Основы теории и принцип действия гидромуфт (турбомуфт)

           Создание первых гидродинамических муфт  относится к началу 20-го столетия.

Первым изобретателем этой простой гидропередачи был инженер Г.Фëттингер,

предложивший при реализации равенства моментов на  насосе и турбине для   передачи энергии с высоким  КПД  отказаться   от использования   реактора в им же изобретенном турботрансформаторе. Таким образом, в итоге появился второй тип гидродинамической передачи – турбомуфта, состоящая из двух, соосно расположенных друг напротив друга,  лопастных колес, одно из которых соединено с вращающейся крышкой.            

     Уникальные изобретения  Г.Фëттингера  факти чески базируются на фундаментальной теории движения жидкости. В частности расчет  теоретического значения крутящего момента гидромуфты связан с турбинным  уравнением Эйлера.

Согласно этому уравнению напор H, развиваемый насосным  колесом центробежного типа, равен:             H= ω1 /g ∙ (r1U1   r2U2),     ω1= (π n1)/30   где:                                                          

ω1, n1 –соответственно угловая скорость и частота вращения насосного колеса                                

 

r1,  r2    – соответственно наибольший и наименьший радиус циркуляционного потока,                          

 U1, U2 – соответственно линейная скорость на выходе и входе  колеса,

 g  ─ ускорение силы тяжести.

Момент турбомуфты определяется из формулы  

                             Мг= N / ω1= 1 / ω1∙( Q∙ ρ∙ g ∙ H )…..(1)        где :

        N  ─ мощность,

        Q ─  расход жидкости в каналах колес турбомуфты,

        ρ─ плотность жидкости.

Подставив в уравнение  (1) значение напора, получим  формулу для теоретического значения момента турбомуфты:

                                        Мг = Q∙ ρ (r1U1 ─  r2U2)                                                                       

Уравнение момента относится  в равной мере как к насосному колесу (насосу), так   и  к турбинному колесу (турбине), т.е.  

Мн (М1) = ─ Мт (М2).                                                           

 КПД турбомуфты  η  определяется   как отношение η = М2∙n2 / М1∙ n1.  

Т.к. М2 = М1, то       η = n2 / n1= i .

Это значит, что КПД равен передаточному отношению.     Как правило, в виду имеется  КПД при номинальном моменте турбомуфты.       

       Принимая во внимание связь    турбинного уравнения Эйлера   с основами  теории  гидродинамических передач, становится понятным    появление  термина турбомуфта, которую    позднее   чаще   стали   именовать  как   гидромуфта  или   более  правильно  гидродинамическая муфта.

Момент гидромуфты Мг  подчиняется также  зависимости, отражающей закон подобия  лопастных машин                  

Мг = λм·ρ·(n1/ 60)2·Da5 (2),  где:

λм -   безразмерный   коэффициент  момента,  являющийся   параметром   гидромуфты данного типа при  заданных значениях 

ρ и i ( i-  передаточное отношение гидромуфты,             

 i = n2 / n1,   n2 - частота вращения турбинного колеса (турбины),                                        

Da -   активный    диаметр  колес,   равный   их   наибольшему   диаметру  по  лопаткам.    

   Из уравнения (2) следует, что момент гидромуфты пропорционален  плотности жидкости, квадрату частоты вращения насоса и пятой степени активного диаметра.

 

Отставание   скорости турбины   от скорости  насоса называется скольжением, которое  определяется    выражением     

S=(n1 ─ n2) / n1∙100 %    (в процентах),  а      S = 1- i.       Номинальное  скольжение   Sн =1─ iн, так  же, как  и  iн   соответствует  номинальному  моменту гидромуфты.                          

 

  Принцип действия и  особенности устройства основных типов гидромуфт       

                                (турбомуфт) постоянного  заполнения.

                                                    

Для  уяснения принципа действия турбомуфты рассмотрим  гидродинамическую передачу (рис.1), состоящую из центробежного насоса   и  радиально-осевой турбины. Вал насоса соединен с валом приводного двигателя (электрического или дизельного), а вал турбины с входным валом трансмиссии  машины. Работа такого привода  основана на использовании кинетической энергии жидкости или иными словами за счет ее  динамического (скоростного) напора в процессе взаимодействия с лопатками турбины.  Насос связан с турбиной  соответствующим трубопроводом. Всасывая жидкость из бака, насос подает ее  через трубопровод в турбину. При этом в насосе механическая энергия двигателя преобразуется в кинетическую энергию жидкости, скоростной поток которой попадает с ударом и некоторым торможением на вход лопаток турбины. Дальнейшее торможение жидкости  в турбине происходит при ее протекании к оси вращения по лопаткам, которые нагружаются силами Кориолиса, в связи с тем, что частицы жидкости участвуют в двух движениях: с одной стороны во вращении вместе с колесом, а с другой стороны движутся по его лопаткам.   Таким образом, совместное действие сил удара струй жидкости в лопатки турбины при входе потока в это колесо и  сил Кориолиса, воздействующих на лопатки  при протекании потока в каналах, вызывает вращение вала  указанного колеса. Это значит, что подведенная к турбине кинетическая энергия потока преобразуется в ней в механическую энергию, необходимую для  совершения работы машиной.

      В центре рис.1 схематично изображена собственно турбомуфта, содержащая  те же насос, турбину и соединенную с насосом крышку. В такой конструкции уже нет бака и трубопроводов, а сами насос и турбина имеют минимальный осевой  зазор, что позволили существенно увеличить КПД передачи.         

                               

                                      

                                         

                                                                             Рис.1

На рис.2a и рис.2b  показана предохранительная турбомуфта (гидромуфта).   Насос 1 (внутреннее  лопаточное колесо   на рис 2.a) гидромуфты соединяется с валом приводного двигателя, а вал турбины 2 (внешнее лопаточное колесо на рис.2a), как и положено, с входным валом рабочей машины. Оба колеса, имеющие небольшой зазор по торцам лопаток, вращаются на одной  геометрической оси. Крышка 3 (рис.2a) совместно с турбиной 2  образуют замкнутый объем, в который заливается масло или иные рабочие жидкости (РЖ).  Оба рабочих колеса снабжены плоскими радиальными лопатками, а собственно полость межлопаточных каналов колес образует рабочую полость, в которой при взаимодействии колес формируется  крутящий момент, передаваемый посредством жидкости от ведущего колеса (насоса) к ведомому колесу (турбине). Передача энергии в гидромуфте реализуется без  контакта и износа ее силовых рабочих   элементов.

                      

             Предохранительная гидромуфта 

                      

                                                                            

                           Рис. 2a                                                                                                                       Рис. 2b                               

                                                                                                

   

   

         Между    валом насоса 1 и турбиной 2 с одной стороны и крышкой 3  с другой  размещены подшипники. В данном конкретном примере гидромуфта устанавливается на вал двигателя (стандартная монтажная схема). Гидромуфта помимо стандартной монтажной схемы  может иметь и обратную ей, а именно реверсивную монтажную схему (см. рис.3), при которой  гидромуфта устанавливается на вал редуктора.

 

 

                         

                                                        

                                                                    Рис.3

                 «Черные» стрелки относятся к силовому потоку в реверсивной монтажной         

                        схеме,  «белые» к силовому потоку  в стандартной монтажной схеме.

 

 

 

 

 

При включении двигателя насос 1 разгоняется очень быстро. Напор  насоса и его вращающий момент пропорциональны квадрату частоты вращения. Поток, ускоряясь в насосе, ударяет на его выходе  в  лопатки турбины (на  входе в нее), а далее проходит в сторону оси вращения турбины, отдавая этому колесу энергию, вновь всасывается насосом на его входе.  Жидкость в насосе «заряжается» следующей порцией  кинетической энергии. Процесс многократно повторяется, поскольку  кинетическая энергия в турбине вновь преобразуется в механическую энергию вращения. Этот процесс протекает непрерывно.  Жидкость движется в каналах обоих колес гидромуфты по замкнутому кругу, который и называется кругом циркуляции.

Поскольку гидромуфта является механизмом без внешней   опоры, то вращающий момент М2 турбины  равен моменту М1  насоса.

      Тем не менее, передача энергии от насоса к турбине и наоборот происходит с некоторыми потерями, величина которых зависит в большой степени от режима работы привода. В рабочей зоне установившегося режима КПД гидромуфты составляет  96-98%. Это значит, что потери энергии, превращающейся в тепло, составляют  соответственно 2-4%. Особенностью гидромуфты является то, что передача  энергии  в ней возможна лишь при  скорости вращения турбины, меньшей   скорости вращения насоса. При равных скоростях колес циркуляция потока жидкости в гидромуфте прекращается, поскольку крутящий момент не формируется. Как только на валу турбины появляется хотя бы небольшое сопротивление (нагрузка), циркуляция потока жидкости возобновляется, скорость турбины замедляется, а на ее валу   появляется вращающий момент, равный внешнему моменту сопротивления.

            Увеличение скольжения является всегда результатом увеличения нагрузки.  Если скольжение гидромуфты равно 100% (S=100%), то это значит, что под  воздействием возросшей нагрузки вал турбины вместе с рабочим органом машины остановился. В этом случае если момент  сопротивления не превышает максимального момента двигателя, то насосное колесо продолжает вращаться практически с прежней скоростью, в то время как  турбина остается неподвижной. В таком режиме вся подводимая энергия переходит в тепло. = М1, то       η = n2 / n1= i , а номинальн

       КПД гидромуфты (η ) определяется как отношение η = М2 n2 / М1 n1.                  Т.к. М2

ое скольжение Sн =1 iн.  Нужно иметь в виду, что понятия КПД и iн относятся как правило к номинальным значениям частот вращения и момента гидромуфты. Для любых же значений  момента и частот вращения  всегда  справедливо равенство  S =1 i.

   С применением гидромуфт в различных машинах и оборудовании привод приобретает  вполне определенные полезные свойства, степень проявления которых    определяется правильно выбранным типом гидромуфты и ее соответствием режимам работы машины.

  

         Предохранительные свойства и автоматичность срабатывания.         

                                       

 

Гидромуфты предохранительного типа обеспечивают надежную и стабильную защиту от недопустимых перегрузок двигателя, механической передачи и машины в целом. Предельное значение крутящего момента гидромуфты определяется  лишь количеством жидкости в ее  полости. Гидромуфты этого типа широко применяются в приводах машин, работа которых сопряжена с частыми перегрузками. Гидромуфты защищают машины также и в режимах разгона при повышенных пусковых нагрузках и  большом моменте инерции  быстровращающихся роторов.

    В гидромуфте  (рис.2) физический механизм защиты от перегрузки состоит в том, что с ростом момента сопротивления на валу турбины 2 уменьшается и ее скорость вплоть до полной остановки. Поток жидкости, находящийся в  каналах этого колеса опускается в центральную дополнительную камеру и заполняет ее.  Насос 1 в этом режиме отсасывает из этой камеры определенное количество жидкости, но в тот же самый момент времени в нее из турбины 2 (под избыточным напором насоса 1)  подается  ровно такое же количество жидкости. Таким образом, наступает динамическое равновесие в  потоке, при котором постоянно часть жидкости аккумулируется в центральной камере, а уменьшенное количество  жидкости, циркулирует в каналах колес, что приводит  к необходимому снижению крутящего момента. Аналогичная картина имеет место при пуске, но процесс протекает в обратном порядке.

              Предохранительная гидромуфта обладает высоким быстродействием  при экстренных и пиковых нагрузках за доли секунды снижает крутящий момент до значения, соответствующего моменту при скольжении 100%. При снятии с  машины   нерегламентированной нагрузки гидромуфта автоматически переходит в рабочий режим с минимальным скольжением.

      

 

                                    Плавность пуска машин.

 

    Предохранительные гидромуфты позволяет плавно страгивать машину и разгружать двигатель при его пуске. Обусловлено это тем, что момент гидромуфты, как указано выше, при возрастании скорости двигателя постепенно увеличивается с нуля по закону квадратичной параболы.

      Для ряда машин по условиям эксплуатации требуется особо высокая плавность пуска, для чего необходимо снижение пускового вращающего момента до значений    1,2 ÷ 1,4 от номинальной величины. Исключительно важно это, например, для пуска  ленточных конвейеров большой длины, в которых используется резинотканевая или синтетическая лента. При выполнении указанного снижения пускового момента исключаются опасные динамические колебания в ленте и ее пробуксовка по  тяговым барабанам. Для этой цели созданы гидромуфты пуско-предохранительного типа.

 

 На рис.5 показана гидромуфта пуско-предохранительного  типа с дополнительной камерой

                                                                                                                                                                                                         

                                       

.                                 «Transfluid»,   исполнение  ССKR            

                         

                                                                                                           Рис.4

 

 

  Гидромуфта  отличается   от  обычной предохранительной гидромуфты тем, что к ее крышке  присоединена камера.   

                                                                                                                                                                                             

                                                                                          

 

 

Совместные  характеристики  гидромуфты  и короткозамкнутого       

                                                электродвигателя.

 

                                  Взаимосвязь характеристик

 

На рис. 8 и 9 показана взаимосвязь  характеристик электродвигателя и гидромуфты.

 

            

                                                     Рис.8                                                                                                               Рис.9

 

      На рис. 8 представлены  две кривые запуска привода с гидромуфтой и    кривая моментной характеристики электродвигателя. Затененная область  между кривой момента двигателя и кривой момента гидромуфты при  ее скольжении, равном 100%, показывает, какой движущий момент может быть использован для старта и ускорения ротора двигателя.

 Ротор двигателя ускоряется примерно за 1÷2 секунды, что соответствует изменению  крутящего момента от точки А до точки В.  Это свидетельствует о возможности быстрого запуска двигателя и постепенного плавного разгона рабочей машины, в приводе которой установлена гидромуфта. Двигатель  в рабочих режимах используется оптимально, что видно в части  участка    кривой крутящего момента между   точкой  В (100%)  и   точкой    С (скольжение гидромуфты равно 2% - 5%).   Точка С – типичная   рабочая   точка  для условий нормальной эксплуатации.           

          Из  рассмотрения кривых  (рис.9)  тока    короткозамкнутого  электродвигателя при использовании гидромуфты и при ее отсутствии в приводе следует, что система привода без гидромуфты с прямым запуском двигателя имеет серьезные недостатки:

• потребляемый электрический ток при запуске в 6÷7 раз больше номинального, что вызывает повышение температуры двигателя, перегрузку электрических линий в случае частых запусков,  повышение стоимости эксплуатации.                                                                  

  • излишняя занятость персонала, обслуживающего привод, в связи с необходимостью устранения вышеуказанных недостатков.                                                                             

                      Выравнивание нагрузок на электродвигатели
                                 (двухдвигательный  привод)

Для наглядности показана возможность полного выравнивания нагрузки с помощью гидромуфт, соединенных с каждым из двух двигателей привода.

quadro                              Случай  "жесткого" привода.

           Валы двух двигателей напрямую соединены с входным валом суммирующего редуктора. В основу определения нагрузки на валах двигателей принято допущение, что рабочая часть графика моментной характеристики электродвигателя  линейна по отношению к его скольжению.

      Валы обоих двигателей в этом случае имеют друг с другом жесткую связь.  Среднее значение рабочей нагрузки равно значению 2Мн.
В этом случае
         М+ М= 2Мн  (a),    где М1д, М   - моменты соответственно на валу    1-го и 2-го двигателей.

         Эти моменты  равны:           М  н · (ns-np) S · ns   
                                                                       
M  н ·  (ns-np) S · ns


ns-синхронная частота вращения двигателей,
np-частота вращения входного вала редуктора,
S, S2д   - скольжение соответственно 1-го и 2-го двигателя.

Подставляя в равенство (a) соответствующие выражения для М1д  и М, можно найти фактическое значение np .

                                                np = ns - (2 ns S1д S2д)/( S1д + S2д)

Роторы обоих двигателей вращаются с частотой  np и скольжением                                     

S= S=(ns -np)/ns. Моменты М1д  и М при предельном, но допустимом отклонении скольжения в пределах   ±20%  (ГОСТ 183-74) могут отличаться в 1,5 раза. При переменном характере нагрузок, разброс  моментов может быть достаточно большим и опасным, по меньшей мере,  для 1-го двигателя.

  quadro                      Случай установки в привод гидромуфт.  

Скольжение  гидромуфт может изменено в необходимых пределах за счёт небольшой разницы в заполнении  РЖ.
Скольжение гидромуфт, связанных соответственно  с1-м и 2-м двигателем равно:

                                                S1г =1-( np / n1д )
                                                S2
г = 1-( np / n2д )

    Частота вращения турбин обеих гидромуфт, жёстко связанных между собой через редуктор, одинакова и равна np, поэтому  n (1-S) = n (1-S)    (b).

   С 1-м двигателем работает гидромуфта, имеющая большее скольжение и наоборот, т.е.   S> S2.         S1г =1- n  /n·(1-S).

 

                                Снижение динамичности нагрузок  

 

quadro       Использование гидромуфты приводит к демпфированию и гашению крутильных колебаний крутящего момента широкого спектра амплитуд и частот, а также снижению пульсирующих и пиковых нагрузок,  действующих в рабочем  режиме, как  в элементах передачи, так и в приводном двигателе динамически нагруженных машин.

Гидромуфта благодаря инерционным свойствам циркулирующей в ней жидкости и частичному рассеиванию энергии способствует снижению динамичности нагрузках в

целом, что позволяет существенно продлить срок службы машин за счет устранения усталостных разрушений узлов и деталей.

quadro     Расчетная долговечность составных частей привода , находящегося под воздействием нестационарных нагрузок  спектра амплитуд и частот, определяется зависимостью:            

                                   Т= К/Σ ( Fni )m εi fi (час),    где:

К    - статическая долговечность, час,
Fni - приведенная нагрузка,     Fni = ( ψ Fст+Аi),
Ψ    - коэффициент приведения нагрузки,
Fст - статическая составляющая нагрузки,
Аi    - текущее значение удвоенной амплитуды колебания нагрузки,
f i       - текущая частота  колебания нагрузки,
εi       - частость нагрузки при текущей частоте fi ,
m    - коэффициент, зависящий от условий и режимов эксплуатации машины,             (например, для  горнодобывающих машин m=5-7).
Анализ формулы долговечности показывает, что особенно снижение амплитуды  колебаний нагрузки приводит к существенному повышению долговечности.

На рис.10 представлена амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) по крутящему моменту в механической трансмиссии для двух вариантов привода:  электромеханического привода  с гидромуфтой (1) и такого же привода, но без гидромуфты (2). На графиках  АЧХ:  АМр - амплитуда крутящего момента в редукторе, АМс-амплитуда внешнего момента сопротивления на входе в редуктор; по оси абсцисс отложена  текущая частота нагрузки f i. Сопоставляя АЧХ обоих вариантов привода, можно установить, что динамичность нагрузок   в случае установки в привод гидромуфты снижается примерно в 1,5 раза. Аналогичные зависимости  для моментов в двигателе, свидетельствуют о снижении динамичности в двигателе как минимум в 2 раза.


                                                                     Рис.11

              

Приведенные данные, подтвержденные экспериментально, указывают на то, что гидромуфта не только не пропускает на электродвигатель высокочастотные колебания крутящего момента, но и уменьшает его амплитуду в звеньях трансмиссии.

        В случаях стопорения исполнительного органа машины кинетическая энергия, переходящая в потенциальную энергию деформации элементов механической передачи, при использовании гидромуфты в 6-8 раз меньше, чем  при ее отсутствии. Это в значительной степени обусловлено тем, что момент инерции турбины намного меньше момента инерции ротора электродвигателя.

 

                    Основные преимущества привода  с гидромуфтой.

• Плавное ускорение тяжелых маховых масс.
• Быстродействие, стабильность и автоматичность срабатывания
  при заданном значении крутящего момента.
• Надежная защита двигателя, узлов трансмиссии и машины в целом от
  недопустимых опасных нагрузок в режимах пуска и экстренного     торможения.
• Эффективное демпфирование усилий в механической передаче и    двигателе   при колебаниях нагрузки широкого спектра частот и амплитуд.
• Возможность применения  дешевых, короткозамкнутых     электродвигателей,    в том числе и с пониженным пусковым моментом.
• Отказ от запаса установленной мощности двигателя.
• Высокий КПД передачи (0,97 в рабочей зоне).
• Равномерное распределение нагрузки на двигатели при    многодвигательной   системе привода машины и возможность поочередного   пуска двигателей с целью снижения величины пиковых токов в электросети.

• Регулирование простыми средствами потребляемой мощности и скорости
  машин и механизмов. Дистанционное и автоматическое управление.
• Значительное увеличение срока службы машин за счет эксплуатационной  надежности.

Установкой гидромуфт в приводе  машин, имеющих
   высокую степень изношенности, в значительной мере решается

задача  продления  эксплуатационного  ресурса.

Буклет с описанием применения регулируемых гидромуфт в приводах центробежных насосов