一种用于测量旋转机械功率的方法及系统技术方案

本发明专利技术提出了一种用于测量旋转机械功率的方法及系统，由于辅助冷却水循环系统出水管路的管径与水力测功机的水腔容积相比较小，即使出水管路上的调节阀全部打开或关闭，调节水腔内水量的速度也有限，仅通过常规调节出水管路上的调节阀的方法难以满足快速调节的要求，本发明专利技术通过在水力测功机的辅助冷却水循环系统进水和出水管路上各设置一个调节阀，当被测动力设备对水力测功机的瞬态运行调节速度有较高要求时，采取同时调节辅助冷却水循环系统进水和出水管路上两个调节阀的方法，并且两个调节阀的开度均通过PID控制，从而来达到尽可能快的调节水腔内水量的目的，最大限度地克服水力测功机加载调节的滞后特性，提高了其瞬态运行调节速度。此外，还进一步给出了改善水力测功机工作不稳定性和稳定条件下的PID参数设置无法满足瞬态运行快速调节的方法。置无法满足瞬态运行快速调节的方法。置无法满足瞬态运行快速调节的方法。

【技术实现步骤摘要】
一种用于测量旋转机械功率的方法及系统


[0001]本专利技术属于动力设备的测功领域，涉及一种用于测量旋转机械功率的水制动系统，具体为一种水力测功机瞬态运行的快速调节方法及系统。

技术介绍

[0002]目前，常用的测功设备主要有水力测功机、电力测功机、惯性测功机、扭矩测功机、磁粉测功机等，不同类型的测功设备各有其特点。水力测功机因结构简单、造价低廉、易维护维修、功率密度高及适用范围广等特点，仍用于测量各种动力设备的功率，尤其是重型或大功率发动机的功率测量。
[0003]水力测功机的制动系统主要由水力测功机本体和辅助冷却水循环系统组成，本体主要包括主轴、定子及主轴上的转子三部分，定子与转子上的凹坑构成了水腔，辅助冷却水循环系统确保了水腔的供水和排水。被测动力设备的动力输出轴与水力测功机主轴上的转子传动连接，当被测动力设备带动水力测功机的转子与定子产生相对转动时，具有一定压力的冷却水从带有孔的定子流入水腔，转子带动水腔内部的水形成强烈旋转。由于冷却水与水腔表面之间的摩擦和冲击等作用，机械能通过冷却水从转子传递到定子转化为热能。同时，因冷却水与定子之间的相对运动而产生制动扭矩，使水力测功机的壳体绕支点摆动，制动扭矩通过力臂传给拉压力传感器，实现被测动力设备扭矩、转速及功率的测量。最终，冷却水从水力测功机的定子与转子外边缘之间的环形间隙排出。
[0004]从工作原理来看，水力测功机的制动扭矩通过水腔内的冷却水量来控制，水腔内的水量越大，旋转过程中转子与定子之间形成的水层就越厚，制动扭矩也就越大，而水腔内的水量取决于进、出口的冷却水流量。水力测功机的制动扭矩通过水腔内的冷却水量来控制，以上特点决定了水力测功机的工作过程中有两个缺点：首先，水力测功机的测量精度受到冷却水流量的影响，即使水腔内的水量微小变化也会引起扭矩改变，难以获得恒定的转速，导致稳定性较差,影响测量数据的稳定性和精度；其次，水力测功机的制动特性滞后，由于水腔内的水量调节能力较差，且水量的变化需要一定的时间，使得水力测功机的制动扭矩或转速变化较慢，导致瞬态运行的调节速度缓慢,影响测试动态性能。通常情况下，为了提高水力测功机工作的稳定性，被测动力设备的负载制动扭矩通过安装在水腔出口处的流量调节阀来控制，进口处的冷却水压力通过高位水箱保持稳定，但由于出口处的流量调节阀响应容易出现滞后，使水力测功机在瞬态运行下的调节性能较差，会出现转速超调或振荡的现象。因此，水力测功机更适用于稳态速度调节精度和瞬态运行调节能力要求不高的动力设备稳态测试。

技术实现思路

[0005](一)专利技术目的
[0006]针对现有技术的上述缺陷和不足，为在确保水力测功机工作稳定的前提下，最大限度提高其瞬态运行调节速度，本专利技术提出了一种用于测量旋转机械功率的方法及系统，
由于辅助冷却水循环系统出水管路的管径与水力测功机的水腔容积相比较小，即使出水管路上的调节阀全部打开或关闭，调节水腔内水量的速度也有限，本专利技术通过在水力测功机的辅助冷却水循环系统进水和出水管路上各设置一个调节阀，当被测动力设备对水力测功机的瞬态运行调节速度有较高要求时，采取同时调节辅助冷却水循环系统进水和出水管路上两个调节阀的方法，并且两个调节阀的开度均通过PID控制，从而来达到尽可能快的调节水腔内水量的目的，最大限度地克服水力测功机加载调节的滞后特性,提高了其瞬态运行调节速度。此外，由于现有技术中尚无相关的水力测功机设计、调试及运行等标准可参考，本专利技术还给出了具体调试方法。
[0007](二)技术方案
[0008]为实现该专利技术目的，解决相应的技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
[0009]一种水力测功机瞬态运行的快速调节系统，至少包括一水力测功机和一与所述水力测功机传动连接的被测动力设备，所述水力测功机的转速和/或制动扭矩根据所述被测动力设备的输出转速和/或功率来确定，其特征在于，
[0010]所述水力测功机至少包括一水力测功机本体和一与所述水力测功机本体相适配的辅助冷却水循环系统，其中，
[0011]所述水力测功机本体至少包括一整体呈环形的测功机定子和一设置在主轴上的测功机转子，所述测功机转子同轴设置在所述测功机定子内，且所述测功机定子的内壁表面上以及所述测功机转子的外壁表面上均阵列设置有凹坑，所述测功机定子与测功机转子之间的环形间隙以及二者表面上的凹坑形成为测功机水腔；
[0012]所述辅助冷却水循环系统，至少包括一高位水箱、一热水池、一冷却塔、一冷水池，其中，所述高位水箱的设置高度高于所述水力测功机，且所述高位水箱通过一进水管路与所述测功机水腔的进口连通，所述热水池通过一出水管路与所述测功机水腔的出口连通，所述热水池通过一冷却塔与所述冷水池连通，且所述热水池与冷却塔之间的连通管路上设置有第一水循环泵，所述冷水池通过一设置有第二水循环泵的连通管路与所述高位水箱连通，
[0013]所述进水管路上至少设有一进水调节阀，所述出水管路上至少设有一出水调节阀，且所述进水调节阀、出水调节阀上分别对应设置有PID控制器，通过两所述PID控制器同时调节所述进水调节阀、出水调节阀的开度，以快速调节所述测功机水腔内的水量，并通过调节两所述PID控制器的PID参数设置来改变所述进水调节阀、出水调节阀的响应速度，使之与所述水力测功机运行的瞬态特性匹配。
[0014]优选地，所述水力测功机的主轴通过一齿轮箱与所述被测动力设备的动力输出轴传动连接。
[0015]优选地，在所述被测动力设备转速保持不变的条件下，为提升所述水力测功机瞬态运行的调节速度，若所述被测动力设备的负荷增大，则增大所述进水调节阀的开度，并减小所述出水调节阀的开度，使所述测功机水腔内的水量迅速增加，从而快速升高所述水力测功机的制动扭矩；若所述被测动力设备的负荷降低，则减小所述进水调节阀的开度，并增大所述出水调节阀的开度，使所述测功机水腔内的水量迅速减小，从而快速降低所述水力测功机的制动扭矩。
[0016]优选地，在所述水力测功机的制动扭矩保持不变的条件下，为提升所述水力测功
机瞬态运行的调节速度，若所述被测动力设备的负荷增大，则增大所述进水调节阀的开度，并减小所述出水调节阀的开度，使所述测功机水腔内的水量迅速增加，从而快速降低所述水力测功机的转速；若所述被测动力设备的负荷降低，则减小所述进水调节阀的开度，并增大所述出水调节阀的开度，使所述测功机水腔内的水量迅速减小，从而快速升高所述水力测功机的转速。
[0017]优选地，当所述被测动力设备的输出转速和/或扭矩在设定值之下时，所述进水调节阀的控制策略为开环控制，首先将所述进水调节阀的初始开度设置为最小开度，以保证所述测功机水腔内总是存在一定量的冷却水，随着所述被测动力设备的输出转速和/或扭矩逐渐增大，逐渐增加所述进水调节阀的开度，以增加进入所述测功机水腔的冷却水流量；所述出水调节阀的控制策略为闭环控制，并根据所述水力测功机的转速和/或制动扭矩来调节其开度，以控制冷却水的排出量。
[0018]进一步地，所述进水管路上还至少设有一流量计本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水力测功机瞬态运行的快速调节系统，至少包括一水力测功机和一与所述水力测功机传动连接的被测动力设备，所述水力测功机的转速和/或制动扭矩根据所述被测动力设备的输出转速和/或功率来确定，其特征在于，所述水力测功机至少包括一水力测功机本体和一与所述水力测功机本体相适配的辅助冷却水循环系统，其中，所述水力测功机本体至少包括一整体呈环形的测功机定子和一设置在主轴上的测功机转子，所述测功机转子同轴设置在所述测功机定子内，且所述测功机定子的内壁表面上以及所述测功机转子的外壁表面上均阵列设置有凹坑，所述测功机定子与测功机转子之间的环形间隙以及二者表面上的凹坑形成为测功机水腔；所述辅助冷却水循环系统，至少包括一高位水箱、一热水池、一冷却塔、一冷水池，其中，所述高位水箱的设置高度高于所述水力测功机，且所述高位水箱通过一进水管路与所述测功机水腔的进口连通，所述热水池通过一出水管路与所述测功机水腔的出口连通，所述热水池通过一冷却塔与所述冷水池连通，且所述热水池与冷却塔之间的连通管路上设置有第一水循环泵，所述冷水池通过一设置有第二水循环泵的连通管路与所述高位水箱连通，所述进水管路上至少设有一进水调节阀，所述出水管路上至少设有一出水调节阀，且所述进水调节阀、出水调节阀上分别对应设置有PID控制器，通过两所述PID控制器同时调节所述进水调节阀、出水调节阀的开度，以快速调节所述测功机水腔内的水量，并通过调节两所述PID控制器的PID参数设置来改变所述进水调节阀、出水调节阀的响应速度，使之与所述水力测功机运行的瞬态特性匹配。2.根据权利要求1所述的水力测功机瞬态运行的快速调节系统，其特征在于，所述水力测功机的主轴通过一齿轮箱与所述被测动力设备的动力输出轴传动连接。3.根据权利要求1所述的水力测功机瞬态运行的快速调节系统，其特征在于，在所述被测动力设备转速保持不变的条件下，为提升所述水力测功机瞬态运行的调节速度，若所述被测动力设备的负荷增大，则增大所述进水调节阀的开度，并减小所述出水调节阀的开度，使所述测功机水腔内的水量迅速增加，从而快速升高所述水力测功机的制动扭矩；若所述被测动力设备的负荷降低，则减小所述进水调节阀的开度，并增大所述出水调节阀的开度，使所述测功机水腔内的水量迅速减小，从而快速降低所述水力测功机的制动扭矩。4.根据权利要求1所述的水力测功机瞬态运行的快速调节系统，其特征在于，在所述水力测功机的制动扭矩保持不变的条件下，为提升所述水力测功机瞬态运行的调节速度，若所述被测动力设备的负荷增大，则增大所述进水调节阀的开度，并减小所述出水调节阀的开度，使所述测功机水腔内的水量迅速增加，从而快速降低所述水力测功机的转速；若所述被测动力设备的负荷降低，则减小所述进水调节阀的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张海松，王波，赵德材，田勇，郭朝红，梁世强，徐祥，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
国别省市：