高效液力變速行星齒輪復(fù)合傳動裝置及其應(yīng)用

李春生，董 泳

(1.中國石油集團(tuán) 濟(jì)南柴油機(jī)動力總廠液力傳動事業(yè)部，山東 濟(jì)南 250306; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

液力傳動的應(yīng)用與發(fā)展已有百年的歷史，諸多的優(yōu)良傳動品質(zhì)與特點(diǎn)，如能容大、功率質(zhì)量比大、高可靠性、自動適應(yīng)性，隔離衰減扭振、良好地過載保護(hù)與大慣性負(fù)載的啟動性能等，已為廣大用戶所熟知與認(rèn)可。

目前用于負(fù)載調(diào)速的液力傳動裝置主要有調(diào)速型液力偶合器和可調(diào)式液力變矩器。調(diào)速型液力偶合器采用外部手段調(diào)節(jié)工作腔中的充液量，改變偶合器的輸出特性，達(dá)到調(diào)節(jié)工作機(jī)械轉(zhuǎn)速的目的。在電站鍋爐給水泵、鋼廠煤粉輸運(yùn)風(fēng)機(jī)、石化工業(yè)泵與壓縮機(jī)的傳動與調(diào)速方面有著非常廣泛的應(yīng)用。

液力元件傳遞的功率與泵輪輸入轉(zhuǎn)速的三次方、循環(huán)圓直徑的五次方成正比，因此提高泵輪輸入轉(zhuǎn)速可大幅增加傳動功率并減小體積，圖1是齒輪增速式調(diào)速型液力偶合器，目前單機(jī)傳遞功率可以達(dá)到60 MW、轉(zhuǎn)速20 000 r/min以上［1－4］。

液力偶合器調(diào)速技術(shù)成熟簡單，使用維護(hù)方便、工作壽命長，初始投資低、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低。但調(diào)速型液力偶合器裝置傳動效率等于轉(zhuǎn)速比，在額定工況轉(zhuǎn)速附近效率很高，而在較低負(fù)荷工況傳動效率明顯降低，因此不大適合調(diào)速范圍要求較大的大功率調(diào)速的應(yīng)用。

圖1 齒輪式調(diào)速型液力偶合器傳動裝置［1］

導(dǎo)葉可調(diào)節(jié)式液力變矩器可通過調(diào)節(jié)可調(diào)導(dǎo)輪的葉片角來改變輸出特性，圖2為結(jié)構(gòu)簡圖，特性曲線如圖3所示。

從液力變矩器的特性曲線可以看出，渦輪輸出轉(zhuǎn)矩在制動工況時最大，隨著轉(zhuǎn)速比的增大，渦輪輸出力矩單調(diào)下降，近似一條等功率曲線?？烧{(diào)式液力變矩器可應(yīng)用于恒轉(zhuǎn)矩的場合［5］，如容積式的往復(fù)泵(化肥廠的甲胺泵等)、螺桿泵、壓縮機(jī)，還有混合攪拌機(jī)(如化工行業(yè)中的反應(yīng)釜)、擠壓機(jī)、石油鉆機(jī)(絞車、鉆井泵的驅(qū)動)等。對于恒轉(zhuǎn)矩類的負(fù)載，雖然隨著轉(zhuǎn)速的降低，負(fù)載轉(zhuǎn)矩近似不變，導(dǎo)葉開度減小泵輪轉(zhuǎn)矩下降，泵輪輸入功率減小，因此在低轉(zhuǎn)速下效率要高于偶合器。

圖2 導(dǎo)葉可調(diào)式液力變矩器［5］1－輸入軸;2－泵輪;3－渦輪;4－輸出軸;5－可調(diào)導(dǎo)葉; 6－導(dǎo)葉調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu);7－齒輪泵;8－安全閥;9－油箱

德國福伊特公司的導(dǎo)葉可調(diào)式液力變矩器的一個重要應(yīng)用場合是聯(lián)合電廠燃?xì)廨啓C(jī)啟動［6－10］，通過設(shè)置不同的導(dǎo)葉開度，獲得不同的輸出特性，滿足啟動過程變化的速度與力矩特性的要求。導(dǎo)葉可調(diào)離心渦輪液力變矩器正反轉(zhuǎn)工況特性還適合某些特殊負(fù)載工況的應(yīng)用，如石油鉆機(jī)驅(qū)動中替代電磁渦流剎車實(shí)現(xiàn)下鉆制動功能［11］。

圖3 導(dǎo)葉可調(diào)式液力變矩器原始特性

導(dǎo)葉可調(diào)式液力變矩器的最高效率一般不會超過90%，隨著負(fù)荷的減小效率還會下降，雖然在低轉(zhuǎn)速下效率高于偶合器，但還是比較低，用于大功率調(diào)速不占優(yōu)勢。

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展與人們節(jié)能減排意識的逐漸深入，在大功率的應(yīng)用場合，對于動力傳輸設(shè)備的傳動效率提出了更高的要求。調(diào)速控制是目前應(yīng)用非常廣泛的節(jié)能運(yùn)行方式，而傳統(tǒng)的調(diào)速型液力偶合器、可調(diào)式液力變矩器都存在效率方面的局限，由此促使液力行業(yè)更加重視高效液力變速與傳動裝置的應(yīng)用與開發(fā)。

1 液力變速行星齒輪復(fù)合傳動裝置

液力機(jī)械傳動的效率很高，采用可調(diào)式液力元件即可實(shí)現(xiàn)調(diào)速。液力變矩器的效率曲線是拋物線形狀，高效范圍有限，要在增速、減速、恒速傳動中獲得高效，需要液力變矩器和行星齒輪結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的合理匹配。

1.1 增速調(diào)速傳動

圖4所示為福伊特公司的RWE型液力行星齒輪傳動裝置，其基本組成為導(dǎo)葉可調(diào)式液力變矩器和行星變速箱，在60%～100%的調(diào)速范圍內(nèi)，可以保持較高的傳動效率。

液力變速行星齒輪的運(yùn)行基于功率分流原理，即大部分的功率直接通過主軸和行星齒輪以機(jī)械傳動方式傳遞，只有一小部分功率通過液力變矩器疊加在旋轉(zhuǎn)的行星齒輪上。由于大部分功率都是以機(jī)械形式傳遞，整個裝置的最高效率可以超過95%。

圖4 RWE型液力行星齒輪傳動裝置［12］A－導(dǎo)葉可調(diào)式液力變矩器;B－固定的行星齒輪;C－旋轉(zhuǎn)的行星齒輪;D－工作油循環(huán)

圖5給出分流各功率隨相對輸出轉(zhuǎn)速的變化曲線。差動輪系太陽輪的輸出功率(P3)相當(dāng)于傳輸給工作機(jī)械的功率，這個功率包含齒圈傳遞的功率(P1)和行星架傳遞的功率(P2)。旋轉(zhuǎn)行星齒輪的齒圈通過主輸入軸直接與驅(qū)動電機(jī)相連，以恒定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn);接近75%的主電機(jī)功率通過差動齒輪系高效地傳遞給工作機(jī)械;旋轉(zhuǎn)行星齒輪行星架的功率(P2)則通過液力變矩器傳遞。在高轉(zhuǎn)速工作區(qū)域，只有大約25%的傳遞功率從液力變矩器分流到行星架，也只有這部分功率受液力變矩器工作效率的影響，計算工況變矩器的效率可以達(dá)到89%，也就是說，在液力變矩器中的損失功率占變矩器分流功率的11%左右，相對于整個傳遞功率，比例則更小一些。圖5中P2負(fù)功率表明的是在較低的裝置輸出轉(zhuǎn)速情況下，液力變矩器工作于反轉(zhuǎn)制動工況，液力變矩器的渦輪吸收外部功率。

圖6給出的是液力變速行星齒輪與齒輪式調(diào)速型偶合器傳動效率的對比，齒輪式調(diào)速型偶合器只有在額定工況附近才具有較高的傳動效率，而液力行星齒輪在較寬的負(fù)荷變化范圍內(nèi)可以保持較高的傳動效率。

圖6 液力裝置傳動效率對比［13］

圖7給出的是福伊特公司液力變速行星齒輪的另一種型號，與RWE型相比，除了液力變矩器以外，包含調(diào)速型液力偶合器，以及內(nèi)置的摩擦離合器和充液量可調(diào)的液力制動器，集成了液力傳動中的三大主要元件，這種設(shè)計使裝置的轉(zhuǎn)速控制范圍擴(kuò)大到了10%至100%。

液力變速行星齒輪彌補(bǔ)了調(diào)速型液力偶合器低速比或者低負(fù)荷工況效率偏低的不足之處，在機(jī)組60%～100%的負(fù)載率變化范圍內(nèi)具有與變頻傳動可比擬的總體傳動效率，這一點(diǎn)，齒輪式調(diào)速型液力偶合器是做不到的。在負(fù)荷變化并不是十分大的場合，液力行星齒輪的總體優(yōu)勢還是非常明顯的，是能夠與高壓變頻器抗衡的大功率調(diào)速裝置。國內(nèi)此類產(chǎn)品目前處于空白，認(rèn)知程度也不是很高，具有一定的應(yīng)用及發(fā)展空間。這類傳動裝置重點(diǎn)應(yīng)用在海上鉆井平臺、天然氣管道、原油和流體輸送管道、石油精煉廠、石化廠和其他工業(yè)設(shè)備中，應(yīng)用環(huán)境對設(shè)備運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性及可靠性具有很高的要求。具體應(yīng)用領(lǐng)域有:

圖7 RW型液力行星齒輪傳動裝置［13］A－調(diào)速型液力偶合器;B－摩擦離合器;C－可調(diào)式液力變矩器;D－變充液量液力制動器;E－固定的行星齒輪;F－旋轉(zhuǎn)的行星齒輪

(1)能源工業(yè):電站鍋爐給水泵，鼓風(fēng)機(jī)等;

(2)石油和天然氣、化工行業(yè):管線壓縮機(jī)，工藝壓縮機(jī)，制冷壓縮機(jī)，氫再循環(huán)壓縮機(jī)，液化天然氣(LNG)原料氣體壓縮機(jī)，液化天然氣(LNG)閃蒸氣體壓縮機(jī)等;

(3)其他工業(yè):壓縮機(jī)、泵和風(fēng)機(jī)的驅(qū)動。

1.2 減速調(diào)速傳動

RWE..AB是福伊特液力行星齒輪中用于低速傳動的一種型號，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍60%～100%，配備的液力制動器可使大慣性的工作機(jī)械在停止運(yùn)轉(zhuǎn)時能夠快速停機(jī)，圖8是其原理簡圖。

圖8 RWE..AB型液力行星齒輪傳動裝置

大功率液力變速行星齒輪減速傳動，可用工業(yè)普通的4極或6極定速電動機(jī)，而不必考慮選用昂貴的、大功率多極低速電機(jī)配置高壓變頻器。

減速液力行星齒輪傳動在火電廠的磨煤機(jī)上已有成熟應(yīng)用。其他行業(yè)，如化工領(lǐng)域PVC生產(chǎn)線上的聚合釜、化肥廠柱塞式甲胺泵，石油礦場鉆機(jī)設(shè)備，液化天然氣往復(fù)式壓縮機(jī)等低速工作機(jī)械，也可探討采用液力行星齒輪替代可調(diào)式液力變矩器、調(diào)速型液力偶合器作為調(diào)速驅(qū)動裝置。

1.3 恒速控制

福伊特公司于2003年提出“風(fēng)電液力驅(qū)動”的概念，2006年研制成功液力恒速控制裝置應(yīng)用于DeWind公司的 D8.2風(fēng)力機(jī)，裝置命名為“Win-Drive”，實(shí)現(xiàn)了與常規(guī)燃油、燃?xì)饣蛉济弘姀S相似的直接并網(wǎng)發(fā)電方式。WinDrive裝置的基本組成為一臺行星變速箱和一臺導(dǎo)葉可調(diào)式液力變矩器，仍然是一類典型的液力變速行星齒輪復(fù)合傳動裝置［14］。

圖9 用于大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的液力行星齒輪傳動裝置

圖10給出采用WindRive裝置的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)原理，此種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，可調(diào)式液力變矩器的主要功能是配合行星齒輪系，適應(yīng)不斷變化的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，利用分流的小部分功率實(shí)現(xiàn)變化的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速到同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的恒定輸入，從而保證發(fā)電機(jī)輸出電壓與頻率的穩(wěn)定而不必附加其他大功率逆變裝置。

圖10 應(yīng)用液力變速行星齒輪的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)原理簡圖

對于采用液力變速行星齒輪的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有如圖11所示的組成部件的運(yùn)動關(guān)系，圖11中的液力變矩器“B”代表泵輪;“T”代表渦輪;“D”表示導(dǎo)輪。

根據(jù)圖11的原理圖，通過運(yùn)動方程關(guān)系的建立與推導(dǎo)，可以得出變化的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速到恒定的發(fā)電機(jī)輸入轉(zhuǎn)速、渦輪輸出轉(zhuǎn)速與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的匹配關(guān)系。

圖11 風(fēng)電液力恒速控制系統(tǒng)傳動關(guān)系

式中 nG(nB)——太陽輪的轉(zhuǎn)速，也是液力變矩器

的泵輪和發(fā)電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)速/r·min－1;

nT——液力變矩器渦輪輸出轉(zhuǎn)速/r·min－1;

nR——風(fēng)輪轉(zhuǎn)速/r·min－1;

α1——差動輪系傳動比;

α2——行星輪系傳動比;

α3——增速箱傳動比。

風(fēng)輪通過增速裝置驅(qū)動行星架旋轉(zhuǎn)，太陽輪驅(qū)動液力變矩器的泵輪和發(fā)電機(jī)，通過液力變矩器渦輪輸出轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，使齒圈轉(zhuǎn)速按某一規(guī)律響應(yīng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的變化，即可達(dá)到使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定輸入的目的。

對于圖11中的差動輪系傳動機(jī)構(gòu)，三個構(gòu)件與它們相聯(lián)的三個軸上的轉(zhuǎn)矩存在如下關(guān)系。

式中 MB——液力變矩器泵輪輸入轉(zhuǎn)矩;

MG——發(fā)電機(jī)輸入軸轉(zhuǎn)矩;

－MT——液力變矩器渦輪輸出轉(zhuǎn)矩;

MR——風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)式(2)中的轉(zhuǎn)矩比例關(guān)系，可以得到液力變矩器渦輪的輸出轉(zhuǎn)矩。

由式(1)可得渦輪輸出轉(zhuǎn)速。

變矩器渦輪輸出轉(zhuǎn)矩與風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩是標(biāo)準(zhǔn)的比例關(guān)系，而渦輪轉(zhuǎn)速與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系則是一條負(fù)斜率直線的關(guān)系，即隨著風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的增大，風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩增大，而液力變矩器渦輪輸出轉(zhuǎn)速則是降低的，渦輪輸出轉(zhuǎn)矩也是增大的。液力變矩器適應(yīng)風(fēng)輪工作的這種特征正是液力變矩器本身自動適應(yīng)性的體現(xiàn)。

圖12 WinDrive裝置工作特性［14］

作為流體機(jī)械，液力變矩器的輸出特性與風(fēng)輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速特性相吻合，因此，將兩者配合起來使用是非常理想的。同時也不難理解，在圖12所示的WinDrive工作特性曲線中，在常見的裝置輸入轉(zhuǎn)速(對應(yīng)變化的風(fēng)輪輸入轉(zhuǎn)速)變化范圍(n2～nmean)內(nèi)，可調(diào)式液力變矩器工作在某一固定導(dǎo)葉開度附近即可滿足系統(tǒng)工作要求，并保持較高的傳動效率。

WinDrive裝置已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)化運(yùn)行階段，蘭州電機(jī)公司(LEC)也于2011年引進(jìn)采用WinDrive技術(shù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組［14］。WinDrive裝置在新能源開發(fā)中的應(yīng)用，為傳統(tǒng)的液力傳動技術(shù)拓寬應(yīng)用領(lǐng)域開辟了新的方向。

2 結(jié)論

(1)調(diào)速型液力偶合器和單獨(dú)的液力變矩器都難以滿足用戶在更寬的負(fù)荷變化范圍內(nèi)保持節(jié)能高效的運(yùn)行要求。

(2)液力變速行星齒輪可以滿足工業(yè)生產(chǎn)大多數(shù)應(yīng)用場合高效傳動的要求，同時也適應(yīng)多種負(fù)載(包括恒轉(zhuǎn)矩)類型的調(diào)速與驅(qū)動。模塊化的各個組成部分都采用了實(shí)踐證明的成熟可靠技術(shù)，對于經(jīng)濟(jì)性和控制方面有更高要求的場合是一個很好的選擇。

(3)液力行星齒輪應(yīng)用于大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，仍然是基于功率分流的原理，從而獲得較高的傳動效率。兆瓦級的風(fēng)機(jī)，幾百千瓦以上的分流功率，對于液力傳動尚屬于低功率的等級，液力傳動的明顯優(yōu)勢依舊得以發(fā)揮。

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