二级轴流式微涡轮气动马达试验装置设计与性能测试

Design and performance testing of a test platform for two-stage axial flow microturbine air motor

摘要

为测试厘米级可变喷嘴式二级轴流微涡轮气动马达的输出性能和输入输出映射关系，揭示设计工况下流动损失机理和能量转换效率，在绝热等熵条件下，建立了二级轴流涡轮式气动马达输出转矩和功率计算公式，获得了输入状态参数与输出转矩、功率的定量关系。研制的专用微涡轮马达试验装置可以采集出入口压力、流量、温度、转速和转矩等物理量并实现转换输出，试验获得了气源供气压力、喷嘴入口压力与体积流量之间的定量关系。在喷嘴绝对入口压力为300、224 kPa时，测试了二级轴流涡轮马达的输出功率和转矩，发现入口压力为300 kPa，速度系数为0.22时效率最高，输出效率和输出功率分别为56%、78 W。理论计算和试验结果对比表明，试验装置能够较好地测试微涡轮马达输出特性，为后续全面测试厘米级微涡轮马达的性能提供了试验条件。

Abstract

In order to test the output performance and input-output mapping relationship of centimeter-scale variable nozzle two-stage axial flow micro-turbine air motor, and reveal the flow loss mechanism and energy conversion efficiency under design conditions, the calculation formula for output torque and power of two-stage axial flow turbine air motor was established under adiabatic isentropic condition, and the quantitative relationship between input state parameters and output torque and power was obtained. The special microturbine motor testing device can collect physical quantities such as inlet pressure, flow rate, temperature, speed and torque and realize the conversion output. The quantitative relationship between air supply pressure, nozzle inlet pressure and volume flow rate is obtained. When the absolute inlet pressure of the nozzle is 300 kPa and 224 kPa, the output power and torque of the two-stage axial flow turbine motor are tested. It is found that the maximum efficiency is achieved when the inlet pressure is 300 kPa and the velocity coefficient is 0.22, and the output efficiency and output power are 56% and 78 W, respectively. The comparison of theoretical calculation and experimental results shows that the test device can better test the output characteristics of the micro-turbine motor, and provides experimental conditions for the subsequent comprehensive performance test of the centimeter-level microturbine motor.

Graphical abstract

关键词

二级轴流式 / 微涡轮 / 气动马达 / 试验装置 / 性能测试

Key words

two-stage axial flow / micro-turbine / air motor / testing device / performance test

压缩空气驱动的厘米级微涡轮马达具有结构紧凑、坚固耐用、工作时不发热、易实现高转速、无污染且安全防爆等优点，非常适合驱动微型化产品，被广泛应用于便携式能源装置、微主轴及医疗器具等产品中，具有巨大的发展潜力和广泛的应用前景^[1-2]。但微涡轮特征尺寸减小导致的叶型二维化，使气流状态和涡轮叶型参数对涡轮马达工作特性的影响变得更为显著。微涡轮内部叶栅流道狭窄，黏性和边界层效应对流场的影响凸显，涡轮湍动能损失和边界层损失增加，现有大型涡轮试验方法和试验装置已不能满足微涡轮马达的测试要求^[3-6]，直接测量微涡轮马达气动和输出特性难度增大。因此，开发专用试验装置，对于验证微涡轮马达仿真模型有效性，探究能量转化效率，揭示损失机理具有重要的现实意义。

国内外学者对于微涡轮马达工作效率和输出特性的测试方法开展了一定的研究。Shan等^[7]采用高速摄像机和光纤传感器测量了平面径流涡轮转速，测得最大转速为9 000 rpm。Li等^[8]采用MTI-2100 Fotonic传感器测量了微涡轮气动主轴的径向运动误差与刚性，当供应压力为0.52 MPa时，利用光学传感器测得主轴转速约120 000 rpm。Zhang等^[9]采用主轴误差分析仪对空气涡轮主轴进行了测量，该测量系统由精密电容传感器和温度传感器、数据采集单元、探头架和研磨器组成。Müller等^[10-11]采用微型麦克风测量主轴的声音频率，通过傅里叶变换计算出气动主轴转速。Juraeva等^[12]将牙钻手机附在磁铁上，用示波器测量输出频率，然后推导出牙钻手机的转速。Harris等^[13-14]为了测试研制样机的涡轮主轴性能，开发了专用试验台，使用光学传感器测量主轴转速，空气质量流量和压力传感器测量入口流量和压力，并将涡轮主轴与发电机连接，利用功率计测量产生的电流和电压，进而计算涡轮主轴输出功率和效率。Adelmann等^[15]采用增材制造技术打印出外形尺寸为12 mm×44 mm的涡轮马达，使用数字激光装置测量了微涡轮马达怠速时的转速，在进气口尺寸为1.5 mm、压力为3 bar时，最大转速达到90 000 rpm。以上研究表明，由于微涡轮特征尺寸小，且具有输出转速高、转矩小、难测量等特点，而现有试验装置无法满足二级轴流微涡轮气动马达性能测试需求，如何准确测试微涡轮输出转矩和功率成为研究的难点。

为测试二级轴流微涡轮气动马达的输出特性，探究输入与输出的映射关系和能量转换效率，本文基于涡轮机械工作原理和空气动力学理论，开发了一套微涡轮气动马达专用试验装置，可采集涡轮马达的出入口压力、温度、转速等运行工况参数，获取马达输入、输出能量，评价微涡轮马达的能量转换效率，结合后续的计算流体力学分析，探究微涡轮工作过程中的损失机理，为厘米级微涡轮马达在变工况下的性能测试奠定基础。

1 结构与工作原理

1.1 设计要求

为满足微主轴、牙医用手机及作为便携式能量转换装置的驱动需求，综合现有商业化微涡轮马达存在的问题，分析国内外文献数据中涡轮马达技术参数，确定二级轴流微涡轮马达设计参数（表1）。当微涡轮气动马达入口和出口绝对压力分别为300、101 kPa（1个大气压）时，转速达到100 000 rpm，马达输出转矩为10 mN⋅m，最大输出功率为100 W。

微涡轮气动马达在亚音速状态下工作时，为简化理论计算作如下假设：

1) 压缩空气为理想气体，涡轮马达工作时水平放置，忽略重力对气流的影响；

2) 空气的膨胀为绝热等熵过程；

3) 在涡轮马达入口、出口处的气体为均匀状态，各特征截面上的温度和压力相同。

1.2 工作原理与特征截面选取

二级轴流微涡轮气动马达由外壳、转子系统、轴承以及挡圈组成，以压缩空气为动力，采用部分进气方式推动转子系统旋转进而带动钻头、铣刀、磨头或微型发电机等部件运动，实现空气压缩能到机械能的转换。转子系统是微涡轮气动马达的核心部件，由喷嘴涡轮、一级转子、二级转子、导向涡轮和转轴组成。喷嘴涡轮周向均匀布置12个斜置式喷嘴，通过喷嘴与配流盘配合，实现两喷嘴、三喷嘴和四喷嘴方式工作，满足不同工况的使用要求。一级转子、二级转子、导向涡轮叶片数互质，以防止高速工作时发生颤振。各涡轮外形如图1所示。

为分析涡轮马达内部流场及各涡轮出入口的状态量，选取气动马达的特征截面，如图2所示。喷嘴前的特征截面以0—0表示，用于布置入口压力和温度传感器，喷嘴与一级转子之间的特征截面以1—1表示，一级转子后的特征截面用2—2表示。二级转子前、后的特征截面分别为1′—1′、2′—2′，在特征截面2′—2′安装出口压力和温度传感器。

图3为二级轴流涡轮马达的速度图，由一、二级转子的前、后速度三角形叠合而成，c、u、w分别表示对应特征截面上气流的绝对速度、牵连速度和相对速度，下标为对应特征面的编号。为保证导向叶片出口与二级转子入口工作时无攻角损失，选取导向叶片的进口角等于α₂，二级转子进气角等于{\beta }_{\mathrm{1}}^{\text{'}}，如图4所示^[16]。

为了回收能量，降低一级转子的余速损失，在一级转子后安装导向涡轮，气流流过导向涡轮时变换方向后再次冲击二级转子做功。微涡轮马达输出功率为一级和二级转子做功量之和，可利用式(2)和式(4)计算获得。

1.3 二级涡轮输出转矩与功率

在定常流动中，单级轴流微涡轮绕旋转轴的动量矩方程为

\mathrm{\Sigma }{M}_Z=G\left(c_{\mathrm{2}u}{r}_{\mathrm{2}}-c_{\mathrm{1}u}{r}_{\mathrm{1}}\right)(1)

气流对单级涡轮所输出的轴功用欧拉方程可表示为

N=G\omega \left(c_{\mathrm{1}u}{r}_{\mathrm{1}}-c_{\mathrm{2}u}{r}_{\mathrm{2}}\right)(2)

对于二级轴流涡轮来说，压缩气体对叶轮的转矩由一级转子和二级转子组成，根据速度三角形和式(1)得

\mathrm{\Sigma }{M}_Z=G\left[\left(c_{\mathrm{1}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\alpha }_{\mathrm{1}}{r}_{\mathrm{1}}-c_{\mathrm{2}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\alpha }_{\mathrm{2}}{r}_{\mathrm{2}}\right)+\left(c_{\mathrm{1}}^{\mathrm{\text{'}}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\alpha }_{\mathrm{1}}^{\mathrm{\text{'}}}{r}_{\mathrm{1}}^{\mathrm{\text{'}}}-c_{\mathrm{2}}^{\mathrm{\text{'}}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\alpha }_{\mathrm{1}}^{\mathrm{\text{'}}}{r}_{\mathrm{2}}^{\mathrm{\text{'}}}\right)\right](3)

式中：M_Z、G、N分别为主轴输出转矩、质量流量和输出轴功；r_{\mathrm{1}}、r_{\mathrm{2}}、r_{\mathrm{1}}^{\mathrm{\text{'}}}、r_{\mathrm{2}}^{\mathrm{\text{'}}}分别为喷嘴、一级转子、导向轮及二级转子的中径，满足r_{\mathrm{1}}=r_{\mathrm{2}}=r_{\mathrm{1}}^{\mathrm{\text{'}}}=r_{\mathrm{2}}^{\mathrm{\text{'}}}。

气流对二级轴流涡轮输出的轴功

N=Gu\left[\left(c_{\mathrm{1}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\alpha }_{\mathrm{1}}-c_{\mathrm{2}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\alpha }_{\mathrm{2}}\right)+\left(c_{\mathrm{1}}^{\text{'}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\alpha }_{\mathrm{1}}^{\text{'}}-c_{\mathrm{2}}^{\text{'}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\alpha }_{\mathrm{1}}^{\text{'}}\right)\right](4)

式(3)和式(4)是试验装置进行评价的依据。通过对理论计算和试验获得的输出转矩和功率进行综合分析，评估试验装置测量结果的准确度。

假定压缩空气在喷嘴内为绝热流动，则流经喷嘴的空气流速满足

c_{\mathrm{1}}=\sqrt[]{\frac{\mathrm{2}\kappa }{\kappa -\mathrm{1}}\mathrm{R}{T}_{\mathrm{0}}\left[\mathrm{1}-{\left(\frac{p_{\mathrm{1}}}{p_{\mathrm{0}}}\right)}^{\frac{\kappa -\mathrm{1}}{\kappa }}\right]+c_{\mathrm{0}}^{\mathrm{2}}}(5)

式中：\kappa为空气绝热指数，p_{\mathrm{0}}、p_{\mathrm{1}}为喷嘴入口和出口绝对压力，R为气体常数，对压缩空气\mathrm{R}=\mathrm{287.14}\mathrm{J}/(\mathrm{k}\mathrm{g}\cdot \mathrm{K})，T₀为喷嘴入口绝对温度，c_{\mathrm{0}}\mathrm{、}{c}_{\mathrm{1}}为喷嘴入口和出口速度。由式(5)可以看出，通过减小出入口压比p_{\mathrm{1}}/p_{\mathrm{0}}，可以提高喷嘴处气流出口速度。

式(6)为理论绝热效率计算公式。

\eta =\frac{N}{w{G}_{\mathrm{1}}}(6)

式中：\eta为气动马达总效率，包括气动马达机械效率和绝热效率，w为1 kg压缩气体对气动马达所做的绝热理论功，G_{\mathrm{1}}为气动马达耗气量。

1 kg压缩气体对气动马达所做的绝热理论功w可用式(7)表示

\begin{array}{l}w=\frac{\kappa }{\kappa -\mathrm{1}}\left(\frac{p_{\mathrm{0}}}{{\rho }_{\mathrm{0}}}-\frac{p_{\mathrm{1}}}{{\rho }_{\mathrm{1}}}\right)+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left(v_{\mathrm{0}}^{\mathrm{2}}-v_{\mathrm{E}}^{\mathrm{2}}\right)\\ =\frac{\kappa }{\kappa -\mathrm{1}}\frac{p_{\mathrm{0}}}{{\rho }_{\mathrm{0}}}\left[\mathrm{1}-{\left(\frac{p_{\mathrm{1}}}{p_{\mathrm{0}}}\right)}^{\frac{\kappa -\mathrm{1}}{\kappa }}\right]+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left(v_{\mathrm{0}}^{\mathrm{2}}-v_{\mathrm{E}}^{\mathrm{2}}\right)\end{array}(7)

式中：{\rho }_{\mathrm{0}}、{\rho }_{\mathrm{1}}为喷嘴入口和出口特征面上的空气密度，v_{\mathrm{0}}\mathrm{、}{v}_{\mathrm{E}}为马达气源流速和排气速度。

2 测试试验台搭建

2.1 微涡轮气动马达测试方案

为测试厘米级高速微涡轮气动马达主轴转矩和功率，结合气动马达结构及试验条件制定测试方案，如图5所示。该方案可以测试气动马达出入口压力、出入口温度、主轴转速、耗气量等状态参数。微涡轮马达尺寸为30 mm×58 mm，传感器及试验装置的尺寸和结构都需要与之匹配。为保证采集数据的准确性和快速响应性，试验装置同时配备了数字显示仪表，可实时显示转速、流量和温度，数据通过采集卡采集，在计算机界面上汇总输出结果。

图6为马达供气系统实物图。试验装置通过减压阀调节气源供气压力，调速针阀调整马达入口流量，数显流量计测量和显示供气流量。由于气路使用外径12 mm、内径8.3 mm的气管，而微涡轮气动马达在喷嘴入口处为20 mm×8 mm的圆柱空腔，使得压力表所显示的压力值与喷嘴入口处的实际压力值不一致，需要在喷嘴入口处安装压力传感器，通过试验测定气源压力与喷嘴入口压力的对应关系。

马达转速测试系统由测速盘、光电传感器和数显仪表组成。光电传感器选用日本欧姆龙公司的EE-SX870-2M光纤传感器，响应频率为3 kHz，可以满足涡轮马达的转速测试要求。测速盘为削边圆盘，安装在马达旋转轴上，马达每旋转1圈，测试盘会阻断光电传感器2次，产生2个脉冲信号，并被转速数显仪表记录下来并变送为0~5 V电压信号，传输给数据采集系统进行数据统计和分析，转速测试原理如图7所示。

通过提供不同压力和流量的空气，喷嘴涡轮获得不同的初始气流速度。在测试过程中，通过设置合适的采样频率来保证刷新时间，以满足速度测量要求。微涡轮马达的输出转矩T_t 通过式(8)计算获得。

T_t-T_{\mathrm{f}}=J\frac{\mathrm{2}\mathrm{\pi }}{\mathrm{60}}\frac{n}{t}(8)

在进行正式试验前，需要先测量涡轮马达转子系统的摩擦转矩T_{\mathrm{f}}。测试摩擦转矩时，设定好压力、调整好流量，打开测试软件和气路开关，当马达转速稳定下来，等待10 s后关闭气路开关，让马达自由减速停止，再等待10 s停止测试，一个实验周期结束。在没有供气状态下涡轮转矩T_t =0，根据转速n、转动惯量J和加减速时间t，可按式(8)计算出微涡轮马达摩擦转矩T_{\mathrm{f}}。图8为喷嘴入口压力为224、300 kPa时，微涡轮马达加减速过程中速度随时间的变化曲线，每条测试曲线都包括启动加速段、匀速运行段和停止降速段。从图8可以看出，随着入口压力的增加，启动加速段的斜率变大，匀速运行段的转速增加，说明涡轮马达输出转矩变大，启动能力增强。当涡轮马达在设计工况下转速达到匀速运行段时，马达输出转矩为摩擦转矩与负载转矩之和。停止降速段与启动段相比，减速斜率变小，说明马达在自由减速过程中需要更长时间停止。

2.2 传感器与数显仪表的选择

涡轮气动马达在运转过程中，需要测试出口处的压力、流量、温度、转速等物理量，以获取气动马达在负载状态下的工作特性。在马达试验样机上需安装8个传感器，由于涡轮马达结构尺寸小，要求传感器结构紧凑、方便安装、测量精确度高，满足数据采集卡变送输出要求。各传感器的技术参数如表2所示。试验装置配备三支外径为2.5 mm的Pt100热电阻，用于检测涡轮马达的喷嘴入口、导向轮及出口处的温度，输出信号连接到三通道显示仪表，温度可实时显示出来；配备2套螺纹尺寸为M6×1的压力变送传感器，量程为0~1.6 MPa，精度为0.5%；选用日本CKD公司的FSM2-NVF201-S081流量传感器，可以实时显示流量值，测量分辨率达到1 L/min，最大测量流量为200 L/min。

2.3 测试试验台组成

本试验装置由机械部分、电气部分、气动部分及数据采集分析系统四部分组成，为保证涡轮式气动马达试验装置结构紧凑、安装调试方便，四个子系统都固定在试验装置的配电箱上，总体结构布局如图9所示。

2.4 数据采集与数据处理

数据采集系统核心部件为北京阿尔泰公司生产的USB5831数据采集卡，通过专用控制软件采集各传感器的输出信号，电压分辨率为mV级，采集信号输入到通道CH8-CH14，数据采集软件控制界面如图10所示。每次启动气动马达都要达到稳定状态后再记录数据，采集的信号要存储1 000个样本值，然后进行数据后续处理。

3 试验装置性能测试

3.1 气源供气压力和流量与喷嘴入口压力对应关系

试验装置通过减压阀、调速针阀调节气源压力和流量，使气源绝对压力保持在400 kPa和600 kPa，通过改变涡轮马达入口体积流量，测试涡轮马达喷嘴入口压力。对比马达未安装测速盘（空载）和安装测速盘（负载）两种状态，获得喷嘴入口压力(p₀)随着入口的体积流量Q的变化规律，如图11所示。

从图11可知，当调速针阀从开度最小调整到最大时，最大流量可以达到220 L/min，喷嘴入口压力值为361 kPa。随着入口体积流量的增加，与空载状态相比，负载状态下的压力差值在逐渐增加，马达输出转矩也大于空载状态。当气源入口压力为600 kPa、流量为200 L/min时，负载状态下的入口压力值要比空载时高33.6 kPa。在空载和负载两种状态下，气源压力分布曲线相差小，说明在外部气源流量波动的情况下，喷嘴入口压力保持基本稳定，由此表明，涡轮马达受外围气源压力波动影响较小。从曲线总体趋势上看，当流量较小时，初始压力增幅较小，随着流量逐渐增加，压力值增加近似线性变化。当流量达到200 L/min以上时，喷嘴入口压力出现明显升高，这说明此时气源供气量充足，供气流量大于涡轮马达的耗气量。

3.2 试验与理论计算对比分析

图12揭示了在不同入口压力下，转矩随转速的变化规律。在转速相同情况下，随着入口压力的增加，输出转矩也相应提高。在相同入口压力时，随着转速的增加，输出转矩有所下降，说明在外部负载变化时，马达可通过调整转速，平衡外部负载，具有自调节特性。从下降的趋势来看，在四种入口压力下，转矩曲线走势相似，说明在不同入口压力下，涡轮马达转子系统工作稳定，在低速段可以达到相同转速，但是喷嘴入口压力在144 kPa时，涡轮马达最高空载转速只能达到48 000 rpm，而喷嘴入口压力在300 kPa时，最高转速可以达到100 000 rpm，说明微涡轮马达可通过调整入口压力的方式获得更高转速。

为保证试验装置评估的准确性，首先对传感器的计量精度进行检定，然后对试验采集数据与理论计算进行统计分析，获得入口压力为300 kPa时转矩、功率随转速的变化规律，如图13所示。可以得出，理论计算与试验结果的转矩和功率变化趋势相同，转矩随转速的增加而减小，输出功率随转速增加呈先增后降的趋势。当转速为82 000 rpm时，功率达到最大值，其绝热等温计算为98 W，试验测定为78 W，为理论计算的79.6%，存在一定的差值。这是因为，理论计算时假设涡轮马达工作时为绝热等熵条件，忽略马达摩擦损失、叶型损失和余速损失等，实际马达工作过程中会受到涡轮转子轴系结构、压力波动等因素的综合影响，试验得到的转矩曲线和功率曲线相较于理论计算曲线出现下移，但从总体来看，试验装置能够测试微涡轮马达的输出特性。

速度系数X₁为喷嘴出口气流速度c₁与涡轮圆周速度u的比值，对微涡轮马达的能量转换效率影响显著，是评价试验装置测试精准度的重要参数，其受到喷嘴出口压力p₁和入口压力p₀比值的影响，如图14所示。从图14(a)中可以看出，随着喷嘴压比p₁/p₀的减小，速度系数对转速影响越显著，总体呈线性关系。在绝热情况下，在速度系数X₁=0.27，喷嘴出入口压比为0.41时，涡轮转速为100 000 rpm。由图14(b)可以看出，设计点（用圆角表示）在压比为0.41时，马赫数为0.98，接近音速，但受限于喷嘴的结构，气流速度不可能超过音速。

图15揭示了入口压力为300 kPa时，速度系数X₁对轴流式涡轮气动马达输出效率的影响。由图15可知，随着速度系数X₁的增加，计算与试验所得效率曲线都呈先升后降的特点，近似为抛物线形，说明一定压力下都存在一个最佳速度系数使输出效率达到最高。而当速度系数相同时，因叶型损失、机械损耗、余速损失等因素的影响，试验获得的效率要低于理论分析的效率。在速度系数为0.22时，输出效率达到峰值，理论计算效率为0.74，试验效率结果为0.56，为理论计算效率的75%。通过理论计算和试验结果对比可知，两种方法的效率随速度系数变化曲线数值接近、变化趋势相同，说明试验装置能够测量出轴流式涡轮气动马达的工作效率。由图15可得，微涡轮马达在设计工况下工作时，在效率最高点对应的速度系数附近，马达的能量转换效率也较高；而在变工况下工作时，因负载转矩的变化，速度系数远离最高效率点，实际效率就会低于设计工况的效率。

3.3 涡轮马达输出特性分析

图16为入口压力分别为300 kPa和224 kPa时，速度系数对于微涡轮马达输出功率和效率的影响，可以看出，随着速度系数X₁增加，输出功率和效率呈先增后降的特性，效率和功率曲线变化趋势相同。当入口压力为224 kPa时，效率最高点发生在速度系数为0.23时，此时输出效率和输出功率分别为33%、30 W；当入口压力为300 kPa时，效率最高点发生在速度系数为0.22时，此时输出效率和输出功率分别为56%、78 W。在不同入口压力，喷嘴流道截面积相同的情况下，喷嘴出口气流速度不同，其最佳值与入口压力和喷嘴出口气流角有关，试验所用微涡轮马达样机的喷嘴几何气流出口角为28.4°，设计工况下最佳绝热总速比为0.22。说明微涡轮马达在设计工况下（即入口压力为300 kPa）工作时，微涡轮马达的最高效率为56%。

4 结论

本文对二级轴流式微涡轮气动马达的输出转矩、功率及测试方法开展研究，开发了专用试验装置，通过理论计算和试验测试，对比分析了转矩、功率和效率的测试精度，获得如下结论：

1) 在绝热等熵条件下，建立了二级轴流涡轮式气动马达转矩和功率的理论计算公式，获得了输入状态参数与输出转矩、功率和效率的映射关系。

2) 研究了二级轴流涡轮马达各物理量的测试方法，搭建了专用微涡轮马达试验装置，可以测量出入口压力、流量、温度、转速和转矩等物理量。通过专用测试软件可以实现数据的转换和统计分析。

3) 获得了气源供气压力、喷嘴入口压力与流量之间的定量匹配关系。在喷嘴入口压力为300 kPa、224 kPa时，测试了二级轴流涡轮马达的输出功率和转矩。在设计工况下（即喷嘴入口压力为300 kPa）工作时，微涡轮马达的最高效率为56%。获得了速度系数对涡轮马达的输出功率和效率的影响规律，验证了微涡轮马达试验装置的测试性能，为后续针对二级轴流微涡轮输出性能、损失机理研究提供了试验条件。

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基金资助

内蒙古自治区自然科学基金项目(2021LHMS05005)

内蒙古自治区科技计划项目(2023YFSH0053)

内蒙古自治区直属高校基本科研业务费项目(ZTY2023003)

内蒙古自治区直属高校基本科研业务费项目(Y20220203)