(二)功率的測量

1.概述

在動(dòng)力工程中功率的測量是十分重要的。例如，對(duì)于葉輪機(jī)械而言，功率是其重要的性能參數(shù)，在用試驗(yàn)方法獲取性能曲線時(shí)，必須準(zhǔn)確測量功率;對(duì)于動(dòng)力機(jī)械，有效功率更是其最重要的性能參數(shù);在評(píng)價(jià)制冷機(jī)的性能系數(shù)(COP值)和壓縮機(jī)的比功率時(shí)都需要準(zhǔn)確地測量軸功率;在火力發(fā)電廠中各種輔機(jī)(風(fēng)機(jī)、水泵)的能耗也是重要的考核指標(biāo)。值得注意的是，對(duì)于汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)需要測量的是輸出軸功率，而對(duì)于制冷機(jī)、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)和水泵等要測量的是輸入功率，即原動(dòng)機(jī)傳給這些動(dòng)力機(jī)械的軸功率。

測量功率通常有以下三種方法：①測量轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)逮的方法;②測量電動(dòng)機(jī)輸入功率和效率的方法;③熱平衡法。對(duì)第一種方法，因?yàn)楣β实扔谵D(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的乘積，因此測量出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速即可得到軸功率。

測量電動(dòng)機(jī)的輸入功率以及電動(dòng)機(jī)的效率也可確定動(dòng)力機(jī)械的功率，即

當(dāng)不能用上述兩種方法測定葉輪機(jī)械的軸功率時(shí)，通常采用熱平衡法來間接測定其功率。熱平衡法是基于能量守恒原理，例如測定壓縮機(jī)功率時(shí)，其能量方程為

壓縮機(jī)機(jī)殼的散熱損失Qrc。可根據(jù)壓縮機(jī)機(jī)殼的面積、溫度以及環(huán)境溫度按經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算，壓縮機(jī)軸承損失Qmc則依據(jù)潤滑油帶走的熱量估算，即

因此用熱平衡法測定葉輪機(jī)械的軸功率實(shí)際上是測量壓縮氣體的溫度、壓力和流量以及潤滑油的流量和溫升等。值得注意的是，由于葉輪機(jī)械通流截面的氣體參數(shù)沿周向和徑向往往不是均勻的，因此為了準(zhǔn)確測定氣流參數(shù)的平均值，必須布置數(shù)量足夠并按一定規(guī)律分布的周向和徑向測點(diǎn)。

2.轉(zhuǎn)矩測量

測量轉(zhuǎn)矩不僅是為了確定旋轉(zhuǎn)機(jī)械的功率，而且轉(zhuǎn)矩是各種工作機(jī)械傳動(dòng)軸的基本荷載形式，與動(dòng)力機(jī)械的工作能力、能源消耗、效率、運(yùn)轉(zhuǎn)壽命及安全性能等因素緊密聯(lián)系。轉(zhuǎn)矩的測量對(duì)傳動(dòng)軸荷載的確定與控制、傳動(dòng)系統(tǒng)工作零件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)以及原動(dòng)機(jī)容量的選擇等都具有重要意義。

使機(jī)械元件轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩或力偶稱為轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，簡稱轉(zhuǎn)矩。機(jī)械元件在轉(zhuǎn)矩作用下都會(huì)產(chǎn)生一定程度的扭轉(zhuǎn)變形，故轉(zhuǎn)矩有時(shí)又稱為扭矩。在國際單位制(SI)中，轉(zhuǎn)矩的計(jì)量單位為牛頓·米(N.m)。

轉(zhuǎn)矩可分為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。靜態(tài)轉(zhuǎn)矩是不隨時(shí)間變化或變化很小。很緩慢的轉(zhuǎn)矩。靜態(tài)轉(zhuǎn)矩包括靜止轉(zhuǎn)矩、恒定轉(zhuǎn)矩、緩變轉(zhuǎn)矩和微脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。靜止轉(zhuǎn)矩的值為常數(shù)，傳動(dòng)軸不旋轉(zhuǎn);恒定轉(zhuǎn)矩的值為常數(shù)，但傳動(dòng)軸以勻速旋轉(zhuǎn)，如電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)的轉(zhuǎn)矩;緩變轉(zhuǎn)矩的值隨時(shí)間緩慢變化，但在短時(shí)間內(nèi)可認(rèn)為轉(zhuǎn)矩值是不變的;微脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的瞬時(shí)值有幅度不大的脈動(dòng)變化。

動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩是隨時(shí)間變化很大的轉(zhuǎn)矩。動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩包括振動(dòng)轉(zhuǎn)矩、過渡轉(zhuǎn)矩和隨機(jī)轉(zhuǎn)矩。振動(dòng)轉(zhuǎn)矩的值是周期性波動(dòng)的;避渡轉(zhuǎn)矩是機(jī)械從一種工況轉(zhuǎn)換到另一種工況時(shí)的轉(zhuǎn)矩變化過程;隨機(jī)轉(zhuǎn)矩是一種不確定的、變化無規(guī)律的轉(zhuǎn)矩。

轉(zhuǎn)矩的測量方法可以分為平衡力法、能量轉(zhuǎn)換法和傳遞法。其中傳遞法涉及的轉(zhuǎn)矩測量儀器種類最多，應(yīng)用也最廣泛。

通過測量機(jī)體上的平衡力矩(實(shí)際上是測量力和力臂)來確定動(dòng)力機(jī)械主軸上工作轉(zhuǎn)矩的方法稱為平衡力法。平衡力法直接從機(jī)體上測轉(zhuǎn)矩，不存在從旋轉(zhuǎn)件到靜止件的轉(zhuǎn)矩傳遞問題。但它僅適合測量勻速工作情況下的轉(zhuǎn)矩，不能測動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。

依據(jù)能量守恒定律，通過測量其他形式能量如電能、熱能參數(shù)來測量旋轉(zhuǎn)機(jī)械的機(jī)械能，進(jìn)而求得轉(zhuǎn)矩的方法即能量轉(zhuǎn)換法。從方法上講，能量轉(zhuǎn)換法實(shí)際上就是對(duì)功率和轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量的方法。能量轉(zhuǎn)換法測轉(zhuǎn)矩一般只在電動(dòng)機(jī)和流體機(jī)械方面有較多的應(yīng)用。

傳遞法是利用彈性元件來傳遞轉(zhuǎn)矩，在傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)彈性元件物理參數(shù)會(huì)發(fā)生響應(yīng)，然后根據(jù)這些物理參數(shù)變化與轉(zhuǎn)矩關(guān)系來測量轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩測量儀器及裝置很多，應(yīng)根據(jù)使用環(huán)境、測量精度等要求來選擇。

應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩測量儀是應(yīng)用較廣的一種測量轉(zhuǎn)矩的儀器。它是通過測量轉(zhuǎn)矩作用在轉(zhuǎn)軸上產(chǎn)生的應(yīng)變來測量轉(zhuǎn)矩，圖2-69所示為應(yīng)變片式轉(zhuǎn)矩傳感器，在沿軸向±45。方向上分別粘貼有4個(gè)應(yīng)變片，感受軸的最大正、負(fù)應(yīng)變，將其組成全橋電路，則可輸出與轉(zhuǎn)矩M成正比的電壓信號(hào)。這種接法可以消除軸向力和彎曲力的干擾。

轉(zhuǎn)矩測量與一般應(yīng)力測量的不同之處是，貼在轉(zhuǎn)軸上的電阻應(yīng)變片與電阻應(yīng)變儀之間可以用導(dǎo)線直接傳遞信號(hào)和供給電源，而測量轉(zhuǎn)矩時(shí)，因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)軸是旋轉(zhuǎn)體，在轉(zhuǎn)矩傳感器與電阻應(yīng)變儀之間不能單靠導(dǎo)線傳遞信號(hào)，而要通過集流環(huán)。集流環(huán)有電刷一滑環(huán)式、水銀式和感應(yīng)式等。集流環(huán)存在觸點(diǎn)磨損和信號(hào)不穩(wěn)定等問題，不適于測量高速轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)矩。近年來，無接觸集流環(huán)及無線電應(yīng)變測量技術(shù)得到了很快的發(fā)展。應(yīng)變片式轉(zhuǎn)矩傳感器結(jié)構(gòu)簡單，精度較高，應(yīng)用較廣泛。

除了應(yīng)變片式轉(zhuǎn)矩傳感器外，還有光電式轉(zhuǎn)矩傳感器，如圖2-70所示。在轉(zhuǎn)軸上安裝兩個(gè)光柵圓盤，兩個(gè)光柵盤外側(cè)設(shè)有光源和光敏元件。無轉(zhuǎn)矩作用時(shí)，兩光柵的明暗條紋相互錯(cuò)開，完全遮擋住光路，因此放置于光柵一側(cè)的光敏元件接收不到來自光柵盤另一側(cè)光源的光信號(hào)，無電信號(hào)輸出。當(dāng)有轉(zhuǎn)矩作用于轉(zhuǎn)軸上時(shí)，由于軸的扭轉(zhuǎn)變形，安裝光柵處的兩截面產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)角，兩片光柵的暗條紋逐漸重合，部分光線透過兩光柵而照射到光敏元件上，從而輸出電信號(hào)。轉(zhuǎn)矩越大，扭轉(zhuǎn)角越大，照射到光敏元件上的光越多，因而輸出電信號(hào)也越大。