(二)功率的測量

1.概述

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

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測量電動機輸入功率和效率的方法;③熱平衡法。對第一種方法，因為功率等于轉(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。

測量電動機的輸入功率以及電動機的效率也可確定動力機械的功率，即

當不能用上述兩種方法測定葉輪機械的軸功率時，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，例如測定壓縮機功率時，其能量方程為

壓縮機機殼的散熱損失Qrc。可根據(jù)壓縮機機殼的面積、溫度以及環(huán)境溫度按經(jīng)驗公式進行估算，壓縮機軸承損失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械的軸功率實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。

2.轉(zhuǎn)矩測量

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

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

轉(zhuǎn)矩可分為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩和動態(tài)轉(zhuǎn)矩。靜態(tài)轉(zhuǎn)矩是不隨時間變化或變化很小。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)矩和微脈動轉(zhuǎn)矩。靜止轉(zhuǎn)矩的值為常數(shù)，傳動軸不旋轉(zhuǎn);恒定轉(zhuǎn)矩的值為常數(shù)，但傳動軸以勻速旋轉(zhuǎn)，如電動機穩(wěn)定工作時的轉(zhuǎn)矩;緩變轉(zhuǎn)矩的值隨時間緩慢變化，但在短時間內(nèi)可認為轉(zhuǎn)矩值是不變的;微脈動轉(zhuǎn)矩的瞬時值有幅度不大的脈動變化。

動態(tài)轉(zhuǎn)矩是隨時間變化很大的轉(zhuǎn)矩。動態(tài)轉(zhuǎn)矩包括振動轉(zhuǎn)矩、過渡轉(zhuǎn)矩和隨機轉(zhuǎn)矩。振動轉(zhuǎn)矩的值是周期性波動的;避渡轉(zhuǎn)矩是機械從一種工況轉(zhuǎn)換到另一種工況時的轉(zhuǎn)矩變化過程;隨機轉(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。

通過測量機體上的平衡力矩(實際上是測量力和力臂)來確定動力機械主軸上工作轉(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)機械的機械能，進而求得轉(zhuǎn)矩的方法即能量轉(zhuǎn)換法。從方法上講，能量轉(zhuǎn)換法實際上就是對功率和轉(zhuǎn)速進行測量的方法。能量轉(zhuǎn)換法測轉(zhuǎn)矩一般只在電動機和流體機械方面有較多的應(yīng)用。

傳遞法是利用彈性元件來傳遞轉(zhuǎn)矩，在傳遞轉(zhuǎn)矩時彈性元件物理參數(shù)會發(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個應(yīng)變片，感受軸的最大正、負應(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。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)線直接傳遞信號和供給電源，而測量轉(zhuǎn)矩時，因為轉(zhuǎn)動軸是旋轉(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，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)存在觸點磨損和信號不穩(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)軸上安裝兩個光柵圓盤，兩個光柵盤外側(cè)設(shè)有光源和光敏元件。無轉(zhuǎn)矩作用時，兩光柵的明暗條紋相互錯開，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，無電信號輸出。當有轉(zhuǎn)矩作用于轉(zhuǎn)軸上時，由于軸的扭轉(zhuǎn)變形，安裝光柵處的兩截面產(chǎn)生相對轉(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。轉(zhuǎn)矩越大，扭轉(zhuǎn)角越大，照射到光敏元件上的光越多，因而輸出電信號也越大。