Измерение эффективной мощности двигателя

Важнейшим объектом измерения при испытании двигателя является его эффективная мощность. Для изме­рения крутящего момента, а следовательно, и эффективной мощности двигателя при стендовых испы­таниях применяют тормозные динамометры или просто тормо­зы. С помощью тормозов осуще­ствляется поглощение работы, совершаемой двигателем, и од­новременное измерение среднего значения крутящего момента.

Таким образом, тормозы могут быть применимы при установив­шемся режиме работы двигате­ля. Работа двигателя, при осуще­ствлении нагрузки его тормозом, тратится на преодоление гидравлического сопротивления в гидравлических тормозах и сил электромагнитного взаи­модействия в электрических тормозах. Наибольшее применение в стендо­вых испытаниях двигателей имеют гидравлические тормозы.

На рис. 181 показана принципиальная схема гидравлического тормоза. На валу тормоза 2, который соединяется с валом двигателя, имеются диски 1, вращающиеся вместе с ним. Корпус тормоза 3, опираясь на подшипники 5, может поворачиваться относительно оси вала тормоза. Полость корпуса тормоза заполняется водой. При вращении вала тормоза 2 вода, увлекаемая дисками 1, стремится повернуть корпус тормоза в том же направлении, а мо­мент РL, создаваемый грузом Р, подвешенным на рычаге 4, противодей­ствует этому.

Таким образом, при установившемся режиме работы двигателя тор­мозной момент, направленный против вращения ротора тормоза, уравнове­шивает равный ему, но противоположно направленный крутящий момент, приложенный к валу тормоза. Совершаемая при этом работа превращается в теплоту, которая нагревает воду, протекающую через тормоз. Груз 6 уравновешивает вес рычага 4.

На рис. 182 приведена конструкция гидравлического тормоза с регу­лированием величины тормозного момента величиной наполнения корпуса его водой. Вода подводится в этом тормозе по трубе 2 и гибкому шлангу 5,а отводится по трубе 3. Груз подвешивается к рычагу 6 на тарелку 1, вес рычага уравновешивается грузом 4. Наряду с указанным рычажным изме­рением тормозного момента применяется измерение и с помощью маятни­ковых весов.

Как известно, эффективная мощность двигателя выражается через кру­тящий момент М и число оборотов вала его n следующей формулой:

Если градуировка шкалы (весом) тормоза отнесена к плечу, равному 716,2 мм, то формула для подсчета эффективной мощности двигателя при­нимает вид

где Р — показание тормоза в кГ.

Каждый тормоз имеет свою характеристику — зависимость между мощ­ностью, поглощаемой тормозом, и числом оборотов ротора. Начальный _ участок этой характеристики при максимальном заполнении тормоза прибли­жается к кубической параболе. Верхняя точка участка характеристики соот­ветствует максимальному значению крутящего момента. Кроме того, на характеристике указываются точки, соответствующие максимальной мощ­ности, поглощаемой тормозом, и максимально допустимому числу оборотов ротора его.

Тормозы с регулируемым слоем воды более просты по конструкции, но имеют непостоянство величины тормозного момента, возникающее в ре­зультате самопроизвольных колебаний толщины слоя воды. Поэтому за показания такого тормоза надо принимать среднее значение из нескольких следующих один за другим отсчетов. Гидравлические тормозы, правильно подобранные и находящиеся в хорошем состоянии, позволяют производить измерение крутящего момента вала двигателя с относительной ошибкой, не превышающей 1—2%.

Для измерения эффективной мощности двигателя, установленного на судне, применяются торсионные динамометры (торсиометры), с помощью которых производится измерение угла закручивания вала, передающего крутящий момент двигателя. Зависимость между углом закручивания вала, т. е. угла относительного поворота двух сечений вала, взятых на расстоянии l между ними, и крутящим моментом, приложенным к этому валу, выражается формулой:

Величина относительного смещения фланцев муфт торсиометра в зави­симости от типа его измеряется механическим, оптическим или электри­ческим путем. Существует большое разнообразие конструкций торсиомет­ров, но все они обладают громоздкостью и малой точностью измерения, а по­тому в практике все они нашли весьма малое применение. Наиболее перcпективными являются торсиометры, основанные на применении электри­ческих методов измерения угла закручивания вала. Из их числа следует назвать электротензометрический торсиометр и фотоэлектронный торсио­метр. Электротензометрический торсиометр основан на измерении мгновен­ных значений крутящего момента и числе оборотов вала с помощью метода проволочной тензометрии. Тензомост составляется из четырех датчиков, наклеиваемых на поверхность вала под углом 45° к образующей. Деформа­ция поверхностных волокон вала при его скручивании, а следовательно, и деформация проволоки датчиков вызывает разбаланс моста. Напряжение с измерительной диагонали моста подается на усилитель и регистрируется после усиления с помощью осциллографа или самописца. В результате измерения определяются касательные напряжения на поверхности вала по формуле

Схемы наклейки проволочных датчиков на вал и включения их в цепь усилителя показаны на рис. 183, а и б.

Фотоэлектронный торсиометр основан на измерении сдвига фаз между сигналами двух датчиков, закрепленных в двух сечениях вала. Специальная электронная схема позволяет преобразовать сигналы от датчиков в прямо­угольные импульсы. Средняя величина тока в цепи регистрирующего при­бора пропорциональна сдвигу фаз токов датчиков, а следовательно, пропор­циональна углу закручивания вала.

Рассмотрим схему установки торсиометра ЛИВТа. На вал 3 с помощью стяжных болтов устанавливаются растры 1 (рис. 184). Они выполняются разъемными, что позволяет монтировать их на валу без разборки валопровода. К поверхности вала растры прижимаются базовыми ножами 2.

Малая поверхность опоры уменьшает погрешность определения базы прибора до ± 0,5 мм. Края растров имеют прямоугольные радиальные про­рези шириной 1 мм, через которые луч света от осветителя 4 проходит к фо­тосопротивлению 5.

При вращении вала прорези растра через определенные промежутки времени пропускают луч света на фотосопротивление, которое в эти моменты генерирует фототок. Таким образом возникают импульсы тока. Нетрудно видеть, что ширина проре­зей и расстояние между ними являются основными параметрами прибора, вли­яющими на точность изме­рения. Действительно, с уменьшением расстояния между прорезями возра­стает число импульсов, что обеспечивает более точное определение угла сдвига фаз.

Кроме того, на точ­ность измерения влияет скорость кромки прорези. Чем больше скорость, тем быстрее будет открываться источник света и тем быстрее во времени возрастает фототок от нуля до своего максимума, иначе, получаем более крутой фронт импульса. Последнее необ­ходимо потому, что триггер, входящий в электрическую схему, срабатывает при достаточной крутизне переднего фронта импульса.

Высота прорезей принимается примерно в 2 раза больше высоты рабо­чего поля фотосопротивления, что исключает влияние радиальных колеба­ний вала на работу прибора. В корпусе осветителя помещена лампочка мощ­ностью 15 вт. Объектив от микроскопа служит для получения отчетливого изображения нити накаливания на поле фотосопротивления. Возникающие импульсы тока не являются строго прямоугольными и не имеют достаточно большую амплитуду для работы измерительного прибора. Поэтому предва­рительно эти импульсы усиливаются и преобразуются в прямоугольные импульсы с достаточной крутизной переднего фронта. Эту функцию выпол­няет усилительно-формирующий блок на полупроводниках. Для нормальной работы триггера сформированные импульсы дифференцируются, в результате чего получаем импульсы с малой длительностью. Эти импульсы поступают на вход триггера. Триггер — это импульсное устройство, имеющее два устойчивых состояния равновесия, которое может переходить от одного состояния равновесия в другое с помощью внешнего воздействия (импульса). Причем при переходе триггера (срабатывании) из одного состояния в другое изменяется величина напряжения на коллекторах полупроводников. При подаче импульсов от двух датчиков в общей цепи триггера в зависимости от фазового сдвига между импульсами течет различный ток, который воздейст­вует на измерительный прибор, вызывая отклонение стрелки последнего. По отклонению стрелки определяют угол закручивания вала.

Этот тип торсиометра позволяет измерить в широком диапазоне скоро­стей крутящий момент с допустимой погрешностью.

Вследствие того что в эксплуатации судовых дизелей до сих пор еще не получил широкого применения прибор для замера крутящего момента греб­ного вала, определение эффективной мощности производится по косвенным

показателям. В качестве косвенных показателей мощности, развиваемой двигателем, приняты его часовой расход топлива и температура отработав­ших газов. Основано это на том, что эффективная мощность и крутящий мо­мент двигателя являются функцией расхода топлива, количественная оцен­ка которой определяется следующими вы­ражениями:

На основании стендовых испытаний головного двигателя указанные зависимости при различных числах оборотов вала представляются графи­чески, как это показано на рис. 185 и 186.

Как следует из предыдущего, температура отработавших газов (за вы­пускным коллектором) зависит от мощности двигателя, количественную оцен­ку которой, также по данным стендовых испытаний, представляют графи­чески (рис. 187).

При испытании судна и его силовой установки данные графические зависимости используются как паспортные характеристики, по которым и определяют мощность, развиваемую двигателем. Для этого в испытываемый период работы судна измеряют часовой расход топлива и число оборотов ко­ленчатого вала двигателя, работающего на гребной винт. Откладывая по оси ординат значения G_т на графике (см. рис. 185) или G_т/n на графике (см. рис. 186), на оси абсцисс найдем искомыe N_e или М_е. В качестве допол­нения и проверки эффективную мощность двигателя определяют и по замеренной температуре отработавших газов t_г, для чего пользуются графиком, приведенным на рис. 187.