Характеристики гидротрансформатора

Гидравлические машины и передачи

План лекции

4.1.2.2. Характеристики гидротрансформатора

4.1.3. Гидравлические турбины

Характеристики гидротрансформатора

Если пренебречь трением, то передаваемая гидротрансформатором мощность не изменяется, следовательно . Откуда , где w₁ и w₂ – угловые скорости вала двигателя и трансмиссии; k – коэффициент трансформации. Максимальная величина коэффициента трансформации может принимать значения k_max =2 – 8, в зависимости от назначения и конструкции гидротрансформатора.

Для анализа характеристик гидротрансформатора рассмотрим его работу на установившемся режиме. На этом режиме сумма моментов, приложенных к гидротрансформатору извне, должна равняться нулю, т.е.

M₁ – M₂ ± M₃ – M_с = 0,

где M₁ и M₂ – моменты на валах насосного и турбинного колес; М₃ – момент на реакторе; М_с – момент сопротивления, вызванный трением в подшипниках, уп­лотнениях и трением вращающихся колес о воздух.

Учитывая, что практически на всех эксплуатационных режимах момент сопротивления М_с мал по сравнению с активными моментами, им пренебрегают. Тогда

M₁ – M₂ ± M₃ = 0, (4.4)

т.е. момент на турбинном колесе М₂ может быть больше или меньше момента на насосном колесе M₁ на величину реактивного момента M₃.

Зависимость (4.4) нанесена на график (рис. 4.4, а) при постоянной угловой скорости насосного колеса w₁ постоянном крутящем моменте M₁ и переменной величине передаточного отношения i =w₂/w₁. Отметим, что при малых i в любой произвольно выбранной точке А₁ величина М₂ определяется суммой моментов M₁ и M₃. При i = i* величина M₃ на реакторе принимает нулевое значение и М₁ = М₂. Этот частный режим гидротрансформатора принято называть режимом гидромуфты. При i > i* в любой произвольно выбранной точке А₂ величина М₂ определится разностью моментов M₁ и M₃ (рис. 4.4, a).

Рис. 4.4. Характеристика гидротрансформатора: а) изменение моментов; б) безразмерные параметры

При сравнительном анализе свойств различных гидротрансформаторов широко используются безразмерные параметры. В частности, для анализа изменения моментов вводят коэффициент трансформации

(4.5)

Графическая зависимость k =f(i) приведена на рис. 4.4, б. Она практически повторяет зависимость M₂ =f(i) на рис. 4.4, а, т.к. последняя была построена для M₁ = const.

Одной из важнейших характеристик работы гидротрансформатора является его КПД. Формулу для оценки КПД получим из отношения мощностей на турбинном N₂ и насосном N₁ колесах с учетом (4.2) и (4.5):

, (4.6)

т.е. КПД гидротрансформатора равен произведению его коэффициента трансформации k на передаточное отношение i.

Зависимость h = f (i) нанесена на рис. 4.4, б. Она представляет собой кривую с максимумом в точке В и нулевыми значениями в точках О и D. В точке О величина КПД принимает нулевое значение, т.к. в этой точке i = 0. Тогда, в соответствии с (4.6), h = 0. В точке D КПД величина принимает нулевое значение, т.к. в этой точке k = 0 и, следовательно, h = 0.

График, приведенный на рис. 4.4, б, принято называть характеристикой гидротрансформатора.

Применение гидротрансформаторов ограничивается недостаточно высокими КПД. Так, их максимальные значения составляют h= 0,8 – 0,93 (точка В на рис. 4.4, б), но существенно падают при отклонении от этого режима. Особенно неприемлемо это падение в области высоких значений передаточного отношения, т.е. при i 1 (окрестности точки D, рис. 4.4, б).

До режима гидромуфты (при i < i*) момент на реакторе М₃ имел положительное значение (рис. 4.4, а), а после него (при i > i*) момент M₃ становится отрицательным. Следовательно, при i = i* момент на реакторе меняет знак, т.е. направление действия. Это обстоятельство используется для повышения КПД гидротрансформатора при i 1. В конструкцию гидротрансформатора включают муфту свободного хода М (см. рис. 4.4). При положительном значении момента на реактивном колесе она обеспечивает неподвижность реактивного колеса ("стопорит"). При изменении направления момента на реакторе обгонная муфта освобождает реактор, который начинает свободно вращаться вместе с потоком жидкости. При этом гидротрансформатор начинает работать в режиме гидромуфты, так как в этом случае у него отсутствует неподвижное реактивное колесо. Такой гидротрансформатор, в котором совмещаются свойства гидротрансформатора и гидромуфты, называется комплексным гидротрансформатором.

Характеристика комплексного гидротрансформатора при 0 < i < i* совпадает с характеристикой обычного гидротрансформатора, т.е. зависимостью КПД является линия ОВС (см. рис. 4.4, б). А при i > i* характеристика комплексного трансформатора совпадает с характеристикой гидромуфты, т.е. зависимостью КПД является линия СЕF. Таким образом, КПД комплексного гидротрансформатора изменяется по линии OBCEF (см. рис. 4.4, б) и имеет существенно более высокие значения в области больших передаточных отношений по сравнению с обычным гидротрансформатором.

Коэффициент трансформации комплексного трансформатора с переходом его на режим гидромуфты принимает значение k = 1.

Гидротрансформаторы получили распространение в технике, где наиболее часто применяются совместно с двигателями внутреннего сгорания в составе различных машин (автомобилей, тракторов, тепловозов и т.д.). Широкая область машиностроения, в которой используются гидротрансформаторы, привела к появлению весьма большого разнообразия их конструкций. Конструктивные схемы различных гидротрансформаторов приведены на рис. 4.5. На схемах буквами Н обозначены насосные колеса, буквами Т – турбинные и буквами Р – реактивные (реакторы).

Рис. 4.5. Разновидности гидротрансформаторов:

а, б) одноступенчатый с одним реактором; в) одноступенчатый с двумя реакторами; г) двухступенчатый с двумя реакторами; д) трехступенчатый с двумя реакторам

Главным конструктивным признаком гидротрансформатора, отличающего его от гидромуфты, является наличие хотя бы одного реактивного колеса. Большинство конструкций гидротрансформаторов, кроме наружной торовидной поверхности, имеют также внутренний тор (рис. 4.5, а, б, в). Это обеспечивает более устойчивую циркуляцию рабочей жидкости. В конструкциях гидромуфт внутренний тор используются достаточно редко. В гидротрансформаторах с большим количеством рабочих колес классическая форма тора "деформируется" (рис. 4.5, г, д).

В большинстве конструкций современных гидротрансформаторов реактор устанавливается после насосного колеса, перед турбиной (рис. 4.5, б, в, г, д). Существуют гидротрансформаторы и с установкой реакторного колеса за турбинным колесом, перед насосным (рис. 4.5, а), Такие гидротрансформаторы позволяют обеспечить реверс колес, т.е. разное направление вращения насоса и турбины. Гидротрансформаторы могут иметь три и более рабочих колеса. Конструкции с несколькими насосными колесами практически не используются, но получили широкое применение гидротрансформаторы с несколькими турбинными и несколькими реактивными колесами.

По числу турбинных колес гидротрансформаторы подразделяются на одно-, двух- и трехступенчатые. Важным для характеристик гидротрансформатора является тип используемого турбинного колеса. Они могут быть центробежными (жидкость через турбину движется от оси вращения к периферии – колесо Т₁ на рис. 4.5, г, с, д), центростремительными (жидкость через турбину движется от периферии к оси вращения – рис. 4.5, б, в) и осевыми (направление жидкости через турбину практически параллельно оси вращения колеса – рис. 4.5, а).

Многоступенчатые гидротрансформаторы могут иметь два и более реактора, каждый из которых устанавливается перед своим турбиннымколесом. Кроме того, комплексные гидротрансформаторы также могут иметь несколько реакторов, что позволяет существенно повышать их КПД. Гидротрансформатор практически любого типа может быть комплексным, если его оборудовать муфтами свободного хода. И наоборот, любой комплексный гидротрансформатор может быть переоборудован в простой. На рис. 4.5, б, вконструктивные схемы представлены в комплексных вариантах, а на рис. 4.5,а, г, д – в простых.

Как было показано ранее, комплексным гидротрансформатор делают для повышения его КПД в зоне больших передаточных отношений. Для этой же цели используют гидротрансформатор с блокировкой. В его конструкцию включают дополнительное устройство с принудительным включением, которое позволяет на определенном режиме заблокировать валы насосного и турбинного колес, т.е. объединить их в единый вал. В этом случае его КПД становится h = 0,95 – 0,98.

Выбор гидротрансформатора определяется областью его использования и условиями эксплуатации, Так, в трансмиссиях легковых автомобилей наиболее часто используются одноступенчатые комплексные трансформаторы с одним реактором и турбинами центростремительного типа (4.5, б).

Такие гидротрансформаторы имеют величину коэффициента трансформации k_max = 2,5 – 3,5 при i = 0 и максимальный КПД h_max = 0,7 – 0,85.

В том случае, когда необходимо повысить КПД гидротрансформатора, используют комплексные гидротрансформаторы с двумя реактивными колесами (рис. 4.5, в), которые последовательно "срываются" с муфт свободного хода в процессе изменения передаточного отношения i. Такие гидротрансформаторы применяются на автобусах и других автомобилях с повышенными требованиями к эксплуатационным показателям.

В большинстве конструкций современных автомобильных гидротрансформаторов крутящий момент приводит в движение вращающийся корпус (рис. 4.5, б, в), который жестко соединен с насосным колесом. При этом крутящий момент подводится к корпусу со стороны турбинного колеса. А ведомый вал гидротрансформатора, на котором установлено турбинное колесо, выходит из него со стороны насосного колеса. Гидротрансформаторы на автомобилях и других транспортных машинах обычно работают совместно с планетарной коробкой передач и называются гидромеханическими передачами.

Гидротрансформаторы разгонного типа применяются в трансмиссиях строительных и дорожных машин (экскаваторах, погрузчиках и др.). Их конструкции выполняются с большим количеством турбинных и реактивных колес (рис. 4.5, г, д). Характеристики таких гидротрансформаторов отличаются высокими преобразующими свойствами (k_max = 3,5 – 8), а максимальные КПД достигаются при относительно небольших передаточных отношениях i = 0,55 – 0,65.

Гидротрансформаторы применяются также в трансмиссиях тракторов. Назначение выпускаемых тракторов весьма разнообразно – от выполнения транспортных функций (универсальные тракторы) до строительных работ (бульдозеры). Поэтому в их трансмиссиях могут использоваться как комплексные двух- и трехколесные гидротрансформаторы (рис. 4.5, б, в), так и многоколесные (рис. 4.5, г, д).

Кроме отмеченных областей использования, гидротрансформаторы применяются на тепловозах, водных судах, бурильных установках и т. д. На тепловозах используются многоциркуляционные гидропередачи, в которых несколько гидропередач работают параллельно и являются единым устройством. На судовых установках также применяются сложные комбинированные гидропередачи. В состав этих установок, как правило, входит и гидротрансформатор обратного хода (рис. 4.5, а) для обеспечения реверса гребного винта. В бурильных установках используются гидротрансформаторы с поворотными лопатками.

Гидравлические турбины

Гидравлические турбины в соответствии со стандартной классификацией относятся к гидравлическим лопастным двигателям. Предшественниками гидравлических турбин являются водяные колеса, которые на протяжении почти двух тысяч лет до появления паровых машин и двигателей внутреннего сгорания были основными энергетическими машинами. Полезная мощность турбины подсчитывается по формуле

,

где Q – расход жидкости; Н – напор; – коэффициент полезного действия. Коэффициент полезного действия гидравлических турбин достаточно высок и составляет 0,90 – 0,95.

Турбина состоит из трех основных элементов: рабочего колеса с лопастями, подводящего устройства и отводящего устройства. В гидродинамических передачах подводящее и отводящее устройства могут отсутствовать. В гидроэнергетике используются четыре типа турбин (см. рис. 4.6). При небольших напорах (до 70 метрах) применяются осевые турбины (г). Диагональные турбины (в) предназначаются для диапазона напоров от 40 до 200 метров. Радиально-осевые турбины (б) имеют широкий диапазон изменения напоров: от 50 до 700 метров. Ковшовые турбины (а) с безнапорным потоком в рабочем колесе используются в горных местностях с большими располагаемыми напорами (от 400 до 2000 метров). В различных гидравлических агрегатах используются все упомянутые типы турбин.

На гидроэлектростанциях турбины используются для привода электрических генераторов. Во многих случаях неподвижные элементы гидравлических турбин представляют собой одно целое с блоком здания гидроэлектростанции (ГЭС). Красноярская ГЭС является одной из крупнейших в мире. Ее радиально-осевые турбины имеют наружный диаметр 7,5 метров. При напоре 100 метров и расходе воды 600 м³/с каждый агрегат имеет мощность 500 МВТ и КПД 0,92. Поворотнолопастные осевые турбины с вертикальной осью имеют еще большее значение диаметра (свыше 10 метров).

Рис. 4.6. Гидравлические турбины

В настоящее время повсеместно распространены большие гидростанции: так, в США лишь 11 % мощности всех гидростанций приходятся на долю ГЭС с мощностью менее 30 МВт. Однако в наши дни строительство больших электростанций встречает большое сопротивление со стороны экологов. Гидроэлектростанции относятся к возобновляемым источникам энергии. Однако они выводят большие площади земель из естественной экосистемы. Малые гидростанции в этом отношении являются более привлекательными. Они работают при напорах от двух и менее метров и имеют мощность до 2 МВт. Для уменьшения эксплуатационных расходов такие станции обычно являются полностью автоматизированными.