§ 5. Трансмиссии с турбоперсдачами

Трансмиссии с турбопсредачами широко применяются в силовых приводах буровых установках, так как позволяют широко изменять характеристику привода.

Эти передачи также имеют свои недостатки: более низкий к. п. д. в сравнении с к. п. д. механических передач; длительное время, необходимое на отключение; необходимость надежного уплотнения жидкости в полостях. Турбопередачи не вытесняют механические передачи, а дополняют их и применяются там, где это выгодно.

Характеристики турбопередач

Схема турбопередачи изображена на рис. XVII-14. Это центро­бежный насос и гидравлическая турбина, связанные замкнутым кругом циркуляции жидкости. В гидравлической трансмиссии вал насоса является первичным, а вал турбины — вторичным.

Главное свойство турбопередачи состоит в том, что ее к. п. д. в значительной степени зависит от передаточного отношения и лишь при определенном его отношении достигает своего макси­мума. Эта особенность вытекает из известных свойств составных частей передачи — центробежного насоса и турбины.

Представим, что при неизмененном расходе жидкости в процессе циркуляции перепад давления в турбине не зависит от скорости ее

395

вращения. Таким свойством обладает, в частности, нормаль­ная осевая турбина (см. главу III). Центробежный насос Турбо-передачи, который прокачивает жидкость через турбину, как

Рис. XVII-14. Схема турбопередачи,

1 — двигатель; 2 — рабочее колесо центробежного насоса; з ~ соединительный трубопро­вод; 4 — резервуар; 5 — направляющий аппарат (реактор); б — ведомый вал турбопередачи; 7 — рабочее колесо турбины; s — спиральный подвод турбины; & — отсасывающая труба турбины; ю — всасывающая труба насоса; и — спиральный отвод насоса.

через постоянное гидравлическое сопротивление, работает в неко­тором режиме (точка т на рис. XVII-15, а). При этом потребляется мощность JVj (точка s), не зависимая от нагрузки на турбину и ско­рости ее вращения. Поэтому линия к. п. д. передачи полностью

Рис. XVII-15. Характеристики мощности N, момента М и перепада да­вления Др в частях турбопередачи.

повторяет (в другом масштабе) характеристику мощности Л^Г₂ турбины (рис. XVII-15, б, а линия коэффициента трансформации К — характеристику крутящего момента турбины (рис. XVII-15, в). В действительности расход жидкости Q в круге циркуляции турбопередачи не сохраняется неизменным, а колеблется из-за

396

непостоянства перепада давления в турбине, а также из-за измене­ния угла направления потока а_± при входе в рабочее колесо центро­бежного насоса.

Вследствие изменения расхода жидкости характеристика тур­бины деформируется, сохраняя, однако, свой характер. Так, к. п. д. турбины, а следовательно, и к. п. д. всей передачи равен нулю при затормаживании (п₂ = 0) и при полной разгрузке (М ₂ = 0), а в интервале между тг₂ = 0 и п₂ = п^^ достигает максимума. Положение максимума к. п. д. зависит от конструк­тивного выполнения турботтередачи.

Характер обтекания лопаток и стенок каналов в круге цир­куляции, влияющий на к. п. д. гидропередачи, зависит от соот­ношения скоростей вращения валов, а в регулируемой передаче -также от положения регулирующей части.

К. п. д, нерегулируемой турбопередачи зависит только от передаточного отношения г₃₁

Если зависимость (XVI 1-14) дана, то по соотношению т\ = Ki₂₁ легко строится кривая коэффициента трансформации

/l=/₂(J_2l). (XVII-15)

Каждый режим работы центробежного насоса характеризуется безразмерным ¹ критерием (коэффициентом момента)

_EL ~ & '

При изменениях режима

Зависимости (XVII-14), (XVII-15) и (XVII-16) составляют безразмерную характеристику серии геометри­чески подобных турбопередач (рис. XVII-16). Наибольший диа­метр D проточной полости обычно принимается за основной размер, характеризующий турбопередачу. Если К_г не зависит от г₂₁, то крутящий момент, нагружающий двигатель, не зависит от нагруз­ки на ведомом валу. При выполнении этого условия характеристи­ку турбопередачи называют «непрозрачной» (рис. XVII-16, а).

Если линия К_г с увеличением г₃₁ падает, то говорят о «прямой прозрачности»; в противном случае — об «обратной прозрачности» (рис. XVI 1И6, б).

Внешняя характеристика турбопередачи стро­ится для некоторой постоянной скорости вращения первичного

i Часто применяемая формула A_Mi =—• _Ё3 -, где "f~pg, a n_L — в об.'лшм,

' 1'^

имеет размерность -^— -—— . Формула пересчета: Я₁ = 3600^Я^₁.

397

вала. Она отличается только тем, что вместо кривой изменения коэффициента A,_t наносится характеристика M_it а вместо кривой

Рис. XVII-16. Безразмерная характеристика турбопередачи.

изменения коэффициента трансформации К — характеристика мо­мента на турбинном валу M_z. По оси абсцисс откладывают г₂₁ или скорости вращения турбинного вала п₂. При испытании пере­дачи внешняя характеристика является первичной; безразмерная

2,0

характеристика легко получается из нее изменением масштаба. С другой стороны, если имеется безрамерпая характеристика для данной серии пе­редач, то внешняя характеристика получается сразу, стоит только за­даться конкретными величинами р, п± и D.

Для сравнения различных турбо-передач удобны относительные характеристики (рис. XVII-17), представляющие собой зависимости

0,1

Рис. XVII-17. Относительная характеристика турбопередачи.

л

Ма "—ГГ^

Т| =

ч,

^/2 =•/3

{XVII-17

где значком э обозначены величины, относящиеся к оптимальному (экономическому) режиму турбопередачи (при %_ax).

Применяют относительные характеристики и другого вида. Например, на график наносят данные зависимости rj = / (г₂₁) п отношений- ,,

^Ml— и М,- м* . (XVII-18)

Универсальная характеристика первого вида выражает зависимость M_lt М %, ц от п₂ при различных ско­ростях вращения насосного вала. Она получается совмещением на одном графике внешних характеристик, полученных во время

о

и спытаний турбопередачи при нескольких постоян­ных п_± (рис. XVII-18, а). Применяется также универ­сальная характеристика вто­рого вида, отличающаяся тем, что вместо кривых к. п. д., соответствующих постоянным скоростям вра­щения насосного колеса, на график наносят кривые рав­ных к. п. д. (рис. XVII-18, б). Характеристика турбопередачи в н е с к о л ь к и х ква­дрантах. Режим работы турбопередачи, при котором

045/,

г>

Рис. XVII-18. Универсальные характеристики турбопередачи;

турбина вращается в сторону, противоположную нормальному вра­щению, называется режимом противов ращения,

При i_zl -< 0 валы насоса и турбины вращаются в противополож­ных направлениях. В результате будем иметь к, п. д. с отрица-

тельным знаком, так как

Такой режим противовращения

399

возникает в процессе спуска груза с включенной турбопереда-чей, когда крутящий момент от груза превышает момент (М₂)^₀.

Режим работы турбопередачи при М₂ <^ 0 (или К << 0) назы­вается обгонным. При этом для вращения турбинного колеса к выходному валу должен быть приложен момент, совпадающий по направлению со скоростью этого вала.

Режим работы, при котором насосное колесо работает как тур­бинное, т. е. отдает энергию насосному валу, называется гене­раторным.

Турбомуфты

В турбомуфте рабочие колеса центробежного насоса и турбины предельно сближены; между ними нет никаких неподвижных лопаток, воспринимающих опорный крутящий момент.

Рис. XVII-19. Схема турбомуфты.

1 — ведущий вал; 2 — ведомый вал; 3 — турбинное колесо; 4 — вращающийся кожух; 5 ~ насосное колесо.

Схема турбомуфты показана на рис. ХУ1Ы9. При отсутствии нагрузки на ведомом валу турбинное колесо вращается синхронно с насосным колесом. При этом турбомуфта вращается вместе с за­ключенной в ней рабочей жидкостью. С нагруженном ведомого вала

400

скорость вращения турбины уменьшается и появляется циркуля­ция жидкости, как показано стрелками. Скольжение муфты

S ~~^

"2

21'

(XVII-19)

Характеристики турбомуфты представлены на рис. XVII-20.

Линия M_z в другом масштабе характеризует такя-;е мощность на

n₂,oS/MUH 0 0,1 0,2 0.3 0.4 0,5 0,6 0,7 0,8 0.9п_г,об/мин

б ,5% 00 70 60 50 W30 20 10 О

16

"норм "Т~Г

5% 80 70 6050403020 10 О

				X	A	*		/	<"
				£		/*	X N				0,B
				/	X		s	\
		x	x					\	\
/	x										0

0 0,1 B.2 0.3 0,4 0.50,6 07 0,в0,9 Ш& 0 0.1 Ш 0,3 Ofy 0,5 0,6 0.7 0,8 0,9 f.ffi_z,

S e

Рис. XVll-20. Характеристики турбомуфты постоянного наполнения. а — внешняя; б — универсальная; в — безразмерная; г — относительная.

первичном валу (п_г = idem). Мощность на вторичном валу при любом режиме легко определяется по формуле N_z = Л^Л- Если не учитывать момента трения в окружающей среде, можно считать, что К = 1 и ti = i_zl. При т)₂, приближающемся к n_lt к. п. д. тур­бомуфты теоретически стремится к единице, но так как передава­емая при этом мощность близка к нулю, а трение в окружающей среде существует, то к, п. д. резко снижается до нуля. В практике применяются турбомуфты различных типов. Различаются они геометрией полостей, свойствами характеристики, средствами регулирования, уплотнения, охлаждения, способами изготовле­ния и т, п. Внутренняя полость турбомуфты бывает двух типов: а) с внутренним тором, б) без внутреннего тора. В последнее время

26 Заказ 10)5.

401

преимущественно распространен второй тип благодаря большей мощности муфты и простоте ее конструкции. В зависимости от наполнения рабочей полости турбомуфты разделяются на две основные группы.

1. Замкнутые (с постоянным наполнением), в которых рабочая полость отделена от внешней среды. Благодаря этому количество жидкости в круге циркуляции неизменно. Все тепло, выделяюще­ еся в результате скольжения в муфте, рассеивается в воздух поверх­ ностью муфты.

2. Незамкнутые (с переменным наполнением), в которых рабо­ чая полость сообщается с внешней средой. С увеличением сколь­ жения в этих муфтах снижается передаваемый крутящий момент.

В замкнутых турбомуфтах объем пространства вне круга цир­куляции, заполненный жидкостью, сведен до минимума. Из-за отсутствия специального охлаждения и вследствие того, что они не выключаются, такие турбомуфты применяются в установке только с механическими муфтами или со специальным остановоч­ным тормозом на вторичном валу.

Турбомуфты бывают нерегулируемые и регулируемые.

Унерегулируемых муфт отмечаются два недостатка.

1. При данной скорости первичного вала она имеет единствен­ ную внешнюю характеристику, поэтому некоторому крутящему моменту М₂ соответствует единственное значение п%. Потребность в изменении передаточного отношения при постоянной нагрузке на вторичном валу возникает, например, в процессе ловильных работ в бурении или регулирования производительности бурового насоса при постоянном давлении.

2. Форма ее характеристики не приспособлена к двигателям с небольшими диапазонами крутящих моментов или скоростей вра­ щения вала.

Регулируемые турбомуфты позволяют при дан­ной нагрузке на вторичном валу осуществлять различное сколь­жение, т. е. являются вариаторами скоростей. Обычно эти муфты снабжены черпательпыми трубами, возвращающими жидкость с периферии к ее центру. Черпатедьные трубы делаются поворот­ными, стационарными и выдвижными.

Система с поворотной трубой изображена на рис. XVII-21. Каждому положению черпательной трубы соответствует определен­ное наполнение рабочей полости. Труба споим загнутым концом отчерпывает жидкость из вращающегося вместе с насосным коле­сом корпуса и направляет ее через маслоохладитель обратно в ра­бочую полость. Дополнительная камера имеет достаточный объем, что позволяет полностью опорожнять камеру при разъединении ведущего и ведомого валов. В результате увеличиваются размеры муфты, но вместе с тем в-озникают условия для большего тепло-отвода. При остановках муфты жидкость располагается ниже вала, поэтому отпадает надобность в контактных уплотнениях л уменьшаются жесткие требования к соосности колес муфты.

402

		1
			- )

м

2 1

Рис. XVII-21. Регулируемая турбоыуфта с поворотной чертштельной трубой и внутренним тором.

1 — отверстия; 2 — вращающийся корпус; 3 — чсрпательная труба; 4 — рычаг; 5 — турбинное колесо; а — насосное колесо;

М — маслоохладитель.

В легких буровых установках помимо муфт с черпателъными трубами для привода насосов, ротора и лебедки применяются также замкнутые нерегулируемые муфты. При этом муфта пред­охраняет ведомый вал от крутильных колебаний двигателя, защи­щает двигатель от перегрузки и толчков со стороны ведомой части и служит для разгона ведомого вала с места под нагрузкой.

Турботраисформаторы и универсальные турбопередачи

Турботрансформатор в отличие от турбомуфты всегда имеет неподвижный направляющий лопаточный аппарат, называемый реактором, который воспринимает разницу в крутящих моментах на обоих валах трансформатора.

При сравнении обоих видов турбонередач имеют значение сле­дующие факторы.

1. Прозрачность характеристики передачи, т. е. влияние нагрузки ведомого вала на нагрузку ведущего вала. Турбомуфта имеет совершенно «прозрачную» характеристику, ибо моменты на валах равны и изменение нагрузки в исполнительном механизме передается двигателю. Турботрансформатор может иметь непрозрачную характеристику, так что двигатель не чув­ ствует изменения крутящего момента на вторичном валу.

2. К. п. д. передачи при регулировании скорости. Тур­ бомуфта имеет высокий к. п. д., равный 0,95—0,98, только при нор­ мальном режиме работы. При снижении к. п. д. до 0,8 муфта име­ ет диапазон регулирования, равный всего 1,25—1,4. Регулиру­ емая муфта допускает широкое регулирование скорости вторичного вала, но лишь в зоне низких к. п. д. Турботрансформатор обеспе­ чивает регулирование скоростей при меняющихся передаточных отношениях 0,3—0,6 (диапазон регулирования —2) без значитель­ ного уменьшения к. п. д., равного примерно 0,8—0,85. В некото­ рых конструкциях указанный диапазон регулирования еще более расширен.

3. Простота конструкции рабочих колес, которые имеют плоские, направленные по радиусу, лопатки. Для совмеще­ ния положительных качеств турбомуфты и турботрансформатора— высокого к. п. д. для первой и регулируемости при сохранении сравнительно высокого к. п. д. для второго — применяются уни­ версальные турбо передач и, которые широко рас­ пространены в буровых установках.

Схемы турботрансформаторов весьма разнообразны. В зависи­мости от числа турбинных колес турботрансформаторы бывают одноступенчатыми и многоступенчатыми. Многоступенчатый Турботрансформатор, который имеет двух- или трехступенчатую турбину, позволяет при ограниченном расходе жидкости передавать большие крутящие моменты, т. е. при равных передаточных отношениях иметь увеличенные коэффициенты трансформации.

404

Взаимное расположение лопаточных колес в проточной полости определяет свойства характеристики турботрансформатора. В одно­ступенчатом трансформаторе наиболее распространена последова­тельность насос — турбина — реактор (считая по направлению потока в меридиональном сечении).

Так как реактор предшествует насосу, то угол входа ctj потока в насос не зависит от скорости вращения турбины, что обеспечи­вает неизменность характеристики насоса при постоянной скорости вращения насосного вала.

На рис. XVII-22 представлена конструктивная схема односту­пенчатого турботрансформатора буровых установок.

Рис. XVII-22. Конструктивная схе­ма турботрансформатора.

1 — картер; 2 — насосное колесо; з — ведущий барабан; J — фланец; 5 — цен­трирующий выступ; fi — ведомый вал; 7 — турбинное колесо; S — реактор.

Для изменения характери­стики моментов при постоянной скорости вращения ведущего вала и особенно в том случае, когда для отдельных ведомых валов требуются независимые скорости вращения, применяются регулируемые турбо-трансформаторы. Регу­лирование путем изменения на­полнения проточной полости, подобно регулированию турбо-муфт, у турботрансформаторов не применяется из-за снижения к. п. д., а также из-за кавита-ционного износа лопаточных ко­лес. Изменение характеристик достигается поворотом лопаток в насосном колесе или реак­торе.

Универсальная турбопередача удобна в том отношении, что при низких значениях крутящего момента на ведо­мом валу она превращается из турботрансформатора в турбомуфту. Преимущество такого качества особенно выявляется в буровых подъемных установках. При больших нагрузках турбопередача, являясь трансформатором, предохраняет двигатель от перегрузки. Если нагрузки небольшие, как, например, во время подъема порож­него элеватора, режим работы турбопередачи переходит на режим турбомуфты с прозрачной характеристикой. В результате двига­тель, имеющий регулятор скорости, автоматически снижает подачу топлива и соответственно крутящий момент и мощность. При этом сохраняется высокий к. п. д. турбопередачи и мощность двига­теля бесполезно не затрачивается на нагревание рабочей жид­кости.

405

Наиболее распространены простые о д н о к а м е р к ы о уни­версальные передачи, называемые ком. п л е к с н ы м и т у р б о-трансформаторами.

Для определения принципа работы комплексного турботранс-форматора рассмотрим его характеристику (рис. XVII-23).

Так как ^М = 0, то при М₂ ^> М_г опорный момент М₃ являет­ся положительным, т. е. направлен в сторону вращения насосного и турбинного колес. По мере увеличения передаточного отноше­ния момент на турбинном колесе падает и при г₂₁ = г_м M_z = M_t. Таким образом, при г₂₁ == i₄ момент на реакторе равен нулю

и при дальнейшем увеличении i_zl меняет свой знак, начиная действовать в сторону, про­тивоположную вращению тур­бинного и насосного колес.

Рис. XVI1-23. Характеристики турбо-т рапс форматора с поворотными лопат­ками.

Если установить реактор на муфте свободного хода (об­гонной муфте), позволяющей ему свободно вращаться в на­правлении вращения насосно­го колеса и не допускающей вращения в противоположную сторону, то при малейшем уве­личении i_al по сравнению с i₄

реактор начнет свободно вра­щаться. При свободном вра­щении он но оказывает значительного сопротивления потоку, поэтому приближенно можно принять M_s > 0, т.е. турботранс-форматор работает как турбомуфта.

В режиме гидромуфты соблюдается условие К «=# J, т) «=• J₂₁, т. е. к. п-. д. изменяется по прямой. Расчетное передаточное отно­шение турботрансформатора i_s выбирают из условия, чтобы к. п. д. при переходе на режим турбомуфты был равен 0,82 — 0,85.

Таким образом, комплексный турботрансформатор обеспечи­вает более широкий диапазон передаточных отношении, при кото­рых передача работает с высокими к. л. д. по сравнению с к. п. д. обычных турботрансформаторов.

В буровых установках применяются комплексные турботранс-форматоры с одним и двумя реакторами (рис. XVTI-24). При раз­делении реактора на два колеса уменьшаются потери от удара при входе потока на лопатки реактора в зоне передаточных отно­шений от г до 1_ЛГ

Характеристика комплексного турботрансформатора с двумя реакторами представлена на рис. XVII-25, Б точке Л кривой к. п. д. отмечается страгивание первого реактора, в точке Б -второго реактора, после чего наступает режим турбомуфты. Нали-

406

чие двух реакторов способствует повышению к. п. д. в золе Д—Б, в которой при одном реакторе кривая к. д. д. изменяется по пунк­тирной линии.

Ряс. XV11-24. Схема комплексного турботрапсформатора.

1'— вал ведущий; 2 — кожух; з — насос­ное колесо; 4 — турбинное колесо; а — реактор; в — втулка свободного хода; 7 —

вал ведомый.

Рис. XVII-25. Характеристика ком­плексного турботрансформатора с двумя реакторами.