福伊特R16K－550型液力偶合器調速特性分析

鄢傳武，王章生

(華電電力科學研究院，浙江 杭州 310030)

0 引言

德國福伊特公司生產的R16K－550型液力偶合器結構簡單、維護簡便、工作可靠性較高，具有較寬的調速范圍(20% ～97%額定轉速)和較高的效率(額定工況可達97%)，由于采用電動執(zhí)行器來控制調速，所以很容易實現(xiàn)手動控制和自動控制。寧夏國電石嘴山電廠技術改造工程#1機組配置的3臺電動給水泵均采用該類型液力偶合器進行調速，通過較長時間的運行，該液力偶合器工作穩(wěn)定。

1 R16K－550型液力偶合器結構及工作原理

液力偶合器主要由泵輪、渦輪、主軸及外殼等構件組成。液力偶合器的泵輪和渦輪被外殼密閉，泵輪與電動機相連。當液力偶合器運行時，存在于液力偶合器腔體內的工作液體在泵輪的攪動下，沿泵輪葉片組組成的徑向流道從泵輪的內側流向外側，并在出口處形成高壓高速的油流沖向渦輪葉片組組成的流道，油流推動渦輪運轉的同時在渦輪葉片組組成的流道中減速減壓，通過出口處回油管返回至泵輪的進口處，從而實現(xiàn)油循環(huán)。在此過程中，泵輪將電動機輸入的機械能轉換為工作油的動能和壓力能，而渦輪則將工作油的動能和和壓力能轉換為輸出的機械能，實現(xiàn)了電動機到給水泵的動力傳遞。

該液力偶合器為前置齒輪增速型，即電動機的輸出軸不是直接與泵輪軸相連，而是通過變速箱與泵輪相連，提高泵輪軸的轉速(增速比Z2/Z1=134/33)，以滿足渦輪輸出轉速的要求。不同類型的液力偶合器具有不同的工作腔型，圖1為福伊特R16 K－550型液力偶合器的工作腔室形狀及相關參數(shù)。

圖1 福伊特R16K－550型液力偶合器工作腔型(扁桃形)

2 R16K－550型液力偶合器調速特性分析

根據(jù)力學的平衡原理，忽略液力偶合器外側的鼓風和軸承等阻力扭矩的影響，液力偶合器的泵輪和渦輪之間是等力矩傳輸，即

式中:MB為泵輪的力矩;MT為渦輪的力矩。

由葉輪機械及流體力學相關原理可推導出葉輪力矩的表達式為

式中:ρ為流經(jīng)葉輪介質的密度，kg/m3;qV為流經(jīng)葉輪介質的體積流量，m3/s;ΔΓ為流經(jīng)葉輪后的速度環(huán)量的增量，m2/s，該值與葉輪進、出口處的介質流動速度和葉輪半徑有關。

由式(2)可知，改變工作介質的體積流量qV就可以改變葉輪的力矩。液力偶合器便是基于此理論，通過改變泵輪和渦輪工作腔中的循環(huán)油量，從而改變泵輪與渦輪間傳遞的力矩，進而改變渦輪輸出轉速，即改變給水泵轉速。顯然，控制液力偶合器工作油量的準確性和靈敏性成為提高液力偶合器性能的關鍵技術，但不同類型的液力偶合器調速控制系統(tǒng)可能會有所不同。液力偶合器一般通過控制進入工作腔內的油量或排出工作腔的油量來控制傳輸?shù)呐ぞ?，這種僅通過控制進口或出口流量來控制液力偶合器輸出轉速的控制系統(tǒng)在靈敏性上會顯得不足;而R16K－550型液力偶合器是通過勺管來控制液力偶合器的泄油量和通過配流閥來控制進入液力偶合器工作腔的油量，即通過同時控制工作腔的進、出口油量的方法來控制調速，這種調速控制系統(tǒng)具有很高的靈敏度。

圖2為R16K－550型液力偶合器的調速控制系統(tǒng)，圖中配流閥控制液力偶合器的進油量。凸輪盤1可以操控配流閥，凸輪盤2則用來控制勺管位置，當驅動伺服機接受來自鍋爐的負荷信號后，驅動固定了凸輪盤1和凸輪盤2的傳動桿移動，從而控制進入液力偶合器的工作油量和泄油量。當鍋爐負荷增加時，驅動伺服機的驅動凸輪盤2向其徑向增大的方向移動，凸輪盤2將使勺管控制閥向A端移動，使進入勺管活塞上壓力空間的潤滑油增多，推動勺管活塞向下壓力空間移動(即液力偶合器工作腔的泄油量減少)，勺管通過勺管標尺傳動桿推動勺管標尺向B端移動(即勺管開度增大)，同時，凸輪盤1將沿著其向半徑減小的方向移動，從而開大工作油控制閥，所以，進入液力偶合器的工作油量增加，泄油量減少，液力偶合器的渦輪增速。當凸輪盤2在驅動伺服機的驅動下向凸輪盤向半徑減少的方向運動時，則上述移動方向相反。

圖2 福伊特R16K－550型液力偶合器調速控制系統(tǒng)

3 R16K－550型液力偶合器調速性能測試

華電電力科學研究院在對國電石嘴山電廠2×330 MW技術改造工程#1機組A電動給水泵調試時，對福伊特R16K－550型液力偶合器進行了現(xiàn)場試驗，測量得到了液力偶合器勺管開度、給水泵轉速(液力偶合器輸出轉速)及給水泵流量等參數(shù)，見表1。

表1 液力偶合器勺管開度及對應的電泵轉速和給水流量

圖3 液力偶合器調試特性曲線

圖3為液力偶合器的調速特性曲線，當勺管開度在20%以內時，液力偶合器的調速靈敏度偏高，由給水泵運行工況可知，給水泵在這個轉速內處于手動控制，所以不會影響其調速性能;當勺管開度高于20%時，液力偶合器勺管開度與輸出轉速呈線性關系，但調速靈敏度有所下降，這對于調節(jié)給水泵出水流量非常有利。通過數(shù)據(jù)擬合，可得出液力偶合器的調速特性關系式為

式中:x為勺管開度，%;y為輸出轉速。

4 結束語

通過對R16K－550型液力偶合器多參數(shù)、變工況的試驗，結合其調速控制系統(tǒng)，得出了該類型液力偶合器的調速特性曲線，對于促進我國液力偶合器設計和制造技術的發(fā)展具有一定的意義。

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