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液力偶合器
时间:2020-03-27

一、 液力耦合器的名词解释

以液体为工作介质的一种非刚性联轴器,又称液力联轴器。

如图:



液力耦合器的泵轮和涡轮组成一个可使液体循环流动的密闭工作腔,泵轮装在输入轴上,涡轮装在输出轴上。动力机(内燃机、电动机等)带动输入轴旋转时,液体被离心式泵轮甩出。这种高速液体进入涡轮后即推动涡轮旋转,将从泵轮获得的能量传递给输出轴。最后液体返回泵轮,形成周而复始的流动。

液力耦合器靠液体与泵轮、涡轮的叶片相互作用产生动量矩的变化来传递扭矩。它的输出扭矩等于输入扭矩减去摩擦力矩,所以它的输出扭矩恒小于输入扭矩。液力耦合器输入轴与输出轴间靠液体联系,工作构件间不存在刚性联接。

二、 液力耦合器的工作过程

液力耦合器主要由泵轮、涡轮、转动外壳、主动轴及从动轴等构件组成,见图8—10。液力耦合器和传动齿轮安装在一个箱体内,功率传输从电动机到液力耦合器,再传到泵上。泵轮装在与原动机轴相连的主动轴上(或第一级增速齿轮轴上),相当于离心泵的叶轮;涡轮装在与泵相连的从动轴上(或第二级增速齿轮轴上),相当

于水轮机的叶轮,两轮彼此不接触,相互之间保持几毫米的轴向间隙,不能进行扭矩的直接传递。泵轮和涡轮的形状相似,尺寸相同,相向布置,合在一起很像汽车的车轮,分开时均为具有20~40片径向直叶片的叶轮,涡轮的片数一般比泵轮少1~4片,以避免产生共振。这种叶轮的后盖板及轮毂在轴面上形成两个对称的碗状投影,且与叶片共同组成沿圆周对称分布的几十个凹形流道,称为工作腔。每个工作腔的进、出口均沿轴向,且在叶轮同侧,运行时工作油就在两轮的凹形工作腔内循环流动。为防止工作油泄漏,一般在泵轮外缘还用螺栓连接旋转外壳,将涡轮密封在壳内。

泵轮和涡轮形成的工作油腔内的油自泵轮内侧引入后,在离心力的作用下被甩到油腔外侧形成高速的油流,并冲向对面的涡轮叶片,驱动涡轮一同旋转。然后,工作油又沿涡轮叶片流向油腔内侧并逐渐减速,流回到泵轮内侧,构成一个油的循环流动圆,见图8—11。

图8 11液力稍合器中工作油循环

在涡轮和转动外壳的腔中,自泵轮和涡轮的间隙(或涡轮上开设的进油孔)流入的工作油随转动外壳和涡轮旋转,在离心力的作用下形成油环。这样,工作油在泵轮内获得能量,又在涡轮里释放能量,完成了能量的传递。由于流体只能依靠压降在主、从动轮问流通,这就要求涡轮的转速低于泵轮的转速,即泵轮和涡轮之间必须有转速差。泵轮转速和涡轮转速之差与泵轮转速的比值,称为转差率或滑差s,在额定工况下滑差为输入转速的2%~3%。滑差的大小与耦合器主、被动叶轮中充油量的多少有关。

如果不计泵轮、涡轮内的流动阻力,那么泵轮和涡轮的力矩相等,即。若把两者的旋转角速度分别记作,不计机械损失和容积损失(工质泄漏等),则工质从泵轮得到的功率为,涡轮从工质得到的功率为,则耦合器的效率为

(8-1)

可见,在不计流动损失、机械损失和容积损失的理想情况下,耦合器的传动效率等于它的转速比。另外,转速比i与滑差s有如下的关系,即

(8—2)

也就是说,滑差等于转速差除以泵轮转速。

当工质物性参数保持恒定时,泵的扭矩M、耦合器效率与转速比i的变化关系,称为液力耦合器的外特性。图8—12是液力耦合器的外特性曲线。

由图8—12可以看出,液力耦合器的效率随着转速比i的增大呈直线增大,而扭矩M则呈下降趋势。当到达A点之后,扭矩M迅速下降,当i=0.99时,M=0。对液力耦合器的要求是既要有高的效率,又要有足够大的扭矩M,故通常设计时取i=0.95~0.975。

由于耦合器在运转时,其动力的传递是依靠泵轮、涡轮之间能量交换进行的,若两者以同样的转速回转,泵轮工作油的出口压力等于涡轮工作油的进口压力,此时两者的工作油不存在压差,无法形成环流,所以工作油的循环流动油量为0,即虽然有油,但并不流动,其传动扭矩为0。反之,如果涡叶轮不转(相当于给水泵停运状况),而泵轮以某一转速旋转,工作油在压力差的作用下形成环流,对涡轮作用很大的传动扭矩,但没有推动涡轮旋转做功,这时传动效率也等于0。


耦合器的这些特性使其在启动、防止过载及调速方面具有极大的优越性,因为电动机只和耦合器的泵轮相连接,启动之前如将耦合器流道中的液体排空,电动机启动时只带上耦合器部分喷量就可轻载启动了。之后,逐步对耦合器的流道充油,就能可控地逐步加大其传递的力矩,电动机的负荷逐渐增大。另外,在正常工作时,耦合器有不大的滑差,当涡轮的阻力矩突然增大时,耦合器的滑差s会自行增大,此时电动机仍可继续运转而不致停车,从而可避免整个动力传动系

统遭到冲击,防止动力过载。在耦合器上装上调速机构后,就可以在运行中任意改变耦合器流道中工作油的充满程度。因此,在主动轴转速不变的情况下可以实现涡轮的无级调速。

三、 液力耦合器的油系统

耦合器油路根据功能不同分为两路,一路是工作油路,一路是润滑油路,两者使用同样的油。提供工作油循环和润滑油循环的齿轮泵由液力耦合器的输入轴驱动。启停、发生故障的情况下由辅助油泵提供润滑。

液力耦合器工作时,功率损失转换为热量使工作油油温升高,勺管将热油排出,经冷油器冷却后与工作油泵补充的较冷的油汇合,再进入液力耦合器做功。润滑油系统除自身需要外,还可提供包括工作机、电动机的轴承润滑用油。润滑油泵输出的润滑油分别经过溢流阀、冷油器、滤网后进入润滑油母管,以提供机组轴承润滑,回油仍进人液力耦合器油箱内。工作油泵与润滑油泵同轴安装于耦合器箱体内,由输人轴经过传递齿轮带动。在机组处于备用状态时,由一电动辅助齿轮油泵提供系统润滑油,见图8—15。

1.工作油系统

工作油回路由一个闭式回路与一个叠加在它上面的开式回路构成。因此充油过程可以是变化的,并可以改变耦合器内循环圆的充油量。齿轮泵通过一个压力整定阀进入工作油回路来对液力耦合器注油;通过一个可调的节流口供给耦合器的工作油;通过勺管调节耦合器的注油量。在动态压力的作用下工作油通过分配室,工作油冷油器,可调节流口回到耦合器。齿轮泵提供的多余油量将通过另一个压力释放阀回到油箱。

在闭合回路里,工作油泵将耦合器油箱内的油经油管调节阀供给耦合器开始工作的用油,然后利用勺管前部产生的油流动压,经过冷油器、止回阀与工作油泵供给的油再流回耦合器内,形成循环回路。调节阀控制耦合器进油量的多少。

开放回路由工作油泵与溢流阀组成,其作用是调节循环圆的供油量,当耦合器所需的供油量降低时,则工作油泵过量的供油可以通过溢流阀重新回到油箱;当由于管路内油量泄漏以及输出轴增速造成供油量减少时会及时地给予补充,剩余的油再经过溢流阀回到油箱。

2.润滑油系统

齿轮泵经过止回阀、润滑油冷油器和可切换的双滤油器送到各个轴承、压力开关和传动齿轮。

润滑油泵将油箱中的油加压后经止回阀、安全阀、润滑油冷油器与双向滤油器、节流孔板通往泵组各轴承、齿轮箱润滑冷却,同时在节流孔板前有一路作为控制勺管的压力用油。润滑油压力通过一个压力释放阀设定在2.5bar。为了保证轴承在耦合器启动、停止和发生故障的情况下轴承的润滑,应配有一台辅助油泵,用于主电动机启动前和停止后的供油。辅助油泵也是由电动机带动,从油箱中抽油通过一个止回阀进入油循环。在电动给水泵启动前,应先启动辅助油泵,使各轴承得到充分润滑后,才可启动电动给水泵,停运前也应开启。

3.外部供油

电动机、驱动机械、联轴器的润滑油来自润滑油回路,剩余的油再经过溢流阀回到油箱。

四、 勺管的调节原理

调速型液力耦合器是在主动轴转速恒定的情况下,通过调节液力耦合器内油的充满程度实现从动轴无级调速的。耦合器的流道充油量越多,其传递力矩越大,涡轮的转速也就越高,所以可通过改变工作油量来调节涡轮的转速,以适应给水泵的调速需要。目前调节机构多采用勺管调速机构,见图8—13。

勺管根据控制信号动作,由于控制轴的齿轮和勺管的齿轮相啮合,所以当转动调节杆带动控制轴的齿轮动作时,勺管也跟着移动。图8—13所示,通过曲柄和连杆带动扇形齿轮轴旋转,扇形齿轮与加在勺管上的齿条相啮合,从而带动勺管在工作腔内作垂直方向的运动,改变液力耦合器内的充油量,以实现输出转速的无级调节。

勺管操作方式采用电液伺服机构。电液伺服系统由一个电磁执行器、一个双作用液压缸和一个位置检测器组成。电磁执行器接收4~20mA的控制信号,并由此信号控制执行器的位置,电液伺服系统的位置由一个有内部定位器的电磁阀控制。信号触发磁力控制器动作。电磁力是通过控制多向液压阀的活塞来进行控制的。位置检测器能检测位置差,并将信号反馈到定位器。系统能够能精确而迅速地进行操作。这样就可使耦合器进行“软启动”(例如,电动机在耦合器转动外壳少油的情况下启动,伺服机构非常迅速地将油充人转动外壳,这样就能迅速启动了)。

图8-14为勺管控制阀及其与之相连的勺管的结构细部,图中位置处于满负荷位置,此时勺管伸出部分最少,同时阀芯和阀套也处于平衡位置,没有调节油流动。当需要降低联轴器输出转速时,凸轮旋转一定角度,勺管控制阀芯在弹簧作用下相应向上有一个位移,此时控制阀油室A打开,调节油通过阀套窗口从进油口进入B室再进入A室,最后从出油口至油缸的底部,同时油室C也因阀芯上移而打开,油缸右部的压力油通过进出油口进入油室C、D进行泄油,于是在弹簧与及底部油压的作用下勺管右移,朝零负荷方向移动(图中朝右)。

由于滚轮槽的右移使滚轮上升,带动与之相连的阀套上升,使各油室关闭,阀芯、阀套达到新的平衡位置,勺管停止运动。与此相反,当凸轮使阀芯向下时,油室C打开,调节油从进油口经B、C室,进出油口进入油缸,在油压作用下克服弹簧力推动活塞使勺管油向

左移动,即朝满负荷方向运动(图中朝左),同时滚轮槽诱使滚轮带动阀套下移,关闭控制阀,又达到新的平衡。可见,只要控制凸轮,就可调节工作油的勺油(出口)量。

在实现勺管勺油量调节的同时,腔室的进口油由循环油控制阀调节,其作用是向涡轮腔室提供足够的,并保证液力联轴器回油温度不致过高的循环用工作油。注意,勺管控制阀的凸轮和循环油控制阀是联动的,同时调节进口油量和勺油量,互相配合以达到平衡,循环油控制阀还可通过工作油压力维持阀来调节,以保持滑阀前压力的恒定,并将来自工作油冷油器的过量油排人油箱。当勺管达不到满负荷位置时,可调整压力维持阀,使油压升高,从而让勺管左移到“满负荷”位置。

对勺管的调节过程,总结如下:升速过程,当勺管离开耦合器的进油环时,勺管的供油量下降,这时齿轮泵提供工作油填充耦合器的工作室,充油量越多,转速越快;降速过程,当勺管向耦合器的进油环移动时,勺管的供油量上升,这样一部分工作油会通过压力释放阀流掉,充油量越少,转速越慢。

五、 液力耦合器的运行知识

(一)调试

(1)液力耦合器开始运行时,必须满足正常的油温油压值。

(2)液力耦合器只能在规定的运行参数条件下,才允许功率传输和速度控制。

(3)启动时油的运动黏度不能超过400mm2/s,最低温度为5℃,如低于5℃,则油箱需要加热。

(二)试运行

(1)对整个系统检查正常,可以投运。

(2)启动辅助油泵,当油压正常时启动主电动机。

(3)主电动机运行升速后,观察辅助油泵自动停止,也可以手动停辅助油泵,检查润滑油压正常。

(4)以最小转速启动设备,检查运转平稳,油温、油压和滤油器正常。

(5)缓慢升速。通过冷却水流量来调整润滑油和工作油的温度。但必须保证最小流量通过冷油器。检查油温变化直到其稳定。按要求重新调整工作油流量,进入工作油冷油器的温度不能大于110℃。

(6)记录下整组设备运行的转速、振动和勺管的位置。

(7)将转速降至最小。停主电动机后,观察油压下降过程中辅助油泵自动启动。在主电动机和转动机械停止后停辅助油泵。

(8)试运行后,清理滤油器,然后重新充油,检查油位正常。

(三)备用

(1)耦合器在停用一天、几天,甚至几个星期后,必须每天启动辅助油泵至少5min。

(2)防止液力耦合器浸水和受潮。

(3)为了防止液力耦合器受到腐蚀(浸油),每一二个月必须短时启动液力耦合器一次。

(四)液力耦合器的运行

对耦合器温度、油压和油位的持续监视意味着无故障运行和低维护率。

1.液力耦合器的启动

(1)启动时油的黏度不能超过400mm2/s,最低温度为5℃,如低于5℃,则油箱需要加热。

(2)一般来说,耦合器可以在任何位置启动,但是保持耦合器在最小位置,能够使主电动机空载启动。

(3)辅助油泵必须先于主电动机前5min启动。

(4)满足油压正常后启动主电动机。

(5)达到油压设定值后,延时5min停辅助油泵。

(6)将勺管位置升至最大100%位置。

2.液力耦合器的运行

(1)为了能使油中空气析出,因此连续运行时油箱温度不应低于45℃(润滑油冷油器进口温度)。

(2)经常检查油温、油压和油位是否正常。

(3)通过执行机构调整勺管位置来决定转动机械的输入功率和速度。

(4)运行中发生故障时,监控仪器发报警信号,并启动辅助油泵,或停止整组设备运行。

3.液力耦合器的停止

(1)一般来说,耦合器可以在任何位置停止,但是保持耦合器在最小位置,能够使主电动机空载运行。

(2)控制液力耦合器至最小速度。

(3)启动辅助油泵运行。

(4)停止主电动机和转动机械,然后停止辅助油泵运行。

(5)辅助油泵运行时,允许从动轴以最大转速的1/3反转运行。如果超过这个转速或者辅助油泵在停止的情况下,请按以下说明处理:

下列情况输出轴反转允许1~3min:①从动轴的转向在监视状态;②发生反转时辅助油泵启动;③勺管移至100%位置;④电动给水泵出口阀关闭。

(6)如果反转发生在没有事先注意的情况下,请在下次启动前检查轴承和易熔栓。

4.液力耦合器的运行参数限额(见表8—10)

表8—10    液力耦合器的运行参数限额

项    目

单  位

高报警

低报警

跳闸值

1~10号轴承温度

90


95

工作油冷油器出口温度

75


85

工作油冷油器人口温度

110


130

润滑油冷油器出口温度

>55


>60

润滑油冷油器人口温度

>67


>72

油箱加热器

100(联停)

10(联投)


润滑油压力

MPa


O.13(联启AOP)

O.1

润滑油压低闭锁

MP


O.17(闭锁电动

给水泵启动)


润滑油差压高

MPa

0.08




六、 液力耦合器的特点

液力耦合器的特点是:能消除冲击和振动;输出转速低于输入转速,两轴的转速差随载荷的增大而增加(发动机的扭矩就是指发动机从曲轴端输出的力矩。在功率固定的条件下它与发动机转速成反比关系,转速越快扭矩越小,反之越大,它反映了汽车在一定范围内的负载能力);过载保护性能和起动性能好,载荷过大而停转时输入轴仍可转动,不致造成动力机的损坏;当载荷减小时,输出轴转速增加直到接近于输入轴的转速。液力耦合器的传动效率等于输出轴转速乘以输出扭矩(输出功率)与输入轴转速乘以输入扭矩(输入功率)之比。一般液力耦合器正常工况的转速比在0.95以上时可获得较高的效率。液力耦合器的特性因工作腔与泵轮、涡轮的形状不同而有差异。如将液力耦合器的油放空,耦合器就处于脱开状态,能起离合器的作用。

电动给水泵由定转速的交流电动机拖动,但在变工况时,只能依靠液力耦合器来改变给水泵的转速,以满足相应工况的要求。液力耦合器是以工作油为介质将原动机的机械能传递给工作机的一种液力传动变速装置,并具有平稳地改变扭转力矩和角速度的能力。在电动给水泵中,液力耦合器具有高转速、功率大、调速灵敏等特点,能使电动给水泵在接近空载下平稳、无冲击地启动,这样可选用功率较小的电动机以节约厂用电;因油压的大小不受等级限制,便于无极变速以实现给水系统自动调节,使给水泵能够适应主汽轮机和锅炉的滑压变负荷运行的需要,一般在机组负荷率低于70 9/6~80%时可以显现良好的节能效益。此外,采用液力耦合器可以减少轴系扭振和隔离载荷振动,且能起到过负荷保护的作用,提高运行的安全性和可靠性,延长设备的使用寿命。因此,液力耦合器广泛应用于现代电厂中为给水泵调速。

调速给水泵与定速给水泵相比具有的优点

调速给水泵被广泛的应用于大型发电机组中,与定速给水泵比较主要有以下优点:

(1)在使用液力耦合器后,调速给水泵可在较小的转速下启动,启动转矩较小,电动机的容量就不必要过于富裕。

(2)与定速给水泵的节流调节相比,调速给水泵无节流损失。

(3)采用变速调节,可以大幅度调整负荷,能满足单元机组滑参数运行和参加电网调峰的需要,且提高了机组运行的经济性。

七、 液力耦合器运转的注意事项

1.液力耦合器不可倒转

在与主电动机直接连接之前,需使主电动机单独运转,在确认旋转方向之后,再进行与液力耦合器的直接连接。若在液力耦合器倒转的情况进行运转,油泵吸人侧将被止回阀断流,油泵本体会损坏。

2.辅助油泵不可倒转

在确认旋转方向时,请使用辅助油泵的电动机微动进行确认。微动时间为一秒以内。

若发生辅助油泵倒转而不处理,使之继续运转,油泵本体、轴承会损坏。

3.在液力耦合器本体的工作油入口上安装了止回阀

在试运转之前,务必确认安装了止回阀,否则,当流动方向相反时,勺管及其他器件会损坏。




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