液力耦合器教案

2.采用调速型液力耦合器

汽动给水泵由汽轮机驱动，在变工况时，可改变汽轮机转速满足不同工况的要求。电动给水泵由电动机驱动，在变工况时，只能依靠液力偶合器改变电动给水泵的转速，满足负荷变化的要求。

液力偶合器是一种利用液体传递扭矩，能够无级变速的联轴器。液力偶合器的主要用途是在原动机转速不变的情况下，改变输出转速，从而达到改变输出功率的目的。 1．技术参数

电动给水泵用的液力偶合器型号为R16K.1,其主要技术数据如下： 项 目 型号 输入转速 额定输出转速 额定输出功率 重量 调速范围 额定滑差 单 位 r/min r/min kW kg % % R16K.1 2985 4718（设计点工况） 2827.3（设计点工况） 1500 25%～100%（对应设计点工况） ≤3 顺 时针（从电动机 向 偶合器 看） 输出轴旋转方向 2．液力偶合器传动原理

图4-9是液力耦合器的结构示意图。它主要由两个带有径向叶片的碗状工作叶轮组成（参看图4-29）。一个为主动轴带动的工作转轮，称泵轮；另一个为与从动轴相连的工作叶轮称涡轮，两轮相对且保持一定的间隙。在泵轮与涡轮中的径向叶片之间又形成一对工作腔室，构成一个循环通道，即称循环圆。循环圆内充有工作液体，通常是矿物油，也可是透平油。为避免共振，涡轮的叶片数一般比泵轮的少l一4片。

若主动轴由原动机驱动以一定的转速nB旋转，则循环圆内的工作液体由于泵轮叶片的作用，从靠近轴心处流向泵轮的外圆处。在流动过程中工作油从泵轮获得了能量，因而工作油在泵轮的出口处具有较大的动量矩(质量与速度的乘积为动量，动量乘以它与轴心的距离，称为动量矩)。具有较大动量矩的工作油，沿着绝对速度的方向冲入涡轮。

冲入涡轮内的工作油，首先作用在涡轮外周处的叶片上，然后沿着涡轮的径向叶片组成的径向流道，流向涡轮靠近从动轴的轴心处。在工作液体从涡轮的进口流向出口的过程中，工作油的动量矩减少，涡轮便从工作液体中获得了力矩，于是也转动起来，转向与泵轮同，但转速nT低于泵轮转速nB。工作油从涡轮出口处流出，动量矩已经很小了，它得重新流入泵轮。在泵轮中它又获得了能量，在泵轮出口处工作油又具有较大的动量矩。这些工作油又冲入涡轮的叶片，将能量传给涡轮。如此周而复始不断循环，涡轮便始终能获得能量，并以转速nT旋转起来。

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图4—31表达了工作油在泵轮内运动的情况。泵轮旋转，工作油以相对速度w沿径向流出，泵轮带动工作液体一起做圆周运动。圆周速度u与圆周相切并和泵轮转向一致，绝对速度v则为相对速度w与牵连速度u的矢量和，绝对速度v表明了工作油离开泵轮的方向。

涡轮被泵轮驱动起来，但涡轮的转速始终低于泵轮的转速，即nT < nB。因为，若泵轮与涡轮的转速相等，则泵轮出口处的工作油的压力与涡轮进口处的油压相等，且它们的压力方向相反，相互顶住，工作液体无法在循环圆内流动。工作油不流动，涡轮就得不到力矩，当然就不能转动，nT亦就为零了。涡轮依靠工作油传递能量，而工作油的流动必须满足nT < nB。由以上分析可知，涡轮的转速永远只能低于泵轮的转速。只有当nB >nT时，泵轮出口处的工作油压力才大于涡轮进口处工作油的压力，工作油在压力差作用下产生循环运动，于是涡轮被冲动旋转起来。

根据流体力学原理，若不计液体在泵轮、涡轮中的流动阻力，则泵轮作用在工作轮上的力矩MB与工作液体给于涡轮的力矩MT，满足下列关系 MB = MT

设泵轮旋转角速度为ωB，涡轮的旋转角速为ωT。若不考虑轴承、密封等机械损失及容积损失，则工作液体从泵轮得到的功率为MBωB，涡轮从工作油得到的功率为MTωT，液力耦合器的效率为

η= MTωT / MBωB =ωT/ωB 设速比为i ，则

i = nT / nB =η

由上式可知，在忽略流体的流动阻力及轴承、密封等损失的情况下，液力偶合器的速比i等于耦合器的传动效率。另外，速比与滑差S有下列关系 i = nT／Nb = l一(nB—nT) = l—S

速比i越大，滑差S越小，反之亦然。液力耦合器在满载情况下的速比为97.8％，滑 差则为2.2％。

3．液力耦合器的特性

液力联轴器的特性，可以用外特性表示。液力联轴器的外特性是指泵轮转速nB和工作液体密封度ρ及液体运动粘度系数ν不变的条件下，泵轮力矩MB、涡轮力矩MT、效率η与速比i的函数关系。图4—32所示为液力联轴器的外特性，分析图形可得出以下结论。 (1)力矩MB(MT)随速比i的增加

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而减小，亦即随着涡轮转速的增加，传递力矩下降。当i = 1，即nB=nT时，力矩为零。此时循环圆内工作液体不流动，泵轮无法向工作液体传递能量，涡轮亦不能从工作液体中获得能量。当i=0，即nT=0时，力矩MB(MT)达到最大。此时，循环圆内的循环工作油流量最大，泵轮给工作液体的能量全消耗在各种能量损失上。

(2)液力偶合器的效率η随着i的增加而直线上升。当i=1时，偶合器的效率η=1，实际上偶合器的效率不可能等于1。当效率高达A点(i=0.985)后效率曲线急剧下降到C点(i=0．99)时，效率已降到零。这是因为当i趋向于1时，液力耦合器传递的力矩值最小，但工作轮转动时所受到的空气阻力力矩所占比例却越来越大，传动效率也就不再上升，而是很快就降到零。传动速比较小时，由于传动的力矩值较大，而涡轮的转速又较低，因此空气阻力可以略而不计。从A点到C点，对应的i=0.985~0.99。在使用液力耦合器时总希望提高它的效率，换言之，希望提高涡轮的转速nT。在设计时，一般取速比i=0.95~0.975。 (3)在设计工况时(i=0．95～0．975)，偶合器应具有尽可能大的力矩。由力矩公式可 知，力矩越大，液力偶合器的有效直径可以减小。对大型低速液力偶合器，可显著地减小偶合器的尺寸。(这就是为什么装增速齿轮)

(4)i=0时，力矩Mo应尽可能小。因为涡轮转速为零时，若传动力矩小，则意味着防护性能好，脱离性能也好，空转损失发热少。

循环圆内的工作油流量Q与速比i也密切相关。当速比i=0时，循环圆内工作液体的流量Q达到最大。随着速比i的增大，工作液体流量Q不断减小，直到i=1，工作油的流量Q为零。图 4-33所示为循环圆内工作油流量与速比i的关系曲线。

4．液力偶合器部件、结构与油系统

现以进口的R16K--550型液力偶合器为例来介绍，其结构如图4-34所示。原动机轴拖动液力联轴器主动轴1，主动轴上装有大齿轮4与5，大齿轮传动小齿轮29与30，使液力偶合器的泵轴增加转速。泵轮25通过工作液体使涡轮23旋转。18为旋转内套，在旋转内套与涡轮间的腔室中装有可移动的勺管14。在泵轮与涡轮的轴上均装有推力轴承。 主油泵与工作油泵同轴而装，它们由主动轴通过增速齿轮6驱动。工作油泵为离心式，主油泵为齿轮式。9辅助油泵为齿轮式，它由电动机拖动。35为双向双滤油器，在运行时可相互交替使用其中一组。当滤网上积垢过多时，差压计上的读数增大，就可更换另一组，使积垢过多的一组滤油器停役清洗。

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液力偶合器一般都配有增速齿轮，使涡轮的转速高于原动机的转速，然后在这个较高的转速值下往降低转速的范围内调速。液力偶合器的增速方法有一级增速与两级增速。所谓一级增速，即只有一组增速齿轮，液力偶合器可放在增速齿轮之前(低速端)，也可放在增速齿轮之后(高速端)。液力偶合器布置在高速端，则偶合器的尺寸可大为缩小，但高速对偶合器的材料质量要求较高。偶合器若布置在低速端，则偶合器的尺寸较大，但对偶合器的材料质量要求较低。R16K--550型偶合器为一级增速，且液力偶合器布置在高速端。 采用两级增速的液力偶合器，有两组增速齿轮，一组置于泵轮前，另一组置于涡轮后。它吸收了低速端布置与高速端布置的优点，但造价较贵。大容量给水泵液力偶合器有不少都是采用两级增速的。

[泵轮涡轮组成的循环流道对液力偶合器工作性能影响甚大。目前循环圆流道有标准型内环流道、长圆形流道、圆形流道、扁圆形流道、桃形流道和多角形流道等。桃形流道外

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