一種小型超高速原動(dòng)機(jī)的功率測(cè)量裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種功率測(cè)量裝置及方法，特別涉及一種小型超高速原動(dòng)機(jī)氣動(dòng)性能試驗(yàn)用的功率測(cè)量裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]眾所周知，隨著市場(chǎng)需求的拉動(dòng)以及能源利用與加工制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，目前作為原動(dòng)機(jī)的葉輪機(jī)械正在快速向兩個(gè)極端方向即超微型和超大型方向發(fā)展。如美國(guó)麻省理工學(xué)院研發(fā)的超微型葉輪機(jī)械，其葉輪直徑僅為6mm，葉高僅為0.225mm，軸系轉(zhuǎn)速高達(dá)1200000r/min，產(chǎn)生17W的軸功率。
[0003]對(duì)常規(guī)葉輪機(jī)械來(lái)說(shuō)，其熱能與機(jī)械功之間的能量轉(zhuǎn)換是基于透平歐拉方程而完成的，即工質(zhì)在流過(guò)靜葉柵通道時(shí)，工質(zhì)將全部或部分熱能轉(zhuǎn)換成速度，在流過(guò)動(dòng)葉柵通道時(shí)，將剩余熱能轉(zhuǎn)換成速度，并且工質(zhì)動(dòng)量改變完成熱能到機(jī)械功的轉(zhuǎn)換。為降低余速損失，提高能量轉(zhuǎn)換效率，級(jí)速比與反動(dòng)度要合理匹配，即在反動(dòng)度一定時(shí)，級(jí)速比基本為定值。然而鑒于超音速流動(dòng)損失和材料許用離心應(yīng)力問(wèn)題，級(jí)理想等熵速度基本為定值。因此，無(wú)論葉輪機(jī)械的尺寸或功率大小，其直徑與轉(zhuǎn)速的乘積基本保持為常數(shù)。
[0004]由以上葉輪機(jī)械的設(shè)計(jì)理論可知，如果葉輪機(jī)械幾何尺寸越小或輸出功率越小，就需要越高的軸系轉(zhuǎn)速以保證其具有高的熱功轉(zhuǎn)換效率，因此，在研制小型葉輪機(jī)械時(shí)，需要采用小型高轉(zhuǎn)速的測(cè)功機(jī)消耗并測(cè)量原動(dòng)機(jī)的功率，以準(zhǔn)確獲得其氣動(dòng)性能。
[0005]常規(guī)葉輪機(jī)械或動(dòng)力機(jī)械在氣動(dòng)性能試驗(yàn)時(shí)，其功率測(cè)量主要有兩種方式，一種是采用扭矩儀和耗功機(jī)械，一種是采用測(cè)功機(jī)。前一種方式利用耗功機(jī)械消耗原動(dòng)機(jī)的功率，通過(guò)布置在轉(zhuǎn)軸上的扭矩儀測(cè)量轉(zhuǎn)軸上的扭矩和轉(zhuǎn)速，從而獲得原動(dòng)機(jī)的功率；后一種當(dāng)前主要有水力、電力和電渦流三種類型，無(wú)論哪種型式，均是在消耗原動(dòng)機(jī)功率的同時(shí)，通過(guò)布置在殼體與基座間的力傳感器以及轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)速傳感器獲得扭矩和轉(zhuǎn)速，從而獲得原動(dòng)機(jī)的功率。
[0006]然而對(duì)于小型葉輪機(jī)械或動(dòng)力機(jī)械來(lái)說(shuō)，由于超高速扭矩傳感器的技術(shù)限制以及超高速測(cè)功機(jī)研制的技術(shù)障礙，使得小型超高速原動(dòng)機(jī)的氣動(dòng)性能試驗(yàn)受到了極大限制。當(dāng)前往往采用小型壓氣機(jī)作為負(fù)載，通過(guò)壓氣機(jī)或原動(dòng)機(jī)氣動(dòng)參數(shù)的測(cè)量并換算間接獲得原動(dòng)機(jī)的功率數(shù)值，其精度較差，極大的阻礙了小型超高速原動(dòng)機(jī)的研制。
[0007]當(dāng)前市場(chǎng)上有能力設(shè)計(jì)和生產(chǎn)小型超高速測(cè)功機(jī)的企業(yè)極少，且最高轉(zhuǎn)速偏低，價(jià)格昂貴，如美國(guó)MAGTR0L公司，生產(chǎn)的測(cè)功機(jī)最高轉(zhuǎn)速也不超過(guò)50000r/min，價(jià)格卻高達(dá)40萬(wàn)人民幣左右。因此，即使不考慮價(jià)格因素，采用測(cè)功機(jī)進(jìn)行原動(dòng)機(jī)的氣動(dòng)性能試驗(yàn)時(shí)，原動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速也不能超過(guò)50000r/min ;當(dāng)原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速超過(guò)50000r/min時(shí)，無(wú)測(cè)功機(jī)可選用，必須采用小型壓氣機(jī)或其它耗功機(jī)械作為負(fù)載，其功率的測(cè)量精度會(huì)較差。
[0008]然而，鑒于高速測(cè)功機(jī)的價(jià)格因素，小型超高速原動(dòng)機(jī)在進(jìn)行氣動(dòng)性能試驗(yàn)時(shí)，如果轉(zhuǎn)速超過(guò)10000r/min，一般就會(huì)采用小型壓氣機(jī)或者其它耗功機(jī)械作為負(fù)載，這樣其功率的測(cè)量精度會(huì)較差。
[0009]電主軸技術(shù)是近年來(lái)在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域出現(xiàn)的將機(jī)床主軸與主軸電機(jī)融為一體的新技術(shù)，主軸采用內(nèi)嵌式電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，縮短了機(jī)床的傳動(dòng)鏈，具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、噪音低、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，且轉(zhuǎn)速高、功率大、能夠簡(jiǎn)化機(jī)床設(shè)計(jì)，近年來(lái)獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，目前最高轉(zhuǎn)速已高達(dá)150000r/min左右，其售價(jià)不足萬(wàn)元人民幣。
[0010]申請(qǐng)?zhí)枮?01310345353.0的中國(guó)發(fā)明專利(公開(kāi)號(hào)CN103398810A)提出了一種非接觸式扭矩和功率測(cè)量裝置及方法，其通過(guò)測(cè)量扭矩以及轉(zhuǎn)速參數(shù)獲得功率數(shù)值，是一種類似測(cè)功機(jī)的常規(guī)方式，只是在扭矩的獲取方法上采用了類似電機(jī)的結(jié)構(gòu)，基于轉(zhuǎn)軸材料的力學(xué)特性，通過(guò)分析感應(yīng)電壓信號(hào)的相位差值(即變形量)，獲得轉(zhuǎn)軸上的扭矩參數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]針對(duì)小型超高速原動(dòng)機(jī)氣動(dòng)性能試驗(yàn)中測(cè)量功率的要求，本發(fā)明的目的在于提供一種小型超高速原動(dòng)機(jī)的功率測(cè)量裝置及方法，用于在研制小型超高速原動(dòng)機(jī)時(shí)，能夠較為精確的測(cè)量原動(dòng)機(jī)的輸出功率。
[0012]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案:
[0013]—種小型超高速原動(dòng)機(jī)的功率測(cè)量裝置，包括電容器、功率分析儀以及與被測(cè)原動(dòng)機(jī)相連的電主軸，所述電主軸與電容器的接法為星接或角接，所述電主軸與電容器的星接或角接中，每相至少接入一個(gè)電容器，所述功率分析儀分別與各相接入的負(fù)載相連，負(fù)載與接入對(duì)應(yīng)相的電容器并聯(lián)。
[0014]所述原動(dòng)機(jī)是以流體驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力機(jī)械。
[0015]所述電主軸采用異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電主軸的軸承采用油霧或油氣潤(rùn)滑方式，電主軸的殼體采用液體冷卻方式。
[0016]所述負(fù)載為電阻或電感。
[0017]所述原動(dòng)機(jī)和電主軸的轉(zhuǎn)速至少為10000r/min。
[0018]—種小型超高速原動(dòng)機(jī)的功率測(cè)量方法，包括以下步驟:將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能經(jīng)聯(lián)軸器傳遞給電主軸的轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)通過(guò)切割磁力線產(chǎn)生電能，電能經(jīng)負(fù)載消耗的同時(shí)通過(guò)功率分析儀測(cè)量并分析負(fù)載上的電流與電壓信號(hào)，從而獲得并輸出電主軸的功率參數(shù)，根據(jù)電主軸的功率參數(shù)以及機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換效率，最終獲得原動(dòng)機(jī)的功率參數(shù)。
[0019]本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在:
[0020]本發(fā)明所述小型超高速原動(dòng)機(jī)的功率測(cè)量裝置及方法，結(jié)合成熟的電主軸技術(shù)，可使小型超高速原動(dòng)機(jī)在50000r/min?150000r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)進(jìn)行氣動(dòng)性能試驗(yàn)時(shí)，將常規(guī)采用小型壓氣機(jī)作為耗功機(jī)械，并利用氣動(dòng)參數(shù)換算間接獲得原動(dòng)機(jī)功率方法的測(cè)量精度從5 %提高至2 %，提高了測(cè)量精度。
[0021 ] 另外，如果考慮尚速測(cè)功機(jī)的尚昂購(gòu)置費(fèi)用，本發(fā)明還可覆蓋10000r/min?50000r/min的原動(dòng)機(jī)氣動(dòng)性能試驗(yàn)轉(zhuǎn)速范圍，大幅降低試驗(yàn)儀器的購(gòu)置費(fèi)用，而與測(cè)功機(jī)測(cè)量相比，兩者實(shí)際測(cè)量精度基本相當(dāng)。
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1是本發(fā)明所述小型超高速原動(dòng)機(jī)的功率測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)框圖；
[0023]圖2是以盤(pán)式透平實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為例給出的裝置的電路連接示意圖，圖中:1.盤(pán)式透平，2.聯(lián)軸器，3.電主軸，4.電容器，5.負(fù)載，6.功率分析儀，7.高壓氣源，8.冷卻，9.潤(rùn)滑。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明。
[0025]參見(jiàn)圖1，本發(fā)明的總體技術(shù)思路是利用現(xiàn)有的高速電主軸技術(shù)，通過(guò)合理的轉(zhuǎn)換電路，使其轉(zhuǎn)換成發(fā)電機(jī)，原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)時(shí)產(chǎn)生電能并在負(fù)載中消耗，通過(guò)功率分析儀測(cè)量電信號(hào)從而獲得原動(dòng)機(jī)的功率參數(shù)，有效地解決了小型超高速原動(dòng)機(jī)氣動(dòng)性能試驗(yàn)時(shí)的功率測(cè)量技術(shù)難題。
[0026]參見(jiàn)圖2，以設(shè)計(jì)功率為IkW的盤(pán)式透平氣動(dòng)性能試驗(yàn)平臺(tái)為例，所述小型超高速原動(dòng)機(jī)的功率測(cè)量裝置的具體結(jié)構(gòu)如下:
[0027]該裝置包括聯(lián)軸器2、電主軸3、電容器4、負(fù)載5以及功率分析儀6 ;電主軸3的轉(zhuǎn)子通過(guò)聯(lián)軸器2與盤(pán)式透平I的透平軸相連；電主軸3采用異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電主軸3的軸承采用油氣潤(rùn)滑方式，電主軸3的殼體采用液體冷卻方式；電容器4與電主軸3的接法是星接，每相(A相、B相以及C相)接入一個(gè)電容器4 ;負(fù)載5 (負(fù)載A、負(fù)載B以及負(fù)載C)為電阻(選取時(shí)考慮額定電壓和額定電流，防止擊穿即可)，電阻與對(duì)應(yīng)相內(nèi)電容器并聯(lián)；所述功率分析儀6與負(fù)載5相連，測(cè)量并分析從電主軸輸出的電信號(hào)，盤(pán)式透平I和電主軸3的轉(zhuǎn)速為 80000r/min。
[0028]試驗(yàn)時(shí)，盤(pán)式透平I由高壓氣源7驅(qū)動(dòng)，通過(guò)透平軸將機(jī)械能經(jīng)聯(lián)軸器2傳遞給電主軸3的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)切割磁力線，產(chǎn)生電能，經(jīng)負(fù)載5消耗，通過(guò)功率分析儀6測(cè)量負(fù)載5上的電流和電壓信號(hào)并分析獲得電主軸的功率參數(shù)，考慮機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換效率(通常為0.9?0.95)，用電主軸的功率參數(shù)除以轉(zhuǎn)換效率，從而最終獲得盤(pán)式透平的輸出功率。
[0029]本發(fā)明基于電主軸技術(shù)，通過(guò)電流與電壓參數(shù)獲得功率，不涉及扭矩參數(shù)，獲得功率參數(shù)的原理完全不同。另外，本發(fā)明在10000r/min?50000r/min范圍內(nèi)，與測(cè)功機(jī)測(cè)量方法的精度相當(dāng)，同時(shí)提高了由于當(dāng)前測(cè)功機(jī)不能覆蓋轉(zhuǎn)速范圍50000r/min?150000r/min而采用小型壓氣機(jī)作為負(fù)載換算功率的測(cè)量方法的精度。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種小型超高速原動(dòng)機(jī)的功率測(cè)量裝置，其特征在于:包括電容器(4)、功率分析儀(6)以及與被測(cè)原動(dòng)機(jī)相連的電主軸(3)，所述電主軸(3)與電容器⑷的接法為星接或角接，所述電主軸(3)與電容器(4)的星接或角接中，每相至少接入一個(gè)電容器，所述功率分析儀(6)分別與各相接入的負(fù)載(5)相連，負(fù)載與接入對(duì)應(yīng)相的電容器并聯(lián)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種小型超高速原動(dòng)機(jī)的功率測(cè)量裝置，其特征在于:所述原動(dòng)機(jī)是以流體驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力機(jī)械。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種小型超高速原動(dòng)機(jī)的功率測(cè)量裝置，其特征在于:所述電主軸(3)采用異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電主軸(3)的軸承采用油霧或油氣潤(rùn)滑方式，電主軸(3)的殼體采用液體冷卻方式。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種小型超高速原動(dòng)機(jī)的功率測(cè)量裝置，其特征在于:所述負(fù)載(5)為電阻或電感。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種小型超高速原動(dòng)機(jī)的功率測(cè)量裝置，其特征在于:所述原動(dòng)機(jī)和電主軸(3)的轉(zhuǎn)速至少為10000r/min。6.一種小型超高速原動(dòng)機(jī)的功率測(cè)量方法，其特征在于:包括以下步驟:將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能經(jīng)聯(lián)軸器(2)傳遞給電主軸(3)的轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)通過(guò)切割磁力線產(chǎn)生電能，電能經(jīng)負(fù)載(5)消耗的同時(shí)通過(guò)功率分析儀(6)測(cè)量并分析負(fù)載上的電流與電壓信號(hào)，從而獲得并輸出電主軸的功率參數(shù)，根據(jù)電主軸的功率參數(shù)以及機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換效率，最終獲得原動(dòng)機(jī)的功率參數(shù)。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述一種小型超高速原動(dòng)機(jī)的功率測(cè)量方法，其特征在于:所述原動(dòng)機(jī)是以流體驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力機(jī)械。8.根據(jù)權(quán)利要求6所述一種小型超高速原動(dòng)機(jī)的功率測(cè)量方法，其特征在于:所述電主軸(3)采用異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電主軸(3)的軸承采用油霧或油氣潤(rùn)滑方式，電主軸(3)的殼體采用液體冷卻方式。9.根據(jù)權(quán)利要求6所述一種小型超高速原動(dòng)機(jī)的功率測(cè)量方法，其特征在于:所述負(fù)載(5)為電阻或電感。10.根據(jù)權(quán)利要求6所述一種小型超高速原動(dòng)機(jī)的功率測(cè)量方法，其特征在于:所述原動(dòng)機(jī)和電主軸(3)的轉(zhuǎn)速至少為10000r/min。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種小型超高速原動(dòng)機(jī)的功率測(cè)量裝置及方法，該裝置包括聯(lián)軸器、電主軸、電容器、負(fù)載及功率分析儀，通過(guò)功率分析儀測(cè)量負(fù)載上的電信號(hào)獲得被測(cè)原動(dòng)機(jī)的功率參數(shù)。該功率測(cè)量裝置及方法有效地解決了小型超高速原動(dòng)機(jī)在氣動(dòng)性能試驗(yàn)時(shí)其功率參數(shù)經(jīng)負(fù)載壓氣機(jī)性能參數(shù)換算難于準(zhǔn)確測(cè)量的技術(shù)難題，并避免了采用小型超高速測(cè)功機(jī)導(dǎo)致的儀器購(gòu)置費(fèi)用高的問(wèn)題。
【IPC分類】G01L3/24
【公開(kāi)號(hào)】CN105043621
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510377068
【發(fā)明人】鄧清華, 齊文嬌, 豐鎮(zhèn)平
【申請(qǐng)人】西安交通大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年11月11日
【申請(qǐng)日】2015年6月30日