。通常测速装置也可以独立出去，而称测速装置以外的部分为测功器。制动器调节内燃机的负载，并把从内燃机输出轴输出的功率转化为其他形式的能量，如热能或电能。测力机构用来测量Te测速机构用来测量n,为了适应测力机构的读数方便，公式通常被写成：如果把L设计成为L=0.9550m，则K=10000，上式大大简化。,F 测力机构的读数 NL 测力机构的臂长 mK 测功器常数,3.测功器的分类测功器是按照制动器的工作原理进行分类的。,机械测功器-输出转矩转化为机械摩擦产生的 制动力矩 气力测功器-输出转矩转化为螺旋桨或叶片旋 转产生的制动力矩 水力测功器-输出转矩转化为以水为工作介质的 制动力矩 电力测功器 输出功转化为电磁力制动力矩,不常用或淘汰,常用,4.测功器应满足的要求(1)在内燃机全部转速和负荷范围内能正常运转(2)能平顺而又精细的调节负载(3)能足够准确的测量负载(4)操作简单，安全可靠,三、机械测功器（了解）1.工作原理利用机械摩擦曲轴 制动鼓/轮 闸片或皮带 旋臂装置 测力装置2.固有特性和工作范围固有特性：测功器在某一调节位置下，测功器转速与其吸收转矩或吸收功率之间的关系。Temax、Pemax、nmax由于工作范围小，测量精度低，摩擦系数不能保持恒定，工作不稳定。很少使用,四、水力测功器（应该掌握）1.工作原理和结构利用水为工作介质水力测功器由主机部分、测力机构、测速机构、进水管件、水门执行机构、校正装置等部件组成 曲轴 转子 水 外壳 旋臂 测力装置 根据转子 水 外壳的作用方式可分为：圆盘式、叶轮式、涡流式和销钉式结构（结构区别）i.涡流式/凹坑式（例如启动测功器厂YP系列水力测功器）其主结构是由一架于滚动轴承上可摆动的外壳和架于主轴上的转子组成。（动力机械的输出功率转变成热量消耗掉）,1.底座 2.左右轴承座 3.主轴部件 4.联轴节 5.轴承压板 6.骨架油封 7.轴套 8、9.双金属轴套 10.左右轴承外壳 11.左右侧壳 12.螺塞 13.转子 14.外壳 15.封水圈 16.测速齿轮 17.转速传感器 18.溢水管 19.旋塞,涡流式水力测功器,水力测功器工作时，水箱里的水进入左右环形腔，流入涡流室，发动机带动测功器主轴旋转，水在涡流室内作强烈的涡流运动，产生很大的动能，作用于定子，而左右两定子与外壳相联。因此发动机输出的扭矩通过水的作用，从转子传递到摆动的壳体上，在由力臂将力作用与拉压力传感器。水门执行机构由出水管组件、蝶形排水阀、电控执行器及同步步形带等见组成，可以由控制系统通过执行器对蝶形阀开度大小进行自动调节以改变排水量测力机构采用拉压力传感器，转速测量采用非接触型转速传感器，传感器将受力和转速转换成电压信号，输入发动机控制系统，即可显示出转速、扭矩、功率等测定值。,主要特点：转子、定子均采用不锈钢材料，凹坑式结构。采用无接触密封技术。通过控制排水蝶阀来改变内腔工作压力，从而改变吸收负载。快速响应。因为通过改变排水阀的开度，内腔工作压力瞬间变化，通过电子控制仪器的自动闭环控制，可方便、迅速地稳定到所需要的负荷值。从一个工况到另一个工况的过渡时间为4秒。体积小、安装容易、维护方便、使用寿命长。适用范围广，功率型谱全。最小功率档为120kW，最大档可测试10000kW（国内引进的最大测试功率为35000kW）。测试精度高，工作稳定可靠。,ii.销钉式/柱销式（D系列水力测功器）主体为销钉式结构。其工作原理是通过转子、定子上的多个销钉搅拌水产生阻力，传递给外壳，通过机械式磅称测力机构或拉压力传感器，负荷表指示负荷值（或扭矩值），转速由电子转速表显示。测功器的工况是通过调节进水量来改变的。进水的多少决定内腔水环厚薄和相应测量负荷值的大小。排水阀开度大小可以调节出水温度。因为对于相同的测量功率，单位是间内通过测功器的水量多，内腔水温低，反之则高。,1.主轴 2.测速齿轮 3.磁电转速传感器 4.油嘴 5.端盖 6.转子螺栓 7.转子 8.定子 9.水斗 10.侧壳 11.主轴承 12.摆动轴承 13.轴承盖 14.定子螺栓,图3.3 销钉式水力测功器,主要特点结构简单，使用、维护方便。纯机械式，对操作人员的技术水平要求不高。指针指示负荷值，精度相对YP系列水力测功器及DW系列电涡流测功器的精度要差些。测功器与发动机之间采用弹性联接。,2.固有特性和工作范围水力测功器的简图,设转子圆盘外半径为R0，测功器不工作时放水的内半径为Ri，工作时水被搅动起来，由于离心力的作用形成一个圆环，则水环厚度为R0-Ri在距离圆盘中心为R处，选择一个无限小环形水层面积为dF设摩擦阻力系数为，半径为R处圆周速度为V，由于水和圆盘旋转不是同步，用K来修正相对速度。,图3.4 水层厚度示意图,则圆盘两侧与水摩擦时对微小圆环与水的摩擦扭矩dTi的关系式：其中：,将上式在Ri到R0范围内积分，得到：由上式可见，制动力矩Ti与系数成正比，与转速n的平方成正比，与圆环外内半径的5次方差成正比。当摩擦系数不变时，则：而功率的关系则有：,特性曲线和工作范围,图3.5 水力测功器扭矩功率特性曲线图,线段A为测功机在最大负荷位置（最大水层位置）时的性能曲线（固有特性），虚线为其他调节位置下（水层厚度减小）的性能曲线；线段B相当于测功机转子和轴允许的最大转矩下的强度限制线；线段C为测功机出水温度达到最大允许值的功率限制线，即测功机能测量的最大功率；线段D为受离心力或轴承允许转速所限制的最高转速限制线；线段E相当于测功机空转时能测量最小转矩和功率特性，此时制动器内腔的水完全放净，其阻力矩由转子与空气之间的摩擦以及轴承的摩擦所产生的。,水力测功器与内燃机特性曲线的匹配,图3.7 水力测功器与内燃机特性曲线的匹配图,从图中可以看出，该测功器不适合用于内燃机1，适合用于内燃机2在3000r/min以上的工况，适合用于内燃机3全部工况。,五、电力测功器基本工作原理：电力测功器的工作原理与电机基本相同，其转子和定子都是以磁通作为传递媒介进行工作的，转子和定子之间的作用力和反作用力大小相等、方向相反，所以只要将其定子做成能绕其轴线自由摆动的结构，即可测定其转子的制动转矩，即定子的反力矩。分类：直流电力测功器、交流电力测功器和电涡流测功器,（一）直流电力测功器1.工作原理内燃机与电机一起旋转，电机的电枢绕组切割定子绕组产生的磁力线，在转子电枢中产生感应电动势。当电枢回路中有感应电流通过时，便在磁场中受到电磁力的作用，从而产一个与转向相反的制动力矩，电机做发电机来运行，以达到用来测功的目的当电枢回路有电流通过时，在磁场中受到电磁力的作用而产生一个与转向相同的驱动力矩，电机当作电动机来运行，用来倒拖内燃机，用于测量发动机的摩擦功。,K1 电机电势系数 定子激磁绕组的磁通量n 转子的转速(r/min),设感应电动势为E，则根据法拉第电磁定律有：,如果电机作为发电机被内燃机驱动，由电磁力产生的制动力矩（发动机输出扭矩）Tt与定子磁场强度及电枢电流成正比，即：电枢回路中串联负载电阻R,忽略电枢电阻，I=E/R可见，发电机所吸收的功率与2及n2成正比，与负载R成反比，改变三个参数的任何一个都可以改变吸收的扭矩与功率值。,K2,K3为比例系数,2.常用直流电力测功器最简单的直流电力测功器就是由内燃机直接驱动普通直流发电机，得到有效功率的以下关系式：发电机的效率包含工作时的铜损失、铁损失、摩擦损失和风扇损失等，所以是一个随工况变化的值。所以这种简单直流发电机的方法很难精确测量内燃机有效功率。,Pe 内燃机有效功率 kWU 发电机电压 VI 发电机输出电流 A 发电机效率,线段A为最大电流线，此时对应最大的励磁电流和和最小的负荷电阻，即为负荷调节置于最大位置时的固有特性；A1,A2为负荷调节处于中间某一适当位置时的固有特性；线段B为最大转矩线，受电枢的机械强度所限；线段C为最大功率线，受电机散热条件所限；线段D为最高转速限制线，受旋转部分所能承受的最大离心力负荷所限；线段E为最小吸收转矩和功率线，此时无励磁电流通过，但仍存在轴承及空气阻力，因而在E线之下存在不能测定区。,（二）交流电力测功器（简单了解）1.三项同步电机测功器2.绕线式异步电机测功器3.无换向器电机测功器,（三）电涡流测功器（掌握）1.结构 定子：励磁线圈和涡流环 转子：由带齿轮凹凸形的感应子和转轴组成 测力机构：拉压传感器,2.工作原理 当激磁绕组通以直流电流时，由感应子、空气隙、涡流环、定子磁轭等形成的闭合磁路中产生静止磁通。因感应子的外圆制成齿状凹凸，在齿顶处的空气隙很小，其磁通密度大，齿槽处的空气隙大，其磁通密度小。当感应子旋转时，涡流环相应部位的磁通密度不断增减变化。由电磁感应定律可知，此时在涡流环的表面将产生感应电势而形成涡电流，力图阻止磁通的变化，从而产生对感应子的制动作用。,2.电涡流测功器的固有特性和控制方式,图3.9 等激磁电流特性图（固有特性）,当转子在低转速区域内制动力矩随激磁电流和转速的增加而迅速增大，但当激磁电流一定时，在某一转速附近的扭矩几乎饱和了，当转速超过这一转速而进一步提高时，扭矩几乎不再增加。而当转速不变时，扭矩随激磁电流的增大而增大，只有当激磁电流增大到使此路的磁通发生饱和时扭矩则不再增加，因此，接近等扭矩特性的范围很宽。另外两种特性曲线（等转速特性、增压控制特性）,控制方式,图3.10 手动控制,E 内燃机 EDy 电涡流测功器 RE 激磁调节电阻 TD 转速传感器 AD 电流传感器,图3.11 自动控制,六、其它类型测功器（了解）1.惯性无外载测功器仅以内燃机自身运动部件的转动惯量为负载，无需施加外部载荷，发动机也不必从动力装置上拆卸，即可测功。测功原理 当转动物体处在加速状态时，所产生的惯性扭矩为：Tt 物体的惯性扭矩 N.m I 物体的转动惯量 kg.m2 物体的角速度 rad/s,根据质点动静法，当内燃机在无负载情况下，有效扭矩Te必然与惯性扭矩Tt相平衡，Te=Tt。可见如果内燃机的转动惯量已知，若能测得标定转速附近的角速度，就可以求出内燃机在标定转速时的有效扭矩。然后再计算有效功率。加速度的测定有一定的难度，平均加速扭矩法成功地解决这一问题。所谓平均加速扭矩，定义为：实际测量中，根据工况的差异需要经过修正能够测定内燃机标定工况的有效功率。,Tt 平均加速扭矩 N.mt1,t2 曲轴转一圈的起止时间 s 角位移 rad/s,9.3 测功器的使用技术,一、测功器的选型必须保证使实验内燃机的外特性全部落在所选测功器工作范围内，在测量低速大扭矩内燃机时，测功器应具有良好的低速制动特性，其固有特性曲线以陡直走向为好。测功器测量精度应能满足测量的要求，在可以满足上条要求的条件下，应优先选用满量程标定值最小的测功器，或者使内燃机的最大功率与测功器的最大吸收功率之比为3:4，以获得较好的测量准确度。测功器响应速度快。通常，测功器外形尺寸小的，其转子部件的转动惯量也小，则响应速度也快。测功器的测力机构以及其选用的传感器的动态特性要好，动态误差要小，能迅速反映内燃机的特性。,二、测量误差的来源和消除1.风阻引起的误差2.定子摆动引起的误差3.水管、导线引起的误差4.测功器主轴不水平和外壳不平衡引起的误差5.测力机构几何关系失真和装配不当引起的误差,9.4 扭矩仪,一、应用范围内燃机作为船舶用主机需要进行有效功率的测定时，由于功率巨大而远远超出测功器的工作范围，以上所讲述的测功器是无法完成。或者与齿轮箱、发电机、水泵等设备仪器工作，需要测定它们各自的效率时。扭矩仪可以完成上述两种测量。,二、工作原理扭矩仪的作用原理是通过测量轴、特制的联轴节或实际的传动轴等传递扭矩的部件，在扭矩的作用下所产生的扭转变形来测量扭矩的。当一圆轴在扭矩Tt作用下，相距L(基长)的两个截面所产生的相对扭角由下式决定：,图3.12 扭矩仪工作原理示意图,G 轴材料的剪切弹性模量(Pa)Ip 轴截面的极惯性矩(m4)L-被测扭转轴长度(m)Tt-转矩(N.m),为了简化扭矩仪的结构和提高准确度，希望在结构允许的基长内得到尽可能大的扭角max。而其又受到最大允许剪切应力的max。对于直径为d的实心轴而言：=368105Pa,L/d=10，max=0.5三、几种常用的扭矩仪1.相位差式扭矩仪:光电式，光学式，磁电式2.应变式扭矩仪3.磁致伸缩式扭矩仪,1.相位差式扭矩仪,即使扭转角相等（同扭矩），其t的数值会随着的不同而不同，因此不能通过测量t来直接确定；光电流脉冲列的直流分量 I=I t/T t=/,T=c/I=I t/T=I/c 通过测定平均电流来确定扭转角,2.应变式扭矩仪,工作原理：利用应变原理来测量转矩；当处于动力机械与负荷之间的被测轴承受转矩作用时，产生切应力，而最大应力发生在轴的外圆周上；两个主应力轴线成45和135的夹角，因此把应变片粘贴在测点的主应力方向上测出应变值，从而测得转矩。,3.磁致伸缩式扭矩仪,磁致伸缩效应：铁磁物体的机械状态和磁状态相互作用引起的现象有二：其一是铁磁物体的磁化特性在机械力作用下会发生显著变化，其二是铁磁物体在外界磁场作用下会发生机械变形；,9.5 转速的测定,一、常用测速方法 1.接触式测速仪 2.非接触式测速仪二、测速传感器 磁电式 光电式三、两种基本测速方法 测频法 测周法,