CN108562389B - 一种气动试验件气动功率测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气动试验件气动功率测量装置及方法，可以用于暂冲式压气机实验台对压气机试验件的气动功率测量，测量装置包括储气罐、试验段、排气罐和驱动单元，储气罐通过管路与试验段的进气端连通，排气罐通过管路与试验段的排气端连通，试验段与储气罐之间的连通管路上设置快开阀，试验段与排气罐之间的连通管路上设置排气阀排气罐还通过管路与一真空泵连通，驱动单元包括电动机和齿轮箱，电动机通过一测扭器与齿轮箱的低速端驱动连接，齿轮箱的高速端通过一飞轮与设置在试验段中的气动试验件驱动联接，该装置及方法基于暂冲式压气机实验台增速过程和减速过程中转子系统的动能变化，能够在实验台的低速端通过扭矩测量，从而实现压气机叶盘的气动功率测量。

Description

一种气动试验件气动功率测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种气动试验件气动功率测量装置及方法，尤其涉及一种适用于暂冲式压气机实验台的气动试验件气动功率测量装置及方法，能够在实验台的低速端通过对转动系统的扭矩进行测量，从而实现对位于实验台高速端的压气机叶盘的气动功率测量。

背景技术

暂冲式压气机实验台用于压气机试验件的气动性能测量，压气机试验件的气动功率是实验测量的重要部分。对于暂冲式压气机实验台，以往的压气机试验件的气动功率往往采用试验件进出口的总压、静压、总温等流场参数，通过气动函数进行计算获得，这种方法存在的误差较大，因为在暂冲式实验中，温度的测量总是有一定的滞后性，导致温度数据不准，从而导致压气机试验件的气动功率计算不准。

发明内容

针对现有技术的缺点和不足，本发明提出了一种气动试验件气动功率测量装置及方法，可以用于暂冲式压气机实验台对压气机试验件的气动功率测量，并给出了该方法进行试验件气动功率测量的计算方法。该气动功率测量装置及方法基于暂冲式压气机实验台增速过程和减速过程中转子系统的动能变化，可以不通过实验过程中的压力、温度等气动参数的测量结果，仅通过扭矩测量仪测得的扭矩及各部件的转动惯量，即可测得目标转速下压气机试验件的气动功率，避免了温度测量不准，导致的压气机试验件的气动功率计算不准的问题。

本发明为实现其技术目的所采用的技术方案为：

一种气动试验件气动功率的测量装置，用于对气动试验件的气动功率进行测量，其特征在于，所述测量装置包括储气罐、试验段、排气罐和驱动单元，其中，

所述储气罐通过管路与所述试验段的进气端连通，所述排气罐通过管路与所述试验段的排气端连通，所述试验段与储气罐之间的连通管路上设置快开阀，试验段与排气罐之间的连通管路上设置排气阀，所述排气罐还通过管路与一真空泵连通，

所述驱动单元包括电动机和齿轮箱，所述电动机通过一测扭器与所述齿轮箱的低速端驱动连接，所述齿轮箱的高速端通过一飞轮与设置在所述试验段中的气动试验件驱动联接，

利用所述测扭器测量增速过程中所述电动机在一预设转速ω₀及一增速加速度

下的扭矩，并利用所述测扭器测量减速过程中所述电动机在所述预设转速ω₀及一减速加速度

下的扭矩，结合所述齿轮箱、飞轮、气动试验件各自已知的转动惯量J₂、J₃、J₄，计算所述气动试验件在所述预设转速ω₀下的气动功率W_4,g。

优选地，所述测量装置对气动试验件的气动功率进行测量时，首先对所述气动试验件进行增速，具体为：关闭快开阀，利用所述真空泵将所述试验段抽成真空状态，起动所述电动机对所述气动试验件进行增速，利用所述测扭器测量所述电动机在一预设转速ω₀及该预设转速ω₀时已知的增速加速度

下的扭矩T_c,i。

进一步地，当所述气动试验件达到所述预设转速ω₀之上后，开启快开阀，电动机断电，所述储气罐内的实验气体由储气罐流向所述试验段，所述气动试验件进入减速过程，利用所述测扭器测量所述电动机的转速降低至所述预设转速ω₀时，在所述预设转速ω₀时已知的减速加速度

下的扭矩T_c,d。

进一步地，结合所述齿轮箱、惯性飞轮、气动试验件各自已知的转动惯量J₂、J₃、J₄，以及所述预设转速ω₀、增速加速度

减速加速度

并结合所述气动试验件在增速阶段所述测扭器测量的扭矩T_c,i、所述气动试验件在减速阶段所述测扭器测量的扭矩T_c,d，计算所述气动试验件在所述预设转速下的气动功率W_4,g。

优选地，利用公式

计算所述气动试验件在所述预设转速ω₀下的气动功率W_4,g。

优选地，所述气动试验件为压气机叶盘。

优选地，所述测量装置适用于暂冲式压气机实验台的试验件气动功率测量。

根据本发明的另一方面，还提供了一种利用上述测量装置对气动试验件进行气动功率测量的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

SS1.所述测量装置对气动试验件的气动功率进行测量时，首先对所述气动试验件进行增速，具体为：关闭所有快开阀，利用所述真空泵将所述试验段抽成真空状态，起动所述电动机对所述气动试验件进行增速，利用所述测扭器测量所述电动机在一预设转速ω₀及该预设转速ω₀时已知的增速加速度

下的扭矩T_c,i；

SS2.当所述气动试验件达到所述预设转速ω₀之上后，开启所有快开阀，电动机断电，所述储气罐内的实验气体由储气罐流向所述试验段，所述气动试验件进入减速过程，利用所述测扭器测量所述电动机的转速降低至所述预设转速ω₀时，在所述预设转速ω₀时已知的减速加速度

下的扭矩T_c,d；

SS3.结合所述齿轮箱、惯性飞轮、叶盘各自已知的转动惯量J₂、J₃、J₄，以及所述预设转速ω₀、增速加速度

减速加速度

并结合所述气动试验件在增速阶段所述测扭器测量的扭矩T_c,i、所述气动试验件在减速阶段所述测扭器测量的扭矩T_c,d，计算所述气动试验件在所述预设转速下的气动功率W_4,g。

优选地，步骤SS3中，利用如下公式计算所述气动试验件在所述预设转速ω₀下的气动功率W_4,g：

本发明提出的气动试验件气动功率测量装置及方法，其工作原理为：

所述测量方法的测量过程包含增速过程和减速过程两个阶段，在增速过程这一阶段，将快开阀关闭，储气罐内为实验气体，气体的压力为P，温度为T，采用真空泵将试验段抽成真空状态，认为在增速过程中，转子系统的空气阻力为零；对于增速过程，电动机为驱动装置，通过电机驱动转子系统转速不断升高，测扭器测得的扭矩功率为齿轮箱、飞轮、气动试验件(例如压气机叶盘)提供驱动功率，齿轮箱、飞轮、叶盘的动能变化：

式中，J₂为齿轮箱的转动惯量、J₃为惯性飞轮的转动惯量、J₄为叶盘的转动惯量。W_2,f为齿轮箱的摩擦阻力功率，W_3,f为惯性飞轮的摩擦阻力功率、W_4,f为叶盘的摩擦阻力功率；W_c,i为电动机的输出扭矩功率，即测扭器测得的增速过程中的扭矩功率。T_c,i为测扭器测得增速过程中的扭矩，ω_i为增速过程中的角速度；因此，齿轮箱、惯性飞轮、叶盘的摩擦阻力之和为：

当气动试验件转速达到预定目标后，电动机断电，快开阀开启，储气罐内的实验气体由储气罐流向试验段，测量进入减速过程，在减速过程这一阶段，系统开始减速，这一阶段转子系统转速不断降低，由部件转动惯量的变化驱动；对于减速过程，部件的转动惯量为蓄能装置，转动惯量的变化为系统提供驱动功率，系统无外界输入功率，因此：

式(3)中，W_4,g为叶盘对气体的做功功率；

所述测量方法在减速过程这一阶段，叶盘对气体的做功功率可以表达为(4)式：

式(4)中，W_c,d为测扭器测得的减速过程中的扭矩功率，T_c,d为测扭器测得减速过程中的扭矩，ω_d为减速过程中的角速度。

所述测量方法，测得的在实验转速为ω₀转速下的压气机叶盘的气动功率，可以通过式(2)和式(4)求得：

令ω_i＝ω_d＝ω₀，通过式(2)可求得齿轮箱、惯性飞轮、叶盘的摩擦阻力之和:

通过式(4)和式(5)可求得:

同现有技术相比，本发明的气动试验件气动功率测量装置及方法可以适用于暂冲式压气机实验台，具有显著的技术效果，基于暂冲式压气机实验台增速过程和减速过程中转子系统的动能变化，可以不通过实验过程中的压力、温度等气动参数，仅通过扭矩测量仪测得的扭矩及各部件的转动惯量，即可测得目标转速下压气机试验件的气动功率，避免了温度测量不准，导致的压气机试验件的气动功率计算不准的问题。

附图说明

图1为本发明的气动试验件气动功率测量装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

如图1所示，本发明的气动试验件气动功率测量装置，可以用于暂冲式压气机实验台对压气机试验件如叶盘的气动功率测量，用于对气动试验件11的气动功率进行测量，测量装置包括储气罐1、试验段2、排气罐3和驱动单元，其中，储气罐1通过管路与试验段2的进气端连通，排气罐3通过管路与试验段2的排气端连通，试验段2与储气罐1之间的连通管路上设置快开阀4，试验段2与排气罐3之间的连通管路上设置排气阀5，排气罐3还通过管路与一真空泵6连通，驱动单元包括电动机7和齿轮箱8，电动机7通过一测扭器9与齿轮箱8的低速端驱动连接，齿轮箱8的高速端通过一飞轮10与设置在试验段2中的气动试验件11驱动联接。

利用测扭器9测量增速过程中电动机7在一预设转速ω₀及一增速加速度

下的扭矩，并利用测扭器9测量减速过程中电动机7在预设转速ω₀及一减速加速度

下的扭矩，结合齿轮箱8、飞轮10、叶盘11各自已知的转动惯量J₂、J₃、J₄，计算气动试验件11在预设转速ω₀下的气动功率W_4,g。

以本发明具体用于暂冲式压气机实验台的试验件气动功率测量为例，根据测量要求，完成压气机试验件的气动功率测量。

1、已知齿轮箱、惯性飞轮、叶盘的转动惯量为：J₂＝0.03kg·m²；J₃＝0.5kg·m²；J₄＝0.01kg·m²。

2、在增速过程中，在转速ω₀＝10000rpm转速下，转速的变化率，即

扭矩测量仪测得的扭矩为T_c,0＝10.12Nm，因此，根据(2)式，ω₀＝10000rpm＝1046.67rad/s，齿轮箱、惯性飞轮、叶盘的摩擦阻力之和为：

3、当试验件转速达到12000rpm时，电动机断电，快开阀开启，储气罐内的实验气体由储气罐流向试验段，测量进入减速过程，在降速过程中，在转速ω₀＝10000rpm转速下，转速的变化率，即

扭矩测量仪测得的扭矩为T_c,d＝-0.61Nm。

4、根据(6)式，ω₀＝10000rpm＝1046.67rad/s求得试验件气动功率：

以上所述仅为本发明的较佳实例而已，并不用以限制本发明，凡依本发明专利构思所述构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种气动试验件气动功率的测量装置，用于对气动试验件的气动功率进行测量，其特征在于，所述测量装置包括储气罐、试验段、排气罐和驱动单元，其中，

所述储气罐通过管路与所述试验段的进气端连通，所述排气罐通过管路与所述试验段的排气端连通，所述试验段与储气罐之间的连通管路上设置快开阀，试验段与排气罐之间的连通管路上设置排气阀，所述排气罐还通过管路与一真空泵连通，

所述驱动单元包括电动机和齿轮箱，所述电动机通过一测扭器与所述齿轮箱的低速端驱动连接，所述齿轮箱的高速端通过一飞轮与设置在所述试验段中的气动试验件驱动联接，

利用所述测扭器测量增速过程中所述电动机在一预设转速ω₀及一增速加速度

下的扭矩，并利用所述测扭器测量减速过程中所述电动机在所述预设转速ω₀及一减速加速度

下的扭矩，结合所述齿轮箱、飞轮、气动试验件各自已知的转动惯量J₂、J₃、J₄，计算所述气动试验件在所述预设转速ω₀下的气动功率W_4,g；

所述测量装置对气动试验件的气动功率进行测量时，首先对所述气动试验件进行增速，具体为：关闭快开阀，利用所述真空泵将所述试验段抽成真空状态，起动所述电动机对所述气动试验件进行增速，利用所述测扭器测量所述电动机在一预设转速ω₀及该预设转速ω₀时已知的增速加速度

下的扭矩T_c,i；

当所述气动试验件达到所述预设转速ω₀之上后，开启快开阀，电动机断电，所述储气罐内的实验气体由储气罐流向所述试验段，所述气动试验件进入减速过程，利用所述测扭器测量所述电动机的转速降低至所述预设转速ω₀时，在所述预设转速ω₀时已知的减速加速度

下的扭矩T_c,d；

结合所述齿轮箱、惯性飞轮、气动试验件各自已知的转动惯量J₂、J₃、J₄，以及所述预设转速ω₀、增速加速度

减速加速度

并结合所述气动试验件在增速阶段所述测扭器测量的扭矩T_c,i、所述气动试验件在减速阶段所述测扭器测量的扭矩T_c,d，计算所述气动试验件在所述预设转速下的气动功率W_4,g；

利用公式

计算所述气动试验件在所述预设转速ω₀下的气动功率W_4,g。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述气动试验件为压气机叶盘。

3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述测量装置适用于暂冲式压气机实验台的试验件气动功率测量。

4.一种利用上述权利要求1至3任一项所述的测量装置对气动试验件进行气动功率测量的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

SS1.所述测量装置对气动试验件的气动功率进行测量时，首先对所述气动试验件进行增速，具体为：关闭快开阀，利用所述真空泵将所述试验段抽成真空状态，起动所述电动机对所述气动试验件进行增速，利用所述测扭器测量所述电动机在一预设转速ω₀及该预设转速ω₀时已知的增速加速度

下的扭矩T_c,i；

SS2.当所述气动试验件达到所述预设转速ω₀之上后，开启快开阀，电动机断电，所述储气罐内的实验气体由储气罐流向所述试验段，所述气动试验件进入减速过程，利用所述测扭器测量所述电动机的转速降低至所述预设转速ω₀时，在所述预设转速ω₀时已知的减速加速度

下的扭矩T_c,d；

SS3.结合所述齿轮箱、惯性飞轮、叶盘各自已知的转动惯量J₂、J₃、J₄，以及所述预设转速ω₀、增速加速度

减速加速度

并结合所述气动试验件在增速阶段所述测扭器测量的扭矩T_c,i、所述气动试验件在减速阶段所述测扭器测量的扭矩T_c,d，计算所述气动试验件在所述预设转速下的气动功率W_4,g。

5.根据权利要求4所述的测量的方法，其特征在于，步骤SS3中，利用如下公式计算所述气动试验件在所述预设转速ω₀下的气动功率W_4,g：

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