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液力偶合器的工作原理
液力偶合器的工作原理
% y" M0 _0 G2 P6 y f* N( M& b概述
, |! L/ @* ~7 {- Q液力偶合器又称液力联轴器，是以液体为工作介质，利用液体的动能的变化来传递能量的叶片式传动机械。1 L( B, K) {, t% n
它具有空载启动电机，平稳无级变速等特点，用于电站给水泵的转速调节，可简化锅炉给水调节系统，减少高压阀门数量，由于可通过调速改变给水量和压力来适应机组的起停和负荷变化，调节特性好，调节阀前后压降小，管路损失小，不易损坏，使给水系统故障减少，当给水泵发生卡涩、咬死等情况时，对泵和电机都可起到保护作用。故现代电站中，机组锅炉给水泵普遍采用了带液力偶会器的调速给水泵。
7 {, I0 T1 I+ W! H& m9 T+ \$ x偶合器的工作原理$ _- S5 @! \ _$ [, X0 M’ h
图3-1偶合器的基本结构及其工作示意图。主要部件有：泵轮、涡轮、转动外壳、、输入轴、输出轴及勺管。通常，转动外壳与泵轮是在外缘用法兰用螺栓联接。. I) ~, U, l/ J2 f. A8 q3 _$ y) @
泵轮与涡轮称为工作轮，两轮中均有叶片，两轮分别与输入、输出轴相联接，它们之间是有间隙的，泵轮和涡轮均有径向尺寸相同的腔形，所以，合在一起形成工作油腔室，工作油从泵轮内侧进入，并跟随动力机一起作旋转运动，油在离心力的作用下，被甩到泵轮的外侧，形成高速油流冲向对面的涡轮叶片，流向涡轮内侧逐步减速并流回到泵轮的内侧，构成了一个油的循环。
* s1 F" o9 N4 Y8 o2 r工作液体在工作腔中的绝对流动是一个三维运动。
- F: e5 P’ B1 w转动外壳与泵轮联接后包围在涡轮之外，使工作液体能贮于泵轮之中。
8 ^# j# {! L* k5 r输入轴与动力机相联（如电机），输出轴与被驱动机相联（如水泵）。1 ^2 N4 {7 A+ H" K, n) a2 e
当偶合器工作油腔充满油时（见图3-1 (a)),能量最大，传递扭矩的能力最大，当偶合器工作油腔排空油时（见图3-1 (b)),能量最小，传递扭矩的能力最小。如果利用一件可在偶合器中作径向移动的勺管来调节工作油腔内的油层厚度，把勺管以下内侧的循环园中的油导走，以改变工作腔内的油量，则偶合器传递的扭矩将随着勺管的上下移动带来工作腔内的油量变化，这就实现了偶合器的调速功能。" u2 x) Y m8 @- L4 C; V. x3 `
偶合器的滑差率S、效率η$ T! R7 u" J$ v3 n
1．偶合器的滑差率S, Q5 a& f. }. w# [’ `
实际上，偶合器在运转中，其泵轮转速（nB表示）一定要稍大涡轮的转速（nt表示）只有这样，循环园泵轮出口油压才能高于涡轮入口油压，从而完成扭矩的传递。我们把泵轮、涡轮的转速差与泵轮转速之比称作液力偶合器的滑差，用S表示，即有：6 x, B2 {, r# ]+ T7 c
S =n B-n tn B …………(3-1)
’ h1 }/ o5 d+ _" {1 D! B, h从(3-1)式中可以看出n t /n B为两轮的传动比，用i表示。
, E5 i3 X$ v& C/ g. f在偶合器的名牌上，我们引用额定滑差率的慨念，所谓额定滑差即为：偶合器传递额定负荷时的滑差乘以百分之百，用S额％表示。
& Q% G3 z/ s) b9 E/ e1 d- [2．偶合器的传动效率η0* p3 V" v4 `: {4 o
液力偶合器在工作过程中的能量损失主要是液体在工作腔内流动的流动损失和进入工作轮入口处的冲击损失，工作轮与空气摩擦损失以及轴承、密封、齿轮付等的机械损失，所以，液力偶合器的输出功率N2总是小于输入功率N1，二者的比值就是偶合器的传动效率η0。
: F+ |% z7 u1 `, u( E η0＝N2N1 ＝ηv.ηm.ηh …………(3-2)
’ m9 H& w5 i* Y% e; S2 m) J式中，ηv、ηm、ηh分别为容积效率、机械效率和液力效率。5 L2 a% o; E8 f4 i’ k3 \& }: z7 ?5 u
从泵轮中流出的工作液体，绝大部分进入涡轮，并有很少一部分可能通过工作轮之间的轴向间隙直接流向泵轮人口，另有很少一部分从涡轮与转动外壳间的间隙流出，而未流人涡轮，这就引起了容积损失。但是，这一损失量是相当小的，若忽略这一损失，则ηv＝1。
6 U( A: h# M" I’ l+ L机械效率ηm为工作轮输入扭矩与输出扭矩之比，其中，’ z* b1 l4 S. ~
ηBm＝泵轮对液体的作用扭矩原动机对泵轮的输入扭矩 ＝ M B-YM B …………(3-3). x) m1 l( Q’ n- u2 O/ p
ηTm＝ 涡轮输出扭矩液体对涡轮的作用扭矩 ＝ M TM Y-T …………(3-4)
: H’ N, I7 ^# l$ v+ E" M6 ^7 F ?4 cηTm——泵轮的机械效率7 ^6 O0 f |( j# g, x2 N
ηTm——涡轮的机械效率/ w: x3 Z {0 C2 ]- U: I8 L
ηh——液力效率,它包括了液体流动时的内摩擦损失，液体与工作轮壁间的摩擦损失及液体流入工作轮时的冲击损失等。- K4 \) x% T( D! P, F, \5 ] U
考虑了以上三种损失后(3-2)式变为
g. b$ Y6 N6 d; a* kη0＝ N2N1 ＝ M T.n TM B. n T ＝ M Y-T.ηTm .n T MB-Y ηBm n B ＝ M Y-T MB-Y .ηBm.ηTm. n T n B
# S$ D- l% k. L# \! e …………(3-5)
+ f9 ]0 [) Y8 l( N9 x比较(3-2)、(3-5)式得：
0 U, k! V* F: A: x9 ?% }3 {6 C+ Iηv＝M Y-T MB-Y # K ^% m. r6 V `4 ]3 P. y; V
ηm＝ηBmηTm
$ G’ ^5 B1 g! W7 b9 S1 Cηh＝n T n B
6 j’ A. }- _$ V& s若我们认为ηv、ηm均很小，趋于1，则(5)变为:3 j% b2 l6 w \; |) J% U" @1 x
η0＝n T n B ＝i (3-6)
& |3 o- V9 `9 k+ d5 C即有结论：偶合器传动效率等于其传动比。
9 k0 y( P* |4 H/ n1 W( |图3-2所示是液力偶合器效率特性曲线，它是通过坐标原点的一条直线，在A点以后，以虚线示表。在nT/nB之比为1时，效率等于0，这是因为当偶合器在高传动之比时，泵轮、涡轮转速相当接近，工作腔内液体的循环流动明显减弱，传递的有效扭矩极小，而摩擦损失的扭矩所占比重相对增加，所以，效率明显低于传动比，在nT/nB＝0.97~0.99间η0达最大值，以后不在随涡轮转速的增加而增加，而是很快地下降为零。这说明，此时η0＝nT/nB的关系已不适用了，也说明了偶合器的效率永远不可能到1。
4 s’ t1 Q’ k6 f% D! _带增速齿轮的液力偶合器的效率，还应考虑传动齿轮的传动效率,即ηm不能近似于1。. G h7 k; E* i( Q& m3 U
以上分析可知，从偶合器工作轮本身来讲，应该长期处于高传动比下工作，才能获得最佳经济效益。
* i: g# a2 I9 Q3 U( y) u2 m液力偶合器的特性。
0 b’ i* @; E! P0 M: V/ q8 d1．液力偶合器的外特性
6 I2 ^1 Z* F6 f液力偶合器的外特性是指当工作腔中工作液体充满程度一定，维持泵轮转速不变（nB= 常数）时，其扭矩M，效率η0与涡轮转速nt的关系，即以：M＝f(nT）。
0 H9 M# O7 ^) G关于M＝f(nT）。通常是用试验方法求得，试验时要求工作液体的温度保持常数，以保持工作液体的物理特性不变。
3 i9 W; u* h3 I, w b# |0 z- T0 N8 @2．偶合器的原始特性 N: v- j5 g% D8 a) u’ l# Q
首先，我们要引入偶合器的传递扭矩的基方程式，图3-3所示即为偶合器外特性曲线，它是通过试验方法求得的，由图3-3可以看出，液力偶合器传递扭矩的能力随充液量的减少而减少，随传动比的减少而增大。如果用q来表示工作腔室的充油程度，则q=1.0称为全充油，由图3-3可见：q=1.0时，扭矩曲线光滑，而q较小时，扭矩特性曲线不光猾，这时，偶合器处于不稳定工作区。5 @% m0 [: Q4 s2 N2 v’ r
在偶合器中装有一件可作径向移动的勺管后就能够任意改变其工作腔中的充液量，则在泵轮转速nB不变的情况下，便可改变涡轮转速，从而实现对偶合器所传动的机械进行无级调速。
- Y* _2 U2 N8 Q’ t B q M＝λMγnB2D5 N.m …………(3-6)2 Z4 X6 l. Q/ T4 u$ x
式中：
& p# h1 z1 C/ O4 W1 e- P- n. z λM—— 扭矩系数,min/m
* g6 k/ F: G* B) L" r) t$ M: F γ——工作油重度，kg／m3+ c6 L; x7 p’ r$ M’ @’ P
nB ——泵轮转速，r／min
6 D" Y3 {/ X4 G) d( O+ t: _( \ D ——偶合器叶轮有效直径>，m3 B- L4 P/ N1 W( z* U: N9 ^
从(3-6)式我们可以看出，对每一台偶合器而言，给出一组nB时，就可以得出一组调M＝f（nB），即同一台偶合器可作出无穷多余外特性曲线。
0 Z" ~7 x- `7 Z然而，对几何相似的偶合器，如果泵轮转速都不低于一定的值，保证偶合器中流体运动具有动力相似的条件（即雷诺数Re在自动模化区彼此相等），则这些偶合器在相同的nT/nB，具有相同的矩系数λM值，也就是说，符合相似条件的偶合器，它们的扭矩系数λ随传动比变化的规律是相同的，即具有相同λ＝f（nT/nB）曲线，我们称该曲线为偶合器的原始特性，这样，对于同一台偶合器，在不同的泵轮转达下，所得出的原始特性也是相同的。
( }* B* @8 @’ @+ D; d3 t8 Y$ Jλ＝MγD5n B2 min2/m ………… (3-7)
* R! m( Y% N1 X- p9 t/ Y! a8 X式中符号的意义与(6)式相同。 _( B5 l; v2 ?3 H
(a)λ=f(i)负荷特性曲线 (b)λ=f(i，L)调速特性曲线5 R) x5 P" D$ H8 ^# w7 G [
图3-4所示即为我厂生产的YOT51液力偶合器的原始特性，它是通过试验得到的。& e6 b+ X6 {1 ?: e/ c( t
偶合器的发热量与冷油器的配置
$ l. C n/ [5 L2 Z# E7 Z0 `" n3 z调速型液力偶合器在调速工作过程中，不可避免地存在滑差失损，然而这一损失最终将全部转化为热量，这些热量一部分通过偶合器零件，向周围空气散发，但大部分是加热了工作液体。使工作液体温升，这样会影响偶合器的工作能力，产生不良的机械后果。所以，偶合器要配置工作液冷油器。 w% I" | W* }2 s
正常工作时，由偶合器功率损失转换的热量为：! c6 [ S’ V1 J) F( T
Q＝100N（1—η0） J/S …………(3-8)
+ _: j4 O1 a" {5 C! K, c 式中： N——偶合器的输入功率，kW8 C# e" R ^! r, O2 p7 j. Y
η0——偶合器的效率; u/ r: g% Q# s" c/ I
对于被传动机械为水泵等的叶片机械负载的调速型液力偶合器，当NT降低时，输出功率也降低，在nT/nB=0.66时，功率损失最大，这时发热最Q亦最大，工作油冷油器的计算就是以此为根据的。
( T7 t) V/ G$ P! y5 N" z六、 偶合器的转向和推荐的工作介质种类
5 \" m8 t7 x. a" m& N3 Y3 ^1．偶合器的转向
t5 W/ v# b+ h) \) _& E由于偶合器的涡轮是靠其泵轮来冲转的，所以涡轮的旋转方向始终和泵轮旋方向一致。
/ q; z# T1 `; _( ]" o2．工作介质推荐牌号% l. ^, \4 l6 _1 Q; D
电站调速锅炉给水泵配套使用的液力偶合器的工作液体通常推荐20号或22号汽轮机油，并建议对工作液体作定期的抽样检查。
) p# n9 H9 c* |. ]’ j’ `- |7 N调速型液力偶合器在电站锅炉给水泵应用中的经济性: r; P9 u% S& u7 F
发电厂中锅炉给水泵的容量大，压力高，特别对要求用变速调节来适应负荷的变化的情况，采用液力偶合器后，对启动工况及运行中的变工况都有着重大的经济意义。
H7 [3 L8 }- m) v2 y: I图3-5所示的是锅炉给水泵工作特性。H-Q曲线为给水泵流量与扬程特性曲线，△h-Q曲线为给水泵系统管路阻力特性曲线，二者的交点是某工况下的工作点，给水泵转速为n1，相应的流量和扬程为QA和HA当工况变化时，设要求流量为QB。这时若水泵转速不变时，则工作点将从A点移至B点，相应的扬程为HB。这时只能用改变管路阀门的开度获得，即关小阀门，采用节流调节来满足负荷要求。若采用液力偶合器，使给水泵转速由n1降至n2，因为管路中间阀门的开度不变，所以工作点沿着通过A点的系统管阻力特性曲线移至B点，相应的流量和扬程为QB和HB。这样，与给水泵转速不变时用阀门调节相比，从图3-5中可以看到，减少了节流损失△H，从而提高了经济柱，由图3-5还可以看出，只要给定了QA 、QB的范围，相对应的偶合器的调速范围n1～n2亦就确定了。( y8 p3 r$ @# A% ^
由于给水泵的功率与转递交化成三次方的关系，而偶合器的涡轮与给水泵轴相联接，因而采用调速来满足机组负荷的变化要求所带来的经济效益是相当可观的。
: B: w$ U) q9 V5 J% R v% ]7 P8 F以上是从锅炉给水泵工作特性，说明了给水泵采用调速和阀门调节二种方式中．采用调速更具有经济性的一面，然而系统增加了一台液力偶合器，它毕竟也是要消耗一定量的能量的，所以只有研究了给水泵降低转速带来的经济效益与偶合器本身的功率损耗的差值后，才对电站具有实际经济意义。
’ v9 F8 p5 X) T图3-6给出了液力偶合器与给水泵联合工作时功率与传动比的关系。图3-6中η0是偶合器的效率曲线；NB是输入功率；NT是输出功率。△N是功率损失，由图3-6中可知，在i≈0.66时，虽然偶合器的传动效率η0随着传动比i的减少而降低，但传动中损失功率△N也在减少，这就提供了给水量很小情况下的变速调节经济性。 [5 E8 k3 F9 y$ l" ?* Z
目前，偶合器的传动比i = 0.25~0.98之间运行是比较稳定的。
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